ＩＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ家庭基站部署关键技术

李　剑　刘　扬　段　军　梁学俊

[摘要]文章针对家庭基站的特点，结合IMT-Advanced的需求，对实现家庭基站部署的关键技术——自配置和自优化及其实现进行了研究和探讨，并对关键性能进行了评估和分析。

[关键词]IMT-Advanced家庭基站自配置自优化载波聚合

1引言

随着3G网络的部署在国内迅速展开，中国的无线通信正快步迈入一个新的时代。而无线通信网络承载的业务也逐渐由传统的以单一语音为主的模式，向语音数据混合，再向数据逐渐占据主要位置的方向发展。现有3G网络部署初期以数据卡为主要接入方式就很好地说明了这一趋势。

为了进一步提高无线通信网络的容量，为承载日益丰富的业务做好准备，ITU-R在2007年开始针对第四代移动通信系统(也称为IMT-Advanced)进行技术征集。此前已经启动的WiMAX(802.16m)和LTE被认为是最有竞争力的两个候选技术。随着ITU-R对IMT-Advanced需求的明确，802.16m对原有的方案进行了增强，而LTE也在现有技术基础上推出了LTE-Advanced，准备参与ITU-R的征集活动。

在这两个技术中，除了对系统性能的提高外，新的网络部署方案也是讨论和研究的重点，比如家庭基站(Home Base Station H-BS)和中继技术。有研究表明，今后可能有50％的话音业务以及超过70％的数据业务在室内使用，室内覆盖就成为提升用户体验质量(QoE)的关键之一。与传统的室内覆盖技术(如Pico cell、直放站以及室内分布式天线系统)相比，H-BS除了能提供室内覆盖以外，还可以实现一种面向用户的个性化、差异化的服务提供方式。对运营商而言，H-BS的部署在一定程度上由用户完成，还有利于节约CAPEX和OPEX。

然而，用户毕竟不是专业的网络维护人员，在H-BS部署过程中能完成的工作非常有限，比如提供电源。考虑到H-BS部署的数量可能比较大，以及用户行为的不确定性对于家庭基站的影响，运营商不可能像部署宏小区网络一样，通过事先的网络规划，避免网络运行过程中产生诸如小区间干扰这一类的问题。因此，能否解决好H-BS部署及运行、维护过程中产生的问题，将决定这一技术是否能真正成为下一代无线通信系统室内覆盖的主要解决方案。

本文将对解决H-BS部署问题的自配置和自优化技术进行讨论，并对旨在有效控制H-BS间干扰的H-BS载波管理技术进行评估和分析。

2家庭基站的自配置和自优化

随着无线通信技术使用的普及和不断进步，无线网络设备部署的复杂性也不断提高。比如，基站的选址以及基站配置参数的设置。在网络部署完成，开始正常运行后。还需要针对新的突发情况进行及时调整，比如网络故障、网络流量分布的变化等。这在很大程度上提高了运营商的OPEX。自配置和自优化(Self-Configuration ＆ Self-Optimization)技术的提出就成为解决这一问题的关键，将网络部署和运行、维护过程中人为参与的程度降到最低，赋予网络自行完成网络部署初始配置以及运行过程中的性能优化和故障处理的能力，对于H-BS而言，这一点尤为重要。因为运营商对于H-BS的控制能力已经被弱化，而由不具备专业知识的普通用户参与H-BS的部署和运行、维护，这就需要家庭基站具备必要的自配置和自优化能力。

2.1自配置和自优化

在NGMN中，自配置和自优化技术又被称为自组织网络技术(SON Self-Organizing Networks)，无论是LTE还是WiMAX都将自配置和自优化作为一项重要技术特征。以LTE为例，LTE增强的Release 9版本中，对现有LTE定义的SON功能进行了进一步扩充，可以预见的是在LTE-Advanced中，这些功能还可能被进一步增强。主要包括：

(1)物理小区标识自动配置

物理小区标识是无线网络配置的一个基本参数，用于区别不同小区的无线信号，然而可用的物理小区标识的数量是有限的，因而必然出现物理小区标识重用的情况。在一个新基站部署过程中，需要通过物理小区标识自动配置能力，为基站控制的每个小区分配一个物理小区标识。确保在相关小区覆盖范围内，没有相同的物理小区标识，且邻居小区采用的物理小区标识各不相同。

(2)自动邻居关系配置

在无线网络拓扑结构发生改变时，如：新基站加入／拆除或者基站故障无法工作等，基站需要能自动维护与周围基站间的邻居关系，这对于小区间切换、负载均衡、干扰协调等有重要意义。

(3)小区间干扰协调

由于无线资源的有限性，尤其是频率资源，在小区间必然需要对无线资源进行重用。当邻近小区采用的无线资源相同时，就会产生小区间干扰。小区间干扰协调就是对邻近小区使用的无线资源进行协调，尽量避免在同一时段内邻近小区使用相同的频率资源，或者是在干扰可以接受的情况下，允许邻近小区使用相同的频率资源。

(4)覆盖和容量优化

在网络运行过程中需要对覆盖和容量进行优化，包括网络覆盖盲区的检测和修复、小区边缘覆盖质量的优化，以及通过调整接纳控制门限等参数，减少干扰，提升系统容量。

(5)节能及干扰减少

绿色环保是未来无线网络设备的一个重要特征，节能则是其中一项重要指标。在基站控制的小区覆盖范围内如果没有终端需要服务，可以考虑暂时关闭基站，除了节能，这还能减少不必要的小区间干扰，关键在于相关基站在需要的时候能及时切换到工作状态。

(6)移动鲁棒性增强

对处于激活状态的终端，小区间切换是评价系统性能的重要指标之一。传统蜂窝网络管理系统中需要手动设置、调整切换参数。而通过自配置和自优化功能，基站可以调整相关的无线资源管理参数，提高切换的成功率，避免不必要的切换。而对处于空闲状态的终端而言，选取合理的小区和重选参数同样可以减少系统开销。

(7)移动负载均衡

移动通信网络中，流量负载的分布会随时间的推移发生改变，为了提高资源利用率，避免出现网络拥塞，可以通过调整小区间切换参数或小区重选参数，将小区负载转移到邻近小区中。这需要邻近小区间能及时互通负载信息。

2.2家庭基站SON的特点

(1)H-BS与宏基站的差异

针对部署场景的特点，H-BS与宏基站(Macro Base Station M-BS)有着明显的差异性：

◆覆盖类型：M-BS主要针对室外覆盖，而H-BS主要针对室内覆盖：

◆覆盖范围：M-BS需要覆盖的范围可以从几百米到几公里，而H-BS只需要覆盖几米到几十米即可；

◆服务用户数：H-BS服务的用户数远小于M-BS服务的用户数；

◆可用性：M-BS需要维持长期稳定的运行，H-BS可能频繁开关：

◆网络规划：M-BS的部署通常可以由运营商事先通过

网络规划来完成诸如选址一类的工作，但H-BS则无法实施网络规划。

◆网络运行维护：M-BS主要由运营商进行日常的运行维护，H-BS则通常主要由不具备专业知识和技能的用户来完成。

(2)H-BS需具备的SON能力

通过这些对比不难发现，在某些方面H-BS对于SON的要求高于M-BS，而某些方面则不需要像M-BS那么复杂。为了实现用户即插即用，H-BS需要具备的SON能力主要包括：

◆配置管理

由于H-BS需要提供的是电信级的服务。因此在H-BS启动后，需要能自动向运营商网络发起认证、注册等安全性相关的过程，并能从网络获取必要的配置参数。

在成功接入网络并取得相关配置参数后，H-BS还需要能根据对周围无线环境的感知，选取和调整相关参数，如：工作频率，物理小区标识等，在确保能正常工作的前提下，避免小区间干扰。

◆性能管理

在工作过程中，H-BS需要根据对周围无线环境的检测以及关键性能指标的监测结果，对系统参数进行及时调整，提高和改善容量和覆盖，减少小区间干扰。

◆故障处理

出现故障时，H-BS需要根据自身能力尽量从故障中恢复，比如恢复初始配置。在无法恢复的情况下，需要以报警的方式提示用户，并停止运行，避免对周围小区造成不必要的干扰。

3家庭基站载波管理技术

从前面的分析可以看到，在对H-BS的自配置和自优化要求中，减少和避免小区间干扰是确保H-BS正常工作和提高性能的关键。由于用户行为的不确定性，无法预测用户什么时候打开H-BS，什么时候关掉H-BS以及将H-BS摆放在什么位置，因此H-BS的部署无法事先进行的规划。这也导致了H-BS在部署过程中可能由于配置不当而产生较为严重的小区间干扰，这在很大程度上会影响用户的体验质量。尤其在人口居住密度较大的地区，H-BS部署的密度会比较大，这一问题尤为明显。

对于IMT-Advanced系统而言，需要支持高达100MHz的频率带宽。考虑到H-BS需要服务的用户数远小于M-BS且H-BS具有一定的用户依赖性，不同用户对于终端和带宽的需求是不同的，因此H-BS对于频率资源的需求有别于M-BS，且不同H-BS对于频率资源的需求也是有差异的。结合针对IMT-Advanced提出的载波聚合技术，下面将对H-BS可能的载波管理方案进行讨论。

3.1家庭基站载波管理方案

(1)固定分配(Fixed Assignment)

这是一种最简单和直接的方案，即H-BS的厂家可以根据运营商的对频率资源的规划，在产生H-BS的过程中就将H-BS的工作频点和带宽固定，或者在H-BS启动后可以从网络下载相关配置参数，一旦设定就不再更改。

(2)载波随机选择(Random Carrier Selection)

H-BS可以在运营商指定的频率资源范围内，可能是一个载波集合，根据自身的带宽需求，随机部分载波构成自己的载波聚合。在工作过程中，还可以根据需要，对载波聚合进行调整，调整仍然采用随机选择的方式来完成，而无须其他辅助信息。

(3)自动载波管理(Autonomous Carrier Management)

H-BS可以针对自身的频率带宽需求，利用自配置过程中从网络获取的可用频率资源配置信息，根据载波聚合的原则，将运营商提供的频率资源划分为多个载波。通过对每个载波的干扰测量结果，选择干扰最小的载波(一个或多个)构成自己的载波聚合。不同H-BS对可用频率资源的划分可能不同，载波聚合需要的频率带宽资源也可能不同。载波聚合的调整可以是周期性的。也可以根据实际需要，以事件驱动的方式来触发。

3-2性能评估

为了便于比较上述不同方案的性能，论文采用系统级评估的方法，对典型应用场景下，三种方案的性能进行了评估。

根据ITU-R和3GPP对于IMT-Advanced技术的评估方法和要求，室内H-BS部署场景如图1所示。室外M-BS部署场景采用19站点57小区场景，宏小区站点间距离为500m。主要系统参数如表1所示。采用文献。中簇(Ciuster)的概念分别对三种不同的簇密度进行了评估，即每个簇中包括2个、5个和10个H-BS的三种情况。

3.3结果及讨论

假设M-BS需要的频率资源为80MHz，而H-BS需要的频率资源为20MHz。假设每个载波带宽为10MHz，那么M-BS需要8个载波，H-BS需要2个载波。假设H-BS的可用频率资源为80MHz，分别对两种不同的频率配置方式进行评估，即独立信道模式(Independent Channel)，H-BS可用的频率资源与M-BS正交和共信道模式(Co—channel)，H-BS可用的频率资源与M-BS相同。对下行链路评估结果进行讨论，限于篇幅，仅给出密度为10个H-BS每簇的结果，如图2所示

(1)独立信道模式

邻居H-BS之间的干扰对系统性能有明显影响，随着H-BS部署密度的增加，系统性能明显下降。

如图2所示，即便在H-BS较高的时候，与固定分配相比，采用更灵活的载波管理方案可改善系统性能。其中。随机载波选择方案可以获得约5dB的增益。而自动载波管理方案则可以获得约10dB的增益。在部署密度较低的时候。采用灵活的载波管理方案还能获得更高的性能增益。

(2)共信道模式

来自M-BS的干扰对H-BS的性能有着非常明显的影响，以至于采用灵活的载波管理方案带来的增益不像独立信道模式那样明显。

但即便是在受到M-BS强烈干扰的情况下，与固定分配方案相比，采用自动载波管理仍然可以获得2dB～8dB的性能增益。

从对评估结果的分析中不难发现，采用灵活的载波管理方案有助于改善H-BS的系统性能。对于M-BS网络而言，在采用共信道模式时，H-BS的部署同样会对其性能产生影响。一方面需要在M-BS网络中利用干扰协调技术来改善性能。另一方面，也可以在H-BS网络中引入其它的干扰协调解决方案，这与本文提出的灵活的载波管理方案并不冲突。

除此以外，在有富余频率资源的情况下，还可以考虑采用部分共信道，M-BS与H-BS共用部分频率资源，甚至是独立信道模式，这将有助于改善M-BS和H-BS的系统性能，当然这要根据运营商的频率资源使用策略而定。

4结束语

作为下一代无线通信网络室内覆盖的重要解决方案，家庭基站已经成为各大主流技术支持的一种重要网络部署方式。有别于传统宏基站，家庭基站的部署主要由用户完成，因此，自配置和自优化就成为家庭基站必备的能力。其中，为了解决好家庭基站部署过程产生的基站间干扰，采用灵活的载波管理技术可以在一定程度上改善系统性能。