LTE演进网络中的小基站技术

爱卫生

张平

摘要：小基站技术是LTE演进网络中一项重要的新兴技术，它不仅能够提供更高速数据服务，还将具有业务智能缓存、自组织、自由化能力，是3GPP Release
12技术标准化工作组的研究课题。它是服务热点地区、企业级客户及室内增强覆盖的必要部署手段。讨论了小基站的网络部署方式、回程方式选择、同步等方面需要解决的问题。最后，给出了LTE网络与Wi-Fi接入融合构成小基站的一些具体规划方式。

关键词：小基站，LTE演进，网络部署，Wi-Fi，规划

由于移动互联网的兴起，过去几年中移动数据业务已呈每年倍数增长的趋势，已对包括蜂窝网、无线局域网及宽带无线接入的移动网络的容量与覆盖策略产生了巨大的压力。尤其对于蜂窝网络而言，小区分裂技术已越来越难以满足需要且扩容成本昂贵，而通过小基站部署正成为非常有吸引力的解决方案，特别是对于室外/室内高业务量需求区域可提供更好的用户体验。有统计[1]表明，热点区域与室内覆盖是语音与数据业务增长快速的两类覆盖场景。为解决热点地区的覆盖问题，家用基站(femto cell)技术最早被提出用于第3代蜂窝移动通信系统。家用基站的提出是为了解决室内覆盖问题，发展至现在，家用基站已不限于室内覆盖，针对热点地区的接入、针对企业客户的接入、甚至针对城区网络吞吐量提升的城区室内基站都被称为家用基站。这可视为后来小基站(Small Cell)技术的雏形。

在2012年9月于美国芝加哥举行的3GPP技术标准化工作无线接入网第57次会议上，针对3GPP LTE Release 12技术，中国移动集团公司的代表正式提出了在LTE系统中采用小基站作为增强技术的研究项目(Study
Item)[2]。

从提供无线接入服务能力的角度，小基站可定义为在一个较小的覆盖范围内可提供非常高容量服务能力的无线接入节点。这个覆盖范围与已有蜂窝网络中的微微小区(Pico-Cell)相比更小，但可提供的数据速率可能更高。从网络优化与维护的能力角度，小基站将被融入更高的智能，即具备自组织(Self-Organization)能力。针对高容量的宽带移动数据业务，比如视频流媒体，小基站能提供基于预测的、或基于主动数据分析的负载均衡技术，在提升用户体验、降低网络回程连接的数据流量方面，较微微小区基站更具有优势。

1  小基站的智能化业务缓存与管理

根据国内外多家运营商及咨询公司的预测[3]，移动网络的数据业务将按每年约1倍的速度增长，至2017年预计达到2012年的19倍。已有趋势显示，多数场景下，80%的用户可获取所有网络媒体的20%内容，这就是俗称的80/20现象。这一现象的具体实例包括智能手机终端或平板电脑用户观看热门的电视节目，在相近地点查看地图以获取餐馆或商店导航信息等。因此，针对未来的移动多媒体业务，未来一代蜂窝网络的覆盖迫切需要比已有简单的微微基站更智能的新技术来提供更多样的数据服务。而小基站技术的智能化业务推送是一个极有潜力的解决方案。

1.1  针对企业客户需求的业务预测及缓存

已有的微微基站只能视为简单地增加频率复用，但并未实现对不同客户的多类数据业务提供满意的服务。未来的小基站技术利用业务预测与缓存，可预期解决热点地区的覆盖与业务质量的矛盾。尤其针对集团客户或企业客户，出于会议电话、视频点播及互动性游戏等新型业务的需求，小基站不仅可解决热点地区覆盖，更能通过提前进行业务预测及缓存，进一步优化网络性能，提升客户的用户体验。

思科(Cisco)公司在2011年的市场调研结果显示，北美蜂窝网络中超过50%的业务是视频业务请求。而至2016年，视频业务的比例将会超过66%。而实际上，在2012年，韩国SK电讯公司的业务分类结果显示，按容量需求比例，在现有的LTE(FDD)/3G(WCDMA)/2G(GSM)多制式运营网络中，数据业务的比例已超过70%。

基于预测的缓存是当网络运营商预测到某类数据是多数用户近期想获得的内容时，就对它进行本地存储。主动性缓存是根据用户已提交的内容请求进行本地存储。通过在非高峰时刻的本地存储，可大大地降低网络的压力，尤其对于多数用户获取同一内容时，可降低网络的回程容量压力。

可以预见未来的国内市场，在LTE
(TDD)大规模商用后，随着蜂窝网容量的提升、用户对视频业务的体验质量的上升及对数据业务收费的认可，会有越来越多的用户在蜂窝网中体验视频业务，届时，视频业务的上传与下载会成为网络回程传输与无线接入传输的主要压力。



图1  小基站的智能业务预测与缓存的提升比例

1.2  智能小基站的测试与成本

为了测试智能小基站的概念，Intel公司与EDGE Datacomm公司一起联合在英国的Kenilworh镇的一个城际列车上的4个车箱部署了小基站，使用两个不同运营商的3G链路提供服务。这个小基站使用了主动缓存与预测缓存技术，以在列车上提供更好的数据服务。预测性数据包括提供BBC新闻、列车时刻表、电影评论、地图等。并且，这个小基站还提供了压缩了图像视频。经过25天的测试，结果显示[4]，有平均约200个用户每天接入网络，这些用户每天平均发送和接收了22
MB的数据，其中有近17%的数据是主动缓存在本地小基站中的，有16%的数据是预测缓存的(如图1)。这样一种基于内容主动存储和热点内容预测的智能小基站给用户提供了非常好的体验。

上述对小基站智能业务预测的测试实例，不仅体现了小基站提升用户体验的效果，附带的优点还包括：网络用于回程传输的容量较少了45%，运营成本减少了22%。在小基站的应用前景中，其显著创新点是能为室内及户外的热点区域提供卓越的服务与低廉的成本。

小基站以低成本提供智能化的高速数据业务，其创新点之一在于，需要运营商将LTE与Wi-Fi(或已有的3G高速数据接入)集成为一个自组织单元，通过一个集中式控制器将这些自组织单元连成一个新型的重叠区域网络架构，无需对网络架构进行升级而获得容量的提升。正是由于这种架构，将多个小基站构成一个小基站簇的解决方案比用多个小基站分别提供服务的方案更有效率，并且成本更为低廉。构成小基站簇后，可利用统一的回程(backhauling)方案与业务数据分流的能力，简化小基站簇的部署，并带来运维成本的降低简化。

2  LTE小基站的待解决问题

在LTE小基站部署中，电波传播模型、用户移动性与干扰分布与传统的宏蜂窝存在很大的不同。回程的可选技术也取决于不同的小基站部署类型与运营维护的方式。因此，小基站技术需要具有比小区分裂的微微小区技术更高的带宽、更高的性能，并同时要考虑部署成本与回程链路自适应的问题。这些问题中，如何在小基站中设计最优的部署与频谱规划方案是下一代LTE技术(Release
12)应用小基站的核心问题。这些针对场景与需求的待研究问题包括以下几个方面[5,6]：

·部署的目标场景及特征

—小基站的定义与特征

—目标部署场景的频谱、回程与同步问题

·小基站增强技术的需求

—部署场景需求

—容量需求，比如峰值数据速率

—系统性能需求，比如频谱效率、覆盖与移动性

—运营需求，比如架构、复杂度、成本及能耗等

3GPP在2012年10月出版的技术报告3GPPTR
36.932中对上述问题进行了比较明确的阐释[7]。

2.1  小基站的部署

小基站的部署目标主要是针对热点地区，无论这一地区是否已有宏蜂窝覆盖。热点地区可以是户外，比如大型田径场或集会场地等；也可是室内，比如会议中心、城市商业中心等。一个典型的双载波覆盖的小基站场景如图2所示。部署小基站时，根据与宏基站的关系，可分为与宏蜂窝重叠覆盖的，或是与宏蜂窝非重叠覆盖的。因此，关于网络部署需要考虑的两个典型场景是：1)用户同时处于宏蜂窝与小基站的覆盖中；2)用户域不能同时处于宏蜂窝与小基站的覆盖中。

小基站的部署与已有微微小区基站的部署存在一个重要的特征区别，即小基站的部署不需要考虑是否已有回程的条件存在，无论回程数据传输是否立项，都可以考虑部署小基站。另一方面，在部署小基站时，可以考虑部署稀疏形式的，也可以考虑部署稠密形式的。

2.2  小基站回程的理想与非理想条件

当在计划架设小基站的站址与接入网之间存在高速、低延迟的回程条件，比如使用了光纤或点到点微波传输的专用线路时，可视为理想的小基站架设条件。而在实际环境中，广泛存在的条件均为不理想的，尤其是针对在用的建筑，一般仅存在包括xDSL、非视距微波传输条件，甚至拟建的站址仅处于中继的覆盖范围中。这种情况下，建设时应认真考虑性能与成本的折中问题。在表1中给出了小基站非理想回程传输的分类。

2.3  小基站部署的其它问题

在部署小基站时，需要考虑用户移动性对基站吞吐量及服务质量的影响。因此，对于室内覆盖而言，主要针对低速步行用户提供服务。而在户外小基站覆盖中，则需要考虑中速或高速用户的服务问题，例如速度在50～80 km/h之间的车载用户。

小基站部署的另外一个问题是宏蜂窝与小基站空口帧传输的同步。由于未来的LTE演进网络将采用一些新技术提升小区边缘用户性能，包括使用小区间干扰协调、载波聚合、或多基站多点协作传输等，这些技术的应用都依赖于同步条件。另外一方面，若想在宏蜂窝与小基站见使用资源动态分配，也需要考虑同步条件。但是，目前对小基站的同步技术仍处于研究中。



图2  小基站的部署场景

表1  小基站非理想回程传输的分类

回程技术	单向传输延迟	可提供吞吐量	优先级(1为高)
光纤接入类型1	10～30 ms	10 M-10 Gbit/s	1
光纤接入类型2	5～10 ms	100 M-1000 Mbit/s	2
DSL接入	15～60 ms	10 M-100 Mbit/s	1
电缆接入	25～35 ms	10 M-100 Mbit/s	2
无线中继回程	不确定	不确定	2

3  小基站的应用雏形

3.1  基于LTE的4G网络与Wi-Fi的融合方案

无线局域网已演进为移动宽带网络的一个重要组成部分，由于智能终端的普及，其功能正与第3代蜂窝的典型技术趋于融合。与已广泛部署的Wi-Fi网络相比，4G网络能提供更高的带宽及更好的端到端质量保证，更重要的是在接入与漫游特性上。

据报告统计，到2012年底，亚太区域有44%的小基站市场需求[3]。由于可提供更快更好的用户体验，小基站技术是非常理想的对宏蜂窝覆盖的补充。

然而，Wi-Fi接入已成为智能终端标准配置，普及程度领先于具备LTE通信能力的终端，这意味着，Wi-Fi至少在可预见的未来几年将仍然扮演短距、室内接入的重要角色。另一方面，从终端用户的角度看，LTE通信能力与Wi-Fi接入能力的功率消耗也会成为用户使用LTE通信能力的一个限制。客观地讲，由于Wi-Fi技术的成熟度，为提供同等通信能力，其终端芯片的功耗远低于LTE通信方式。

对此，运营商可采用分阶段策略如下：

·建立自主的Wi-Fi网络、或者寻求已建立Wi-Fi网络的运营伙伴；

·将Wi-Fi接入与蜂窝接入进行集成，构成智能的无线局域网络，并允许客户能容易地在Wi-Fi接入与蜂窝接入之间进行无缝的切换漫游。

·升级已有Wi-Fi接入点(AP:Ac-cess
Point)，使之成为包括Wi-Fi、3G、LTE多技术集成的微微基站，从而解决4G网络的容量与覆盖问题。

最后这一步尤为重要，因为已建的Wi-Fi接入点往往部署于高业务量区域，并已经有供电、回程通信及场地租赁的保证。对于4G网络解决室内覆盖问题，借助已有Wi-Fi网络是可选方案之一。

大部分移动网络宽带业务均存在于市内、商业公司办公室、机场、火车/地铁站、商场、医院、体育馆及健身房。但是，在密集用户区域进一步提供高小基站技术服务质量主要存在两个障碍，一是高速数据业务需求与链路质量的矛盾，二是严重的同频干扰。

此外，部署小基站时，在工程技术上也存在两个主要挑战，一方面，旧建筑的固有结构难以改变，而另一方面，电磁波信号更难穿透现代钢架式建筑。克服市内覆盖面临的这些挑战，需要从规划到部署及产品设计多个角度考虑，形成综合的方案。

过去的蜂窝系统中，较难做到针对个体用户的体验提升进行网络资源的优化利用，或在特定环境中进一步提升链路性能。目前，部署更多的小基站已被公认为解决这一问题的方案。但随之而来的一些新挑战也产生出来。比如，在这种宏蜂窝与多个小基站重叠覆盖的异构网络环境中，会产生额外的控制信令业务开销，并会面对已建宏基站与新建小基站的新的干扰，此外还需要避免回程的瓶颈问题。

异构网络比传统的宏蜂窝基站网络更复杂，因此，在网络优化方面，一些具有自组织功能的优化策略更需要为许多常见的人工处理过程所服务，这些过程涉及网络控制与维护。

3.2  TD-LTE演进网络中的小基站

2012年，中国移动通信集团公司正式启动了TD-LTE的扩大规模试验网建设，在包括成都、青岛、等13个城市建设超过2万个TD-LTE基站，并将在2013年继续扩大TD-LTE基站规模。目前，北京、南京、杭州、深圳、广州、成都等城市均已开通TD-LTE体验服务。

在考虑带宽约束的条件下，从容量角度看，TD-TE网络能提供与FDD-LTE网络近乎相同的性能。图3给出的TD-LTE网络与FDD-LTE网络的容量比较可说明这一点。

由于国外家用基站主要是运营商为解决偏远郊区用户别墅覆盖问题，区别于国内的现状，国内TD-LTE网络建设面临的重要挑战是：

一方面，由于TD-LTE网络频率较高，其穿透能力较差，导致室内提供高速覆盖成为其服务瓶颈；另一方面，由于Wi-Fi技术被广泛应用，固有电信服务商提供的Wi-Fi热点覆盖对业务流量也有重要影响。

对于上述第二点而言，与可提供基于光纤或基于ADSL宽带接入的运营商比较，若Wi-Fi热点可覆盖已有企业级客户活动范围，则移动运营商的客户群体数量将受到影响。因此，对于企业级客户而言，如何基于小基站技术，提供高质量的接入成为关键。

目前已建的TD-LTE预商用网络已能面向两种类型的终端提供服务，即TD-LTE高速网关(CPE)以及TD-LTE上网伴侣(MiFi)。但其使用方式都是将4G网络信号转换成智能手机、平板电脑和笔记本电脑等终端都可以用的Wi-Fi信号。这样一种服务模式仅是单纯的使用各种移动终端的Wi-Fi能力提供服务，而并未实现用户可在GSM、TD-SCDMA、TD-LTE及Wi-Fi网络中不需要主动操作的无缝切换。

所以，未来TD-LTE网络演进中，小基站扮演的角色将是为实现为未来的多频点、多制式异构网络中提供高速智能接入，为用户提供更好的服务体验。

图3  TD-LTE网络与FDD-LTE网络的容量比较 作者简介：张平，中国移动集团四川有限公司企业发展部信息中心总工程师。

《现代电信科技》2013年第04期