移动通信标准化研究的新动向

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本文摘自《移动通信》2013年3期。作者：许锐

【摘 要】移动网业务的高增长和频谱需求上面临的瓶颈，推动着移动通信技术的更新换代。介绍了以3GPP阵营为主的移动通信标准化研究的最新方向和技术点，主要集中在核心网和无线接入网，包括LTE-Hi、3D MIMO、MTC和多接入技术等。
　　【关键词】核心网 无线接入网 LTE-Hi 3D MIMO MTC 多接入技术
　　1 引言
　　根据2013年1月8日GSA（全球移动供应商协会）发布的统计数据，已有145个LTE商用网在66个国家开通，114个国家的381家运营商正在投资和建设LTE网络，预计在2013年底商用网数将达到234个；2012年中LTE全球用户约2760万。3G网络方面，截至2012年11月，开通的HSPA+和HSPA网络分别达到254和482个；2012年年中，含HSPA在内的WCDMA用户达到了10.1亿。
　　在我国，历经4年的TD-LTE技术测试和大规模试验已告一段落，6家运营商和研究机构、10家设备厂商、13家芯片厂商、10家测试厂商及高校等参与了公网测试，形成了93项技术规范；2012年第2季度开始已先后在13个城市部署试商用网络。2012年11月底，全国移动电话用户超过了11亿，普及率超过了80%；3G用户达到了2.2亿，占到移动用户的1/5；移动互联网用户达到7.46亿，较年中的3.88亿增长了近1倍。
　　由以上数据可见，进入3G时代以后，移动网演进明显加速，移动互联网业务增长迅速，运营压力增大，成为技术演进更新的重要驱动。由于近年移动宽带业务量和频谱占用需求的增大，ITU自2011年起建立了频率需求的评估方法和规则以辅助频谱规划，据此方法初步评估的中国区频谱需求2015年将达到580～760MHz，2020年达到1600～1960MHz。前不久工信部将2570～2620MHz共计190MHz的频谱分配给TD-LTE试验网，1.8GHz/1.9GHz/2.1GHz中已指配的2G和3G频谱后续则可通过重组用于LTE、4G等新业务，但这些资源与预测需求之间还存在很大差距。移动通信发展在频谱需求上面临的瓶颈，也亟待新的频谱使用技术来合理、有效地分配频谱资源。
　　3GPP作为国际移动通信主流制式的标准化组织，对无线接入网已启动第12版本的制定（R12）。我国通信标准化协会CCSA也持续为国内HSPA、HRPD和LTE等演进技术制定本国的通信标准，其中LTE的eNodeB和EPC（Evolved Packet Core）部分基于3GPP R9，终端兼容R8和R9。以下将逐一介绍近期移动网标准制定和研发中的新热点和焦点问题，及其相应的进展。
　　2 移动网标准制定和研发中的新热点
　　2.1 LTE-Hi/小小区增强技术
　　移动互联网业务发展以来，热点和室内的业务量增长明显，预计热点和室内覆盖解决方案将成为未来技术重心之一。经3GPP讨论议定将在R12（LTE-A增强版之后的版本）制定和研究提升热点（Hotspot）/室内（indoor）场景性能的优化设计方案，以应对移动宽带数据业务的爆炸性增长，即基于LTE/LTE-A的热点和室内增强技术（LTE-Hi）或小小区覆盖增强技术（Small Cell Enhancements）。
　　该技术特点是面向短距离覆盖，以简化的网络架构在高频段获得大带宽、更高吞吐量和更好的传输性能。高频谱计划定位于3.4～4.2GHz，采用200MHz及以上的载波带宽，从而能利用其小范围覆盖、低移动性、复用度强的场景适应性，与宏蜂窝实现异频组网。技术标准化工作中需要解决的问题包括干扰协调与管理、动态TDD技术、增强的发现和移动性技术、与宏站的频谱隔离、站间载波聚合/宏小区辅助的小小区、无线回传等。在我国的TD-LTE研究中，这方面的专题包括基于业务变化的TDD上下行业务时隙动态分配、TDD多小区环境下的干扰管理控制、256QAM高阶调制的应用、减少信令冗余开销、接入节点的发现和接入机制选择、寻呼过程优化设计、本地IP接入（LIPA）移动性增强等。
　　小小区技术在网络架构、空口技术和频段使用上可能的变化为后续移动网发展带来革新因素，也引入了与宏小区后向兼容的命题，异构网络中密集部署低功率节点场景下优化网络性能也将是重要的研究方向。
　　再之后的无线网架构演进，业界提出中心控制下的无线云架构，纳入感知无线电和全面自组织（SON）化——在宏站、小小区、微微蜂窝Pico、中继站Relay等多种站型架构的网络中实现自规划、自配置、自优化、自维护和自恢复，以更易于部署、智能维护和降低网络成本。
　　2.2 3D MIMO
　　另一个研究方向是有源天线形态下的3D MIMO波束赋形和增强的多点传输CoMP/MIMO。3D MIMO允许在水平和垂直两维方向上做赋形控制（图1），通过终端专用的天线下倾聚焦有效地提升接收信号的信噪比，进一步减少小区内和小区间干扰。在TDD系统中的初步性能评估显示（基站4发、终端2收），小区平均频谱效率可提升11%～18%（单用户和多用户MIMO），小区边缘频谱效率可提升30%～36%。3D MIMO为用户重用空间资源提供了新的提升维度。

　　2.3 机器间通信和接近服务
　　最初的3GPP工作重点是区分机器设备类型，从而使运营商可以在过载状态下选择性地处理这些设备——如在终端到网络的交互流程中添加低优先级的标识，使核心网和无线接入网可以根据标识进行过载与拥塞控制。
　　后续机器间通信（MTC）技术增强方面，将致力于基于LTE的低成本、低传输速率的MTC终端研究及其覆盖增强技术研究；针对MTC应用的网络优化设计方面将研究设备触发、小数据业务的传输增强、终端功耗降低设计、组呼方案设计、设备监控技术、过载和拥塞控制功能的改进、MME下的SMS支持等。由于直接的机器间通信对公共安全服务也具有重要意义，在R12和R13中将添加LTE支持公共安全的增强功能，同时也需要各地区的管理者推进频谱的使用安排。

与机器间通信密切相关的是接近服务（Proximity Services），即识别位置接近的两台设备或用户，提供基于接近位置的通信应用和服务，如两台在3GPP网络覆盖下相互接近的设备间可实现由网络控制的发现和通信。由于设备间直接通信通过灵活的网状网构造达成，有助于降低系统功耗和减少系统开销，MTC和接近服务技术都将是后续研究与标准制定的热点。
　　2.4 LTE-WLAN的互操作增强技术
　　由于预测的移动数据流量的增长将超过系统容量可扩展的比例，在很多市场中频谱可用性也有限，业界在不断优化移动网无线技术、提升移动网系统的管理控制水平之外，都需要充分使用免授权的无线技术。
　　我国CCSA在2010年发布了“无线局域网（WLAN）与CDMA2000系统互通技术要求”的“紧耦合”和“松耦合”两种实现方式的标准，紧耦合场景中包括支持通过WLAN系统接入CDMA2000分组数据业务和会话连续两类，松耦合包括普通计费和基于CDMA2000的接入控制与计费、通过WLAN系统接到Internet两类。CCSA目前也正致力于3GPP技术与WLAN的融合标准研究。国际组织层面未来的方向还包括支持Hotspot 2.0在内的融合接入、统一的网络选择、安全和漫游机制、智能分流机制等。
　　2.5 LTE覆盖、带宽容量和智能化增强技术
　　LTE覆盖增强技术方面将开展针对PUSH信道中等传输速率和VoIP业务的上行覆盖增强解决方案的标准化制定、高速移动场景下的网络性能增强等。
　　在频域上聚合更多的载波提升带宽能力，如预计5CC时达到838Mbps。
　　网络智能化的增强技术包括基于异构组网的SON增强技术、最小化路测增强技术、网络节能技术、与LTE的互操作等HSPA增强技术，LTE支持更多业务类型的信令简化、新流程和新功能等。
　　在设备实现方面，主流厂家提出基于SDR的统一的无线接入网技术——共机柜、多模BBU、多模RRU、支持900/1800/2100/2600可扩展频谱等。
　　2.6 基于LTE的公共安全通信
　　目标是采用LTE技术提供重要任务所需的宽带数据覆盖，最终使用LTE语音代替现有的MC语音。在研的主要的增强功能包括大功率的UE类型、直接的设备间通信、群组通信、优先级服务机制、PS域上的紧急接入支持等。其中优先级服务机制允许在灾难状态时为政府机构等提供各类业务的优先接入服务，包括语音呼叫、互联网业务、多媒体呼叫等。PS域上的紧急接入支持即是在IMS系统中支持紧急语音、视频和信息通信。
　　目前已提出公共警告系统（PWS，Public Warning System）的实现架构，向设备发送告警信息，该系统的日本版在2011年的日本海啸中已有成功应用。
　　2.7 网间协作
　　用户数据库和策略控制设施在固网与移动网间的协作，可为双网运营者节约成本。这也是业界长期探讨的运营和维护的协同问题，即网络资源模型的协同、故障管理的协同等。
　　2.8 核心网对多接入技术的支持
　　在图2所示的核心网EPS（Evolved Packet System）架构中，多接入技术包括了GSM/EDGE/UTRAN/LTE等多3GPP技术接入和非3GPP技术接入（如3GPP2、WLAN和WiMAX）。EPC对多种接入技术的支持、多接入技术之间的移动性管理、多重漫游模型等将是后续核心网演进研究的重点。
　　2.9 分组业务优化与服务增强
　　LTE阶段针对IP流量服务和核心网功能优化的需求，主要包括运营商可控的多接入功能、兼容IPv4/v6双协议栈的连接功能、网络侧发起的QoS调控和PCC、合并或划分网络内部流量的功能等。其中代表性的实现技术有LIPA、SIPTO和WLAN卸载。
　　本地IP接入（LIPA）是指允许通过3GPP设备访问本地家庭或企业网络（每个APN）、访问其中拥有IP的UE设备。例如可以通过H（e）NB子系统连接到同一家庭/企业IP网络中的其他拥有IP的设备，即支持使用UE设备同时连接到移动运营商的核心网络和本地IP网络。
　　选择性的IP流量负荷卸载（SIPTO）是运营商网络中的特定路由方案，它允许选择性卸载每个APN分组网络的流量负荷，是一种Internet流量的成本优化处理手段。为此需要引入和选择本地网关GW。
　　WLAN负荷卸载适用于双无线方案，一种方案通过WLAN接入的流量留在EPC中，如无缝卸载；另一种方案流量不在EPC驻留，如非无缝卸载。这其中需要接入网络发现和选择功能（ANDSF），以便为UE设备提供接入网络发现信息和使用网络的策略，如每个APN、每个IP流的最佳路由。
　　2.10 统一/融合的多接入分组域技术
　　为综合接入2G、3G、LTE和Wi-Fi无线网，华为公司主导了四个层面的网元和功能融合：数据平面GGSN、SAE和ePDG的融合；控制平面SGSN和MME的融合；用户数据单元HLR、EPC HSS和IMS HSS的融合；策略控制单元移动网各系统PCRF的融合。该技术预期的优点是充分共享宽带数据资源、节约硬件成本、降低系统功耗；移动网的融合分组域设计使得分组域间的切换转化为节点内的切换，有利于提高切换成功率、降低延迟，同时也使网络升级更为简易——如在融合HLR/HSS设置中，系统升级后手机号码和SIM卡无须更换。多系统融合设置更容易提供统一计费、服务提供和管理，融合HLR/HSS也有助于更好地解决VoLTE。
　　下一步，核心网演进考虑了建立向云系统演进的移动网集中控制中心、设置用于部署优化的专用网关、增强存储和服务以提升用户体验、提供支持业务创新的开放式网络能力等。
　　2.11 GERAN的演进和协同支持

针对GSM/EDGE无线接入网的技术演进，在3GPP GERAN Release 7中制订了一系列EDGE服务性能增强技术，包括延迟降低、下行双载波、高阶调制——Turbo编码和符号速率提升、移动台接收分集（MSRD）等。
　　为适应智能终端和移动互联网时期多无线接入系统间业务的无缝体验，提供GSM/EDGE与HSPA、LTE等系统间的业务连续性，TR 25.913制定了3GPP现有技术与LTE共存和互操作的协议，其要点包括如支持GERAN的E-UTRAN终端需支持GERAN的测量和切换、尽可能降低这些协同功能实现对终端复杂度和网络性能的影响。GERAN的这些功能实现需要考虑以下方面因素：BCCH系统信息、MS功能、分组域切换、会话连续性、RAT间网络辅助的小区重选（NACC）、闲置模式测量和小区（重）选择、LTE上已连接和GPRS模式的移动台测量以及测量报告、RAT选择的移动台计时特性等。
　　在网络容量性能方面，频谱供LTE使用的同时需支持原有规模的GERAN用户，为此单时隙自适应多用户信道语音技术（VAMOS）得以提出，使在上下行话音信道上实现两个用户的话路复用并保持GMSK终端品质。此外，在参考灵敏度和干扰受限场景下，通过紧凑化单天线终端下行功能从而实现单天线终端的链路级性能控制，以此达到提升网络容量的效果。
　　在覆盖方面为使LTE共享GSM网络能力，需要实现多运营商核心网架构。GERAN正在统一公共PLMN网络方面制定相关规则，在多PLMN架构下则要求网络提供给终端不同运营商的PLMN ID信息。此外要保障多系统环境下语音和数据服务的连续性，如提供紧急呼叫功能的CSFB的支持、SRVCC和rSRVCC的支持、业务量切割等。
　　在移动数据应用方面，TSG GERAN在R10引入了机器类通信功能的需求，如智能电网和物联网。同时开展的研究还有通过多功能移动台开展移动数据的扩展应用，需要从GERAN角度定义相关流量配置、评估系统影响、给出不影响CS业务下降低影响的方法。
　　3 结语
　　移动网业务的高增长推动着移动通信技术的更新换代，上述以核心网和无线接入网为主的新技术动向提供了一些新视野。而标准化领域层出不穷的新方法、新策略，也给产业链中承担技术实现的设备制造行业、测试行业、网络运营和工程实施领域带来相当的压力，有必要寻求整个产业链的平衡发展。此外各方技术蓬勃发展，移动网系统要不断应对外部技术的融合互通，如扩展到Hotspot 2.0的WLAN的互操作；同时也要在自身系统内部开发同类场景的增强技术，如Home Node B、LTE-Hi；多种技术手段间的定位和协同还有待梳理、明确。