3G_LTE组网方法的研究

http://www.paper.edu.cn 3G LTE组网方法的研究 骆晓亮 北京邮电大学通信网络综合技术研究所，北京 (100876) lxlbupt@gmail.com 摘 要: 为了保持在移动通信领域的技术及标准优势, 3GPP启动其长期演进(LTE)的标准化 工作。在物理层、空中接口协议结构层和网络结构方面, 3GPP LTE采纳一系列先进技术和创 新理念。本文对LTE网络中网络组织方法进行了研究，并对现有各类组网方法进行充分的分 析和综合，在此基础上提出分层组网的方法。 关键词: 3GPP长期演进计划 网络拓扑结构 组网方法 半静态 中图分类号：TN929.53 1. 引言 随着宽带无线接入概念的出现，WiFi和WiMAX等无线接入方法迅猛发展。相比之 下WCDMA/HSDPA/HSUPA虽然在支持移动性和Quos方面有较大优势，但空中接口和 网络结构过于复杂，无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。另一方面OFDM 技术为核心的新一代技术逐渐成熟，接入速率提升到了 100 Mbit/s的范畴，相形之下 2 Mbit/s的WCDMA R99 传输速率、14.4 Mbit/s R5 HSDPA的峰值速率已经无法满足需求。 为此，3GPP在 2004 年底经过认真的讨论决定采用过去为B3G或 4G发展的技术来使用 3G频段，以便于占有宽带无线接入市场，并制定了长期演化计划LTE[1]（Long Term Evolution）。 除了对无线接入网演进的研究，3GPP 还要进行系统架构方面的演进工作。有效地 降低小区(扇区)之间的干扰，提高系统的频谱效率是 LTE 网络组网方法研究的主要目标 之一。根据 3GPP 近期会议的讨论方向，关于组网方法的研究，逐步从静态走向动态(半 静态)，从频率资源的单独优化走向频率与功率资源的联合优化，并适当结合其它有效 的无线资源管理方法(调度等)，对小区(扇区)之间的资源进行灵活的协调配置，在逐步 改善小区边缘覆盖性能的同时，系统的整体性能也有了进一步的提高。本文首先介绍了 LTE 网络中组网方法的基本思路，然后对现有各类组网方法进行充分的分析和综合。 2. LTE 网络拓扑结构概述 3GPP LTE在接入网体系结构[2]方面，设计的主要目标是满足低时延、低复杂度、 低成本的要求，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。 考虑到最终将要实现所有业务通过分组域传输，如何保证各种分组业务、特别是实 时性要求较高的分组业务的服务质量，原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行 调整与演进。 自从 LTE 标准化工作开展以来，对于 LTE 网络结构的未来演进，各方莫衷一是， 直到 RAN#32 全会上，才基本达成共识。各公司都倾向于如下所示的 LTE 网络结构。 - 1 - 图 2-1 LTE 网络结构 由图可知，整个 LTE 网络由 eNB(Evolved NodeB)和 MME/SAE Gateway(即 AGW: access gateway)节点构成，其中 eNB 构成了 E-UTRAN 网络，而 MME/SAE Gateway 节 点构成了 EPC(Evolved Packet Core)网络。eNB 之间通过 X2 接口互连，而 eNB 和 aGW 之间通过 S1 接口互连，S1 接口可以满足 aGW 和 eNB 之间的多对多连接映射关系。eNB 和 aGW 节点都包括多个功能实体。 根据 3GPP TR 25.912[3]的描述，eNB节点主要完成无线资源管理功能，包括 RB(Radio Bearer)控制，无线接纳控制，连接移动控制，动态资源分配(调度)。而aGW 中的MME(Mobility Management Entity)功能实体主要完成向eNB发送寻呼信息的功能， UPE(User Plane Entity)功能实体主要完成IP包头压缩和用户数据加密，由于寻呼原因引 起的U平面分组终止以及为了支持UE移动性而进行的U平面切换等功能。 S1 接口用于连接 EUTRAN 和 EPC，它包括两部分：S1-C 和 S1-U。S1-C 是 eNB 和 EPC 的 MME 功能实体之间的接口，S1-U 是 eNB 和 EPC 的 UPE 功能实体之间的接 口。S1 接口可以支持 aGW 和 eNB 之间的多对对连接方式。 X2 接口用于 eNB 之间的相互连接，也包括两部分：X2-C 和 X2-U。X2-C 是 eNB 之间的 C 平面接口，而 X2-U 是 eNB 之间的 U 平面接口。 这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用两层扁平网络架构，支持IMS、VoIP、 SIP、Mobile IP等各种先进技术[4]。通过图 2-1 与R6 版本的直观比较可以看出LTE网络 结构极大降低了系统复杂性。系统内部相应的交互操作随之减少，系统时延可以明显的 降低。 对于LTE网络节点的功能划分，根据 25.912[3]报告的规定，倾向于如下所示的 LTE/SAE结构： - 2 - http://www.paper.edu.cn 图 2-2 LTE 网络的节点功能划分 由图可知，LTE网络[5]包括eNB和aGW两类节点。在上述框架中，eNB和aGW划分 为用户平面和控制平面。eNB的用户平面主要完成PHY/MAC/RLC层[6]处理，而控制平 面的功能实体包括RRC的底层控制功能、动态资源调度、测量与配置、接纳控制、RB 控制、移动性管理与小区间RRM等功能。aGW的用户平面主要完成数据传输和PDCP 功能，而控制平面的功能包括移动性管理实体、SAE承载控制等。由上述功能划分可知， LTE网络大大简化了aGW的功能，将大部分网络功能都配置在eNB节点。这样，eNB就 具有了非常强的网络控制、调度功能，有助于提高LTE网络的灵活性。 3. 组网方法 3.1 基于静态干扰协调的组网方法 这类方法主要是对频率/时间/功率资源根据网络内干扰情况进行静态规划，从而达 到避免干扰，提高频率复用率的目的。这类方法包括 Siemens、华为、Alcatel 以及 Qualcomm 等公司的方法。其中，Siemens 和华为的方法类似，采用软频率因子复用， 实现比较直观。Alcatel 方法总体思路是规划网络中的干扰功率。而 Qualcomm 方法是 基于图论方法进行频率规划和复用，思路比较新颖。下面以 Siemens 方法为例，简要说 明。 - 3 - http://www.paper.edu.cn 图 3-1 Siemens软频率复用 Siemens 的方法采用软频率因子复用。小区中心的频率复用因子为 1，小区边缘的 频率复用因子为 3，如图所示，不同的颜色代表不同的子频带。每个小区的中心用户 （CCU）使用相同的频带与基站通信，而小区边缘用户（CEU）使用相互正交的子频 带与各自基站通信，以避免干扰。CEU 和 CCU 的界定以该用户接收到的本小区基站的 功率与干扰小区基站的功率的比例作为标准，当该比例低于某个标准值时，则为 CEU， 反之为 CCU。通过在小区边缘的频率复用，大大减少了 CEU 对相邻小区的干扰。 Siemens 和华为方法实现简单，但有可能会导致容量损失。Alcatel 比简单的软频率 复用方法更为灵活，但需要基站增加额外的信令交换，且其网络鲁棒性无法保证。 Qualcomm 方法采用图论方法，以用户为中心进行网络规划，思路很新颖，但其实现非 常复杂，且需要在网络假设前进行频率规划，增加了未来网络建设的难度。我们计划对 有代表性的方法进行分析评估，深入比较这些静态方法的优缺点。 3.2 基于半静态干扰协调的组网方法 这类方法主要是对频率/时间/功率资源根据网络内干扰情况进行动态调度，从而达 到避免干扰，提高频率复用率的目的。这类方法包括 Nortel、Lucent、LGE、Ericsson、 TI 以及 Nokia 等公司的方法。总体上看，这些方法都需要对无线资源进行调度，并且 需要对链路质量进行测试，根据链路参数决定调度策略。 Nortel 方法是通过时频分配来抑制小区间干扰；Lucent 方法则采用了分布式干扰抑 制方法。LGE 提出了三种抑制干扰的方法，其主要思想是将总的可用带宽分为若干个 块，相邻小区相同区域使用不同的频率块（同一小区不同区域使用不同的频率块），从 而减小 Node B 间的发生同频干扰的概率。Ericsson 方法从时域调度进行考虑，提出了 一种“Mute”的调度思想。TI 方法将软频率复用方法与时域调度相结合。下面以 TI 方法 为例，简要说明。 TI 提出半静态的软频率复用因子方法，并在 ETURA 支持同步的情况下，同 时使用时域调度。 首先为每个小区的所有扇区预留相同的子频带，然后根据业务分布，动态调整频率 的分配，如下图所示。小区边缘的频率复用因子为 3，用红、蓝、绿代表一个小区簇的 各个小区边缘的子频带。在 TTI 1 时，小区 1 边缘业务量大，因此分配较多的频带。随 着时间的变化，各小区边缘的业务量发生变化。在 TTI M 时，小区 2，4，6 边缘业务 量大，因此分配较多的频带。 - 4 - http://www.paper.edu.cn 1 2 3 4 5 6 7 图 3-2 TI 方法的干扰协调示意图 半静态调度需要 eNB 之间的信令交互。若采用时域调度，需要 EUTRA 支持各 Node B 之间的同步机制。 图 3-3 频域调度和时域调度相结合的半静态调度方法示例 如图所示，小区边缘的频率复用因子为 3，用红、蓝、绿代表一个小区簇的各个小 区边缘的子频带，用斜线填充的方框表示此时隙不传输数据。 在第一个阶段(TTI 1,2,3……)，虽然小区 1 与小区 4，7 相邻，并且使用相同的频带， 但用奇偶时隙区分，避免小区间的干扰。同样相邻的小区 5，6 也使用相同的频带，通 - 5 - http://www.paper.edu.cn 过时隙复用避免小区间的干扰。 在第二个阶段(TTI M,M+1……)，由于各小区的业务量变化，重新分配频带和时隙。 小区 4，7 业务量较大，分别在偶时隙用全部的频带通信。而 1，2，3，5，6 则在奇时 隙使用不同的频带。 由此例可以看出，将时域调度和频域调度联合使用能更灵活地根据业务量的变化分 配资源。 3.3 静态/半静态组网方法的优势和劣势 静态方法实现简单，具有较好的鲁棒性，eNB 之间数据信息交互量小，但很难达 到较高的频率复用，并且会影响系统容量的提高。 而采用调度方法的半静态方法，一般都可以达到高频率复用因子，但大多数需要 eNB 之间传输较高的数据量，且实现方法都比较复杂。最关键的缺陷是目前的半静态 规划方法都没有经过系统级仿真的充分验证，没有详细研究与无线资源调度管理之间的 相互影响。由于采用半静态规划的 LTE 网络动态变化很大，往往很难保证组网方法的 鲁棒性。虽然大多数情况下半静态规划和动态无线资源管理可以获得很高的频谱利用 率，但有可能存在特定的恶劣场景，导致网络出现不稳定的状态。另外，半静态网络规 划也增加了无线资源管理的困难，有可能造成小区边缘业务吞吐率和处理时延的不稳 定。 4. 分层组网方法 针对 LTE 综合组网方法的研究，我们可以结合频率复用和功率控制（分配），但 是对如何结合，仍然需要进一步的研究。比如：分层频率复用、平均路径损耗补偿+注 水的功率控制（分配）相结合的方法。通过小区间频率及功率的协调，降低小区间干扰， 改善边缘用户的性能及系统的平均性能，在全面考虑所有用户 QoS 要求的基础上提高 网络的频谱效率。 分层组网将小区分为 N 个区域，如图 4-1 所示将小区分为 3 区域， 1Area ， 2Area ，以及 3Area 。这种分法有利于结合路径损耗补偿法的功率分配方法，对不同 路径损耗的用户进行补偿。 图 4-1 小区区域划分示意图 - 6 - http://www.paper.edu.cn 5. 结论 上述各种组网方法均是基于小区(扇区)间的频率资源的协调利用，通过灵活的频率复用 因子的设计有效地降低了同频干扰，提高小区的边缘覆盖性能。半静态的组网方法在一定程 度上能够网络负载的动态变化，通过小区(扇区)间资源配置的动态调整，实现对资源合理、 充分的利用。现有大多数方法只是在小区间通过频域的配置来达到提高小区边缘覆盖性能的 目的，但是用户的功率配置是影响系统干扰水平的主要因素之一，所以在设计合理的频率复 用因子的基础上，需要对系统的发射功率进行合理的配置。本文最后给出了分层组网的思想， 结合频率和功率进行组网，可以在全面考虑所有用户 QoS 要求的基础上提高网络的频谱效 率。 参考文献 [1] 沈嘉. 3GPP LT 核心技术及标准化进展[J].移动通信.2006.4. [2] 3GPP TR 25.913 v7.3.0. Requirements for Evolved UTRA (E- UTRA) and Evolved UTRAN (E- UTRAN) [S]. 2006. [3] 3GPP TR 25.912 v7.1.0. Feasibility study for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) [S]. 2006. [4] 孙天伟. 3GPP LTE/SAE 网络体系结构和标准化进展[J]. 广东通信技术，2007.2: 33-38. [5] 3GPP TR 25.813 v7.1.0. Evolved UTRA (E- UTRA) and Evolved UTRAN (E- UTRAN): Radio interface protocol aspects [S]. 2006. [6] 3GPP, TR 25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for Evolved UTRA [S]. 2006. Research of 3G LTE network construction Luo Xiaoliang School of Tele-communication and Network Technique, Beijing University of Posts and Tele-communications, Beijing, PRC, (100876) Abstract 3GPP initiated its Long Term Evolution (LTE) standardization work to retain its technology and standard advantages in the field of mobile communications. Several advanced technologies and novel concepts related to the physical layer, air interface protocol structure layer and network architecture are adopted. This paper describes the network architecture of 3G LTE, and shows differences between different types of network construction project. In the end, this paper gives a new network construct method. Keywords: 3GPP LTE, network architecture, network construction, semi-static - 7 - http://www.paper.edu.cn 1. 引言 2. LTE网络拓扑结构概述 3. 组网方法 4. 分层组网方法 5. 结论 参考文献