Small Cell Enhancement物理层关键技术研究

周代卫，周宇，孙向前

（工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室，北京 100191）

1 引言

随着智能终端和移动互联网的快速普及与迅猛发展，网络数据流量呈爆发式增长。虽然LTE/LTE-A商用网络的覆盖和容量不断提升，运营商仍面临着高速增长的数据流量所带来的严峻挑战以及不同覆盖场景和用户密度下网络负载失衡的问题，特别是用户密集的热点和室内覆盖盲点区域。

为解决这些问题，增强网络覆盖广度，实现数据流量的分流和系统容量的提升，移动运营商在现有L T E/L T E-A网络架构下可部署异构网络（Heterogeneous Network），利用宏蜂窝实现广域覆盖，同时开通小基站（Small Cell）补充移动网络热点覆盖，进而缓解特殊应用场景下业务流量失衡的问题。Small Cell及其增强型技术Small Cell Enhancement（SCE）在此方面正起到越来越重要的作用。

Small Cell为工作在授权分配频段上的低发射功率无线接入节点，通常其覆盖范围在10～200米之间。相比之下，宏蜂窝Macro Cell的覆盖范围可达数公里。Small Cell在实际应用中可灵活配置、快速部署，用于解决热点、盲点、弱覆盖场景等问题，同时提升系统容量。在HetNet中，尤其是热点地区，Small Cell可以有效提高整个网络的吞吐量，满足用户更高的业务需求。

Small Cell的产品形态灵活多变，可分为家用Femtocell（2×50mW）、室外Picocell（2×1W，室外补盲）、室内Picocell（2×125mW，企业级室内覆盖）、Microcell（2×5W，室外补盲）等，均由电信运营商接入移动通信网来统一部署和管理。

2 Small Cell技术问题与挑战

HetNet通过宏基站和小基站的多层级分层次部署，其中宏基站主要提供广域覆盖，而小基站用于提供热点补充和室内覆盖，从而总体上提高了频谱资源利用率，同时提供了更灵活的部署方案，缓解了移动通信网数据流量的负载失衡。但基站密度和接入网层级的提升将带来组网复杂度的提高，也产生了一系列新的技术问题和挑战，具体可以概括为如下几方面：

2.1 小区间干扰

Small Cell部署后的干扰包括：Small Cell与Macro Cell的相互干扰、相邻Small Cell间的干扰、Macro Cell终端用户对Small Cell接收的干扰等。

Small Cell与Macro Cell间的干扰可以通过异频组网逐步优化，但仅适用于运营商频谱资源较充足的情况。而实际上LTE/LTE-A一般采用宏微同频组网，对于非补盲情形，宏微之间需要采取干扰协同策略以抑制相关干扰，如几乎空白子帧ABS技术。

对于相邻Small Cell间的干扰，Small Cell发射功率如果过大，则容易对宏站或其他Small Cell设备产生干扰，而发射功率过小又不能满足一定的覆盖要求，所以Small Cell还需要达到根据干扰状况自动动态调整和设定其发射/导频频率的要求。

至于Macro Cell终端用户对Small Cell接收的干扰，当Macro Cell用户穿越具有封闭用户组CSG属性的特定Small Cell区域时，因其不能接入Small Cell，该用户下行链路将受到Small Cell下行信号的较大干扰，同时此用户发射的上行信号则会干扰到Small Cell用户的上行链路。为了减少这种干扰对用户的影响，3GPP在Rel-10及后续版本对原有的干扰协调机制进行增强，也即eICIC机制以及后续演进的feICIC。

2.2 移动性管理

基站分布密度的攀升将不可避免地导致用户越区切换愈发频繁，一方面加重了网络侧的协议负荷和信令处理难度，另一方面Small Cell相对较小的覆盖范围会导致在执行原有切换流程时较高的失败率。

目前，LTE/LTE-A的切换参数配置原本是基于同构网络环境而设计，但在HetNet中，小区边界处的信号变化并不同于同构网络，同时终端测量指标也更复杂。因此主要为同构网络而设定的切换参数并不能适应HetNet环境下的切换。

为了解决HetNet中的移动性问题，3GPP主要从2个方向开展技术研究：一种是尽可能地简化切换流程，并降低切换频次，即当终端用户在同一Macro Cell范围内的不同Small Cell间移动时，通过由Macro Cell主导和决定是否需要切换，并总体上控制切换流程；另一种方向是针对HetNet本身特性进行优化，如采用移动性锚点（Mobility Anchor）技术，以及针对HetNet的切换参数做进一步的重定义、扩展和优化等。

2.3 回程承载

Small Cell回程网络通常采用公用数据网PDN，如xDSL，但PDN因同时承载固网宽带用户，其传输带宽经常受其他用户的挤占和忙闲时的影响，拥塞也时常发生。但信令、操作管理维护OAM及交互类业务（如Video Streaming、VoIP等）对数据速率、报文延时/抖动、丢包率有较高要求，必须在传输层面保障不同业务的QoS等级。

在PDN传输质量难以保障的情况下可改用无线传输，但需要事先评估Small Cell与无线传输中继节点间的无线传输信道质量，当无线信道质量较好时，如无障碍物的视距传播LOS条件，可采用微波传输，但在建筑物密集且衰落大的城市环境，可使用非视距传播NLOS技术来解决回程问题，如Relay。

2.4 负荷均衡

在系统容量方面，通常Small Cell比Macro Cell小很多，因此在移动用户和业务分布不均的情况下，特别是热点地区和高峰时段，容易出现部分Small Cell用户超限和流量拥塞，而部分其他Small Cell较为空闲的情况，这将拉低网络的整体使用率，同时直接关系到用户使用感受，还可能引发网络过载甚至瘫痪等故障。

为高效利用Small Cell系统资源，有效分流网络数据流量，实现网络负载的动态调配，通常可采取两方面的举措：一方面通过重定向Redirection机制将系统繁忙的Small Cell用户转移至空闲的邻区Small Cell；另一方面通过小区边界扩展技术CRE（Cell Range Extension）来吸收更多的Macro Cell用户，分流更多的宏站流量。

2.5 维护和优化

Small Cell在具体部署位置和配置数量上可灵活调整，且数目较为庞大，在实际应用中邻区配置的不合理会导致HetNet进一步复杂化，非常不利于系统规划和后续优化，也不利于用户移动性管理，降低用户使用体验。同时，过多的邻区也可能导致小区切换更频繁，增加终端设备功耗，浪费网络资源。因此在部署规划、运营维护和网络优化等方面都存在很大的挑战。

针对HetNet的这一特点，在前期网络部署时需充分考虑到不同场景下配置邻区的数量和切换参数以及邻小区的无线环境和系统负载，通过SON自组网技术自主配置网络，减少人为干预；同时通过后期的不断维护，优化邻小区测量配置，避免冗余的宏微小区间切换、乒乓切换等。

3 SCE物理层关键技术

为有效解决上述Small Cell所面临的技术挑战，3GPP在Rel-12中提出了小区增强SCE（Small Cell Enhancement）技术，并重点在底层物理层提出了两大关键优化和改进方向：频谱效率的提高和小区间高效协作。

3.1 频谱效率的提高

为提高LTE/LTE-A现行频谱效率，在SCE技术框架中，通过如下3个方面的机制可进一步提升有限的频谱带宽的利用效率。

（1）高阶调制方式256QAM

LTE/LTE-A空口Uu受无线信道质量的影响，目前使用的最高效的调制方式为64QAM。而在Small Cell部署场景下，小区覆盖范围小，且用户呈几何分布，特别是在室内且用户移动性低的场景下，信道质量较有保障，这使得在用户的下行传输链路中引入更高阶调制成为可能，如256QAM。

而256QAM的引入将导致现行的信道质量指示符CQI、对应的调制与编码策略MCS和传输块大小TBS的不足，需要对其进行扩展以涵盖256QAM等高阶调制方式；同时上层MAC/RRC层的适配机制和eNodeB选择/通知UE使用新CQI/MCS/TBS的机制也需要做相应的适配和完善。

（2）减少用户特定参考信号

在Small Cell的部署场景下，其物理信道具备如下2个特性：

1）因时延扩展比较小而导致的频率选择性衰落较小；

2）因用户的移动性低而导致的时间选择性衰落较小。

上述特性使得上下行用户特定参考信号开销的降低具有可行性。

在下行用户特定参考信号部分，其主要受PRB绑定大小、用户移动速度、调制方式、传输损伤等因素的影响，当信噪比SINR较好时，参考信号降低效果明显。

而用户的上行特定参考信号在时域和频域都可考虑减少开销，方式包括减少每个子帧上参考信号符号的数目、减少携带参考信号的子载波的数目等。

（3）控制信令的增强

多子帧调度和跨子帧调度可以用来减少控制信令开销。对于多子帧调度和跨子帧调度这2种方法的有效性和潜在增益有多种不同观点，目前为止仍没有确定这2种方法所能取得的增益。但是这2种方法使得PUSCH的调度更加容易，比如几乎空白子帧ABS的调度。

传输PDSCH/EPDCCH的OFDM的第1个符号#0可以用来减少控制信令开销。仿真结果已经证明通过这种方法可以取得一定增益，但是该方法只能在类似于PQI引入TM10的方式下才会有效，同时会影响到eNodeB通知UEPDSCH/EPDCCH起始符的信令和相应的兼容机制。

3.2 小区间高效协作

除了进一步提升频谱效率外，在SCE物理层技术体系中，还可以通过优化和改善小区层间的协作机制克服文章前面所描述的困难和挑战，其主要技术手段可概括为如下3类：

（1）干扰避免与协作

SCE中主要有如下几种干扰避免与协作技术：

1）Small Cell开关

Small Cell的开关机制是指HetNet中在适当时刻关闭某些小区或者唤醒某些处于关闭状态的小区，从而减少Small Cell之间的干扰，优化整个通信系统。

Small Cell的开关机制包括为了节能的长期休眠、半静态开关机制、理想动态开关机制、新载波类型NCT及NCT参考信号等。

2）增强型功率控制与调整

Small Cell的下行功率控制增强是指Small Cell能自适应调整其发射功率，包括公共控制信道和业务信道发射功率。下行功率控制可以针对特定小区或用户进行设定。

Small Cell的上行功率控制增强主要考虑用户对相邻非服务小区形成的干扰，在决定上行功率时统筹考虑用户到服务小区和多个邻区的路径损耗。

3）多小区场景下增强型频域功率控制

在Small Cell密集部署场景下，不再只有单一的干扰源，随着小区数的增多，小区间的互相干扰将越多越复杂。而增强型小区间干扰协调eICIC在时域与频域上都可以进行干扰协调。

在时域干扰协调方面，可采取的措施有：不同小区采用不同的ABS类型、ABS类型快速自适应、eNodeB根据数据域CRS是否存在而采取不同的功率控制机制等。ABS只包含一些必要信号，比如PSS/SSS、PBCH、CRS、Paging、SIB1等（用来兼容Rel-8/9的版本），且功率很低。eICIC通过在干扰小区中配置ABS子帧，而被干扰小区则使用这些ABS子帧为原来在小区中受较强干扰的用户提供业务，从而实现了小区间干扰的协调。

在频域方面，通过不同的小区配置不同的PRB/CC，包括自动的载波选择等措施可以进一步协调干扰。

另外，ePDCCH可以进一步减少小区间的控制信道干扰，服务小区和相邻小区可对其承载的ePDCCH进行联合发射、波束赋形、资源预留和动态小区选择等。

4）负载均衡

负载均衡的目的是通过均衡各个小区的业务负荷从而提升整个系统的性能。负载均衡不仅使小区间业务量分布更加合理，而且在Small Cell密集部署场景下可降低小区间干扰。

通过小区间的协作可有效地实现负载均衡，比如利用较长的用户信噪比SINR测量周期、短的参考信号接收质量RSRQ与SINR测量周期、CSI-IM资源的干扰测量等。

（2）小区和配置的探测

在Small Cell密集部署的场景下，同步信号/参考信号之间的干扰更加强烈，且在多载波部署下的异频小区识别难度更大，同时为避免PCI冲突和混淆所导致的小区规划难度增加，同时也有必要形成有效的机制以支持小区开关。

增强的小区探测机制可以认为是对相邻小区的及时侦测，针对小区探测的同时异频小区测量机制可保证终端的能效和终端侦测/测量的时间要求，其主要在如下4个方面增强：

1）PSS/SSS干扰消除

用户主同步信号PSS/辅同步信号SSS的干扰消除可以用来提高小区探测的性能，如通过滤除干扰的影响使得更多的Small Cell可以被侦测到。这不需要定义一种新的标准流程，而只需要重新定义终端的性能要求即可。

2）DL-SS/RS的突发性传输

在Small Cell开关机制的配合下，Small Cell在休眠状态或非连续发射DTX状态下可以以低占空比发送突发性下行同步/参考信号（DL-SS/RS）。网络能够基于处于连接态下的终端测量结果来快速决定是否激活eNodeB，同时处于空闲态下的终端也能知道即将建立连接的可用小区。

3）网络同步和辅助

基站通过告知处于连接态的终端其所处小区簇的粗略同步时间信息，能降低终端小区侦测的难度，特别是在同一小区簇中小区同步传输SS/RS的配置下。

虽然SS/RS信息的同步传输可能导致小区簇的严重干扰，但是通过网络辅助提供的粗略时间信息，终端可最大程度地降低搜索时间窗口，同时基于SS/RS信号间的同步和有效的干扰抑制手段，最大限度地提高PSS/SSS干扰消除的性能增益。

4）新的小区发现机制

潜在的增强小区发现性能的方法主要有2种：第1种为现有的基于RS的侦测，另一种为修正的或新的基于SS/RS的侦测。

新的小区发现机制允许在单一子帧内同步传输的DL-SS/RS信号稳定地侦测/测量，并进一步提高异频测量的效率和频内移动性的鲁棒性。

（3）基于空口的同步机制

在时分双工TDD系统中，使用相同频段的同频或异频小区间需要严格同步。而对于频分双工FDD系统，也需要考虑小区间同步机制，以便发挥特定功能的作用，如（f）eICIC，CoMP和载波聚合等以及SCE可能使用的新技术，如高效的小区探测等。

通过全球卫星导航系统GNSS或回程网实现网络同步的方式，对于室内覆盖或高楼林立等Small Cell部署场景将不再适用，同时也会带来额外建设成本。因此在这2种同步机制不可用的情况下，需要引入一种基于空口的同步方式予以弥补。

在所有无线接口均为非理想回程的情况下，Small Cell间的同步包括Macro Cell与其覆盖范围内的Small Cell之间的同步、同一簇中Small Cell间的同步、不同簇间的同步。具体主要通过如下2种方式实现：

1）网络监听

目标小区直接监听源小区的RS信息，具体包括CRS、CSI-RS、PRS等，从而保证与源小区的同步，图1给出了一个小区同步的示例。当目标小区与源小区同频且目标小区在监听源小区时，目标小区需暂停其服务终端的下行传输。

对于一般终端用户，网络监听的周期可以在多播单频网络MBSFN子帧中配置（除了TDD上下行配比0时）或者在TDD系统中在保护间隔GP上配置。

图1 网络监听

2）终端辅助的同步机制

目标小区与源小区的同步可通过终端提供或获得的某些信息来实现，同时也包括小区的层级指示等。

终端辅助的同步机制的精确度受多个因素的影响，具体包括可用的和选择的终端数、被选终端下行或eNodeB上行侧接收信号的信道状况、终端侧目标小区与源小区传播时延的差异、因频率同步误差导致的测量间时间漂移量等。

4 结束语

传统互联网业务正逐步向移动网络迁移，未来移动通信业务将呈现泛在化和多样性的特性，用户对传输速率、时延、移动性和可靠性等方面有了更高的要求，而移动数据流量分布将更为集中，无线网络将需要同时确保足够的广域覆盖和热点分流。而未来HetNet架构下的宏微分层和多层级小区部署将是无线接入网的主要建设形式，同时可结合WLAN等其他制式网络实现灵活部署。

而Small Cell及增强型Small Cell Enhancement在实现网络深度覆盖、数据分流和容量提升等方面有明显优势，然而也面临着干扰严重和移动性管理复杂等问题。通过SCE关键物理层的一系列技术举措，进一步提高了频谱利用效率和小区间协作能力，从而提升了系统容量和抗拥塞性能，为用户带来前所未有的极致体验。

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