Small Cell Enhancement关键技术研究

周代卫 中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师

高 瑞 北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生在读

周 宇 中国信息通信研究院泰尔终端实验室高级工程师

孙向前 中国信息通信研究院泰尔终端实验室国际认证部主任

1 引言

为了有效解决迅猛增长的移动数据流量，特别是用户密集的室内外热点覆盖问题，第三代移动伙伴计划3GPP 在 R12中提出Small Cell Enhancement（SCE）的解决方案。SmallCell是工作在授权分配频段上的低功率无线接入节点，其覆盖范围通常在10～200m之间。相比之下，宏蜂窝MacroCell的覆盖范围可以达到数公里。

SmallCell可以是 PicoCell，也可以是FemtoCell、Relay、RRH等。SmallCell作为3G/4G宏蜂窝的补充，能够使运营商以更低的成本为用户提供更好的无线宽带语音及数据业务。随着LTE网络覆盖和容量的不断提升，运营商仍面临高速增长的数据流量所带来的严峻挑战，高效的频谱资源利用是分流的有效方法之一。SmallCell在这方面正扮演着越来越重要的角色，用来覆盖盲区以及分流热点区域流量。SmallCell具有灵活、快速部署的优点，可以解决热点、盲点、弱覆盖场景等问题。在异构网络中，尤其是热点地区，SmallCell可以有效地提高整个网络的吞吐量，满足用户更高的业务需求。

2 Small Cell Enhancement应用场景

2.1 Small Cell Enhancement的部署

SCE的部署需考虑SmallCell与MacroCell同频或异频、SmallCell在Macrocell覆盖内或外、SmallCell处于室内或室外、回程理想或非理想、SmallCell稀疏或密集等问题（见图1）。

图1 SCE的部署场景

2.2 Small Cell Enhancement预估场景

参照3GPPTR36.872的规定，SCE的预估场景主要有如下4种：

（1）场景1（见图2）：

图2 SCE仿真场景1

——SmallCell位于MacroCell范围内。

——SmallCell与MacroCell同频部署。

——SmallCell与MacroCell处于室外。

（2）场景2a（见图3）：

图3 SCE仿真场景2a

——SmallCell位于MacroCell范围内。

——SmallCell与MacroCell异频部署。

——SmallCell与MacroCell处于室外。

（3）场景2b（见图4）：

——SmallCell位于MacroCell范围内。

——SmallCell与MacroCell异频部署。

——SmallCell处于室内，MacroCell处于室外。

（4）场景3（见图5）：

——只有SmallCell。

图4 SCE仿真场景2b

图5 SCE仿真场景3

——SmallCell处于室内。

3 Small Cell Enhancement双连接技术

针对上述4种场景，3GPP TR 36.932中假设其接口之间是非理想回程。Small Cell与Macro Cell之间以及Small Cell簇间的回程为非理想时会引发以下问题：

（1）移动鲁棒性：Pico到Macro Cell的移动性引起HOF（Handover Failure，切换失败）/RLF（Radio Link Failure，无线链路失败）几率的增加。

（2）Small Cell和Macro Cell上下行不均衡。

（3）由于频繁的切换导致信令负载增加。

（4）协调优化多个基站的无线资源导致很难提升每个用户的吞吐量。

（5）更加复杂的网络规划。

为了解决上述问题，一种可行的方法是“双连接（Dual Connectivity）”。处于双连接状态的用户使用至少两个非理想回程的基站提供的无线资源。双连接中的每个基站可能会扮演不同的角色，比如，根据用户的业务类型有些基站可能只负责GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特速率）业务，其他基站尽可能多地负责non-GBR业务。基站的角色不由其自身的发射功率和类型决定，而是随着用户的变化而不同，下文将详细讨论几种常用的双连接方式。

3.1 不同基站间的无线资源聚合（场景2a和场景2b）

针对场景2a和2b，不同基站间的无线资源聚合的目的是提升每个用户的吞吐量。如图6所示，Small Cell和MacroCell之间的无线接口是非理想回程，用户面的数据传输同时使用SmallCell和MacroCell两个基站的资源聚合，该方式保证移动锚点（MobilityAnchor）一直处于MacroCell，从而潜在地减少了用户与核心网的信令开销。

图6 不同基站间的无线资源聚合（场景2a和2b）

3.2 不同基站间的无线资源聚合（场景1）

针对场景1，不同基站间无线资源聚合的目的是提升小区边缘的吞吐量。如图7所示，用户可以由多个基站调度，在SmallCell边缘的用户1可以让没有配置ABS（几乎空白子帧）的MacroCell为其服务，从而充分利用MacroCell的无线资源；另外，还可以让配置ABS的SmallCell为其服务，从而充分利用SmallCell的无线资源。从而通过利用多个基站的无线资源使得边缘用户的吞吐量大大提升。

3.3 RRC多元化

RRC多元化的目的是提升移动鲁棒性，通过RRC多元化，RRC切换相关信令可以从一个目标小区切换到一个潜在目标小区上传输。如图8所示，只要用户至少和一个基站保持连接，那么RLF就不会发生，这最终将提高切换的成功率，从而避免用户掉线后的RRC重连接过程。RRC多元化也可以用于从Macro到Pico、Macro之间、Pico之间的切换。

3.4 UL/DL分离

图7 不同基站间的无线资源聚合（场景1）

图8 RRC多元化

在异构网络中，不同基站有不同的发射功率，如Small Cell发射功率较低，而Macro Cell发射功率较高。由于SmallCell与MacroCell发射功率的不同，会引发功率不均衡现象，以及间接导致的负载失衡，尤其在同频部署情况下，MacroCell的用户会对SmallCell的边缘用户造成极大的干扰。用户连接到哪个基站将取决于其上下行的性能。SmallCell的边缘用户可以采用上下行分离的方式，上行连接到路损最小的Small Cell使得上行性能最优，下行连接到RSRP（参考信号接收功率）最高的MacroCell使得下行性能最优。这种上下行分离的双连接方式解决了功率不均衡引起的干扰问题，以及SmallCell和MacroCell上下行负载失衡的问题，尤其适用于SmallCell与MacroCell同频部署（见图9）。

UL/DL分离的场景有两种架构选择，分别为分离承载和单独承载：

分离式承载方式：终端用户的一路承载在Small Cell和MacroCell之间分离。比如，部分上行承载由SmallCell承担而部分下行承载由MacroCell承担。在这种情况下，用户不需要来自SmallCell的PDSCH和来自MacroCell的PUSCH。RLC状态报告可以分别发送给SmallCell和 MacroCell，或者 SmallCell和Macro Cell通过回程交互。

图9 UL/DL分离

单独式承载方式：终端用户有两路承载，一路承载由SmallCell承担；另一路承载由MacroCell承担。在这种情况下，用户需要来自SmallCell和MacroCell的PUSCH与PDSCH。RLC状态报告分别发送给Small Cell和MacroCell。

如图10所示，用户在PUSCH上发送上行流量给SmallCell，在PDSCH上接收来自MacroCell的下行流量。而且，RLC状态报告分别发送给Small Cell和MacroCell，比如来自MacroCell的下行流量的RLC状态报告通过PUSCH发送给MacroCell，同时SmallCell通过PDSCH接收发送给SmallCell的上行流量的RLC状态报告。

图10 UL/DL分离的架构

3.5 CA+eICIC（针对场景2a和场景2b）

针对场景2a和2b，载波聚合CA与增强的小区间干扰协调eICIC技术的结合可以提升每个用户的吞吐量。具体实现方式是在SmallCell和MacroCell上均部署多个频率层，然后对主小区PCell和辅小区SCell应用eICIC。然而，由于低成本的SmallCell只能有一个频率层，所以采用CA+eICIC方式的优先级比较低。另外，在SCell应用eICIC还需要继续讨论。

4 移动性锚点

移动性锚点的提出是为了规避由于Small Cell的引入导致用户移动性增加的问题，降低由此给核心网带来的信令负担。

移动性锚点通常是EPC中的S-GW或P-GW。当终端用户在eNodeB或3GPP蜂窝技术体系内（如GSM/WCDMA/TD-SCDMA）切换时，S-GW通常被作为移动性锚点；而当终端用户做异系统间（如CDMA 1x/EVDO/Wi-Max/WLAN）切换时，P-GW将被作为与外部PDN衔接的锚点。在实际移动性管理中，从不同接入系统接入PDN时，用户的业务数据流都从某个核心网网元发出；当用户在不同接入系统之间移动时，可以保证该网元分配的用户地址保持不变，从而降低由于用户的移动性导致的额外信令负荷。

移动性锚点技术与双连接是独立的，并且可以应用于用户能力有限（如单接收天线/单发送天线）、基站/回程能力有限、系统负载较高的情况下，同时对Uu接口无影响。

5 结束语

在3GPP TR 36.842和TR 36.932中初步定义和规范了SCE双连接的架构与协议流程，同时具体分析了上述5种不同潜在解决方案在各种应用场景下的仿真效果，为后续SCE中双连接的实现和应用打下了良好的基础。但涉及到一些具体细节问题仍有待进一步理清和分析，如双连接在不同架构与协议组合的情况下如何定义控制平面和用户平面的功能及协议；如何定义S1和X2接口的功能及协议；由于双连接的引入如何定义相应的物理层功能，如何规范相应的用户和基站的需求等，这些都是后续研究的重要方面。

此外，TD-LTE制式下，上下行干扰管理和业务调整也是后续研究的一个方面。TD-LTE提供了7种不同的、半静态的上下行配置，允许上下行不对称配比。半静态的上下行配置是否可以与每个时刻的业务状况相匹配，这仍有待进一步的研究。

1 3GPP TS 36.101.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).User Equipment(UE)Radio Transmission and Reception.6,2014

2 3GPP TS 36.104.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Base Station(BS)Radio Transmission and Reception.6,2014

3 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management.7,2014

4 3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Physical Layer Procedures.6,2014

5 3GPP TR 36.842.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Higher LayerAspects.12,2013

6 3GPP TR 36.872.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical LayerAspects.12,2013

7 3GPP TR 36.932.Scenarios and Requirements for Small Cell Enhancements for E-UTRAand E-UTRAN.3,2013

8 申建华,李春旭,谭伟.全面认识Small Cell.中兴通讯技术.2013,12