LTE-Hi關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀*

黃　磊，趙思聰，申　濱

(重慶郵電大學 移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065)

?

LTE-Hi關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀*

黃磊**，趙思聰，申濱

(重慶郵電大學 移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065)

摘要：第三代合作伙伴計劃(3GPP)在Release-12(R12)中所提出的LTE-Hi(Long Term Evolution-Hotspot/indoor)系統(tǒng)是解決室內(nèi)及熱點地區(qū)移動數(shù)據(jù)流量劇增問題的重要技術(shù)。在簡要介紹LTE-Hi系統(tǒng)的部署場景和需求后，對系統(tǒng)中所涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，并分析了關(guān)鍵技術(shù)中小小區(qū)開關(guān)和發(fā)現(xiàn)以及基于空中接口同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后對系統(tǒng)下一步研究方向進行了展望，期望為相關(guān)人員的研究提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：LTE-Hi；關(guān)鍵技術(shù)；小小區(qū)發(fā)現(xiàn)；小小區(qū)開關(guān)；空中接口同步；研究現(xiàn)狀

1引言

隨著移動通信的迅速發(fā)展以及各式各樣的移動智能終端的出現(xiàn)，人們對移動數(shù)據(jù)量的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長。據(jù)Cisco公司在2011年的統(tǒng)計，室內(nèi)移動數(shù)據(jù)業(yè)務量占全部數(shù)據(jù)量的70%，并且?guī)啄陜?nèi)這一比例甚至會增長至90%。另一方面，由于3 GHz以下可供使用的頻譜資源非常有限，為了提高傳輸速率，未來LTE將工作在更高頻段。但高頻信號穿透進入室內(nèi)的損耗非常明顯，業(yè)界討論在室內(nèi)和熱點地區(qū)布置小小區(qū)(Small Cell)來為宏小區(qū)提供負載分流并緩解宏小區(qū)業(yè)務壓力。在3GPP的Release-8中，曾針對熱點地區(qū)設計了Femtocell[1](家庭基站、飛蜂窩)，但技術(shù)體制與宏基站基本相同，主要側(cè)重于增強移動性和業(yè)務類型，并未增強無線接入技術(shù)。為了使小小區(qū)獲得更好的性能并節(jié)約更多能量，需對小小區(qū)技術(shù)進一步增強。因此，3GPP在Release-12中提出小小區(qū)增強技術(shù)(Small Cell Enhancement,SCE)，即LTE-Hi(Long Term Evolution Hotspot/indoor)。

本文首先介紹了LTE-Hi系統(tǒng)研究的場景和需求以及其中所涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)，并著重分析和歸納了目前業(yè)界針對幾種關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后提出未來LTE-Hi可能的研究方向，旨在為相關(guān)人員對此方面的內(nèi)容提供綜合性的了解與認識。

2LTE-Hi系統(tǒng)概述

Release-12的研究重點包括提高網(wǎng)絡容量和資源開銷效率、實現(xiàn)網(wǎng)絡與移動端節(jié)能、更好的用戶體驗和更高的接入速率以及反饋鏈路的增強等[2-4]。針對LTE-Hi，3GPP主要涉及了需求和部署場景的增強、物理層技術(shù)增強、高層技術(shù)增強等方面。表1列出了LTE-Hi研究的場景和需求，文獻[5]總結(jié)了3GPP Release-12標準化工作。

表1　SCE研究的場景和需求

LTE-Hi擬部署在3.5 GHz頻段[6]，涉及的場景主要有宏小區(qū)內(nèi)部或外部部署、室內(nèi)或室外部署、理想和非理想回傳鏈路下部署、稀疏或密集部署。圖1和圖2分別表示了3GPP所研究的4種場景[7]，其中F1表示宏小區(qū)的載波頻率，F(xiàn)2表示小小區(qū)載波頻率。

圖1　SCE的部署場景1和2a

圖2　SCE部署場景2b和3

LTE-Hi的小小區(qū)不僅要支持在宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的部署，也要支持不在宏小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)的單獨部署，例如深室內(nèi)場景。

室內(nèi)和室外部署場景最大的區(qū)別在于用戶設備(User Equipment,UE)的移動性。室內(nèi)場景中，UE通常保持靜止或低速移動，而室外場景可能有相對移動速度較快的UE。

回傳鏈路(無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的連接鏈路)的增強是LTE-Hi中一個重要的增強技術(shù)，特別是在部署大量的小小區(qū)節(jié)點時。3GPP主要討論了理想回傳(高吞吐量低延時，如點對點光纖連接)與非理想回傳(傳統(tǒng)回傳鏈路，如各種類型數(shù)字用戶線路)的增強。

對于稀疏或密集部署而言，室內(nèi)或熱點區(qū)域會部署單個或少量小小區(qū)來覆蓋該地區(qū)。而在密集城區(qū)或購物中心，則需要密集部署大量小小區(qū)節(jié)點來提供在相對較廣地區(qū)的巨大業(yè)務量。另外，小小區(qū)之間、小小區(qū)與宏小區(qū)之間均支持同步和非同步場景。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1頻譜效率增強技術(shù)

由于LTE-Hi系統(tǒng)的小小區(qū)主要部署在室內(nèi)或熱點地區(qū)，信道條件相比室外要好，所以3GPP提出引入更高階的調(diào)制方式，如256QAM(Quadrature Amplitude Modulation)，將8個比特映射到一個符號上來進一步提高頻譜效率[8]。另外,更高階的調(diào)制方式還可以增加可使用的信干噪比范圍，提升系統(tǒng)的抗噪聲性能，但缺點是會對現(xiàn)有標準產(chǎn)生影響，例如需要設計新的信道狀態(tài)信息(Channel Quality Indicator,CQI)和調(diào)制編碼方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)表格，并且引入高層信令來配置CQI/MCS和256QAM表格。對于今后新的UE，是否支持256QAM是可選擇的[9]。

另外一種提高頻譜效率的方法則是依據(jù)小小區(qū)部署場景下的無線信道具有低頻率選擇性與低時間選擇性衰落的特點，通過對UE特定參考信號及控制信令開銷進行壓縮來實現(xiàn)。3GPP通過分別降低上行與下行UE特定參考信號的開銷并仿真分析，得出只能在中高信噪比的信道條件下獲得比較好的性能增益。

3.2小小區(qū)開關(guān)與發(fā)現(xiàn)技術(shù)

LTE-Hi的小小區(qū)分布一般較為密集，且單個小小區(qū)覆蓋范圍小。當小小區(qū)連接的用戶數(shù)以及上下行業(yè)務量很小時，若小小區(qū)始終保持開啟狀態(tài)，則會浪費大量能量，因此需要設計出一種小小區(qū)開關(guān)方案來決定小小區(qū)的開啟與關(guān)閉。一個好的小小區(qū)開關(guān)方案不僅可以節(jié)約大量能量，也在很大程度上減少了小小區(qū)之間的干擾。

3GPP對小小區(qū)開關(guān)的研究主要有半靜態(tài)開關(guān)與動態(tài)開關(guān)。在半靜態(tài)的開關(guān)機制中，依據(jù)現(xiàn)有的LTE信令流程，開關(guān)的周期大約在幾百毫秒到幾秒之間。可能的半靜態(tài)開關(guān)方案主要有依據(jù)業(yè)務負載量大小、UE的到達與離開狀況、分組呼叫的到達與完成等條件來決定小小區(qū)的開啟與關(guān)閉?；跇I(yè)務負載量大小的半靜態(tài)開關(guān)是指，關(guān)閉狀態(tài)的小小區(qū)會因為其周圍小小區(qū)的負載量增長到某一級別時而開啟，相反，降低到某一級別時，則會關(guān)閉；基于UE的到達與離開狀況的半靜態(tài)開關(guān)方案則意味著開啟狀態(tài)的小小區(qū)在沒有UE與其連接時會選擇關(guān)閉，相反，當UE與小小區(qū)連接時，則會開啟；基于分組呼叫的到達與完成方案使得小小區(qū)在分組呼叫到達時開啟，傳輸完成后關(guān)閉。

對于動態(tài)開關(guān)，小小區(qū)要實現(xiàn)在子幀級別上的開啟與關(guān)閉，意味著開啟與關(guān)閉所需的時間只需幾毫秒。但是，現(xiàn)有LTE標準并不支持動態(tài)開關(guān)功能，3GPP后續(xù)還將對該方案進行深入研究。

由于LTE-Hi中小小區(qū)的密集部署，UE需從眾多小小區(qū)中發(fā)現(xiàn)并篩選出最適合自己連接的小小區(qū)，這便是小小區(qū)發(fā)現(xiàn)技術(shù)所要解決的問題。目前LTE系統(tǒng)中的小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制是利用主同步信號(Primary Synchronization Signal,PSS)、輔同步信號(Secondary Synchronization Signal,SSS)以及小區(qū)特定參考信號(Cell-specific Reference Signal,CRS)來實現(xiàn)。由于基站間的干擾會導致用戶無法檢測出周圍小區(qū)的PSS/SSS信號，而在密集部署時這種干擾更為嚴重，3GPP提出利用PSS/SSS干擾消除的方法來提高小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的性能。

另外，由于在現(xiàn)有LTE標準中，UE無法檢測到處于休眠狀態(tài)下的小小區(qū)[10]。為了解決這一問題，3GPP提出了一種基于下行同步信號/參考信號突發(fā)傳輸?shù)募夹g(shù)方案，讓激活狀態(tài)下的小小區(qū)正常發(fā)送PSS/SSS/CRS信號，休眠狀態(tài)下的小小區(qū)突發(fā)傳輸?shù)驼伎毡鹊男盘枴＿@樣，處于無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)空閑狀態(tài)下的UE就可以知道該休眠狀態(tài)的小小區(qū)短時間內(nèi)將可供連接。另外，基于下行同步信號/參考信號突發(fā)傳輸?shù)募夹g(shù)也可以應用在小小區(qū)開關(guān)上，例如，休眠或不連續(xù)傳輸狀態(tài)的小小區(qū)突發(fā)傳輸高占空比的信號，網(wǎng)絡可以依據(jù)來自RRC連接狀態(tài)的UE發(fā)送的測量報告來快速決定是否開啟該小小區(qū)。

3.3基于空中接口的同步技術(shù)

小區(qū)之間同步的方法主要包括：一是絕對時間同步，通過衛(wèi)星(例如全球定位系統(tǒng))來實現(xiàn)的同步，它的優(yōu)點是同步的可靠性高，精度高，但不足之處在于其信號目前還不能穿透至室內(nèi)，且必須要在室外布置天線，存在一定的局限性；二是網(wǎng)絡同步，利用IEEE 1588協(xié)議進行同步，在某種程度上可以作為衛(wèi)星同步的一種替代方案；三是UE輔助同步，通過UE測量兩個相鄰小區(qū)的時間差來獲得定時信息。

在LTE-Hi中，小小區(qū)可能處于室內(nèi)深度部署或者周圍有建筑物遮擋的場景下，此時衛(wèi)星同步或基于網(wǎng)絡回傳的同步不一定會有效。另外，對小小區(qū)來說，使用這兩種方法所需的額外費用也是需要考慮的問題。這時，基于空中接口的同步技術(shù)就有了重要的實際意義?；诳罩薪涌谕椒桨傅闹饕枷胧切⌒^(qū)可以與網(wǎng)絡中其他已同步的小小區(qū)獲得同步。

3GPP對空中接口同步技術(shù)研究的場景主要包括宏小區(qū)與小小區(qū)之間的同步、同一小區(qū)簇內(nèi)的小小區(qū)之間的同步以及不同小區(qū)簇之間的同步，并指出：為其他小區(qū)提供同步的小區(qū)稱作源小區(qū)，獲得同步的小區(qū)則稱作目標小區(qū)。另外，由于在某一小區(qū)簇內(nèi)可能存在多個源小區(qū)，且并非所有的目標小區(qū)都能從同一個源小區(qū)獲得同步，所以應該支持多跳同步。

3.4動態(tài)TDD技術(shù)

時分雙工(Time Division Duplex,TDD)系統(tǒng)相比頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)的優(yōu)勢就在于無需成對的頻率，可以方便靈活地在零散的頻譜上進行配置，提高頻譜效率。LTE-Hi系統(tǒng)中上下行數(shù)據(jù)量的嚴重不均勻，動態(tài)TDD技術(shù)可以根據(jù)實際業(yè)務量的情況，靈活地配置上下行的子幀配比，更好地滿足了用戶需求并提高了系統(tǒng)效率。

4LTE-Hi研究現(xiàn)狀

3GPP Release-12中LTE-Hi一經(jīng)提出，便引起了國內(nèi)外學術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注和重視，其中針對小小區(qū)開關(guān)及發(fā)現(xiàn)技術(shù)以及基于空中接口的同步技術(shù)則是研究的重點。本節(jié)將介紹并分析目前業(yè)界針對這三種關(guān)鍵技術(shù)所提出的主流方案。

4.1小小區(qū)發(fā)現(xiàn)研究現(xiàn)狀

小小區(qū)發(fā)現(xiàn)面臨的兩個主要問題是UE在進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)時消耗的電量會因為所測載波的數(shù)目的增加而增加以及小區(qū)簇內(nèi)傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)信號和參考信號之間嚴重的干擾。文獻[11]針對這兩個問題，提出了一種基于網(wǎng)絡同步和輔助的發(fā)現(xiàn)方案和一種新的發(fā)現(xiàn)信號設計方案。已同步的小小區(qū)以較長的周期傳輸含有小區(qū)標識信息的發(fā)現(xiàn)信號。由于UE在進行小區(qū)發(fā)現(xiàn)前已經(jīng)與提供服務的小區(qū)(例如宏小區(qū))建立了連接，所以網(wǎng)絡可以向UE提供輔助信息(例如粗略的定時信息和發(fā)現(xiàn)信號配置信息等)，如圖3所示。

圖3　基于網(wǎng)絡同步和輔助的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案

發(fā)現(xiàn)信號的設計應實現(xiàn)短時間內(nèi)可靠地檢測出UE附近存在的小小區(qū)，并且應具有良好的魯棒性來應對宏小區(qū)與小小區(qū)之間時間和頻率的偏移。文中設計的發(fā)現(xiàn)信號由PSS/SSS和發(fā)現(xiàn)參考信號(Discovery Reference Signal,DRS)組成，其中PSS/SSS負責粗略的時域和頻域同步，DRS負責小區(qū)識別和參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)的測量。DRS的候選設計可以由CRS、定位參考信號(Positioning Reference Signal,PRS)或信道狀態(tài)信息參考信號(Channel State Information Reference Signal,CSI-RS)構(gòu)成，之所以選用這三種信號，是因為它們在整個帶寬中都可以傳輸，基于這些參考信號的寬帶測量相比傳統(tǒng)基于PSS/SSS的測量可以獲得更高的處理增益。另外，數(shù)據(jù)傳輸過程中對CSI-RS、CRS、PRS造成的干擾也可以通過數(shù)據(jù)靜音(data muting)技術(shù)來避免。三種候選的DRS在一定程度上都提高了小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的準確度并縮短發(fā)現(xiàn)所用的時間，其中使用數(shù)據(jù)靜音技術(shù)則具有更高的發(fā)現(xiàn)概率。該方案與傳統(tǒng)的UE自主進行檢測的方法相比，不僅減少了UE進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的步驟及所消耗的能量，同時也提高了發(fā)現(xiàn)的準確度。但新發(fā)現(xiàn)信號的引入，必然會增加額外的信令開銷。另外，文中在考慮能量消耗時，只對UE端進行了仿真分析，并沒有在系統(tǒng)層面上評估該方案的能耗情況。對該方案的研究有待進一步深入。

文獻[12]中指出，每一個物理位置都可以由一組唯一的信號強度和相對應的小區(qū)ID來確定。在此結(jié)論基礎(chǔ)上，文獻[13]提出了一種利用RSRP和宏小區(qū)ID構(gòu)成的指紋數(shù)據(jù)庫來進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫的每一個條目叫做射頻指紋(Radio Frequency Fingerprint)，它是在每個小小區(qū)的附近地區(qū)采集得到。指紋數(shù)據(jù)庫如表2所示，其中M表示數(shù)據(jù)庫指紋條目數(shù)，N表示測量的宏小區(qū)數(shù)。當UE進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)時，接收來自各個宏小區(qū)發(fā)送的參考信號得到RSRP，并檢測相對應的宏小區(qū)ID，最后與指紋數(shù)據(jù)庫進行匹配。如果匹配成功，說明該UE附近存在一小小區(qū)，于是開始確知信號(例如同步序列)的搜索，與該小小區(qū)建立連接。文獻[14]對指紋數(shù)據(jù)庫所存儲的位置進行了分析。若僅UE端保存數(shù)據(jù)庫，則會造成網(wǎng)絡端對UE的移動性性能的控制受限。例如，當熱點地區(qū)部署了一個新的小小區(qū)，由于存儲在UE端的數(shù)據(jù)庫并沒有該小小區(qū)的指紋數(shù)據(jù)，所以該新部署的小小區(qū)就不能被發(fā)現(xiàn)，但從另一個角度說，UE端存有數(shù)據(jù)庫會簡化UE自主進行小小區(qū)搜索的步驟。若僅網(wǎng)絡端儲存指紋數(shù)據(jù)庫的話，UE與網(wǎng)絡之間會產(chǎn)生大量的信令開銷，但卻有利于數(shù)據(jù)庫的更新，兩者各有優(yōu)缺點。基于指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案是小小區(qū)發(fā)現(xiàn)技術(shù)中重要研究方向之一，今后的研究重點主要集中在指紋數(shù)據(jù)庫的建立與更新、確定指紋數(shù)據(jù)庫的存儲位置以及提高匹配的準確性上。

表2　指紋數(shù)據(jù)庫

與上述兩種小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案不同的是，文獻[15]重點關(guān)注了UE的移動性，并提出了一種基于預測連接時間的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)策略，如圖4所示。該方案利用UE的移動速度和方向估計出UE將要與小小區(qū)建立連接的時間；并且實現(xiàn)了接入控制，即預測得到的連接時間若小于某一閥值的UE會被禁止進行小小區(qū)搜索。另外，為了提高UE能量效率以及小小區(qū)的使用效率，只有當UE距離小小區(qū)的覆蓋區(qū)域很近時，才開始進行異頻測量(Inter-Frequency Measurement)來發(fā)現(xiàn)小小區(qū)。UE的位置獲取過程由基站端實施，可使用基于網(wǎng)絡的位置檢測方法，例如基于小區(qū)標識的增強型定位方法(Enhanced Cell ID,E-CID)。通過位置獲取得到在ti-1和ti時刻的兩個位置信息Pi-1、Pi，計算可得出UE的運動速度vi與移動方向θi，再通過一系列的數(shù)學計算得到在當前的速度與方向下UE到達該小小區(qū)覆蓋范圍的時間tt以及將要與小小區(qū)連接的時間tc。UE在經(jīng)過tt后，開始進行異頻測量，與小小區(qū)建立連接。該方案對降低UE掃描能耗以及提高小小區(qū)使用效率有很好的效果。

圖4　基于預測連接時間的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案

由于LTE-Hi中宏小區(qū)與小小區(qū)的異頻部署，處于宏小區(qū)服務狀態(tài)下的UE在進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)時，網(wǎng)絡需要為其配置測量間隔(Measurement Gap)，留出一段時間讓UE轉(zhuǎn)入小小區(qū)所在的頻點上進行測量。目前，LTE系統(tǒng)中使用的測量間隔為6 ms，每次測量的持續(xù)時間為40 ms或80 ms[16-17]。文獻[18]指出，若LTE-Hi系統(tǒng)仍沿用此測量間隔模式，UE將浪費大量能量在異頻測量上，進而提出一種稱作背景異頻測量(Background Inter Frequency Measurement,BIM)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。BIM的主要思想是通過定義更長的測量間隔來掃描小小區(qū)。此方案減小了UE異頻測量的能耗，但缺點是切換動作的啟動會滯后。

表3對比總結(jié)了以上幾種小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點。

表3　小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案對比

4.2小小區(qū)開關(guān)研究現(xiàn)狀

一個典型小小區(qū)開關(guān)的操作過程大致可劃分為小小區(qū)處于關(guān)閉(或開啟)狀態(tài)1、產(chǎn)生某個觸發(fā)事件、作出開啟(或關(guān)閉)判決、小小區(qū)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、小小區(qū)處于開啟(或關(guān)閉)狀態(tài)2，該過程可用圖5來表示。

圖5　典型開關(guān)方案的過程說明

轉(zhuǎn)換過程主要包括小區(qū)開啟或關(guān)閉的過程、小區(qū)激活/失活UE所需的子載波、UE測量信道狀態(tài)信息并上報的過程等。文獻[19]總結(jié)了降低開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的幾種可行方案。

在設計新的觸發(fā)事件的研究上，3GPP研究的候選方案主要有基于業(yè)務負載量的大小、UE的到達與離開狀況、分組呼叫的到達與完成等。

文獻[20]提出了一種基于業(yè)務感知用戶關(guān)聯(lián)的小小區(qū)開關(guān)策略，該方案的思想則是依據(jù)UE的到達與離開。文中指出動態(tài)的小小區(qū)開關(guān)按照圖6所示的狀態(tài)機工作。所有的小小區(qū)一開始都處于“0”狀態(tài)即關(guān)閉狀態(tài)，當UE激活了一個小小區(qū)后，小小區(qū)轉(zhuǎn)換到“1”過渡開啟狀態(tài)，在“1”狀態(tài)下，小小區(qū)在時間B內(nèi)只發(fā)送CRS，之后進入狀態(tài)“2”，此時小小區(qū)處于完全開啟狀態(tài)，傳輸信號以及CRS。當沒有UE與其連接時，進入狀態(tài)“3”過渡關(guān)閉狀態(tài)，如果在時間E內(nèi)有UE激活小小區(qū)，則進入狀態(tài)“1”，如果沒有的話，則進入狀態(tài)“0”。理想條件下，將時間B和時間E設置成0時，該方案可為用戶提供更多的候選小小區(qū)，增加小小區(qū)服務用戶的數(shù)目并且減少開啟小小區(qū)時由CRS造成的干擾，提高了信干噪比。而在B和E設置成非0時，由于開啟與關(guān)閉小小區(qū)引起的長等待延時以及在時間B和E發(fā)送的CRS之間的干擾，則會造成性能退化。

圖6　小小區(qū)開關(guān)狀態(tài)機

文獻[21-22]則是基于業(yè)務負載量大小的小小區(qū)開關(guān)方案。其中文獻[21]提出的分布式小小區(qū)開關(guān)方法定義了一種特定的負載因子，依據(jù)這個負載因子，決定該小小區(qū)是否進入休眠狀態(tài)并通知其周圍小小區(qū)。而當其附近的小小區(qū)負載增加時，會給最后關(guān)閉的小小區(qū)發(fā)送命令，請求其進入開啟狀態(tài)，開啟過程是關(guān)閉過程的倒轉(zhuǎn)。雖然這種方法可以實現(xiàn)高能量效率，但是存在一個準確性的問題，例如當負載是來自另外一個休眠狀態(tài)的小小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)而不是最后關(guān)閉的小小區(qū)時，此時開啟最后關(guān)閉的小小區(qū)的性能則并不是最好的。文獻[22]提出了一種利用存儲轉(zhuǎn)發(fā)中繼的小小區(qū)開關(guān)策略，通過協(xié)作中繼節(jié)點將低利用率的小小區(qū)的業(yè)務負載轉(zhuǎn)發(fā)到附近的小小區(qū)中，而低負載的小小區(qū)將會關(guān)閉。小區(qū)關(guān)閉的條件只由業(yè)務負載量決定。該方案關(guān)閉了低利用率的小小區(qū)，節(jié)約了能量，但卻有悖于目前提出的負載均衡(Load Balancing)。

與目前主流方案不同的是，文獻[23]提出利用UE和小小區(qū)之間的距離來實現(xiàn)小小區(qū)開關(guān)方案，重點考慮了系統(tǒng)的服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS)。方案的主要步驟是：

首先，每個小小區(qū)估計與其相連接的UE間的距離，并獲得與其周圍小小區(qū)相連接的UE的距離；

其次，計算出每個小小區(qū)與UE的平均距離并按從大到小排列；

第三，排在第一位的小小區(qū)由于平均距離最長需要最大的傳輸功率，在不造成QoS下降的情況下，將會被關(guān)閉。算法將會從第一步繼續(xù)進行，直到關(guān)閉小小區(qū)會造成QoS降低時停止。該方案不僅在保證QoS的前提下實現(xiàn)了低能量消耗，且實現(xiàn)了在低業(yè)務量時有效地選擇應該關(guān)閉的小小區(qū)，但局限性較強，只適用與低業(yè)務量的條件。表4對比總結(jié)了以上介紹的幾種小小區(qū)開關(guān)方案的優(yōu)缺點。

表4　小小區(qū)開關(guān)方案對比

4.3基于空中接口同步技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前3GPP對空中接口同步的研究主要包括基于網(wǎng)絡偵聽和UE輔助兩種方案?；诰W(wǎng)絡偵聽的同步方案是指目標小區(qū)通過偵聽源小區(qū)的網(wǎng)絡偵聽參考信號(例如CRS、PRS以及CSI-RS)來保持與源小區(qū)的同步。如圖7所示，目標小區(qū)在偵聽源小區(qū)的過程中會先停止向UE傳輸信號，直到與源小區(qū)同步(或至少處于同一頻率)才開始進行傳輸。文獻[24]中指出，在TDD系統(tǒng)的異頻同步中可以使用多播/組播單頻網(wǎng)絡(Multimedia Broadcast multicast service Single Frequency Network,MBSFN)子幀或保護間隔(Guard Period,GP)作為偵聽時隙。基于網(wǎng)絡偵聽同步方案的同步準確度與目標小區(qū)的信道條件、參考信號類型、小區(qū)簇的跳數(shù)等因素有關(guān)。

圖7　基于網(wǎng)絡偵聽的同步方案

文獻[25]以此方案為基礎(chǔ)并進行了改進。如圖8所示，小小區(qū)安裝有偵聽設備，用來接收宏基站的下行同步信號。由于宏基站的同步一般是通過衛(wèi)星實現(xiàn)，所以其信號可以作為一個可靠的同步源。但是在同信道部署的場景下，采用增強的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(enhanced Inter Cell Interference Coordination,eICIC)技術(shù)通常的做法是將子幀同步成如圖9(a)所示。小小區(qū)傳輸?shù)南滦型叫盘枙貍鹘o偵聽設備(圖8所示)，與來自宏小區(qū)的下行同步信號產(chǎn)生回傳干擾。為了避免回傳干擾，文中提出移動小小區(qū)子幀號以及靜音(mute)傳輸與宏小區(qū)同步信號產(chǎn)生沖突的小小區(qū)子幀。圖9(b)中，將小小區(qū)的子幀號移動了一個子幀位置，且第9和第4個子幀由于會與宏小區(qū)的第0和第5個子幀產(chǎn)生干擾而被靜音。該方案實現(xiàn)了在強回傳干擾情況下，也可以準確地接收宏小區(qū)同步信號。

圖8　回傳自干擾

圖9　幀配置

UE輔助的同步方案是利用UE提供的輔助信息來實現(xiàn)源小區(qū)與目標小區(qū)之間的同步。例如，UE可以通過檢測來自源小區(qū)與目標小區(qū)下行信號的到達時間(或源小區(qū)與目標小區(qū)檢測UE上行信號的到達時間)。網(wǎng)絡通過此信息獲得源小區(qū)與目標小區(qū)的時間差，進而實現(xiàn)源小區(qū)與目標小區(qū)的同步。表5在同步開銷和精度上對比了兩種基于空中接口的同步方案。

表5　兩種空中接口同步方案的對比

除了上述兩種主流的方案外，文獻[26]提出了一種使用“同步信標”的方法。由于在LTE系統(tǒng)中，無論系統(tǒng)帶寬多大，PSS/SSS始終占用6個資源塊(Resource Block,RB)，且映射到系統(tǒng)中央的62個子載波上，中間的直流子載波不使用。兩邊各有5個空閑資源元素(Resource Element,RE)，用于提供干擾保護。文中設計的同步信標使用了兩邊各4個RE，由兩個不同極性、長度為8的Walsh-Hadamard序列組成。由于序列具有正交性，并且在這些空閑的RE上沒有其他序列傳輸，所以序列間沒有干擾。如圖10所示，已同步的宏基站將同步信標作為相位基準進行廣播，由于宏小區(qū)與小小區(qū)的信道轉(zhuǎn)移函數(shù)在同步前是未知的，所以未同步的小小區(qū)只能通過非相干檢測方法來檢測接收到的信號，最終實現(xiàn)相位同步。該方案提高了信噪比，且并未影響現(xiàn)有的小小區(qū)和終端。

圖10　基于同步信標的同步方案

5結(jié)束語

本文主要介紹了LTE-Hi標準化的研究，闡述了LTE-Hi的系統(tǒng)需求及部署場景、關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀，重點對小小區(qū)發(fā)現(xiàn)、開關(guān)和空中接口的同步技術(shù)進行了說明和分析。

下一步研究工作中，對于小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的研究主要圍繞兩個方面進行：一是根據(jù)現(xiàn)有的參考信號進行檢測，此種方法不需要對參考信號進行修改，而主要是新的檢測和測量PRS/CSI-RS的方法，可能需要對RE靜音模式進行修改；二是針對改進的SS/RS或新設計的發(fā)現(xiàn)信號進行檢測，此種方法需要實現(xiàn)在帶來增益的同時減少開銷、能耗以及對標準的影響，可能的方法包括PSS/SSS靜音、PSS/SSS共享、雙PSS/SSS、資源擴展/致密化以及新的發(fā)現(xiàn)信號設計等。

小小區(qū)開關(guān)方面，降低開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間是未來研究的一個重點?？衫矛F(xiàn)有的切換方法、載波聚合的激活/失活和雙連接技術(shù)來實現(xiàn)。從策略上考慮，負載變化和負載業(yè)務量增減、UE活動規(guī)律及軌跡、小小區(qū)簇內(nèi)協(xié)調(diào)工作機制等，都是小小區(qū)開關(guān)的重要研究內(nèi)容。

基于空中接口的同步技術(shù)則主要關(guān)注同步的精確度、資源開銷、花費和復雜度以及運營商之間的同步。

參考文獻：

[1]賈亞男,岳殿武.面向5G 的小蜂窩網(wǎng)絡研究綜述[J].電訊技術(shù),2015,55(11):1296-1303.

JIA Yanan,YUE Dianwu.A survey of small cell networks in 5G[J].Telecommunication Engineering,2015,55(11):1296-1303.(in Chinese)

[2]3GPP TR36.932,Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-URTA and E-UTRAN[S].

[3]3GPP TR36.211,Physical channels and modulation-introduction of LTE-advanced[S].

[4]3GPP TR36.932,Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-URTA and E-UTRAN[S].

[5]3GPP.Overview of 3GPP Release 12 V0.1.4[S].[2015-11-20].http://www.3gpp.org.

[6]CHEN S,WANG Y,QIN F,et al.LTE-HI：a new solution to future wireless mobile broadband challenges and requirements[J].IEEE Wireless Communications,2014,21(3)：70-78.

[7]SAKER L,ELAYOUBI S E,COMBES R,et al.Optimal control of wake up mechanisms of femtocells in heterogeneous networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(3)：664-672.

[8]3GPP TR36.872,Small cell enhancement for E-UTRA and E-UTRAN--physical layer aspects[S].

[9]焦慧穎.小小區(qū)增強技術(shù)的標準化最新進展[J].現(xiàn)代電信科技,2014,44(11)：63-65.JIAO Huiying.Newest progress on small cell enhancement standardization[J].Modern Science and Technology of Telecommunications,2014,44(11)：63-65.(in Chinese)

[10]3GPP TSG RAN WG1 R1-140202,Discovery signal features for energy-efficient small cell discovery and measurement[S].

[11]HARADA H,NAGATA S,KISHIYAMA Y,et al.Efficient small cell discovery mechanism exploiting network synchronization and assistance for future radio access networks[C]//Proceedings of 2014 11th International Symposium on Wireless Communications Systems(ISWCS).Barcelona：IEEE,2014：675-679.

[12]PRASAD A,TIRKKONEN O,LUNDEN P,et al.Energy-efficient inter-frequency small cell discovery techniques for LTE-advanced heterogeneous network deployments[J].IEEE Communications Magazine,2013,51(5):72-81.

[13]PRASAD A,LUNDEN P,TIRKKONEN O,et al.Energy efficient small-cell discovery using received signal strength based radio maps[C]//Proceedings of 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conference(VTC Spring).Dresden：IEEE,2013：1-5.

[14]PRASAD A,LUNDEN P,TIRKKONEN O,et al.Enhanced small cell discovery in heterogeneous networks using optimized RF fingerprints[C]//Proceedings of 2013 IEEE 24th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC).London：IEEE,2013：2973-2977.

[15]HONG Y,XU X,TAO M.Predictive connection time based small cell discovery strategy for LTE-advanced and beyond[C]// Proceedings of 2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).Istanbul：IEEE,2014：2061-2066.

[16]3GPP TS36.331,E-UTRA:RRC protocol specification[S].

[17]3GPP TS36.133,E-UTRA requirements for support of radio resource management[S].

[18]3GPP TSG-RAN WG2 R2-123102,Background search for small cell detection[S].

[19]3GPP TSG RAN WG1 R1-134065,Measurement and procedure enhancements for transition time reduction of small cell on/off[S].

[20]ELBASSIOUNY S O,ELHAMY A,IBRAHIM A S.Traffic-aware user association technique for dynamic on/off switching of small cells[C]// Proceedings of 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).New Orleans,LA：IEEE,2015：866-871.

[21]OH E,SON K,KRISHNAMACHARI B.Dynamic base station switching-on/off strategies for green cellular networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2013,12(5)：2126-2136.

[22]KOLIOS P,FRIDERIKOS V,PAPADAKI K.Switching off low utilization base stations via store carry and forward relaying[C]//Proceedings of 2010 IEEE 21st International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications Workshops(PIMRC Workshops).Instanbul：IEEE,2010：312-316.

[23]BOUSIA A,ANTONOPOULOS A,ALONSO L,et al.“Green” distance-aware base station sleeping algorithm in LTE-Advanced[C]//Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Communications(ICC).Ottawa,ON：IEEE,2012：1347-1351.

[24]3GPP TSG RAN WG1 R1-131856,Scenarios and solutions of radio-interface based synchronization mechanisms[S].

[25]KONISHI M,OGATA D,NAGATE A,et al.A simple network-listening based synchronization for small cells in LTE-Advanced[C]//Proceedings of 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).New Orleans,LA：IEEE,2015：663-668.

[26]LORCA J.Over-the-air phase synchronization mechanism for LTE small cells in interference-limited scenarios[C]//Proceedings of 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conference(VTC Spring).Dresden：IEEE,2013:1-5.

LTE-Hi Key Technologies and Current Researches

HUANG Lei,ZHAO Sicong,SHEN Bin

(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Abstract：The Long Term Evolution-Hotspot/indoor(LTE-Hi) system proposed by the 3rd Generation Partnership Project(3GPP)in Release-12(R12) plays an important role in solving the problem of the increasing data traffic indoor or in hotspot areas.After briefly introducing the deployment scenarios and requirements of LTE-Hi,this paper discusses part of the key technologies which are involved in the system.The current research on small cell on-off switching mechanisms and strategies,discovery technologies and radio-interface based synchronization is analyzed particularly.Finally it presents several possible future research directions of LTE-Hi in hope of providing reference for those concerned.

Key words：LTE-Hi；key technology;small cell discovery；small cell on-off；radio-interface based synchronization;current researches

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.020

收稿日期：2015-12-29；修回日期：2016-03-03Received date:2015-12-29；Revised date：2016-03-03

基金項目：國家科技重大專項(2015ZX03001026-003)

Foundation Item:The National Science and Technology Major Project(2015ZX03001026-003)

通信作者：939696379@qq.comCorresponding author：939696379@qq.com

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0708-09

作者簡介：

黃磊(1992—)，男，安徽人，2014年于皖西學院獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為LTE-Hi系統(tǒng)；

HUANG Lei was born in Anhui Province,in 1992.He received the B.S. degree from West Anhui University in 2014.He is now a graduate student.His research concerns LTE-Hi system.

Email:939696379@qq.com

趙思聰(1992—)，男，湖南人，2014年于湖南邵陽學院獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為LTE系統(tǒng)；

ZHAO Sicong was born in Hunan Province,in 1992.He received the B.S. degree from Hunan Shaoyang University in 2014.He is now a graduate student.His research concerns LTE system.

Email:719342885@qq.com

申濱(1978—)，男，貴州人，2010年于韓國仁荷大學獲博士學位，現(xiàn)為教授，主要研究方向為LTE系統(tǒng)和認知無線電等。

SHEN Bin was born in Guizhou Province,in 1978.He received the Ph.D. degree from Korea Inha University in 2010.He is now a professor.His research concerns LTE system and cognitive radio.

Email:shenbin@cqupt.edu.cn

引用格式：黃磊，趙思聰，申濱.LTE-Hi關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):708-716.[HUANG Lei,ZHAO Sicong,SHEN Bin.LTE-Hi key technologies and current researches[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):708-716.]