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4G LTE同构宏蜂窝和异构微蜂窝概述 | 带你读《5G UDN(超密集网络)技术详解》之三

2019-12-24 00:00:00 mimukeji

第一章 5G 前蜂窝移动历史

1.1 5G前蜂窝移动系统和业务概述

|1.2 4G LTE同构宏蜂窝和异构微蜂窝概述 |

4G 时代最有代表性的蜂窝移动系统就是 LTE,对应的无线接入技术就是 E-UTRA,它由 3GPP 项目组织领导进行了多版本的标准化。从 2008 年的 Rel-8 初始版本开始(准 4G 系统),演进到 2010 年被称为 LTE-A(真正 4G 系统)的 Rel-10 版本,至 2017 年已演进到 Rel-15 版本。由于是长期演进, 所以 E-UTRA 每个新版本都必须保证后向兼容性,即低版本的终端也能正常 接入和使用高版本的 E-UTRA 网络。LTE 网络相比过去的 2G/3G 网络,采取 了无线接入网(RAN,Radio Access Network)“扁平化架构”,如图 1-3 所示。 基站 eNB 是无线接入网 E-UTRAN 内的唯一逻辑节点(注:eNB 物理实现上 也可以通过设备厂家的私有接口分开,但标准逻辑上是同一网元节点),UE 只 有两个 RRC 状态,即空闲态 RRC_IDLE 和连接态 RRC_CONNECTED。“扁 平化架构”使得无线接入侧的所有网络功能,如接入控制、无线资源分配调度、信令和用户数据传输最大限度地靠近空中接口(空口 Uu),以快速适配空口动 态变化的无线资源环境,从而提升系统的效率性能。同时它还能进一步降低基 站 eNB 和终端 UE 之间的数据传输时延。LTE 系统 E-UTRAN 中的逻辑节点 和接口类型精简,避免了很多不同网元节点间的互联互通测试(IOT,InterOperatability Test)等问题,从而增强了蜂窝系统的稳定性和运维性。
eNB 通过直连的逻辑接口 S1,和核心网控制面网元节点 MME 以及用户 面网元节点 SGW 相连接,它们之间可以是多对多的 Flex 连接关系。由于架构 扁平化的特征,处于相同逻辑架构层级的基站 eNB 之间,可以通过直连的逻辑 接口 X2 进行移动性操作和数据协作传输联合操作,这也可以一定程度地增强 LTE 小区边缘的容量和性能,克服终端和 eNB 基站之间通信的“远近效应”, 形成相对平滑一致的无线覆盖和系统容量供给(注:这里相邻的 eNB 基站虽处 于相同的逻辑架构层级,但它们可以是不同类型和功能集合的基站,可扮演着 不同的逻辑角色)。不同于过去的2G/3G网络,LTE采取了“单一核心网PS域”, 不再独立区分传统蜂窝的 CS 域和 PS 域,用统一 PS 域提供了所有 EPS 承载 级别的用户业务承载。各种拥有不同服务质量要求(QoS Profile,Quality of Service Profile)和属性特征(QCI、GBR、AMBR、ARP)的业务数据包(包 括话音数据包),都要通过基站 eNB 配置的数据无线承载(DRB,Data Radio Bearer)来进行统一且差分的处理和上下行数据包在空口的传输。LTE 系统 既能支持一些 QoS 被标准化的常见数据业务类型,用标准化的 QCI 来表达其 QoS 特征,也可以支持那些 QoS 没被标准化的其他数据业务。
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早期,在 LTE 同构宏蜂窝的部署方式下,每个宏基站 eNB 内,可在一个 或者多个 LTE 载波频点上,重叠配置着多个宏服务小区(无线覆盖范围从几百 米到几十千米),从而相邻的多个宏基站 eNB,共同形成较为规整的宏蜂窝状 的无线覆盖。如图 1-4 所示,在某个物理区域内,若干形状大小基本相同的宏 小区有规律地部署在 4 个不同的 LTE 载波频点上,频率垂直方向有重叠覆盖, 位置水平方向的宏小区边缘也有重叠覆盖。在 LTE 同构宏蜂窝中,LTE 无线 覆盖和容量的供给,通常随着物理位置的变化而呈现出单一的拓扑结构,越往 宏小区中心的地方越好。同构宏蜂窝的部署方式,在蜂窝移动网络早期特别强 调无线全覆盖的要求下,较为普遍适用,在未来 5G 蜂窝部署中,移动锚点控 制信令层或基本类业务层,通常也可采取同构宏蜂窝的部署方式。
如图 1-4 所示,“同构”意味着大部分部署的基站 eNB 所提供的无线容量 和处理能力,甚至配置参数(包括天线数目、形态、增益、角度朝向)都基本一致, 运营商不需要在众多的基站设备之间,进行太多的差分对待和精细化管理配置, 因此,相应的设备采购管理、网络规划优化、管理运维等任务,则变得相对 “千篇一律”,相对简单、轻松一些。“宏蜂窝”意味着单个宏基站 eNB,通常 就能无线覆盖较大的物理区域范围,因此整个蜂窝网络中部署的基站总数目和 CAPEX/OPEX 成本就容易控制在特定的预算范围内。在特定的 LTE 宏服务小 区下,对于大部分终端,由于自身的物理活动范围有限,大部分时间内可能只 是处在单个宏基站 eNB 所辖的服务范围内,偶尔才会离开移动到其他相邻的宏 基站服务小区内,因此可避免很多宏基站间的移动性重配置、干扰协调等操作。 因此,同构宏蜂窝通常保证好从核心网→无线接入网→终端这一垂直数据服务 路径即可,对基站之间的水平数据服务路径的要求,可以相对略微地降低。
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总的说来,“同构宏蜂窝”的部署方式,能够简化运营商对蜂窝移动网络的 部署和运维,是一种较为初级、粗糙的方式,但它很不利于蜂窝移动网络资源 的差分化管理和精细化利用,这主要基于下面几点理由和事实。
(1)终端用户的密度和数据流量需求的物理分布通常是不均匀的,有的区 域多,有的区域少,有的区域甚至是“无人区”。由于不同地域和室内外环境之 间的较大差异,用户的移动特性也是不一致的。“同构宏蜂窝”的部署方式,不 利于针对局部区域的具体业务分布需求特性,来进行无线覆盖和系统容量方面 的定制化供给输出。
(2)宏基站 eNB 为了实现远距离无线覆盖,需要较大的射频输出功率,同 理,处于小区远端的终端也需要较大的射频输出功率,才能保证上行数据传输 性能,这是很耗能的。由于单个宏服务小区内用户数众多,它必须长时间处于 激活且持续稳定的工作状态,这对宏基站的能耗和运行稳定性要求很高,比如, 宏基站 eNB 在白天正常工作时段,几乎很难被关闭和参数重配重启。一旦宏基 站 eNB 发生故障重启,常常会带来很大的断网影响。
(3)宏小区覆盖造成位于宏服务小区远端和边缘的终端,需要经历“无线 链路长径”才能和基站进行上下行数据传输,这需要消耗更多的空口无线资源 和发射功率资源,以抵抗路损和无线干扰,但同时必然会对环境造成更大的无 线干扰,因此,“无线链路短径”对于空口数据传输更为高效和有利,也更能节 省基站能量和终端电量。后面读者将会发现:通过小小区和 Relay 中继技术,可 把无线链路长径转化成分段的多条短径,这样可有效地管理空口的无线干扰叠加。
(4)单个大型宏基站 eNB 因为要服务众多的用户(>1 000 人),这对宏基 站的基带处理能力、调度能力 / 算法效率等方面的挑战都很大,比如,能同时 高效服务调度 1 000 个用户和 10 个用户所带来的算法复杂度和基带处理效率 开销是不同的。由于众多用户的物理位置、蜂窝业务特性、无线环境等因素差 别可能很大,因此极易造成宏服务小区的平均谱效和实际无线覆盖、容量被某 些用户拉低,用户间服务的公平度下降,从而无法达到系统的性能目标。
(5)宏基站 eNB 的宏小区,通常只能配置工作在带宽资源较稀缺的低频段(< 3.5 GHz),由于设备发射功率限制(20 MHz 工作带宽典型值为 46 dBm)、空 间物理障碍物导致的不同路损等因素,通常无法在中高频段载波上进行部署工 作。因此宏小区无法利用广阔充裕的中高频段载波资源,此时,微小区或小小 区就自然地适用于中高频段部署。UDN 部署的一个前提就是基站小型化和服务 小小区化。
基于上述“同构宏蜂窝”的多重缺点、弊端,以及运营商们不断强调精细 化其网络运营和更高效、灵活地提供各类蜂窝业务应用的需要,LTE 网络从Rel-10开始,逐渐从“同构宏蜂窝”的部署方式,向各种“异构微蜂窝”(HetNet, Heterogeneous Network)的部署方式转变、演化。简单地定义,“异构微蜂 窝”是指特定物理服务区域内,存在着不同系统容量、不同处理能力和不同配 置参数的各种基站 eNB(从大型宏基站到各类型的微基站甚至家庭基站),外加 其他不同 RAT 技术制式的基站节点(如 RN、WLAN AP、gNB 等),它们之 间混合搭配着异构化部署,不需要像“同构宏蜂窝”那样规律有序,运营商可 根据待服务用户和蜂窝业务的客观具体需求按需、灵活、动态地去构建网络拓 扑,从而实现区域定制化的无线覆盖和容量供给输出。如图 1-5 所示,在某个 物理服务区域内,若干个覆盖形状大小不同的宏微服务小区,无特定规律地部 署在 4 个不同的 LTE 载波频点上,从而蜂窝网络提供的无线通信容量可针对特 定物理位置的具体需求情况而动态变化和定制,可以是同频或异频部署,形成 多样化的拓扑结构,而且可能是“无定形的”。对于“异构微蜂窝”,不仅要保 证好核心网→无线接入网→终端这一垂直数据服务基本路径,还要对基站之间 的水平数据服务路径提出更高的性能要求,因为此时终端很容易且很需要和多个相邻的基站产生联合互操作的关联。
支撑 4G LTE“异构微蜂窝”的相关关键技术,将在后续的章节中详细地 进行介绍分析,5G UDN 本质上也属于一种“异构微蜂窝”的部署方式,此时 除了“异构”和“微蜂窝”的基本特征,还外加了“小区密集化”和“高度协 作化”的重要特征。当 5G UDN 内的小小区部署变得越来越密、越来越小时, 无线接入网节点的上层基带资源和下层无线资源仿似被“云化了”,这就能对 5G 在部署组网成本、工作效率、网络系统性能等方面都带来很大的提升空间, 同时也伴随有很多新的技术挑战。这一技术趋势,其实就是蜂窝移动系统对“云 计算”的基本技术理念,在无线接入网侧的深入应用。
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