LTE的新技術(shù)展望

邵 震，曹 敏，李一明

（中國(guó)電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著智能終端的日益普及與移動(dòng)寬帶的廣泛應(yīng)用，如何應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量的高速增長(zhǎng)，同時(shí)又能提升用戶體驗(yàn)已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商的首要任務(wù)之一，LTE階段需要通過(guò)引入異構(gòu)網(wǎng)的新型組網(wǎng)形態(tài)，并打造多網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同融合的移動(dòng)智能管道，在組網(wǎng)架構(gòu)上率先贏取一個(gè)新突破，改善LTE網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋問(wèn)題并提高其頻譜利用率。本文對(duì)LTE分層組網(wǎng)的HetNet、小區(qū)干擾協(xié)調(diào)以及LTE與WLAN智能協(xié)同的SaMOG、ANDSF等新技術(shù)進(jìn)行展望。

2 分層組網(wǎng)

2.1 HetNet

無(wú)線接入技術(shù)發(fā)展的實(shí)質(zhì)是用更大的頻譜帶寬換取更高的峰值速率，而現(xiàn)階段低頻段資源已經(jīng)處于緊張狀態(tài)，未來(lái)部署LTE網(wǎng)絡(luò)采用2 GHz以上高頻段的可能性越來(lái)越大，但高頻段由于傳播能力相對(duì)較弱，若采用傳統(tǒng)的Macro eNode B（宏基站）單層組網(wǎng)方式將無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的全程全網(wǎng)覆蓋，而且，LTE網(wǎng)絡(luò)面向的是高速率高流量的用戶群，傳統(tǒng)的覆蓋方式在容量上會(huì)隨著用戶的增多與帶寬需求的增大而面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，在引入了Pico eNode B（微微蜂窩基站）、RRH（remote radio head，射頻拉遠(yuǎn)）、RN（relay node，中繼節(jié)點(diǎn)）及HeNB（home eNode B，家庭基站）等新的基站形態(tài)后，形成了3GPP R10——LTE-A（LTE-Advanced，LTE后續(xù)演進(jìn)）中所研究的HetNet（heterogeneous network，異構(gòu)網(wǎng)），即分層組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)的立體覆蓋。

HetNet在宏覆蓋小區(qū)中放置LPN（lower power node，低功率節(jié)點(diǎn)），形成了同一制式的不同節(jié)點(diǎn)類型的異構(gòu)網(wǎng)，由宏基站實(shí)現(xiàn)廣度覆蓋，由微微蜂窩基站或RRH、RN、HeNB實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，圖1是LTE異構(gòu)網(wǎng)的簡(jiǎn)單示意。

實(shí)際上，雖然微微蜂窩基站、RRH、HeNB、RN都不是新的概念，但在LTE階段，HeNB與RN兩種小功率基站有著區(qū)別以往的顯著特征。

（1）HeNB

在2G、3G網(wǎng)絡(luò)中家庭基站被定義成femtocell，到了LTE階段就被稱為HeNB。家庭基站是通過(guò)傳統(tǒng)的Internet和標(biāo)準(zhǔn)的IP傳輸數(shù)據(jù)到移動(dòng)核心網(wǎng)的。相比2G、3G網(wǎng)絡(luò)中采用家庭基站網(wǎng)關(guān)來(lái)匯聚分散，并由其統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)移動(dòng)核心網(wǎng)的電路域與分組域接入這一組網(wǎng)方式，在LTE階段，由于LTE系統(tǒng)的控制面與用戶面的分離，目前3GPP定義了3種HeNB的系統(tǒng)架構(gòu)：

·配置HeNB GW（網(wǎng)關(guān)），無(wú)論是HeNB的控制面還是用戶面，均通過(guò)HeNB GW匯聚后接入EPC網(wǎng)絡(luò)（evolved packet core network，演 進(jìn) 的 分 組 域 核 心網(wǎng)），此方案避免了EPC網(wǎng)絡(luò)中MME（mobility management entity，移 動(dòng) 性 管 理 實(shí) 體）與SGW（serving gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）的負(fù)荷增加；

·未配置HeNB GW，HeNB不經(jīng)過(guò)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)直接接入EPC網(wǎng)絡(luò)，此方案實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的扁平化，減少了時(shí)延與故障點(diǎn)；

·配置HeNB GW僅用于控制面，此方案通過(guò)控制面的匯聚，減少了對(duì)MME負(fù)荷的影響，同時(shí)也減少了用戶面的時(shí)延與故障點(diǎn)。

而對(duì)于上述3種方案的選擇，則將取決于運(yùn)營(yíng)商對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、家庭基站的部署速度與規(guī)模等因素的綜合考慮。

（2）中繼

中繼是利用無(wú)線鏈路，通過(guò)施主基站傳輸數(shù)據(jù)到移動(dòng)核心網(wǎng)的技術(shù)。在2G、3G網(wǎng)絡(luò)中被普遍使用的無(wú)線直放站就是一種中繼技術(shù)，是一種層1中繼的無(wú)線實(shí)現(xiàn)，即PHY層（physical layer，物理層）的放大＋轉(zhuǎn)發(fā)方式，將基站（或者用戶）發(fā)送來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶（或者基站），不足在于會(huì)同時(shí)放大噪聲和干擾信號(hào)，在接收側(cè)和發(fā)送側(cè)都需要進(jìn)行嚴(yán)格的隔離來(lái)避免設(shè)備的自激。而在LTE-A中更多的是對(duì)層2與層3中繼的討論，其中，層2中繼包含了MAC層（media access control layer，介質(zhì)訪問(wèn)控制層）的功能，也可以包含RLC層（radio link control layer，無(wú)線鏈路控制層）的功能，能夠?qū)嵤┵Y源調(diào)度功能，可以被認(rèn)為是一種解碼＋轉(zhuǎn)發(fā)方式，即對(duì)接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解碼，進(jìn)行再編碼和轉(zhuǎn)發(fā)，這種中繼保證了終端獲得的信號(hào)的準(zhǔn)確性，并且沒(méi)有放大噪聲與干擾信號(hào)，明顯改善了SNR（signal-to-noise ratio，信噪比）；但是由于需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，會(huì)帶來(lái)較大的時(shí)延，對(duì)基站與中繼間的鏈路傳輸可靠性要求很高，也增加了設(shè)備的復(fù)雜性。而層3中繼則可以執(zhí)行部分或者全部的RRC層 （radio resource control layer，無(wú)線資源控制層），對(duì)數(shù)據(jù)可以實(shí)施快速路由以及對(duì)移動(dòng)性進(jìn)行管理。其主要依靠S1與X2信令，未引入新的接口，因此，也更加接近于基站的功能。相對(duì)于層2中繼，層3中繼功能的增強(qiáng)難免會(huì)引入更大的開銷，使設(shè)備更為復(fù)雜，成本也就更高。

但無(wú)論是采用層2中繼還是層3中繼，LTE-Avanced中的中繼技術(shù)都具備以下顯著特征：

·RN是一個(gè)獨(dú)立的基站節(jié)點(diǎn)，具有自身的物理小區(qū)ID（identity）、同步信道以及參考符號(hào)；

·RN的引入對(duì)終端沒(méi)有任何影響，終端將RN視作獨(dú)立的基站，接收其發(fā)送的調(diào)度信息以及HARQ（hybrid automatic repeat request，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求）反饋，并反饋相應(yīng)的控制信道信息。

2.2 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

LTE系統(tǒng)所采用的OFDMA（orthogonal frequency division multiple access，正交頻分多址）本質(zhì)上是一種OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）＋TDMA（time division multiple access，時(shí)分多址）的技術(shù)。為了達(dá)到最高的頻譜效率，LTE通常采用同頻組網(wǎng)方式，此時(shí)，相鄰小區(qū)的不同用戶，特別是處于小區(qū)邊緣的用戶，會(huì)存在同一時(shí)間收到兩個(gè)或多個(gè)小區(qū)的相同頻率信號(hào)的情況。當(dāng)來(lái)自各小區(qū)的同頻信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，該用戶會(huì)受到嚴(yán)重干擾，從而影響通信質(zhì)量，這一問(wèn)題在分層組網(wǎng)下尤顯突出。所以，LTE同頻組網(wǎng)的干擾抑制成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，這也是LTE-A所聚焦的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

（1）時(shí)域優(yōu)化：eICIC

3GPP在R8、R9中已深入討論了ICIC降低業(yè)務(wù)信道干擾的問(wèn)題，這些干擾協(xié)調(diào)技術(shù)在分層組網(wǎng)下仍可以實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)信道干擾影響的降低。然而，如何降低控制信道的干擾，在R8、R9中并未涉及，也就是說(shuō)，ICIC不能解決宏基站的控制信道對(duì)LPN的控制信道產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，因此，eICIC（enhanced inter cell interference coordination，增強(qiáng)的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）成為R10的討論重點(diǎn)。換一句話說(shuō)，ICIC是在頻域和功率控制上對(duì)業(yè)務(wù)信道的小區(qū)間干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)，而eICIC則是在時(shí)域和頻域以及功率控制上對(duì)業(yè)務(wù)和控制信道的小區(qū)間干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)。但R10的eICIC只針對(duì)非載波聚合情況，其完全兼容R8、R9的ICIC技術(shù)，并且R11已經(jīng)啟動(dòng)了FeICIC（further enhanced inter cell interference coordination）的研究。

（2）頻域優(yōu)化：基于CA的ICIC

目前針對(duì)分層組網(wǎng)中的下行干擾，尤其是控制信道干擾的一種有效消除方法是：基于載波的頻譜資源優(yōu)化配置，通過(guò)小區(qū)間有用信息的交互，基站為其歸屬用戶選擇合適的primary cell（主小區(qū)）和secondary cell（輔小區(qū)），從而使受干擾用戶和干擾用戶使用正交的頻譜資源來(lái)消除下行干擾，提升整個(gè)分層網(wǎng)的系統(tǒng)性能。而R11所討論的幾種基于載波聚合的干擾消除方法在信息的有效交互以及小區(qū)間頻譜資源的優(yōu)化配置和選擇等方面仍存在不足，尤其當(dāng)?shù)凸β驶竟?jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)，這些方法的實(shí)施效果未必能達(dá)到理想目標(biāo)，因此，后續(xù)仍需要研究基于CA（carrier aggregation，載波聚合）的eICIC。

（3）空域優(yōu)化：CoMP

CoMP（coordinated multi-point transmission and reception，協(xié)作多點(diǎn)傳輸與接收）實(shí)現(xiàn)了包括服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)在內(nèi)的多個(gè)小區(qū)站點(diǎn)的天線以一種協(xié)作的方式進(jìn)行接收/發(fā)射的功能，從而改善終端/基站的接收信號(hào)質(zhì)量，降低小區(qū)之間的干擾，提升小區(qū)邊緣的用戶吞吐量以及小區(qū)的平均吞吐量。不同基站之間通過(guò)協(xié)同處理干擾，或者進(jìn)行干擾避免——通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源的劃分和限制或者有效分配，減小相鄰小區(qū)邊緣區(qū)域使用的資源在時(shí)間、頻率或者空間上的沖突，或者進(jìn)行干擾利用——通過(guò)協(xié)作共同接收用戶信號(hào)并合并接收的信號(hào)或者通過(guò)協(xié)作將用戶信號(hào)經(jīng)過(guò)不同加權(quán)后共同發(fā)射，其本質(zhì)就是MIMO（multiple-input multiple-output，多輸入/多輸出）技術(shù)在多小區(qū)下的應(yīng)用，利用空間信道上的差異進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了地理位置上分開的小區(qū)協(xié)作為一個(gè)或多個(gè)用戶服務(wù)。

R11對(duì)CoMP的性能分析分為同構(gòu)網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)的4種場(chǎng)景，其中兩種異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景僅考慮了Macro-RRH的組合，分別為兩者使用相同小區(qū)ID和不同小區(qū)ID的情況。相比宏基站扇區(qū)間與Macro-RRH間的CoMP技術(shù)研究，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中更應(yīng)該關(guān)注各類基站間的CoMP技術(shù)的性能研究，因此，這也是CoMP后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

3 多網(wǎng)智能協(xié)同

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能終端的普及，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量爆炸性的增長(zhǎng)，為了應(yīng)對(duì)用戶對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求、極速的業(yè)務(wù)體驗(yàn)需求，運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)通過(guò)多種無(wú)線接入方式，實(shí)現(xiàn)用戶的便捷接入、更流暢的用戶體驗(yàn)。但由于制式的特點(diǎn)、覆蓋的能力等多方面因素，會(huì)造成多網(wǎng)共存的局面，如何在2G、3G、WLAN、LTE的多接入條件下，協(xié)同好各種網(wǎng)絡(luò)資源，提供良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，保證業(yè)務(wù)的發(fā)展已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商面臨的又一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，這就要求從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面先解決不同制式的異構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同工作的問(wèn)題，后續(xù)再考慮市場(chǎng)引導(dǎo)策略。

由于運(yùn)營(yíng)商采用不同制式部署2G、3G網(wǎng)絡(luò)，造成了2G、3G與LTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的技術(shù)解決方案的個(gè)性化。因此，本文就選擇共性的問(wèn)題，探討近幾年發(fā)展火爆的“電信運(yùn)營(yíng)級(jí)”WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的趨勢(shì)。

3.1 SaMOG

對(duì)比R10所研究的3種LTE與WLAN協(xié)同組網(wǎng)方案，其中，S2a方案需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)BAS（broadband access server，寬帶接入服務(wù)器）網(wǎng)元進(jìn)行改造，使其支持PMIPv6（proxy mobile IPv6）或者GTP（GPRS tunnelling protocol），WLAN將作為授信的非3GPP系統(tǒng)接入EPC網(wǎng)絡(luò)；而S2b方案則需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署ePDG（enhanced packet data gateway），對(duì)WLAN接入進(jìn)行匯聚后作為非授信的非3GPP系統(tǒng)接入EPC網(wǎng)絡(luò)，出于安全性問(wèn)題的考慮，其要求終端與ePDG間建立IPSec（internet protocol security）隧道，這無(wú)疑增加了對(duì)終端的要求；而以高通公司專利為主要組成部分的S2c方案則更為復(fù)雜，它在終端與PDN GW（packet data network gateway）間定義了S2c接口，要求支持DSMIPv6（dual stack mobile IPv6），WLAN可以作為授信的非3GPP系統(tǒng)，也可以作為非授信的非3GPP系統(tǒng)接入EPC網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，也要求終端支持IPSec。

運(yùn)營(yíng)商若考慮實(shí)施上述3種方案，其實(shí)都存在一定難度，于是3GPP又提出了一種S2a擴(kuò)展方案——SaMOG（S2a-based mobility over GTP）方案，在R11中僅針對(duì)終端無(wú)影響的方案進(jìn)行研究，目前此方案可能是運(yùn)營(yíng)商最感興趣的技術(shù)方案。SaMOG組網(wǎng)方案的參考模型如圖2所示。

運(yùn)營(yíng)商可以在城域網(wǎng)的BAS與EPC網(wǎng)絡(luò)間，引入TWAP（trusted WLAN AAA peer）與TWAG（trusted WLAN access gateway）網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN認(rèn)證與數(shù)據(jù)的匯聚后作為授信的非3GPP系統(tǒng)，通過(guò)S2a接口使用GTP或者PMIPv6接入EPC網(wǎng)絡(luò)。

（1）TWAP：是終止STa接口的節(jié)點(diǎn)，在WLAN AN和3GPP AAA服務(wù)器之間處理傳遞AAA信息，建立終端的IMSI與MAC地址的綁定關(guān)系，能夠識(shí)別終端層2的attach/detach消息。

（2）TWAG：是終止S2a接口的節(jié)點(diǎn)，為終端的第一跳路由器。當(dāng)授信的非3GPP WLAN為終端提供接入EPC的功能時(shí)，在UE-TWAG鏈路和S2a隧道之間轉(zhuǎn)發(fā)包含終端的MAC地址的報(bào)文。

在SaMOG方案中，通過(guò)獨(dú)立設(shè)備提供了WLAN到EPC網(wǎng)絡(luò)的接入功能，對(duì)城域網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)均不需要大的改動(dòng)；同時(shí)，終端也不需要軟件更新就可以通過(guò)WLAN接入EPC網(wǎng)絡(luò)，大大簡(jiǎn)化了對(duì)終端的要求，也就方便了某些純移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)部署獨(dú)立設(shè)備，借助第三方的WLAN資源實(shí)現(xiàn)為自己的手機(jī)用戶進(jìn)行WLAN接入服務(wù)。當(dāng)然，3GPP仍會(huì)繼續(xù)開展對(duì)終端有影響的SaMOG方案的研究工作。

3.2 ANDSF

為了進(jìn)一步體現(xiàn)LTE與WLAN智能協(xié)同的能力，在R10就已經(jīng)啟動(dòng) 了ANDSF（access network discovery &selection function，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能）的研究工作，并且把ANDSF定義為一個(gè)網(wǎng)元實(shí)體，ANDSF架構(gòu)如圖3所示，其與終端間的接口采用基于OMA DM（open mobile alliance device management）的S14接口，ANDSF與終端的消息可以通過(guò)pull方式，由終端主動(dòng)向ANDSF請(qǐng)求獲取，也可以通過(guò)push方式，由ANDSF主動(dòng)推送給終端，但目前多數(shù)的研究是基于pull方式的。

ANDSF能夠提供以下3種策略信息。

·ANDI（access network discovery information，接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)信息）：根據(jù)終端位置的請(qǐng)求，ANDSF會(huì)提供給終端鄰近區(qū)域所有接入系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)列表，這一能力的提供需要與運(yùn)營(yíng)商的多網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，其實(shí)施難度較大。

·ISMP（inter-system mobility policy，系統(tǒng)間移動(dòng)性策略）：規(guī)定了是否允許終端進(jìn)行系統(tǒng)間的移動(dòng)，并為終端接入EPC網(wǎng)絡(luò)選擇最合適的接入系統(tǒng)，對(duì)于多模終端而言，此策略只需要支持單系統(tǒng)的接入，因此，在引入一些跨異系統(tǒng)切換的控制策略后，ISMP就可以實(shí)施部署應(yīng)用。

·ISRP（inter-system routing policy，跨系統(tǒng)路由策略）：在終端支持并開啟了在多個(gè)無(wú)線接入接口上路由IP流量的功能時(shí)，就可以使用ISRP。也就是說(shuō)，多模終端先要求具備多接入的功能，同時(shí)，也要具備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同支持IFOM（IP flow mobility）、MAPCON（multiple access PDN connection）以 及NSWO（nonseamless WLAN offload）的能力，鑒于此策略的實(shí)施對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)都有很高的要求，近期要實(shí)施的話，難度較大。

同時(shí)，在R11以后也開展了ANDSF增強(qiáng)的研究，包括OPIIS（operator policies for IP interface selection）與DIDA（data identification in access network discovery and selection function），并且針對(duì)ANDSF機(jī)制中未細(xì)分3GPP無(wú)線接入技術(shù)問(wèn)題，啟動(dòng)了WORM（optimized offloading to WLAN in 3GPP RAT mobility）的研究工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

LTE在國(guó)內(nèi)的商用腳步可能越來(lái)越近了，但對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈而言，針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)的研究工作仍任重且道遠(yuǎn)。異構(gòu)網(wǎng)是一種新的架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，需要高效的關(guān)鍵技術(shù)支撐，從而能夠賦予網(wǎng)絡(luò)新的能力。異構(gòu)網(wǎng)發(fā)展的方向是對(duì)共性的融合與個(gè)性的協(xié)同，需要體現(xiàn)出資源的協(xié)同、業(yè)務(wù)的統(tǒng)一、管理的智能等特征。比如，對(duì)于LTE與WLAN的智能協(xié)同而言，可以嘗試考慮SaMOG與ANDSF的深度結(jié)合，對(duì)數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡這一終端類型可以實(shí)施NSWO策略，這樣就可以考慮將此需求納入對(duì)TWAG以及TWAP網(wǎng)元的功能要求。甚至可以大膽考慮對(duì)有相似功能的TWAG與HeNB GW網(wǎng)元進(jìn)行合并，從而化解運(yùn)營(yíng)商組網(wǎng)時(shí)將面臨的復(fù)雜性問(wèn)題。因此，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈在深入研究制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，更應(yīng)該同步推進(jìn)相關(guān)的系統(tǒng)開發(fā)，使得用戶在未來(lái)能更早更好地獲取4G時(shí)代所帶來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的極速體驗(yàn)。

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2 鄒時(shí)林，何巖，常宇光.LTE Femto網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性分析.移動(dòng)通信，2012(8)

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6 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses V11.2.0，2012(3)

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