李偉丹

LTE-U組網(wǎng)方案研究

李偉丹

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，公眾對高帶寬無線業(yè)務(wù)需求的爆發(fā)與頻譜資源的稀缺矛盾日益尖銳，LTE-U通過實(shí)現(xiàn)授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的載波聚合，大大提升頻譜利用率，滿足無線寬帶業(yè)務(wù)容量需求。在未來的萬物互聯(lián)互通及內(nèi)容豐富共享的驅(qū)動下，LTE-U將有更大的發(fā)展空間，如何進(jìn)行有效的LTEU組網(wǎng)，將是一個關(guān)鍵課題。本文重點(diǎn)探討了LTE-U現(xiàn)有組網(wǎng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種改進(jìn)的組網(wǎng)方案，從綜合評估結(jié)果可以看出，本方案較現(xiàn)有技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，能為LTE-U的組網(wǎng)應(yīng)用提供良好的參考。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，公眾對高帶寬無線業(yè)務(wù)需求的爆發(fā)與頻譜資源的稀缺矛盾日益尖銳，如何有效利用非授權(quán)頻段成為業(yè)界探討用以克服頻譜資源稀缺的熱點(diǎn)話題，目前，在3GPP R13版本中，開始探討在LTE中，采用非授權(quán)頻段作為授權(quán)頻段的補(bǔ)充，通過實(shí)現(xiàn)授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的載波聚合，從而使MBB（Mobile Broadband，移動寬帶業(yè)務(wù)）網(wǎng)絡(luò)容量倍增，提升頻譜利用率，滿足無線寬帶業(yè)務(wù)的容量需求。在3GPP R13 Phase1中，提出了LAA（Licensed-Assisted Access，輔助授權(quán)接入）的思路，來解決頻譜稀缺問題，有效構(gòu)建MBB網(wǎng)絡(luò)。LAA的基本思想是，采用授權(quán)頻段做輔助接入，保證信令及關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸可靠性，而采用非授權(quán)頻段來保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬需求，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶無線接入體驗(yàn)。

另外，據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)計，在未來移動網(wǎng)絡(luò)中將超過70％的移動數(shù)據(jù)流量發(fā)生在室內(nèi)，超過80％的電話將在室內(nèi)撥打，而城市人口一天中超過90％的時間在室內(nèi)活動?？梢?，室內(nèi)將成為通信業(yè)務(wù)發(fā)生的最主要場景。因此，如何采用LTE-U有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋則是當(dāng)前急需探討的課題。

本文先就LTE-U現(xiàn)有的室內(nèi)組網(wǎng)方法進(jìn)行介紹，分析現(xiàn)有方案的優(yōu)缺點(diǎn)，針對現(xiàn)有方案存在的不足，探討改進(jìn)的空間，最后給出本文的組網(wǎng)方案，并與現(xiàn)有方案做優(yōu)缺點(diǎn)比對分析，作為LTE-U組網(wǎng)應(yīng)用的改進(jìn)參考。

現(xiàn)有方案介紹

目前業(yè)界所探討的LTE-U室內(nèi)組網(wǎng)方案，主要包括一體化皮站、分布式皮站、混合模式組網(wǎng)方案，下面分別介紹這三種組網(wǎng)方案的原理，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

一體化皮站組網(wǎng)方案

方案介紹：如圖 1所示，該方案采用多個獨(dú)立小區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)，每個獨(dú)立小區(qū)采用載波聚合的方式，聚合授權(quán)與非授權(quán)頻段，其中授權(quán)頻段作為PCELL，承載信令及重要數(shù)據(jù)的傳輸，非授權(quán)頻段作為SCELL，作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提升的補(bǔ)充。每個小區(qū)獨(dú)立回傳。

圖1 一體化皮站組網(wǎng)示意圖

圖2 分布式皮站組網(wǎng)示意圖

方案優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵?，容易布放?/p>

方案缺點(diǎn)：1、鄰區(qū)關(guān)系及小區(qū)參數(shù)配置復(fù)雜；2、處于空閑狀態(tài)的終端會出現(xiàn)頻繁重選，能耗大，降低終端續(xù)航時間；3、小區(qū)覆蓋范圍小，移動體驗(yàn)欠佳；4、無法靈活調(diào)整小區(qū)邊界。

分布式皮站組網(wǎng)方案

方案介紹：如圖 2所示，該方案采用CRAN（Cloud Radio Access Network，云無線接入網(wǎng)絡(luò)）結(jié)構(gòu)，通過拉遠(yuǎn)，把中射頻放在目標(biāo)覆蓋區(qū)域，所有IQ回傳到基帶單元，統(tǒng)一處理，PCELL由授權(quán)頻段承載，覆蓋整個區(qū)域，負(fù)責(zé)信令、關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸，SCELL由非授權(quán)頻段承載，覆蓋局部區(qū)域，負(fù)責(zé)速率保障。

方案優(yōu)點(diǎn)：1.駐留該覆蓋區(qū)內(nèi)的終端無需頻繁重選；2.可以根據(jù)業(yè)務(wù)QOS需求，分別或者并發(fā)在兩個載波上面開展業(yè)務(wù)調(diào)度，保障QOS及業(yè)務(wù)速率；3.共基帶池使得基帶資源便于整合，一定程度上可以提升處理效率，降低存儲需求；4.可以靈活調(diào)整小區(qū)邊界。

方案缺點(diǎn)：1.覆蓋區(qū)域內(nèi)，鄰區(qū)關(guān)系復(fù)雜（SCELL間、SCELL與PCELL間需要配置好鄰區(qū)關(guān)系）；2.前端回傳壓力大；3.基帶處理瓶頸凸顯，產(chǎn)品穩(wěn)定周期長。

混合模式組網(wǎng)方案

方案介紹：如圖 3所示，該方案采用分層覆蓋，在頂層采用授權(quán)頻段的獨(dú)立小區(qū)進(jìn)行覆蓋，底層采用非授權(quán)頻段獨(dú)立小區(qū)進(jìn)行覆蓋，頂層小區(qū)負(fù)責(zé)QOS及移動性要求高的業(yè)務(wù)，底層小區(qū)作為熱點(diǎn)覆蓋，為速率傳輸提供保障。

圖3 混合組網(wǎng)示意圖

方案優(yōu)點(diǎn)：1.駐留該覆蓋區(qū)內(nèi)的終端無需頻繁重選；2.底層采用獨(dú)立小區(qū)組網(wǎng)，回傳壓力小。

方案缺點(diǎn)：1.鄰區(qū)關(guān)系復(fù)雜（底層小區(qū)間、底層小區(qū)與頂層小區(qū)間需要配置鄰區(qū)關(guān)系）；2.無法協(xié)同“授權(quán)+非授權(quán)”頻段并發(fā)開展業(yè)務(wù)，一定程度降低體驗(yàn)；3.對于處于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)狀態(tài)的終端，如果駐留在底層小區(qū)，難以保證其語音等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的體驗(yàn)；4.無法靈活調(diào)整小區(qū)邊界。

本方案闡述

從第2節(jié)的分析可以知道，現(xiàn)有方案主要的問題是難以協(xié)調(diào)好下述的關(guān)鍵問題：鄰區(qū)關(guān)系復(fù)雜、存在頻繁重選及切換的問題；前端回傳壓力大；無法協(xié)同“授權(quán)+非授權(quán)”頻段并發(fā)開展業(yè)務(wù)，保障QOS及速率吞吐最佳體驗(yàn)；基帶處理壓力大；小區(qū)邊界調(diào)整不靈活。

本文探討的LTE-U組網(wǎng)方案，正是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出的有效解決方案，該方案鄰區(qū)關(guān)系簡單，便于融入現(xiàn)網(wǎng)，便于運(yùn)營；可以避免頻繁重選及切換；前端回傳壓力小；可以協(xié)同“授權(quán)+非授權(quán)”頻段并發(fā)開展業(yè)務(wù)過程，保證QOS及速率吞吐，提升用戶體驗(yàn)；對于各個從小區(qū)的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，降低基帶壓力；小區(qū)邊界調(diào)整靈活。下面詳細(xì)介紹本方案的思路。

如圖4所示，LTE-U的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆蒖U+EU+PCELL協(xié)議處理單元+SCELL協(xié)議處理單元組成。整個覆蓋區(qū)域采用分層覆蓋，頂層由PCELL完成覆蓋，PCELL由授權(quán)頻段承載，PCELL協(xié)議處理單元作為基站總代理負(fù)責(zé)與EPC交互、負(fù)責(zé)基站信令面處理、負(fù)責(zé)終端初始接入、負(fù)責(zé)PCELL覆蓋區(qū)域與其他覆蓋區(qū)域小區(qū)間的切換、SCELL間數(shù)據(jù)倒換控制、并為高QOS需求的業(yè)務(wù)提供服務(wù)；底層由多個SCELL協(xié)同完成覆蓋，由非授權(quán)頻段承載，主要用于滿足熱點(diǎn)速率需求，SCELL協(xié)議處理單元主要根據(jù)PCELL投放到該SCELL的PDCP數(shù)據(jù)包，對歸屬于本SCELL的終端進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度。SCELL的覆蓋邊界通過EU的路由設(shè)置，可以靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同區(qū)域?qū)λ俾实牟町惢枨螅硗?，SCELL不允許直接接入。在整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，RU負(fù)責(zé)“授權(quán)頻段+非授權(quán)頻段”的中射頻處理；EU負(fù)責(zé)RU數(shù)據(jù)、PDCP數(shù)據(jù)的路由及傳輸，實(shí)現(xiàn)SCELL覆蓋區(qū)域的靈活調(diào)整，PDCP數(shù)據(jù)包的倒換。下面分別闡述實(shí)現(xiàn)本方案的關(guān)鍵技術(shù)，包括協(xié)議棧劃分、分布式調(diào)度、終端定位、控制信道分離、數(shù)據(jù)倒換這幾個方面。

圖4 LTE-U組網(wǎng)架構(gòu)

協(xié)議棧劃分

協(xié)議棧的合理劃分是實(shí)現(xiàn)本方案的基礎(chǔ)，從第3節(jié)的分析可知，本方案中，PCELL完成基站完整協(xié)議棧的處理，協(xié)議棧示意如圖5所示；SCELL基于PCELL所投遞的位于本SCELL下的PDCP包，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)終端的數(shù)據(jù)調(diào)度，滿足熱點(diǎn)速率需求，協(xié)議棧示意如圖6所示，基于本方案的協(xié)議棧劃分思路，結(jié)合終端RU位置歸屬定位結(jié)果，可以有效實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，降低前端回傳壓力，降低基帶池處理壓力，便于容量擴(kuò)展。

圖5 PCELL協(xié)議棧劃分

圖6 CELL協(xié)議棧劃分

分布式調(diào)度實(shí)現(xiàn)

在下行方向：PCELL協(xié)議處理單元把信令及關(guān)鍵數(shù)據(jù)調(diào)度到PCELL上面，并根據(jù)終端當(dāng)前位置所隸屬SCELL的覆蓋區(qū)域，把其他數(shù)據(jù)（信令及關(guān)鍵數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)）的PDCP包投遞到相應(yīng)的SCELL協(xié)議處理單元，由SCELL完成駐留在該覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的下行數(shù)據(jù)調(diào)度。

在上行方向：SCELL根據(jù)PUCCH上接收到的終端調(diào)度請求，在SCELL上完成駐留在該覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的上行數(shù)據(jù)調(diào)度。

終端定位實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，必須知道終端位于哪個RU下面，才能實(shí)現(xiàn)PDCP包的分布式投遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度。在現(xiàn)有方案中，即上述第2節(jié)提及的三種方案，對于終端位置歸屬的判定，都是通過鄰區(qū)測量來獲得，這勢必造成復(fù)雜的鄰區(qū)關(guān)系配置需求，影響方案使用。而本方案，通過在PCELL中對終端的RU位置歸屬進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，避免復(fù)雜的鄰區(qū)配置需求。

具體實(shí)現(xiàn)方案：由于PCELL采用BBU+RRU架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋，也即各個RU的IQ信號通過疊加后回傳給基帶單元進(jìn)行處理，因此，現(xiàn)有技術(shù)難以分辨出終端的信號是來源于哪個RU，本方案創(chuàng)新性的提出解決該問題的方法：在終端接入PCELL之后，配置終端在PCELL上進(jìn)行SRS周期測量，而后，PCELL配置各個RU以SRS測量周期為粒度，進(jìn)行輪詢單獨(dú)開啟SRS信號接收，在PCELL端，根據(jù)SRS解調(diào)結(jié)果及當(dāng)前解調(diào)周期所開啟SRS接收的RU的對應(yīng)關(guān)系，確定各個終端當(dāng)前的RU位置歸屬，從而實(shí)現(xiàn)終端RU位置歸屬的定位。實(shí)現(xiàn)原理如圖 7所示，以本小區(qū)包括三個RU為例，即RU0、RU1、RU2，T0、T1、T2、T3、 T4、T5為SRS周期，T0周期的SRS調(diào)度時刻，僅開啟RU0進(jìn)行SRS接收，RU1、RU2關(guān)閉，PCELL對該時刻的接收信號進(jìn)行解調(diào)，所解析出的終端所對應(yīng)的RU位置歸屬則為RU0，同樣的道理，可以獲得當(dāng)前RU位置歸屬更新周期內(nèi)位置歸屬于RU1、RU2的終端，其他終端RU位置歸屬更新周期，終端的位置歸屬更新原理同上。

圖7 SRS輪詢關(guān)斷實(shí)現(xiàn)拉遠(yuǎn)單元位置歸屬定位示意

定量分析，下面推導(dǎo)RU數(shù)M、待定位用戶數(shù)O、定位周期N與每個symbol包括的SRS資源塊數(shù)K，每10ms包括用于SRS的symbol數(shù)L之間的計算關(guān)系，以指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)配置推算：

每個symbol包括K個SRS資源塊，則一個symbol可以支持K*2*8=16*K個用戶；

每10ms包括L個symbol用于SRS調(diào)度，則每個10ms支持的用戶數(shù)為16*K*L；

PCELL覆蓋區(qū)域由M個RU組成，且需要Nms內(nèi)完成O個用戶的定位，則僅需要選擇滿足式（1）的K、L取值，即可滿足定位需求。

以LTE-FDD為例，假如系統(tǒng)要求PCELL由16個RU協(xié)同覆蓋，160ms內(nèi)完成對192個用戶的定位測算。則根據(jù)式子（1）可以推算，只要K、L滿足10*192/（16*K*L） ＜= Ceil（160/16），即K*L ＞= 12，則可以達(dá)成定位測算需求；即10ms中，僅需設(shè)置2個symbol，每個symbol包括6個SRS資源塊即可滿足要求。 換言之，在相同條件下，假如想滿足384個用戶的定位測算需求，則僅需在10ms中設(shè)置4個symbol，每symbol包括6個SRS資源，即可滿足要求，由于LTE-FDD，10ms最多有10個symbol可用于SRS測量，則按照160ms更新終端的RU位置歸屬為前提條件，F(xiàn)DD系統(tǒng)可以支持并發(fā)對192*10/2=960個終端進(jìn)行定位。然而，實(shí)際應(yīng)用中，由于室內(nèi)終端移動速率較慢，一般按照3km/h計算，假如RU間交疊區(qū)跨度大于1m，則終端完成交疊區(qū)的移動耗時為1/（3000/3600）=1.2s，則RU位置歸屬更新周期只需設(shè)置為1.2s，等價為1200ms，此時，F(xiàn)DD系統(tǒng)可以支持并發(fā)對1200*960/160=7200個終端進(jìn)行定位。從上述的定量分析可以知道，LTE—FDD 中SRS用于輔助定位所并發(fā)支持的終端數(shù)量高達(dá)7200個，容量巨大，能有效滿足應(yīng)用需求。

控制信道分離實(shí)現(xiàn)

在載波聚合中，由于PUCCH只能在PCELL上發(fā)送，因此來自終端的SR（Scheduling Request，調(diào)度請求）只能通過PCELL的上行來傳輸，同時考慮到HARQ應(yīng)答信息存在固有的時序關(guān)系，假如SCELL上面的下行應(yīng)答反饋通過SCELL的PUSCH來反饋的話，則對于SCELL的調(diào)度設(shè)計將變得復(fù)雜低效，因此，考慮把PCELL、SCELL的下行應(yīng)答反饋通過PCELL的PUCCH來傳輸，因此，對于每個SCELL，除了解析SCELL的上行物理層，還解析PCELL上行物理層的PUCCH，以便實(shí)現(xiàn)調(diào)度請求及SCELL下行應(yīng)答反饋信息分離，最終實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，減少PCELL與SCELL的交互耦合度。

數(shù)據(jù)倒換

在本方案的覆蓋拓?fù)渲?，PCELL作為頂層覆蓋，完成對整個覆蓋區(qū)的覆蓋，SCELL作為底層覆蓋，主要負(fù)責(zé)局部覆蓋區(qū)域的速率提升，因此，在分布式調(diào)度過程中，當(dāng)一個終端處于業(yè)務(wù)過程且從一個SCELL移動到另外一個SCELL時，需要做數(shù)據(jù)倒換，需要把投遞到源SCELL且還未調(diào)度的數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)SCELL進(jìn)行繼續(xù)調(diào)度。具體實(shí)現(xiàn)方法為：PCELL根據(jù)3.3節(jié)對終端的定位結(jié)果，把發(fā)生RU位置歸屬更新的終端的ID及目標(biāo)SCELL地址發(fā)送給該終端的源SCELL，源SCELL收到該信息后，把該ID對應(yīng)的終端的剩余數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)SCELL，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)倒換。

鄰區(qū)關(guān)系

從3.3的方案可以看出，在無需配置PCELL與SCELL、SCELL與PCELL的鄰區(qū)關(guān)系的情況下，本方案可以有效的實(shí)現(xiàn)終端RU位置歸屬的識別，因此，無需配置PCELL覆蓋區(qū)域內(nèi)，SCELL間、PCELL與SCELL間的鄰區(qū)關(guān)系，使得整個系統(tǒng)更容易運(yùn)維。

容量擴(kuò)展及SCELL邊界調(diào)整靈活性

本組網(wǎng)方案，由于可以實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)度，因此，容量擴(kuò)展時，僅需要在EU處插入SCELL處理單元，不會給前端回傳造成壓力，通過調(diào)整EU對RU的路由關(guān)系，可以靈活調(diào)整SCELL的小區(qū)邊界，降低SCELL間倒換的頻度，也能有效適應(yīng)各類容量需求，達(dá)成最佳覆蓋。

方案比對分析

本文從以下8個維度，對現(xiàn)有的三種組網(wǎng)方面及本方案進(jìn)行比對分析，每個維度按照1/8分計算，從綜合得分看，本方案優(yōu)勢較明顯，是LTE-U一種優(yōu)勢組網(wǎng)方案。

表1 方案比對分析

總結(jié)

對于終端用戶而言，LTE-U解決方案對用戶體驗(yàn)的提升顯而易見：終端用戶不僅可以享受到由超寬頻譜帶來的超寬帶無線接入體驗(yàn)，同時因?yàn)橛性S可頻段做基本連接，用戶無線寬帶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性也能得到充分保障。對于運(yùn)營商而言，該方案在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，不需要修改安全認(rèn)證、核心網(wǎng)業(yè)務(wù)管理和計費(fèi)架構(gòu)，僅需升級基站設(shè)備即可完成容量提升，給用戶帶來良好的體驗(yàn)，獲得更大的用戶粘度。整體而言，在未來的萬物互聯(lián)互通及內(nèi)容豐富共享的驅(qū)動下，LTE-U將有更大的發(fā)展空間，如何進(jìn)行有效的LTE-U組網(wǎng)，將是一個關(guān)鍵課題。本文重點(diǎn)探討了LTE-U現(xiàn)有組網(wǎng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種改進(jìn)的組網(wǎng)方案，從綜合評估結(jié)果可以看出，本方案較現(xiàn)有技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，能為LTE-U的組網(wǎng)應(yīng)用提供良好的參考。

李偉丹

京信通信技術(shù)（廣州）有限公司

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