UDN小区组网方案研究

李世超

摘要：超密集网络（UDN）作为第五代移动通信（5G）的关键技术之一，对5G要求中的高速率，低时延，大业务量以及高密度终端数起到了至关重要的作用。UDN小区有着自身的特点，与传统小区有着本质的不同。因此，如何对UDN小区进行设计，使其发挥最大的效用，成为UDN研究中的一个热点。文章通过介绍UDN的特点，对UDN小区的组网方案进行了研究，同时分析了UDN小区的组网方案与传统小区组网方案的区别，指出了UDN小区组网中所面临的各种挑战。

关键词：超密集网络；第五代移动通信；异构组网；挑战

在过去的20年间，无线通信的数据流量以及无线终端的数量都呈现出指数级的增长。人们对无线通信的速率、时延、可靠性都提出了更高的要求。第五代移动通信技术（5G）正是面对着这些挑战应运而生。与目前的第四代移动通信技术（4G）相比，5G要满足超高速率、超低时延、高能效，高连接数密度以及高速移动的要求。具体表现为：（1）吞吐量提高1000倍；（2）处理时延降低9/10；（3）能量效率提高100倍；（4）网络建设成本降低9/10到99/100；（5）支持移动用户的实时连接以及高吞吐量的要求。

1 UDN简介

作为5G的关键技术之一，超密集网络（UDN）通过部署大量的无线设备来满足高流量、高密度无线终端接入的要求，同时能够提高系统的频谱利用率，从而使得系统的容量可以得到较大的提升。UDN典型的场景包括校园，办公楼，体育馆，火车站，地铁等人口密集的地区。高密度网络在进行设计时会带来许多问题，例如：干扰较为严重，站址难以选择，需要对无线回传资源进行分配管理，用户的移动性，减少网络建设成本等。因此，如何对UND中的小区进行组网设讹成为解决以上问题的关键。

2 UDN小区组网方案

传统的宏蜂窝基站的组网方式已经无法满足日益增长的高流量的业务要求。目前最常见的组网方式就是采用异构组网。与传统的组网方式相比，异构组网可以实现小区的无缝覆盖，提高系统的频谱利用率及吞吐量。到2012年为止，微小区的数目已远大于宏小区的数目。这些微小区通常是部署在室内的家庭式基站。同时，各大移动运营商也加紧了室外微小区的建设。

目前，微小区的组网方式主要是在指定的频段内进行组网。这种组网方法虽然可以避免小区间的干扰，但与宏小区和微小区共享频谱资源的同信道小区组网方式相比，该种方法频谱利用率极低。同样地，同信道小区的组网方式也存在弊端，那就是干扰过大，尤其是当微小区所使用的频段很接近的时候，干扰会变得十分严重。

通过上面的分析可以看出，同信道小区组网方式能有效地利用频谱资源，但干扰较大。正交信道小区组网方式能避免干扰，但频谱利用率较低。可以采用分层设计的思想来充分利用这两种小区组网方式的优点。

第一层采取传统的宏蜂窝基站的组网方式。使用三维多输入多输出（3D-MIMO）天线，可以有效地提高频谱利用率，并且可以提高信号的穿透能力。当小区内的建筑物很高时，这种覆盖方式可以得到很好的效果。第二层采用目前最常见的同信道小区组网方式。可以认为该层是采用小区分裂的方式在第一层的基础上所增加的热点。在该层可以使用干扰协调的方法来平衡小区内的负载，从而有效地消除小区内的干扰。另外，多小区协作，采用不同的发射功率，可以有效地消除不同小区间的干扰。第三层采用正交信道的组网方式。由于小区的覆盖范围很小，因此第三层所服务的用户多是静止的用户，而室内静止的用户所需要的数据量占到了整个系统数据量的80%。为了确保用户能够在第一层和第三层之间流畅地接受服务，通常采用双重覆盖的方式。也就是说，一个用户有可能同时接受两个不同层级接入点的服务。比如，可以让宏基站给用户提供语音服务，而数据及视频业务由微小区提供。另外，由于双重覆盖是两层小区为一个用户服务，可以提高移动用户的鲁棒性。双重覆盖的方式适用于正交信道小区组网，该种组网方法的主要问题是用户的移动性管理。第四层采用高频宽带组网方式。这一层采用的技术包括毫米波，以大规模MIMO为基础的波束成形以及空分复用技术。UDN小区组网方案如图1所示。

3 UDN小区组网与传统异构网络组网的区别

通过对UDN小区组网方式的分析，可以看出，以上的组网方式实际上是一种异构网络的组网方式。但是UDN小区的组网方式又与传统异构网络的组网方式有着本质的不同，这些区别在进行网络设计时应当格外注意。

第一，基站和用户的密度。在传统的异构网络中，用户的密度要远大于基站的密度。但在UDN网络中，用户的密度要小于基站的密度。因此，在传统的异构网络中，基站要时刻处在开放的状态。但在UDN网络中，当基站周围没有用户时，为了减少干扰并节约能量，可以选择将基站关闭。

第二，干扰的种类不同。在传统的异构网络中，干扰主要是非视距（NLOS）干扰，而在UDN网络中，干扰主要是视距（LOS）干扰。因此，在传统的异构网络中，通常采用的是单斜率路径损耗模型。而在UDN网络中，通常采用的是更加复杂的经验路径损耗模型。

第三，分集损耗。在传统的异构网络中有非常丰富的用户分集，而在UDN网络中，用户分集非常有限。因此在传统的异构网络中一般采用独立阴影和多径衰落模型，而在UDN网络中，上述模型是不成立的。

4 UDN小区组网所面临的挑战

UDN具有自身的特点，这些特点使在进行小区设计时必须要面对大量的挑战。

（1）回传网络。回传网络设计是小区设计时所必须要考虑的问题。而当小区密度增大时，特别是在UDN网络中，回传网络如何进行设计是设计者们必须考虑的问题。由于高容量的需求，在人口密度较大的地区，回传网络应当采用有线光纤进行设计。但目前已有的光纤容量普遍较小，这很有可能会影响到小区日后的扩容。

（2）移动性。在第二节中，提到由于环境和业务种类的不同，未来小区可能会出现多层部署的情况。在多层小区结构中，移动用户应当由宏小区提供服务，而静态用户应当由UDN小区为其服务。对于一个新接入的移动用户，只需要通过用户的移动速度来测量与其适合的小区即可。那么如何进行有效的测量并设计出与之相应的算法是解决移动性问题的关键。

（3）减少组网花费。部署小区所需要的费用是通信运营商最关心的问题。为了尽可能地减少成本，运营商可能会选择更加便宜的滤波器、放大器等元器件。并且新部署的小区要尽可能利用之前已经部署的线路和基础设施来减少成本。另外，为了在短时间内能够部署大量的小区，在设备的选择上应尽可能地去选择那些即插即用的设备。

（4）小区位置的规划。如何通过用户的业务量来选取热点位置是小区位置规划的关键。如果由于业务量估计出现误差而造成小区热点位置选取错误，那么会造成能量和成本的浪费。这就要求运营商要对用户的业务量进行准确的测量。

（5）资源管理。传统小区的资源调度算法已不适用于UDN小区。由于在UDN小区中主要是视距信道，信道的变化不会很大。传统小区中常用的比例公平调度算法在UDN小区中已经不是最优。因此，对于UDN小区来说，轮询调度算法是最为简便的调度算法。

5 结语

随着5G白皮书2.0的发布，5G的概念已经明确。作为5G的关键技术之一，UDN将极大地影响5G网络的整体性能。因此如何对UDN小区进行网络设计成为通信设计人员必须要解决的问题。本文在研究UDN小区组网方案的基础上，分析了其与传统异构组网方案的区别，给出了UDN小区组网所面临的挑战。在实际的工程项目中，设计人员可按照文中的介绍，根据实际情况，选择具体的设计方案和技术。随着UDN技术的深入研究，相信在不久的将来，5G一定会带来一个更大的惊喜。