Small Cell發現技術的研究分析

王 振，李貴勇

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引言

隨著LTE網絡容量的不斷提升，移動運營商正在為增長的數據流量發愁，Small Cell[1]在這方面正扮演著越來越重要的角色，更多的 Small Cell用來覆蓋盲區以及分擔流量壓力。Small Cell使得運營商能夠為用戶提供更高數據速率、更低成本的業務。小小區(Small Cell)密集部署是提高系統容量的手段之一，3GPP R12開展了針對小小區增強技術的標準化工作，包括引入高階調制（256QAM），根據流量和干擾情況進行小區開關，小區快速發現以及優化異運營商之間的小小區密集部署的同步機制等。然而基于傳統的LTE小區搜索的方法，即基于PSS/SSS的機制應用于小小區發現中，會存在一系列的問題。

1 小區搜索/發現

小區搜索過程就是UE取得和服務小區時間和頻率同步，并檢測物理層小區ID的過程。按照小區搜索過程的不同，小區搜索分為初始小區搜索和非初始小區搜索[2]。初始小區搜索主要是用戶開機后的小區搜索，用戶開機后，UE要為自己尋找一個合適的基站，來接收服務基站的消息。非初始小區搜索是指UE一直處于連接狀態，周期性地對周圍存在的小區進行搜索，以備小區重選和切換。

Small Cell的發現屬于非初始小區搜索，從理論來說，非初始小區搜索比初始小區搜索的過程要簡單些，因為非初始小區搜索UE已經取得了下行同步，但為了減少UE搜索服務小區的復雜度，非初始小區搜索和初始小區搜索采用了相同的方法。

UE快速有效發現Small Cell，可以減輕宏基站的網絡負載，優化網絡部署與網絡負載均衡，提高CoMP/e-ICIC的有效操作，而且可以有效地促進Small Cell的關斷技術研究，增強Small Cell層的移動魯棒性。

2 發現Small Cell的相關機制

在Small Cell密集部署下(如圖1所示)，基于現有標準已假定一個小小區簇 （一個小小區簇內包含10個小小區）內的全部小小區均同步（利用該同步，可以提高網絡的相關性能，如使用CoMP，雙連接技術，減小搜索窗等）。這也隨之帶來了一定的問題，即同步信號映射到相同的時頻資源上，使得小區間的同步信號完全碰撞在一起，導致接收信號的信噪比下降很大，檢測性能急劇下降，很難達到小小區發現的標準（現有標準雖未規定具體發現的小小區個數，但是至少為3個）。

圖1 Small Cell密集部署場景（其中F1為宏基站層的覆蓋范圍，F2為Small Cell的覆蓋范圍）

2.1 R8機制下應用PSS/SSS

由于PSS/SSS[3]每 5 ms傳輸一次，一般 PSS和 SSS信噪比的檢測需各自平均2個符號，則發現小小區至少20 ms，在SINR低于0 dB時，將會以更長的搜索時間來提高小小區的檢測性能，這樣會增加UE的功耗，尤其在采用異頻部署的網絡下搜索小區。

在噪聲受限的場景下(假設僅僅有目標小區傳輸PSS/SSS/CRS，來自于其他小區的干擾均視為高斯噪聲)，UE可以通過多幀累積的PSS/SSS來改善同步信號的SINR。然而在Small Cell密集部署場景下，小小區簇內小區之間的同步信號會完全碰撞在一起，如圖2所示，這使得小小區之間存在很強的干擾，通過多幀累積的方式并不能很好的改善SINR。其主要的原因是PSS/SSS具有10 ms周期性，各小區之間的PSS/SSS的互相關性不隨時間變化。在一個傳輸周期10 ms內，干擾隨機化僅僅由子幀0和5上的SSS信號實現。因此，即使通過PSS/SSS無限累積，小區之間的干擾也不能隨機化。

圖2 同步網絡下的小區搜索（同步信號不隨時間變化）

2.2 PSS/SSS間隔傳輸（PSS/SSS muting）

基于傳統的小區搜索機制，UE在未知系統帶寬的情況下去檢測中心頻帶6PRBs上的PSS/SSS信號，與目標小區建立時頻同步。而在同步網絡下Small Cell密集部署時，所有小區的PSS/SSS會彼此相互干擾。

圖3 PSS/SSS間隔傳輸

為了減少小區間的PSS/SSS干擾，提升接收信號的SINR，可以應用PSS/SSS間隔傳輸[4]。如圖3所示，小區0，1，2輪流發送同步信號(PSS根序列號相同的小區可以同時發送同步信號)。為了達到更好的檢測性能，輔助信息可以將目標小區規定的間隔傳輸模式提供給UE，如果UE未知間隔傳輸模式的相關信息，UE接收機可能會將間隔傳輸位置的信號作為噪聲/干擾處理，影響其檢測性能，性能的提升也是有限的。對于傳統小區下的PSS/SSS信號，為了后向兼容性，其間隔傳輸可以完全由網絡層控制。

PSS/SSS間隔傳輸模式可以提供與現有PSS/SSS相同等級的小區搜索功能，其檢測性能可以顯著提高。當輔助信息將相關間隔傳輸模式信息提供給UE時，基于R8機制下的小區搜索功能可以重用。這種模式僅僅需要高層定義相應的間隔模式，對現有標準影響很小，其性能卻可以得到很大的提升。

2.3 PSS/SSS干擾消除（PSS/SSS IC）

PSS/SSS干擾消除在R11中已經引入，PSS/SSS IC[5]的具體方案如下：

（1）UE執行小區搜索功能（包括時間和頻率同步以及目標小區ID）搜索潛在的最強小區；

（2）UE對步驟（1）中搜索到的小區進行信道估計；

（3）UE去除經過上述兩個步驟后得到的小區進行下一個小區的搜索。

對于潛在的次強小區，其應重復上述步驟進行迭代。 在R8/R9/R10的小區搜索過程中沒有上述的步驟(2)與(3)。除了上述步驟(2)與(3)給UE帶來額外的復雜度外，其迭代的次數（需要搜索的小區數）也將影響UE的功耗。根據現有標準至少搜索到3個小區，對其進行相應的迭代消除，對UE的復雜度與功耗影響很大，因此PSS/SSS干擾消除的整體性能與復雜度取決于UE檢測小區數的能力。若不考慮UE的功耗，其可以提供很好的檢測性能。

2.4 其他RS的檢測機制

針對上述存在的UE功耗過大與復雜度高的問題，3GPP討論了小小區發現信號（Discovery Signal，DS）的相關特點，普遍認為DS相比于現有的下行參考信號，應能夠提高接收信號的SINR，并且UE能夠一次或嘗試很少的次數就能發現多個小小區，減少檢測的時間。為了實現上述相關功能，DS應滿足以下幾個特點：

（1）DS在一個子幀中的密度要相比于現有的下行同步信號要高的多；

（2）一個或者少量幾個DS傳輸周期較長；

（3）DS應該支持足夠數量的正交序列和準正交序列，減小小區間的干擾。

此外，為了提高UE發現小小區的能源效率，宏基站可以（需高層信令支持）向UE提供相關的輔助信息，所有小小區的DS應同步傳輸，如圖4所示，這種機制可以減少搜索窗口，降低UE的功耗。

圖4 基于網絡同步和輔助信息的小區發現機制

針對上述DS信號設計的相關要求，可以考慮現有的下行參考信號 CRS、PRS、CSI-RS[6]作為 DS。 無論是CRS、PRS還是CSI-RS作為DS，一個小小區簇內的每個小小區都盡量傳輸不同的參考信號圖樣CRS/PRS/CSIRS，如圖5所示，并且為了減小干擾，在一個小小區傳輸的CRS/PRS/CSI-RS所使用的資源在另一個小小區中相應的資源位置應被設置為0，這樣一個小小區簇內的全部DS均正交。

圖5 基于存在的LTE參考信號可能的發現信號設計

PRS或者CSI-RS作為DS可以在幀中選擇占有不同數量的 PRBs，可以為 6、25、50 PRBs，其具體配置可以由宏基站通知給UE，但需要一個小小區簇中的所有小小區的PRS/CSI-RS占有相同數量的PRBs。

現假設使用PRS作為DS，為了加速UE檢測小區的相關性能，LPP[7]定義了由高層提供的相關輔助信息（物理層小區ID，天線端口配置，CP類型，PRS帶寬，PRS配置，UE接收PRS的時間等）可供選擇。與傳統同步信號在小小區發現上進行對比，PSS/SSS在每個子幀中占有62 REs，即使使用 2個樣本的PSS/SSS，PSS/SSS總共占有 62×2×2=248 REs，如果使用正常 CP，1或者 2個天線端口，假設 PRS在 50 PRBs上傳輸，則 PRS占有 50×16=800 REs，對比檢測到的 REs，800/248=3.2，意味著 PRS可以使UE獲得更好的檢測性能。

這種機制需要高層定義新的信令來加速Small Cell機制的有效運行，沒有提供相應的后向兼容性，但是其可以提供很好的檢測性能，減小了UE的搜索時間與功耗。

2.5 四種發現機制的對比

通過以上分析介紹可以發現，傳統機制的PSS/SSS發現小區的時間較長，UE的功耗較高，通過累加幀的方式并不能提高其檢測性能；PSS/SSS干擾消除算法的功耗取決于其檢測的小區數，當小區數為3時，其功耗較高；而PSS/SSS間隔傳輸性能最好，對現有規范與UE影響較小，3GPP也重點討論了PSS/SSS間隔傳輸模式；若高層能夠提供相應的輔助信息，PRS/CSI-RS也可達到較好的發現性能，其檢測時間較短，功耗較小。具體對比如表1所示。

表1 四種發現機制對比

3 結束語

Small Cell作為一項新興的技術在 R12標準[7]中占據了重要的地位，3GPP R12階段對Small Cell部署場景，物理層增強功能，高層增強功能分別進行了研究。Small Cell發現技術主要解決Small Cell在密集部署場景下，用戶發現Small Cell的機制及技術方案。本文詳細分析了Small Cell發現技術的幾種潛在方案并對其進行了對比，分析了其對現有標準的影響及其后向兼容性，也考慮了UE的功耗與復雜度問題，并對其后續研究方向進行了展望。

[1]曹亙，呂婷，賈川，等.3GPP Small Cell標準化研究進展[J].移動通信，2014(11)：61-66.

[2]王理惠.LTE-Advanced網絡中的增強小小區性能的技術研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

[3]3GPP TS 36.211：Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical channels and modulation(Release 12)[S].2014.

[4]3GPP R1-133876.Intel Corporation.Discussion and evaluation on small cell discovery，3GPP TSG RAN WG1 Meeting#74.

[5]3GPP R1-132494.Qualcomm Inc.,"Small cell discovery",3GPP TSG RAN WG1 Meeting#73.

[6]HARADA H，NAGATA S，KISHIYMA Y，et al.Efficient small cell discovery mechanism exploiting network synchronization and assistance for future radio access networks[C].Wireless Communications Systems(ISWCS)，2014 11th International Symposium on，2014：675-679.

[7]3GPP TS 36.355：Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；LTE Positioning Protocol(LPP)(Release 12)[S].2014.