LTE-Advanced异构网络的系统优化

一直以来，传统蜂窝移动通信系统均采用宏基站的部署及规划，而且对于室外部署的重视程度远远超过对热点区域和室内部署的重视。然而，随着无线业务的迅猛发展，业务流量呈现区域化和不均衡的特征，如果只靠宏蜂窝的规划和优化方法，出于成本和效率考虑，难以有效应对无线业务呈现的新趋势。因此，在LTE-Advanced系统中，引入了低功率节点，在传统宏蜂窝结构的基础上，出现小范围热点覆盖和室内覆盖，即异构网络（HetNet），使得LTE-Ad-vanced系统呈现出多层次立体网络架构的格局。

传统蜂窝属于无线广域网系统（包括LTE），其设计基于宏蜂窝部署及规划。为此，传统的性能需求与评估方法是基于三个扇区高功率的蜂窝。实际上，运营商可以依靠其他的方法来改进网络覆盖和容量，例如中继器和热点覆盖。随着数据业务需求的增长，通过部署额外的宏基站进行传统的蜂窝小区分裂对于支撑数据业务容量将更加困难。因此，参考文献[2]提出引入非传统节点将成为网络部署的趋势。这些非传统节点包括低功耗微微蜂窝或者热点地区蜂窝、家庭基站和中继节点。单制式异构网络是指包含有上述一种或者多种基站（包括传统宏蜂窝）的异构网络部署场景。

随着宏小区、家庭基站、中继节点等类型基站的不断涌现，异构网络引进一些相对于传统的小区基站发射功率更小的发射节点，按照小区覆盖范围的大小，可以将小区分成宏小区（Macrocell）、微微蜂窝小区（Picocell）、毫微微蜂窝小区（Femtocell），以及用于信号中继的中继节点（Relay Node）。宏小区基站相当于传统的小区基站，微微蜂窝小区主要面向办公室和企业用户，也能用于室外对宏蜂窝边缘进行补盲，毫微微蜂窝小区主要面向家庭用户。异构网络依据不同应用、业务和覆盖范围的需求部署，能够有效支持宽带媒体用户对高数据速率的要求，并缩短了用户和基站之间的距离，还可以更加方便地利用LTE-Advance系统潜在的高频段频谱，因此，异构网络部署将成为下一代无线通信网络的发展趋势之一，也是面向未来无线通信网络应对业务需求快速增长的有效解决方案。

这些非传统基站的引入，使得传统单层宏蜂窝架构中出现了同一覆盖区域中存在部署在宏基站覆盖区域内，形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。采用多种基站类型部署的异构网络可以为室内和热点场景覆盖提供很好的保障。然而，低功率节点的引入，在传统单层的宏蜂窝架构中出现了“热点覆盖”或“重叠覆盖”的分层结构，使得LTE-Advanced系统呈现出异构的网络结构特征。本节的重点就是介绍LTE-Advanced系统中的异构化网络结构，并对其中的不同低功率节点的功能进行阐述和区分。

多种低功率基站是网络部署中用于解决高功率宏基站的覆盖范围或者吞吐率的有效途径，提供业务分部布局不均匀，不同业务质量需求的解决方案。图4-14所示为LTE-Advanced系统中，宏蜂窝基站与多种低功率节点共同部署的网络结构图。由图中可以看出，这些低功率节点在LTE-Advanced系统中的功能、接口及用途不尽相同。针对宏基站覆盖的不同区域业务特点，结合宏基站和本地基站（Local eNode B）的优点，提出了三种不同的网络部署解决方案：Macrocell+Picocell，Macrocell+Femtocell以及Macrocell+Relay Nodes。

图4-14 LTE-Advanced系统中宏基站与低功率节点共同部署的网络结构图

1.Macrocell+Picocell

Picocell中的基站与宏蜂窝小区中的eNode B功能相同，只不过采用比宏蜂窝基站小很多的低功率进行发射，从而只具有小范围的覆盖。从功能上分析，Pico基站既能够部署在室外作为宏基站边缘覆盖的增强，也能够部署在室内作为宏基站覆盖盲区的补充。从接口方面分析，Pico基站仍然通过S1接口与MME/S-GW进行通信，并通过X2接口实现不同Pico基站间的信息交互和通信，因此不同Pico间能够基于X2接口传递干扰信息，从而实现多个Pico间及宏站与Pico间的干扰抑制。从发射功率方面分析，部署于室外的Pico基站的发射功率为250mW到接近2W；而部署于室内的Pico基站的发射功率为不高于100mW。一般情况下，宏蜂窝基站的发射功率为5～40W。

Macrocell和微微蜂窝小区Picocell的部署目标是在一定的地理范围内覆盖用户不均匀分布的区域，如热点区域、高速公路收费站、体育场馆、机场、火车站和室内竞技场等。Picocell用来覆盖高移动用户密度的小区，对宏蜂窝小区提供的不充足的无线资源进行补偿。Picocell的部署可以通过异构网络的小区分裂形成，并且不同节点都有各自的无线覆盖范围。

由于运营商主导Macrocell和Picocell的共同部署，所以需要适当设置用户设备的网络配置以允许用户的接入。运营商可以为Mac-rocell+Picocell部署场景进行系统优化和射频（RF）规划。

在Macrocell中部署Picocell必然导致两者的覆盖区域重叠。这样，Macrocell和Picocell间产生共信道干扰，基于RF信号强度和信号质量的算法、流程和若干参量都需要重新设计，以满足该部署场景的应用需求。用户的初始接纳和切换流程都需要进行加强完善，以优化接入可用性、接入延迟、服务持续性和网络负载均衡等方面的性能。而进一步研究则要求资源分配和干扰管理算法来降低和消除小区间产生的共信道干扰。

2.Macrocell+Femtocell

如图4-15所示，该图是NTT DoCoMo得到的一份调查数据。从图中可以看出，接近70%的语音业务和90%的数据业务主要发生在室内环境中，室内移动通信业务的使用量随着技术演进、业务发展和用户习惯的改变而在逐步增加。然而由于墙壁等引起的损耗，宏蜂窝在室内的覆盖效果较差。因此，运营商需要能提供高数据速率和QoS的室内覆盖；另一方面，由于室内覆盖所处的环境多为家庭、办公室等私密性较强的场所，因此与室外站点的规划建设、运营维护等不同，室内覆盖存在进场困难、优化和维护困难等方面的困境。

图4-15 室内外业务比例

为解决上述问题，Femtocell技术应运而生，在LTE-Advanced系统中叫做Home eNode B，简称HeNB，即家庭基站。HeNB是一种小型低功率基站，主要用于家庭和办公室等场所，具有很多优点，例如低成本、低功率、接入简单、即插即用、提高网络覆盖效果等，更为重要的是，Femto基站具有自配置和自优化的功能，一般情况下，HeNB的发射功率不高于100mW，并采用全向天线。

HeNB已成为解决B3G网络室内深层覆盖问题的一种有效的手段，同时也是对现有网络部署的有效补充。对于空中接口来说，家庭基站的提供者提供对已有蜂窝标准（GSM、UMTS、WiMAX、LTE等）的无线覆盖，而信令回传（backhaul）连接则利用宽带接入，比如光纤或数字用户环路（Digital Subscriber Line，DSL）。

相对而言，家庭基站是一种几乎不需要运营商进行优化和管理的私人装置。然而，在单制式异构网络中，HeNB节点的可用频谱资源也在运营商的管理范围内。在宏蜂窝小区和家庭基站共同部署场景中面临接纳控制、切换、资源调度和干扰管理等问题，并且家庭基站和宏蜂窝小区之间几乎不存在相应的资源协调机制导致上述问题会变得更加严重。

家庭基站为终端用户私有，在异构网络部署中不确定性很高，拥有一些独有的特性，总结如下：

（1）基站位置的不确定性(www.xing528.com)

面向家庭/企业用户的家庭基站具有可移动性，其位置可视为随机分布的。

（2）基站配置的多样性

家庭/企业用户根据实际网络的运行情况动态调整家庭基站配置参数，家庭基站的配置异构性更加突出，那么异构网络配置的不确定度将会大幅度提高，给异构网络优化带来更严峻的挑战。

（3）家庭基站的接入控制

在特定情况下，用户可根据实际应用需求调整家庭基站的接入控制和鉴权认证机制。在单制式异构网络中家庭基站与宏基站在配置上存在重叠，原有的基于RF信号强度和信号质量的用户接入与切换机制需要加强，以提高算法机制对异构网络环境的适应能力，从而有利于异构网络资源的动态协调。

1）初始接入：如果宏蜂窝小区的用户设备（User Equipment，UE）与家庭基站距离很近，但是没有授权接入Femtocell节点，UE会依靠小区搜索过程，在随机接入信道进行一次初始接入的尝试。而该接入尝试会由于鉴权无效而失败。

2）切换：当宏蜂窝小区的UE距离家庭基站很近时，即使不在封闭式用户群（Closed Subscriber Group，CSG）鉴权列表中，UE也会试图接入家庭基站，因此其服务可能会因为接入尝试的失败而受到影响。

3）网络负载均衡：由于引入了更多的家庭式基站，Femtocell和Macrocell之间需要从多角度考虑负载均衡问题，具体包括以下几个方面：

①负载均衡的触发因素，例如网络负载大小、用户掉话率等。

②负载均衡的实现方法，例如切换bias值的最优化方法。

③参数最优化有可能导致新的干扰问题，因此需要考虑相应的干扰管理策略。

④与开放式用户群（Open Subscriber Group，OSG）小区策略不同，CSG小区策略仅仅为非CSG用户提供有限的服务，这是否会导致新的干扰也是一个待研究的问题。

当前，Femto基站已经出现商用产品，支持家庭和企业级用户的使用。由于Femto基站的发射功率较低，并且支持用户数少，因此在形态上其体积远远小于传统宏基站，图4-16所示为是目前市场上商用的家庭Femto基站图片。

图4-16 商用的家庭Femto基站

对于Femto基站，其与Pico基站最大的区别是：Femto基站由于其用户私密性较高，因此没有基站间互通和连接的X2接口，也没有与宏基站通信的基站接口，因此，其具有很强的独立性。而Pico基站与宏基站在功能上没有实质区别，只是发射功率减小。

3.Macrocell+Relay Nodes（RN）

中继节点，用来传递基站和终端之间的业务/信令传输，目的是为了增强高数据速率的覆盖、临时性网络部署、小区边界吞吐量提升、覆盖扩展和增强、支持群移动等，同时也能提供较低的网络部署成本。

类型1中继节点被定义为具有小区ID的频带内节点。与Macro cell+Pico cell/Macro cell+Femto cell相比，除了无线信令回传机制之外，类型1中继节点的配置都类似。而中继节点的无线信令回传机制额外设置了TDM Tx/Rx限制。类型1中继节点的另外一个特性是可配置为移动节点，可部署于火车、飞机、汽车和轮船，为其周边的高密度移动用户提供良好的服务质量。在高速环境和偏远地区等没有有线接入的情况下，E-UTRA也能够为LTE-Advanced用户提供接入服务。由于中继节点相对于移动终端来说，基本没有相对运动，因此移动的类型1中继节点将给予LTE-Advanced终端更好的用户体验。

然而类型2并没有其独立的小区ID，只能够在宏基站的覆盖范围内提高其边缘小区的吞吐率。