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LTE小小区技术需求背景 | 带你读《5G UDN(超密集网络)技术详解》之八

简介: 微博、微信、微视频、微创新……全球诸多领域都已进入到所谓 的“微时代”。4G LTE 对应着智能终端和移动业务应用迅猛发 展的大时代,而 LTE 微蜂窝和小小区技术在此背景下,应运而生,这 为之后 5G 更强的微蜂窝和小小区技术奠定和积累了重要的发展基础 和经验。

1.4 3GPP标准化九大原则

第 2 章 LTE 微蜂窝和小小区技术

微博、微信、微视频、微创新……全球诸多领域都已进入到所谓 的“微时代”。4G LTE 对应着智能终端和移动业务应用迅猛发 展的大时代,而 LTE 微蜂窝和小小区技术在此背景下,应运而生,这 为之后 5G 更强的微蜂窝和小小区技术奠定和积累了重要的发展基础 和经验。

| 2.1 LTE小小区技术需求背景|

约 2007 年之后,随着以“iPhone”为代表的各种智能终端 / 物联网终端, 以及各式各样的互联网数据业务应用的不断拓展、普及和深入,在过去 10 年 中,蜂窝移动业务数据量经历了爆炸式的疯狂增长,堪称“数字洪水猛兽”。目 前业界普遍认为,随着未来诸如超高清视频、大型云端游戏、虚拟现实(VR, Virtual Reality)、增强现实(AR,Augmented Reality)、人工智能(AI, Artificial Intelligence)、无人交通系统、行业机器人等新蜂窝业务应用的普及 和不断深入,未来,蜂窝业务数据量仍将至少以指数的方式呈爆炸式增长,在一些热点地区,数据流量甚至将超过 1 000 倍。因此运营商们在 5G 蜂窝市场 所面临的最关键的挑战是,如何以可接受的低成本方式,保证网络系统容量和 性能都能快速同步地跟上增长,以适应未来各种来势汹汹的新兴蜂窝业务应用。
蜂窝移动通信技术发展的历史表明:小区分裂(多扇区和小小区化)、更多的频谱载波带宽资源、更高的无线频谱效率,这是蜂窝系统容量和网络关键性能提升的三大主要方面,但这三大方面所涉及的技术研发和工程代价成本也是 不同的。今日 LTE 异构微蜂窝技术或者 LTE UDN 部署,就是按照“增强上 述三个主要方面”的基本思路来发展演进的,未来 5G UDN 也是按照相同的思 路来发展演进的,进一步地,5G UDN 还可以参考、借鉴 LTE UDN 的技术经验。
5G UDN 部署和其相关技术的本质核心可用 4 个词来高度抽象概括:基站 小型化、小区密集化、节点多元化和高度协作化。其中,基站小型化主要指基站变得更“瘦”、更轻量化,发射功率更小,服务半径小小区化;小区密集化主 要指在空间域和频域有更多的小区资源能被协同或聚合利用;节点多元化主要 指部署中存在多种不同 RAT 制式和类型功能的无线节点;高度协作化包含同 构同RAT制式小区间的紧密协作化,以及异构异RAT制式小区间的紧密协作化。
随着 LTE“小小区”(Small Cell)技术的发展,低功率节点(LPN,Low Power Node)被灵活广泛地部署在 LTE 宏小区(Macro Cell)无线覆盖重 叠区域之内,可以是同频或者异频方式的部署,形成特定的 LTE 异构微蜂窝。 LPN 提供给终端最近的无线接入节点,拉近了基站与终端间的通信距离,把无 线信号和干扰尽量限制在很小的空间范围内,尽量使 UE 的数据传输建立在“无 线链路短径”之上。因此 LPN 和 UE 的发射功率都会大大降低(20MHz 工作 带宽的典型值是 24dBm),甚至变得非常接近,上下行无线链路的互易性增强, 信道属性差别也越来越小。LTE-A 网络从早期的小小区“稀疏式”部署,到 后期相对“密集式”的部署,小小区方式极大地增强了 LTE 宏网络的系统容量 和无线覆盖的深度,分担了宏小区的数据业务承载传输的压力,但由于密集的 LTE 小小区之间,存在不同程度的“空时频域维度”的重叠区域,彼此会造成 无线干扰和性能抑制,因此必然带来了一系列技术解决方案。
在 3GPP LTE-A 中后期的多个版本中,陆续引入了一系列针对 LTE Small Cell 的增强技术,从网络高层到空口物理层,以应对和解决 LTE Small Cell 在高密度部署下所产生的问题,这些问题对于 5G UDN 基本同样适用, 因此 LTE 相关方案的原理思路,后续可能也会尽可能地重用。可以预见, 5G UDN 意味着 5G Small Cel(l 它可以包含 NR gNB、E-UTRA ng-eNB、 WLAN AP、扮演 RN 角色的“超级 UE/IAB Node”等不同类型的小基站)将 会以更高的部署密度、更复杂的异构组合方式,被联合部署,并且高度协同在 一起使用,因此原本相对单纯的 LTE Small Cell 所面临的挑战将被进一步丰富, 系统技术挑战将会变得更为错综复杂。
5G UDN 技术广义上泛指:围绕着高密集 5G Small Cell 部署使用而产生 的一系列增强技术的集合,它可以涵盖从网络架构到无线基站形态,到空口高 层,再到空口物理层、射频 RF 等方面的技术。在今日和未来的 LTE UDN 网 络中,尽管 LTE LPN 的部署密度还可能进一步提高,单个 LPN 节点的无线覆 盖范围将进一步缩小(甚至只有几米,接近家庭基站 HeNB 的水平,每个 LPN 可能只服务若干个移动或准静止的用户),但由于 LTE UDN 仅仅部署在低频段, 当前暂时不支持波束赋形等先进技术,因此无法实现空间域信号的干扰隔离和空 间域无线资源的最大化利用。因此,LTE UDN 相比能部署在中高频段的纯 5G NR UDN,其有天然的系统部署密度瓶颈。5G UDN 除了充分地利用了 LPN、波束赋形等技术之外,还引入了许多其他 5G 先进技术,使 5G UDN 系统更加地 和各个协议层面完美结合,上下浑然一体,将在后面的章节详细地介绍。
5G UDN 中除了 5G LPN 节点数量的大大增加以外,LPN 节点制式和种类 趋多也是 5G UDN 发展的一个重要特点。如前面所述,5G UDN 网络可由部署、 工作在不同频段(比如,900 MHz、2 GHz、3.5 GHz、5 GHz、26 GHz、 60 GHz 等),使用不同类型的无线频谱资源(比如,授权专有载波、授权共享 载波、非授权载波)和采用不同 RAT 制式(比如,eLTE、WLAN、NR)的 各种 LPN 节点所组成。此外值得注意的是,随着 LPN 节点越来越小,乃至接 近终端的尺寸大小,同时伴随着终端设备直通技术(D2D,Device to Device) 和 无 线 自 回 程 技 术(WiReless Self-Backhaul)。 如,IAB,Intergrated Access Backhaul 的进一步发展、应用,某些超级终端本身也可以像 RN 节点 那样,充当网络 LPN 节点,甚至像小基站一样去服务其他常规终端。因此,这 些超级终端具备传统基站和终端功能二义性的特点,在未来还可扮演 Mobile RN 节点的功能。LTE-A Rel-10 RN 中继功能和今日 LTE 智能手机普遍使用的 Wi-Fi 热点功能,其实就是一种早期的应用雏形。这种由运营商悉心部署的网络 节点和随机散布式的终端而组成的异构 UDN 系统,也是蜂窝业界未来的研究热 点之一(类似早年的 Ad hoc 网络),它已突破了传统蜂窝移动组网、运营模式。
在 5G UDN 一系列技术的支持下,网络中的终端类型也可变得更加多元化 和密集化,比如,机器类通信业务(MTC,Machine Type Communication) 背后所带来的各种物联网终端,诸如,工业智能流水线、智能家居、无人驾驶车、 无人机、共享单车、各种可穿戴式设备、各行各业的仿真机器人的普及和流行 应用,等等,都将会导致更复杂的 5G UDN 网络运行和业务应用环境。对于“飞 行类终端”(例如,针对 Aerial Vehicles 的飞行线路控制),和“未来超级机 器人”(例如,对数据流量的消耗是普通人类感官的百千倍,对 QoS 参数的要 求比普通人类感官更苛刻敏感),它们在移动 / 通信行为 / 安全方式等方面,和 今天普通人类的大有不同,需要做进一步的优化增强。总而言之,5G UDN 比 LTE UDN 更加错综复杂,相关技术内容也更加丰富且先进。
2.2 LTE小小区技术发展历史

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