UDN小區(qū)組網(wǎng)方案研究

李世超

摘要：超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）作為第五代移動(dòng)通信（5G）的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)5G要求中的高速率，低時(shí)延，大業(yè)務(wù)量以及高密度終端數(shù)起到了至關(guān)重要的作用。UDN小區(qū)有著自身的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)小區(qū)有著本質(zhì)的不同。因此，如何對(duì)UDN小區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其發(fā)揮最大的效用，成為UDN研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。文章通過介紹UDN的特點(diǎn)，對(duì)UDN小區(qū)的組網(wǎng)方案進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了UDN小區(qū)的組網(wǎng)方案與傳統(tǒng)小區(qū)組網(wǎng)方案的區(qū)別，指出了UDN小區(qū)組網(wǎng)中所面臨的各種挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：超密集網(wǎng)絡(luò)；第五代移動(dòng)通信；異構(gòu)組網(wǎng)；挑戰(zhàn)

在過去的20年間，無線通信的數(shù)據(jù)流量以及無線終端的數(shù)量都呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)的增長。人們對(duì)無線通信的速率、時(shí)延、可靠性都提出了更高的要求。第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）正是面對(duì)著這些挑戰(zhàn)應(yīng)運(yùn)而生。與目前的第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）相比，5G要滿足超高速率、超低時(shí)延、高能效，高連接數(shù)密度以及高速移動(dòng)的要求。具體表現(xiàn)為：（1）吞吐量提高1000倍；（2）處理時(shí)延降低9/10；（3）能量效率提高100倍；（4）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本降低9/10到99/100；（5）支持移動(dòng)用戶的實(shí)時(shí)連接以及高吞吐量的要求。

1 UDN簡介

作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）通過部署大量的無線設(shè)備來滿足高流量、高密度無線終端接入的要求，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的頻譜利用率，從而使得系統(tǒng)的容量可以得到較大的提升。UDN典型的場景包括校園，辦公樓，體育館，火車站，地鐵等人口密集的地區(qū)。高密度網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)帶來許多問題，例如：干擾較為嚴(yán)重，站址難以選擇，需要對(duì)無線回傳資源進(jìn)行分配管理，用戶的移動(dòng)性，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本等。因此，如何對(duì)UND中的小區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)訛成為解決以上問題的關(guān)鍵。

2 UDN小區(qū)組網(wǎng)方案

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站的組網(wǎng)方式已經(jīng)無法滿足日益增長的高流量的業(yè)務(wù)要求。目前最常見的組網(wǎng)方式就是采用異構(gòu)組網(wǎng)。與傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式相比，異構(gòu)組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)的無縫覆蓋，提高系統(tǒng)的頻譜利用率及吞吐量。到2012年為止，微小區(qū)的數(shù)目已遠(yuǎn)大于宏小區(qū)的數(shù)目。這些微小區(qū)通常是部署在室內(nèi)的家庭式基站。同時(shí)，各大移動(dòng)運(yùn)營商也加緊了室外微小區(qū)的建設(shè)。

目前，微小區(qū)的組網(wǎng)方式主要是在指定的頻段內(nèi)進(jìn)行組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方法雖然可以避免小區(qū)間的干擾，但與宏小區(qū)和微小區(qū)共享頻譜資源的同信道小區(qū)組網(wǎng)方式相比，該種方法頻譜利用率極低。同樣地，同信道小區(qū)的組網(wǎng)方式也存在弊端，那就是干擾過大，尤其是當(dāng)微小區(qū)所使用的頻段很接近的時(shí)候，干擾會(huì)變得十分嚴(yán)重。

通過上面的分析可以看出，同信道小區(qū)組網(wǎng)方式能有效地利用頻譜資源，但干擾較大。正交信道小區(qū)組網(wǎng)方式能避免干擾，但頻譜利用率較低?？梢圆捎梅謱釉O(shè)計(jì)的思想來充分利用這兩種小區(qū)組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)。

第一層采取傳統(tǒng)的宏蜂窩基站的組網(wǎng)方式。使用三維多輸入多輸出（3D-MIMO）天線，可以有效地提高頻譜利用率，并且可以提高信號(hào)的穿透能力。當(dāng)小區(qū)內(nèi)的建筑物很高時(shí)，這種覆蓋方式可以得到很好的效果。第二層采用目前最常見的同信道小區(qū)組網(wǎng)方式。可以認(rèn)為該層是采用小區(qū)分裂的方式在第一層的基礎(chǔ)上所增加的熱點(diǎn)。在該層可以使用干擾協(xié)調(diào)的方法來平衡小區(qū)內(nèi)的負(fù)載，從而有效地消除小區(qū)內(nèi)的干擾。另外，多小區(qū)協(xié)作，采用不同的發(fā)射功率，可以有效地消除不同小區(qū)間的干擾。第三層采用正交信道的組網(wǎng)方式。由于小區(qū)的覆蓋范圍很小，因此第三層所服務(wù)的用戶多是靜止的用戶，而室內(nèi)靜止的用戶所需要的數(shù)據(jù)量占到了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的80%。為了確保用戶能夠在第一層和第三層之間流暢地接受服務(wù)，通常采用雙重覆蓋的方式。也就是說，一個(gè)用戶有可能同時(shí)接受兩個(gè)不同層級(jí)接入點(diǎn)的服務(wù)。比如，可以讓宏基站給用戶提供語音服務(wù)，而數(shù)據(jù)及視頻業(yè)務(wù)由微小區(qū)提供。另外，由于雙重覆蓋是兩層小區(qū)為一個(gè)用戶服務(wù)，可以提高移動(dòng)用戶的魯棒性。雙重覆蓋的方式適用于正交信道小區(qū)組網(wǎng)，該種組網(wǎng)方法的主要問題是用戶的移動(dòng)性管理。第四層采用高頻寬帶組網(wǎng)方式。這一層采用的技術(shù)包括毫米波，以大規(guī)模MIMO為基礎(chǔ)的波束成形以及空分復(fù)用技術(shù)。UDN小區(qū)組網(wǎng)方案如圖1所示。

3 UDN小區(qū)組網(wǎng)與傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的區(qū)別

通過對(duì)UDN小區(qū)組網(wǎng)方式的分析，可以看出，以上的組網(wǎng)方式實(shí)際上是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。但是UDN小區(qū)的組網(wǎng)方式又與傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式有著本質(zhì)的不同，這些區(qū)別在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)格外注意。

第一，基站和用戶的密度。在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，用戶的密度要遠(yuǎn)大于基站的密度。但在UDN網(wǎng)絡(luò)中，用戶的密度要小于基站的密度。因此，在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，基站要時(shí)刻處在開放的狀態(tài)。但在UDN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)基站周圍沒有用戶時(shí)，為了減少干擾并節(jié)約能量，可以選擇將基站關(guān)閉。

第二，干擾的種類不同。在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，干擾主要是非視距（NLOS）干擾，而在UDN網(wǎng)絡(luò)中，干擾主要是視距（LOS）干擾。因此，在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，通常采用的是單斜率路徑損耗模型。而在UDN網(wǎng)絡(luò)中，通常采用的是更加復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)路徑損耗模型。

第三，分集損耗。在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中有非常豐富的用戶分集，而在UDN網(wǎng)絡(luò)中，用戶分集非常有限。因此在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中一般采用獨(dú)立陰影和多徑衰落模型，而在UDN網(wǎng)絡(luò)中，上述模型是不成立的。

4 UDN小區(qū)組網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)

UDN具有自身的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使在進(jìn)行小區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)必須要面對(duì)大量的挑戰(zhàn)。

（1）回傳網(wǎng)絡(luò)?；貍骶W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是小區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)所必須要考慮的問題。而當(dāng)小區(qū)密度增大時(shí)，特別是在UDN網(wǎng)絡(luò)中，回傳網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者們必須考慮的問題。由于高容量的需求，在人口密度較大的地區(qū)，回傳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)采用有線光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)。但目前已有的光纖容量普遍較小，這很有可能會(huì)影響到小區(qū)日后的擴(kuò)容。

（2）移動(dòng)性。在第二節(jié)中，提到由于環(huán)境和業(yè)務(wù)種類的不同，未來小區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)多層部署的情況。在多層小區(qū)結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)用戶應(yīng)當(dāng)由宏小區(qū)提供服務(wù)，而靜態(tài)用戶應(yīng)當(dāng)由UDN小區(qū)為其服務(wù)。對(duì)于一個(gè)新接入的移動(dòng)用戶，只需要通過用戶的移動(dòng)速度來測量與其適合的小區(qū)即可。那么如何進(jìn)行有效的測量并設(shè)計(jì)出與之相應(yīng)的算法是解決移動(dòng)性問題的關(guān)鍵。

（3）減少組網(wǎng)花費(fèi)。部署小區(qū)所需要的費(fèi)用是通信運(yùn)營商最關(guān)心的問題。為了盡可能地減少成本，運(yùn)營商可能會(huì)選擇更加便宜的濾波器、放大器等元器件。并且新部署的小區(qū)要盡可能利用之前已經(jīng)部署的線路和基礎(chǔ)設(shè)施來減少成本。另外，為了在短時(shí)間內(nèi)能夠部署大量的小區(qū)，在設(shè)備的選擇上應(yīng)盡可能地去選擇那些即插即用的設(shè)備。

（4）小區(qū)位置的規(guī)劃。如何通過用戶的業(yè)務(wù)量來選取熱點(diǎn)位置是小區(qū)位置規(guī)劃的關(guān)鍵。如果由于業(yè)務(wù)量估計(jì)出現(xiàn)誤差而造成小區(qū)熱點(diǎn)位置選取錯(cuò)誤，那么會(huì)造成能量和成本的浪費(fèi)。這就要求運(yùn)營商要對(duì)用戶的業(yè)務(wù)量進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

（5）資源管理。傳統(tǒng)小區(qū)的資源調(diào)度算法已不適用于UDN小區(qū)。由于在UDN小區(qū)中主要是視距信道，信道的變化不會(huì)很大。傳統(tǒng)小區(qū)中常用的比例公平調(diào)度算法在UDN小區(qū)中已經(jīng)不是最優(yōu)。因此，對(duì)于UDN小區(qū)來說，輪詢調(diào)度算法是最為簡便的調(diào)度算法。

5 結(jié)語

隨著5G白皮書2.0的發(fā)布，5G的概念已經(jīng)明確。作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，UDN將極大地影響5G網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此如何對(duì)UDN小區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成為通信設(shè)計(jì)人員必須要解決的問題。本文在研究UDN小區(qū)組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，分析了其與傳統(tǒng)異構(gòu)組網(wǎng)方案的區(qū)別，給出了UDN小區(qū)組網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員可按照文中的介紹，根據(jù)實(shí)際情況，選擇具體的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)。隨著UDN技術(shù)的深入研究，相信在不久的將來，5G一定會(huì)帶來一個(gè)更大的驚喜。