摘要：提出了一種面向5G密集網(wǎng)絡(luò)部署的極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計。極簡數(shù)據(jù)載波是在C-RAN架構(gòu)下的一種微蜂窩數(shù)據(jù)載波，主要用于數(shù)據(jù)承載，支持無公共信道開銷、極少或者沒有控制信道開銷，能夠有效降低密集數(shù)據(jù)載波之間信令的干擾，較大幅度提高能效，并由于設(shè)計簡單有利于降低數(shù)據(jù)載波的成本。重新設(shè)計了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)載波的信令，并重新設(shè)計宏基站和微基站的接口和交互流程。重點解決了3個問題：微基站載波的發(fā)現(xiàn)和選擇、用戶同宏微載波的同步接入、宏微和微微載波間的測量切換。仿真結(jié)果表明，在相對理想的回傳支持下，能較大幅度提升系統(tǒng)的切換性能、吞吐量和能效。

信令數(shù)據(jù)分離；極簡數(shù)據(jù)載波；宏微協(xié)作

為了應(yīng)對移動互聯(lián)網(wǎng)的流量爆發(fā)式增長（預(yù)計到2020年移動互聯(lián)網(wǎng)的流量將增加1 000倍[1]），運營商除了引入頻譜效率更高的LTE網(wǎng)絡(luò)之外，不得不部署更加密集的網(wǎng)絡(luò)，并同時尋求更多的頻段資源（比如3 GHz以上更高的頻段）。我們預(yù)計在未來會出現(xiàn)密集部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。相對低頻的宏基站負責覆蓋和對連續(xù)性要求較高的低速業(yè)務(wù)，高頻的微基站負責熱點的高速數(shù)據(jù)接入。另外高頻微基站的覆蓋面較?。ㄐ∮?0 m），必然會對微基站的組網(wǎng)、移動性、能耗等方面帶來極大的挑戰(zhàn)[2]。密集覆蓋會導(dǎo)致干擾增大，降低吞吐量。同時會使得用戶頻繁切換，導(dǎo)致用戶切換失敗率增加。宏微基站的重疊覆蓋，也會造成大量的能耗開銷，微基站數(shù)量較多（在不遠的將來估計與宏基站的數(shù)量比可能大于10比1），公共廣播信道的開銷較大，使得整體能耗較高。

云接入網(wǎng)（C-RAN）[3]是中國移動研究院在2009年提出的未來無線接入網(wǎng)形態(tài)，旨在設(shè)計低成本、高容量、高運營效率的無線接入網(wǎng)架構(gòu)。在宏微密集組網(wǎng)下，C-RAN通過微遠端無線射頻單元（RRU）拉遠的方式，將基帶處理資源進行集中，形成一個基帶資源池并對其進行統(tǒng)一管理與動態(tài)分配，在提升資源利用率、降低能耗的同時，還通過對協(xié)作化技術(shù)的有效降低干擾，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

目前3GPP的設(shè)計思路是將用于宏基站的載波進行簡化后應(yīng)用于微基站載波，微基站載波設(shè)計大多還保留了宏基站載波的設(shè)計，在測量，同步，接入和切換等機制上基本與宏站類似[4]，未充分挖掘基于宏微協(xié)作進行優(yōu)化設(shè)計的可能性，這樣制約性能和能效優(yōu)化空間。本文考慮微站載波的特性（用戶量較少，覆蓋范圍較小，且用戶的移動性較低，時間擴展性和頻率選擇性衰落較?。┖虲-RAN集中基帶處理統(tǒng)一調(diào)度的優(yōu)勢，進一步簡化微站載波設(shè)計，充分利用C-RAN基帶集中調(diào)度降低微基站的廣播信令開銷和處理復(fù)雜程度，設(shè)計低復(fù)雜度、低成本和低開銷的數(shù)據(jù)接入載波。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

極簡數(shù)據(jù)載波是一種由微站承載的數(shù)據(jù)載波，支持無公共信道開銷、極少或者沒有控制信道開銷的數(shù)據(jù)載波；用戶（UE）沒有辦法通過傳統(tǒng)的廣播信號進行極簡數(shù)據(jù)載波的發(fā)現(xiàn)、選擇，同步和切換測量[5]。本文重點解決如下問題：微基站載波的發(fā)現(xiàn)和選擇，UE同宏微載波的同步，宏微和微微載波間的測量切換。本文假設(shè)信令宏基站載波沿用傳統(tǒng)的LTE基站設(shè)計。如圖1所示，基于C-RAN架構(gòu)的極簡載波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括信令宏基站載波（MC）、數(shù)據(jù)微基站載波（SC）。通過拉遠宏/微RRU，基帶處理集中的方式來部署。

MC除了具有傳統(tǒng)LTE載波的完整設(shè)計外，還具有如下功能：

·協(xié)助SC完成初始接入

·協(xié)助MC覆蓋范圍內(nèi)所有SC的切換

·控制MC覆蓋范圍內(nèi)所有SC的調(diào)度

SC則是一種只傳數(shù)據(jù)的新型載波，并配合宏信令基站完成UE的接入、切換、調(diào)度到數(shù)據(jù)基站，進行上下行的數(shù)據(jù)傳輸。具體地，SC的特征如下：

（1）簡單、低開銷，實現(xiàn)只傳數(shù)據(jù)

僅有上下行數(shù)據(jù)信道以及隨路的參考信號；無額外的專屬控制信道，比如LTE中的物理下行公共控制信道（PDCCH）、物理上行公共控制信道（PUCCH）以及物理隨機接入信道（PRACH）。

（2）去除傳統(tǒng)的廣播信令信號

取消用于站點發(fā)現(xiàn)以及同步（時間粗同步、載波同步）的主同步/輔同步信號（PSS/SSS）；取消用于時間精同步、支持小區(qū)移動性測量的小區(qū)專屬參考符號（CRS）；取消小區(qū)專屬的廣播信息，包含承載在物理廣播信道（PBCH）上的主系統(tǒng)信息塊（MIB）以及承載在物理數(shù)據(jù)共享信道（PDSCH）上的系統(tǒng)信息塊（SIB）。

2 極簡數(shù)據(jù)載波關(guān)鍵技術(shù)

極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計面臨的一個核心問題是SC的發(fā)現(xiàn)、同步和測量。該問題的實現(xiàn)直接影響了SC的決策、接入和切換性能。極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計建議摒棄固定的廣播信號開銷，突破性地改變傳統(tǒng)“下行廣播偵聽”思想，由UE按需數(shù)據(jù)載波可偵聽的需求信號，承載數(shù)據(jù)載波的SC進行上行偵聽，并且在MC的協(xié)助下，快速完成同UE之間的同步和數(shù)據(jù)傳輸。因此，極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計需要重點對UE發(fā)送的“上行偵聽信號”以及“宏微協(xié)作”方案進行設(shè)計。

2.1 上行偵聽信號設(shè)計

UE上行偵聽信號要完全取代既有的“下行廣播信號”，要求能夠有效地支持SC的識別（或者換個思路講，如果UE不能夠識別微基站，要求微基站主動地去識別UE，服務(wù)UE）、UE同SC的上下行同步、SC信號測量以及UE上行接入功率決策。建議可以基于已有的上行探測參考信號（SRS）設(shè)計上行偵聽信號，其相比同樣是基于Zadoff-Chu（ZC）序列的上行隨機接入前導(dǎo)（Preamble）和上行解調(diào)參考信號（DMRS）的優(yōu)勢是：Preamble主要由隨機接入UE發(fā)出，并不是隨路的。而DMRS跟UE數(shù)據(jù)耦合過于緊密，不方便通過如功率增強的方法，支持有效的SC檢測。進一步地，考慮考慮到未來網(wǎng)絡(luò)中的一個重要場景是MC和SC分別由不同頻段的載波承載，其中MC傾向由低頻段承載，而SC由高頻段承載。兼容性考慮，極簡載波設(shè)計希望上行偵聽SRS優(yōu)先由低頻段的MC承載，并可被SC偵聽。SC基于偵聽結(jié)果，完成同UE的同步和傳輸配置。下文將進一步驗證SRS作為上行偵聽信號的可行性。

考慮到未來網(wǎng)絡(luò)中的一個重要場景是MC和SC分別由不同頻段的載波承載，其中MC傾向由低頻段承載，而SC由高頻段承載。兼容性考慮，極簡載波設(shè)計希望上行偵聽SRS優(yōu)先由低頻段的MC承載，并可被SC偵聽。SC基于偵聽結(jié)果，完成同UE的同步和傳輸配置。

（1）上行同步需求

關(guān)于CP和保護間隔[6]，借鑒傳統(tǒng)LTE中的隨機接入前導(dǎo)序列的知識，若SC要基于MC上傳輸?shù)腟RS來實現(xiàn)上行同步，要求UE對應(yīng)SC的時間提前量（TA）小于宏小區(qū)上的承載SRS的符號的CP。因為盡管UE對于MC是上行同步的，但是對于SC尚未完成上行同步?？梢岳眯帕詈昊竞蛿?shù)據(jù)微基站覆蓋的差異性來解決這個問題：對于100 m半徑的數(shù)據(jù)微基站，或者，假設(shè)最大半徑為500 m的數(shù)據(jù)微基站，其最大傳輸時間是1.667 μs，對應(yīng)的TA應(yīng)該是3.34 μs，這個TA小于SRS信號的CP（在LTE常規(guī)CP中（非擴展CP），CP的長度為4.69 μs），所以這個SRS信號對于數(shù)據(jù)基站來就不需要保護時間間隔。

關(guān)于時間提前量，LTE中，宏小區(qū)隨機接入前導(dǎo)對應(yīng)的TA為11比特（最大取值1 282），允許的最大的時間提前量是0.667 ms，對應(yīng)為100 km宏小區(qū)的最大的往返傳輸時間（RTD）。如果SC覆蓋范圍是500 m，那么對應(yīng)的TA應(yīng)是3.34 μs，對應(yīng)需要log2（3.34 μs/16Ts），Ts=1/30.72 μs，約合3 bit信息。而SRS允許的最大TA調(diào)整量為6 bit，是足夠?qū)崿F(xiàn)SC同步的。當然，實際測得的TA是RTD和傳播時延擴展的和?？紤]到傳播時延擴展對于不同頻段具有差異性，需要驗證基于低頻段MC上傳輸?shù)腟RS得到的TA用到高頻段的可行性：參考ITU信道模型[7]，2 GHz室外NLOS最大的時延擴展為0.36 μs，而2.5 GHz室內(nèi)NLOS最大的時延擴展為0.12 μs，因此，如果考慮高低頻段在時延擴展的差異性，潛在可能存在的最大時延擴展差異為0.36 μs，小于一個TA調(diào)整步長16Ts（0.52 μs）。因此，通過低頻段SRS上行偵聽得到的TA可以很好地應(yīng)用到高頻段。

關(guān)于頻偏估計，根據(jù)ITU信道模型，頻偏主要跟中心頻點、UE移動速率、信號到達角以及UE移動方向相關(guān)。其中，最大頻偏取決于中心頻點和UE移動速率。如果考慮SC主要支持移動速率在30 km/h以及以下的移動性，并且假設(shè)，MC部署在2 GHz頻段，而SC部署在6 GHz頻段，那么兩者的最大的頻偏分別為：55.56 Hz以及166.67 Hz，兩者的頻偏差異最大為222.23 Hz，具體的差異值跟信號到達角和UE移動性相關(guān)；考慮到該頻偏差異值僅為LTE 15 kHz子載波寬度的1.5%，UE初始接入可以忽略頻偏的影響。進一步地，考慮到SC在高頻段工作有望采用更大的子載波寬度來實現(xiàn)更小的傳輸時間間隔（TTI），頻偏的影響基本可以忽略?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)傳輸過程中符號的CP實現(xiàn)SC頻率的微調(diào)。

（2）上行測量需求

LTE系統(tǒng)已經(jīng)使用上行SRS信號的發(fā)送實現(xiàn)UE上行信道的測量，也就是SRS本來具有可測量性。并且這個對應(yīng)具體UE的已知的SRS信號可以由MC傳遞給SC。故SRS信號對于SC也是已知、可測量的。

（3）下行同步和測量需求

在未來，越來越多的高頻數(shù)據(jù)微載波（比如3.5 GHz）會使用TDD機制，可以利用上下行信道的互易性獲取UE同SC的下行的同步信息以及測量結(jié)果。但是，如上文所述，利用SRS獲取同步和測量時存在偏移的。LTE中載波聚合（CA）中不同的子載波（CC）之間最大下行接收容忍的時鐘差為31.3 μs[8]。如果考慮傳播時延擴展為16.7 μs的話，那么對應(yīng)的往返時延14.6 μs支持最大約1 km的覆蓋。所以可以認為，允許SC存在一定的下行時鐘偏移。并在數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過程中，利用隨路的導(dǎo)頻信號進行精確調(diào)整，比如DM-RS。

綜上，SRS用于上行偵聽信號，支持UE同SC之間的同步、測量是完全可行的。

2.2 關(guān)鍵流程分析

基于“上行偵聽信號”實現(xiàn)SC檢測、測量、同步的方法，要求MC為SC提供更多的支持，因此面向這種新型的架構(gòu)設(shè)計，需要新的接入和切換流程進行支持。

2.2.1 極簡載波接入

基于極簡數(shù)據(jù)載波接入如圖2所示。在宏微協(xié)作雙連接接入過程中，MC跟終端接口完成信令面的配置，與此同時，MC控制SC完成上行偵聽，決策選出數(shù)據(jù)面無線資源。該過程主要包含如下步驟：

（1）隨機接入以及SRS分配

UE采用LTE 4步隨機接入過程接入到MC，其中MC在無線資源控制（RRC）[9]建立隨機接入消息（Msg4）中為用戶配置SRS以及進行SRS無線資源分配。

（2）UE上下文傳遞、SRS偵聽以及SC無線資源決策

UE完成信令承載1（SRB1）及其無線資源配置，并在SRB1同MC完成非接入層信令（NAS），包含業(yè)務(wù)請求、用戶能力、安全激活的交互（該過程涉及無線信令5條，若不考慮核心網(wǎng)交互時延的話，時延15 ms）。與此同時，MC配置SC偵聽對應(yīng)SRS信號，基于SRS獲取UE的TA估計、信號測量，并反饋給MC，由MC基于反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決策最優(yōu)SC上對應(yīng)于UE的無線資源分配?！吧闲袀陕犚约皼Q策”涉及到空口SRS偵聽、SRS偵聽結(jié)果回傳、SRS偵聽結(jié)果處理，并完成最優(yōu)SC以及最優(yōu)SC上的資源決策，對應(yīng)時延為：SRS偵聽持續(xù)時間+SRS偵聽結(jié)果回傳+SRS偵聽結(jié)果處理+最優(yōu)SRS以及最優(yōu)SC上的資源決策；如果SRS偵聽持續(xù)時間為10 ms（參考：LTE中需要獲取8個PSS/SSS樣本，持續(xù)時間40 ms，才能檢測出信號最優(yōu)的3個小區(qū)。這里假設(shè)SRS比PSS/SSS更加密集，或者檢測性能更好。因為SRS相比PSS/SSS更容易實現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)），那么在理想回傳以及集中基帶池環(huán)境下，5 ms內(nèi)實現(xiàn)SRS偵聽結(jié)果回傳、處理以及資源決策是可以實現(xiàn)的。因此，“結(jié)合上行偵聽的SC資源決策”可以不造成更大的接入時延。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無線資源分配。其中無線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對應(yīng)無線資源進行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時間、頻域同步以及信道估計。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時延可能多在連接重配置的時候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽方案可能實現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時頻和信道估計），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中進行調(diào)整。上行偵聽方案對應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評估來驗證。

2.2.2 極簡載波切換

極簡載波引入后，主要新的切換場景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽的時機不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來的信號強度低于某一門限值，則可以觸發(fā)附近的SC進行SRS的偵聽。同樣的，MC告知對應(yīng)的SC關(guān)于UE的標識以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽對應(yīng)SRS信號，并將SRS偵聽信號反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計和信號測量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無線資源分配。后續(xù)完成SC無線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點的連接，并在目標站點完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點到目的站點的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因為不涉及承載的重配置（而是站點和物理資源的重配）、不需要額外的隨機接入過程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因為用戶面統(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時延開銷。

3 仿真評估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對極簡載波新型設(shè)計（NCT）進行了評估和比較。其中重點考慮了不同的移動等級，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時延的C-RAN回傳。高速移動場景下，由于UE的信號測量時延導(dǎo)致沒法對變化的信號的環(huán)境進行準確判斷，并且由于切換時延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡載波NCT能夠較好優(yōu)化移動性能，即隨著UE移動速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會有所緩和。對于LTE HetNet，30 km/h的移動速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開銷，高時延NCT仍有增益）?？梢姡琋CT架構(gòu)對于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動場景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因為在中高速場景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時從信令節(jié)約以及移動性提升兩個方面帶來增益。隨著回傳時延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動場景下，由于回傳的不及時，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認同。那么如何實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實現(xiàn)無公共信道開銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問題，并且不會帶來更大的信令負荷以及時延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進一步量化分析初始同步（時間、頻域）偏差對系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計，驗證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進一步優(yōu)化。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無線資源分配。其中無線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對應(yīng)無線資源進行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時間、頻域同步以及信道估計。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時延可能多在連接重配置的時候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽方案可能實現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時頻和信道估計），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中進行調(diào)整。上行偵聽方案對應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評估來驗證。

2.2.2 極簡載波切換

極簡載波引入后，主要新的切換場景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽的時機不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來的信號強度低于某一門限值，則可以觸發(fā)附近的SC進行SRS的偵聽。同樣的，MC告知對應(yīng)的SC關(guān)于UE的標識以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽對應(yīng)SRS信號，并將SRS偵聽信號反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計和信號測量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無線資源分配。后續(xù)完成SC無線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點的連接，并在目標站點完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點到目的站點的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因為不涉及承載的重配置（而是站點和物理資源的重配）、不需要額外的隨機接入過程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因為用戶面統(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時延開銷。

3 仿真評估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對極簡載波新型設(shè)計（NCT）進行了評估和比較。其中重點考慮了不同的移動等級，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時延的C-RAN回傳。高速移動場景下，由于UE的信號測量時延導(dǎo)致沒法對變化的信號的環(huán)境進行準確判斷，并且由于切換時延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡載波NCT能夠較好優(yōu)化移動性能，即隨著UE移動速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會有所緩和。對于LTE HetNet，30 km/h的移動速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開銷，高時延NCT仍有增益）?？梢?，NCT架構(gòu)對于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動場景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因為在中高速場景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時從信令節(jié)約以及移動性提升兩個方面帶來增益。隨著回傳時延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動場景下，由于回傳的不及時，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認同。那么如何實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實現(xiàn)無公共信道開銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問題，并且不會帶來更大的信令負荷以及時延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進一步量化分析初始同步（時間、頻域）偏差對系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計，驗證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進一步優(yōu)化。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無線資源分配。其中無線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對應(yīng)無線資源進行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時間、頻域同步以及信道估計。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時延可能多在連接重配置的時候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽方案可能實現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時頻和信道估計），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中進行調(diào)整。上行偵聽方案對應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評估來驗證。

2.2.2 極簡載波切換

極簡載波引入后，主要新的切換場景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽的時機不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來的信號強度低于某一門限值，則可以觸發(fā)附近的SC進行SRS的偵聽。同樣的，MC告知對應(yīng)的SC關(guān)于UE的標識以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽對應(yīng)SRS信號，并將SRS偵聽信號反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計和信號測量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無線資源分配。后續(xù)完成SC無線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點的連接，并在目標站點完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點到目的站點的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因為不涉及承載的重配置（而是站點和物理資源的重配）、不需要額外的隨機接入過程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因為用戶面統(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時延開銷。

3 仿真評估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對極簡載波新型設(shè)計（NCT）進行了評估和比較。其中重點考慮了不同的移動等級，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時延的C-RAN回傳。高速移動場景下，由于UE的信號測量時延導(dǎo)致沒法對變化的信號的環(huán)境進行準確判斷，并且由于切換時延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡載波NCT能夠較好優(yōu)化移動性能，即隨著UE移動速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會有所緩和。對于LTE HetNet，30 km/h的移動速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開銷，高時延NCT仍有增益）?？梢姡琋CT架構(gòu)對于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動場景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因為在中高速場景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時從信令節(jié)約以及移動性提升兩個方面帶來增益。隨著回傳時延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動場景下，由于回傳的不及時，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認同。那么如何實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡數(shù)據(jù)載波設(shè)計思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實現(xiàn)無公共信道開銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問題，并且不會帶來更大的信令負荷以及時延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進一步量化分析初始同步（時間、頻域）偏差對系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計，驗證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進一步優(yōu)化。