超密集组网的关键技术研究

天津中兴软件有限责任公司 郭 琦

随着移动互联网的发展，人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，希望能在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景也获得良好的业务体验。随时无缝接入的要求，使网络重心由覆盖受限转化为容量受限。新型业务以移动视频业务的需求最为主流，不同的应用对移动性、频率需求、时延需求和流量需求不尽相同，对网络对业务与终端识别能力、资源动态分配能力以及多网协同能力提出新要求。随着4K视频及虚拟现实业务的快速发展，对带宽的需求也不断增长，比如1080P视频业务的带宽需求仅为4Mbps，而4K视频业务的带宽达到了20Mbps，未来虚拟现实VR业务的带宽需求将达到100Mbps以上。

超密集组网（Ultra Dense Network，UDN）将是满足5G以及未来移动数据流量需求的主要技术手段。超密集组网通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署，可获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。随着站点密度的增加，用户将受到多个密集邻区的同频干扰，且移动时切换过于频繁，用户体验急剧下降。Pre5G UDN解决方案，可以化多个基站的干扰为有用信号，且服务集合随小区移动不断更新，始终使用户处于小区中心的状态，实现小区虚拟化，达到一致性的用户体验。干扰管理与抑制、小区虚拟化技术和小小区动态调整等是Pre-UDN阶段超密集组网的重要研究方向。

1.引入D-MIMO技术，解决干扰并提升单位面积容量

在同频组网场景下，随着站点数量増加和站点密度増大，小区间重叠覆盖度增加，同频干扰的问题严重，一方面广播信道(包括控制信道和参考信号)干扰增大，导致用户接入受限；另一方面边缘区域增加导致边缘用户业务信道性能下降，从而导致站点增加可以带来的吞吐量提升非常有限，特别是小区边缘用户的感知很难保证。

现有的干扰协调技术，比如 Supercell和CoMP虽然可以一定程度减少干扰，但是在这种高密站点场景下也会带来一定的问题。Supercell小区合并可以减少广播信道的干扰，但是合并后小区的整体吞吐量会下降，合并的小区越多对性能的损失越明显。CoMP技术虽然可以减小部分强干扰，但是可以协调的干扰小区数有限，对边缘用户性能和整网性能改善程度有限。

D-MIMO（Distribute-MIMO）通过将分布在不同地理位置的天线进行联合的数据发送，可以将其他基站的干扰信号变成有用信号，在协调基站间同频干扰的同时提升单用户的吞吐量和系统频谱效率，保证单位面积的吞吐量随着站点数的增加稳步增长，是高密组网阶段重要的干扰解决和容量提升技术之一。

2.引入Virtual Cell技术，实现一致的用户体验

随着小站部署越来越密集，小区边缘越来越多，当UE在密集小区间移动时，不同小区间因PCI不同导致UE小区间切换频繁。虚拟小区Virtual Cell技术的核心思想是“以用户为中心”分配资源，达到“一致用户体验”的目的。虚拟小区 Virtual Cell技术为UE提供无边界的小区接入，随UE移动快速更新服务节点，使UE始终处于小区中心；此外，UE在虚拟小区的不同小区簇间移动，不会发生小区切换/重选。

具体来说，虚拟小区由密集部署的小站集合组成。其中重度非常高的若干小站组成D-MIMO簇，若干个 D-MIMO簇组成虚拟小区。在D-MIMO簇构建的虚拟小区中，构建虚拟层和实体层网络，其中虛拟层涵盖整个虛拟小区，承载广播、寻呼等控制信令，负责移动性管理；各个D-MIMO簇形成实体层，具体承载数据传输，用户在同一虚拟层内不同实体层间移动时，不会发生小区重选或切换，从而实现用户的轻快体验。

Virtual Cell技术方案示意图如下：

Virtual Cell由1～N个 Cluster组成，若干个 Cluster可以为 normal cell/Supercell/D-MIMO簇。对于超密组网场景，Cluster各自形成DMIMO簇的是典型场景。各Cluster建立独立实体，而Cluster组成的虚拟小区共享一个虚拟层。

在随机接入阶段，UE随机接入时发送 Preamble信息，可能两个超级小区都会收到且都解析的物理小区的Preamble ID不同,且都会发送给UE随机接入消息，UE会在信号最强的小区接入。Virtual Cell各个 Cluster的PCI均相同且唯一，通过各自CGI识别小区。由于Cluster 0和 Cluster 1的PCI相同，因此在交叠区域的UE会收到来自两个 Cluster的CRS，而此时如果 PDCCH和 PDSCH仅 Cluster边界单个CP发送，则影响下行解调性能。因此在 Cluster边界CP对UE需要联合发送。边界CP的联合发送可以类似CoMP的下行非相干JT，但是需要提前调度通知目标CP联发的时频域资源位置，对端CP需要及时解出联发信息作出资源协调。这种方式不利于高速移动场景，且如果联合超级小区无线扩展，将导致交互信息巨大，提前调度量巨大。因此此处可以考虑将边界CP做时频域位置错开，比如时分或者频分，且各自所用时域或者频域资源可以根据边界CP用户数自适应调整。即当对端CP无用户调度时，可以将全部资源给当前CP使用。或者考虑仅限制交叠区域内的时频域调度位置，边界CP非交叠区域可以复用剩下的时频域资源。即两个边界CP仅交叠区联发区域公用预留资源，其他区域各自独立调度。

当UE0和UE1处于D-MIMO簇覆盖区域时，收到来自多个CP的重叠覆盖。此时UE0和UE1实现空分复用，而处于CP2和CP0交叠区域的UE2，在其还处于CP2激活状态时，在子帧集合1上调度，子帧2上反馈；而CP0'在相同的时隙资源位置上助其联发；而当其移动到CP0区域时，则限制在子帧集合2上调度，子帧7上反馈；而CP2'在相同的时隙资源位置上助其联发。相当于小区边界的CP各自协商了发送数据的时隙资源以便错开调度，规避同频干扰。联发是为了实现UE在CP间移动时数据发送的连续性。

3.小小区动态调整，频谱利用率最大化

自适应小小区分簇通过调整每个子帧、每个小小区的开关状态并动态形成小小区分簇，关闭没有用户连接或者无需提供额外容量的小小区，从而降低对临近小小区的干扰。即使是超级小区场景，如果UE接收到的CRS功率和实际激活的CP下发的PDSCH功率有差异，也会导致UE下行解调性能的下降。因此在超密小区分簇的情况下，需要将话务量较低的小小区关断，比如进入休眠模式。

此外，对于展会或者球赛这种突发性质的集会和赛事，其话务波动特性比较明显，用户群体网络分享行为较为普遍，因此对上行容量要求较高。对于相对封闭的室内场馆区域，需要根据实时话务的情况实现动态UL/DL子帧配比调整比如调整为上行占优的配置以满足上行视频回传类需求。具体来说，电影音乐等大数据下载这类对下行资源需求较高的场景，需要扩充更多的下行资源用于传输，比如从D/U从3:1调整为8:1；微信 Facebook上传视频或图片等对上行需求较髙的场景包括视频通话等上下行对称业务的场景需要扩充上行资源，比如从D/U从3:1调整为2:2；大型会议实况直播，视频或音频内容上传，则对上行资源存在极大的需求，比如从D/U从3:1调整为1:3。再有，业务类型趋同的用户群体通常是分簇形式，甚至是以小区单元存在的，即在部署区域，当一段时间内用户业务需求统计体现一个稳定而明显的特征，比如对上行业务需求量增加，那么需要对此区域的小区进行统一的时隙调整。但是需要注意的是，业务需求通常是突发的，且特征分散的，因此从业务调整需求来看，需要细分为小簇进行调整的，这对调整方案带来了难度。

4.总结

2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行会使得数据速率大幅提升。大量个人数据和办公数据存储在云端，海量实时的数据交互需要可以媲美光纤的传输速率。复杂多样的场景下的通信体验要求越来越高，为了满足用户能在大型集会、露天集会、演唱会的超密集场景下获得一致的业务体验5G无线网络需要支持1000倍的容量增益，以及1000亿针对这种未来热点高容量的场景，UDN(超密集组网)通过增加基站部署密度，可以实现系统频率复用效率和网络容量的巨大提升，将成为热点高容量场景的关键解决方案。