Small Cell发现技术的研究分析

王 振，李贵勇

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

0 引言

随着LTE网络容量的不断提升，移动运营商正在为增长的数据流量发愁，Small Cell[1]在这方面正扮演着越来越重要的角色，更多的 Small Cell用来覆盖盲区以及分担流量压力。Small Cell使得运营商能够为用户提供更高数据速率、更低成本的业务。小小区(Small Cell)密集部署是提高系统容量的手段之一，3GPP R12开展了针对小小区增强技术的标准化工作，包括引入高阶调制（256QAM），根据流量和干扰情况进行小区开关，小区快速发现以及优化异运营商之间的小小区密集部署的同步机制等。然而基于传统的LTE小区搜索的方法，即基于PSS/SSS的机制应用于小小区发现中，会存在一系列的问题。

1 小区搜索/发现

小区搜索过程就是UE取得和服务小区时间和频率同步，并检测物理层小区ID的过程。按照小区搜索过程的不同，小区搜索分为初始小区搜索和非初始小区搜索[2]。初始小区搜索主要是用户开机后的小区搜索，用户开机后，UE要为自己寻找一个合适的基站，来接收服务基站的消息。非初始小区搜索是指UE一直处于连接状态，周期性地对周围存在的小区进行搜索，以备小区重选和切换。

Small Cell的发现属于非初始小区搜索，从理论来说，非初始小区搜索比初始小区搜索的过程要简单些，因为非初始小区搜索UE已经取得了下行同步，但为了减少UE搜索服务小区的复杂度，非初始小区搜索和初始小区搜索采用了相同的方法。

UE快速有效发现Small Cell，可以减轻宏基站的网络负载，优化网络部署与网络负载均衡，提高CoMP/e-ICIC的有效操作，而且可以有效地促进Small Cell的关断技术研究，增强Small Cell层的移动鲁棒性。

2 发现Small Cell的相关机制

在Small Cell密集部署下(如图1所示)，基于现有标准已假定一个小小区簇 （一个小小区簇内包含10个小小区）内的全部小小区均同步（利用该同步，可以提高网络的相关性能，如使用CoMP，双连接技术，减小搜索窗等）。这也随之带来了一定的问题，即同步信号映射到相同的时频资源上，使得小区间的同步信号完全碰撞在一起，导致接收信号的信噪比下降很大，检测性能急剧下降，很难达到小小区发现的标准（现有标准虽未规定具体发现的小小区个数，但是至少为3个）。

图1 Small Cell密集部署场景（其中F1为宏基站层的覆盖范围，F2为Small Cell的覆盖范围）

2.1 R8机制下应用PSS/SSS

由于PSS/SSS[3]每 5 ms传输一次，一般 PSS和 SSS信噪比的检测需各自平均2个符号，则发现小小区至少20 ms，在SINR低于0 dB时，将会以更长的搜索时间来提高小小区的检测性能，这样会增加UE的功耗，尤其在采用异频部署的网络下搜索小区。

在噪声受限的场景下(假设仅仅有目标小区传输PSS/SSS/CRS，来自于其他小区的干扰均视为高斯噪声)，UE可以通过多帧累积的PSS/SSS来改善同步信号的SINR。然而在Small Cell密集部署场景下，小小区簇内小区之间的同步信号会完全碰撞在一起，如图2所示，这使得小小区之间存在很强的干扰，通过多帧累积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，各小区之间的PSS/SSS的互相关性不随时间变化。在一个传输周期10 ms内，干扰随机化仅仅由子帧0和5上的SSS信号实现。因此，即使通过PSS/SSS无限累积，小区之间的干扰也不能随机化。

图2 同步网络下的小区搜索（同步信号不随时间变化）

2.2 PSS/SSS间隔传输（PSS/SSS muting）

基于传统的小区搜索机制，UE在未知系统带宽的情况下去检测中心频带6PRBs上的PSS/SSS信号，与目标小区建立时频同步。而在同步网络下Small Cell密集部署时，所有小区的PSS/SSS会彼此相互干扰。

图3 PSS/SSS间隔传输

为了减少小区间的PSS/SSS干扰，提升接收信号的SINR，可以应用PSS/SSS间隔传输[4]。如图3所示，小区0，1，2轮流发送同步信号(PSS根序列号相同的小区可以同时发送同步信号)。为了达到更好的检测性能，辅助信息可以将目标小区规定的间隔传输模式提供给UE，如果UE未知间隔传输模式的相关信息，UE接收机可能会将间隔传输位置的信号作为噪声/干扰处理，影响其检测性能，性能的提升也是有限的。对于传统小区下的PSS/SSS信号，为了后向兼容性，其间隔传输可以完全由网络层控制。

PSS/SSS间隔传输模式可以提供与现有PSS/SSS相同等级的小区搜索功能，其检测性能可以显著提高。当辅助信息将相关间隔传输模式信息提供给UE时，基于R8机制下的小区搜索功能可以重用。这种模式仅仅需要高层定义相应的间隔模式，对现有标准影响很小，其性能却可以得到很大的提升。

2.3 PSS/SSS干扰消除（PSS/SSS IC）

PSS/SSS干扰消除在R11中已经引入，PSS/SSS IC[5]的具体方案如下：

（1）UE执行小区搜索功能（包括时间和频率同步以及目标小区ID）搜索潜在的最强小区；

（2）UE对步骤（1）中搜索到的小区进行信道估计；

（3）UE去除经过上述两个步骤后得到的小区进行下一个小区的搜索。

对于潜在的次强小区，其应重复上述步骤进行迭代。 在R8/R9/R10的小区搜索过程中没有上述的步骤(2)与(3)。除了上述步骤(2)与(3)给UE带来额外的复杂度外，其迭代的次数（需要搜索的小区数）也将影响UE的功耗。根据现有标准至少搜索到3个小区，对其进行相应的迭代消除，对UE的复杂度与功耗影响很大，因此PSS/SSS干扰消除的整体性能与复杂度取决于UE检测小区数的能力。若不考虑UE的功耗，其可以提供很好的检测性能。

2.4 其他RS的检测机制

针对上述存在的UE功耗过大与复杂度高的问题，3GPP讨论了小小区发现信号（Discovery Signal，DS）的相关特点，普遍认为DS相比于现有的下行参考信号，应能够提高接收信号的SINR，并且UE能够一次或尝试很少的次数就能发现多个小小区，减少检测的时间。为了实现上述相关功能，DS应满足以下几个特点：

（1）DS在一个子帧中的密度要相比于现有的下行同步信号要高的多；

（2）一个或者少量几个DS传输周期较长；

（3）DS应该支持足够数量的正交序列和准正交序列，减小小区间的干扰。

此外，为了提高UE发现小小区的能源效率，宏基站可以（需高层信令支持）向UE提供相关的辅助信息，所有小小区的DS应同步传输，如图4所示，这种机制可以减少搜索窗口，降低UE的功耗。

图4 基于网络同步和辅助信息的小区发现机制

针对上述DS信号设计的相关要求，可以考虑现有的下行参考信号 CRS、PRS、CSI-RS[6]作为 DS。 无论是CRS、PRS还是CSI-RS作为DS，一个小小区簇内的每个小小区都尽量传输不同的参考信号图样CRS/PRS/CSIRS，如图5所示，并且为了减小干扰，在一个小小区传输的CRS/PRS/CSI-RS所使用的资源在另一个小小区中相应的资源位置应被设置为0，这样一个小小区簇内的全部DS均正交。

图5 基于存在的LTE参考信号可能的发现信号设计

PRS或者CSI-RS作为DS可以在帧中选择占有不同数量的 PRBs，可以为 6、25、50 PRBs，其具体配置可以由宏基站通知给UE，但需要一个小小区簇中的所有小小区的PRS/CSI-RS占有相同数量的PRBs。

现假设使用PRS作为DS，为了加速UE检测小区的相关性能，LPP[7]定义了由高层提供的相关辅助信息（物理层小区ID，天线端口配置，CP类型，PRS带宽，PRS配置，UE接收PRS的时间等）可供选择。与传统同步信号在小小区发现上进行对比，PSS/SSS在每个子帧中占有62 REs，即使使用 2个样本的PSS/SSS，PSS/SSS总共占有 62×2×2=248 REs，如果使用正常 CP，1或者 2个天线端口，假设 PRS在 50 PRBs上传输，则 PRS占有 50×16=800 REs，对比检测到的 REs，800/248=3.2，意味着 PRS可以使UE获得更好的检测性能。

这种机制需要高层定义新的信令来加速Small Cell机制的有效运行，没有提供相应的后向兼容性，但是其可以提供很好的检测性能，减小了UE的搜索时间与功耗。

2.5 四种发现机制的对比

通过以上分析介绍可以发现，传统机制的PSS/SSS发现小区的时间较长，UE的功耗较高，通过累加帧的方式并不能提高其检测性能；PSS/SSS干扰消除算法的功耗取决于其检测的小区数，当小区数为3时，其功耗较高；而PSS/SSS间隔传输性能最好，对现有规范与UE影响较小，3GPP也重点讨论了PSS/SSS间隔传输模式；若高层能够提供相应的辅助信息，PRS/CSI-RS也可达到较好的发现性能，其检测时间较短，功耗较小。具体对比如表1所示。

表1 四种发现机制对比

3 结束语

Small Cell作为一项新兴的技术在 R12标准[7]中占据了重要的地位，3GPP R12阶段对Small Cell部署场景，物理层增强功能，高层增强功能分别进行了研究。Small Cell发现技术主要解决Small Cell在密集部署场景下，用户发现Small Cell的机制及技术方案。本文详细分析了Small Cell发现技术的几种潜在方案并对其进行了对比，分析了其对现有标准的影响及其后向兼容性，也考虑了UE的功耗与复杂度问题，并对其后续研究方向进行了展望。

[1]曹亘，吕婷，贾川，等.3GPP Small Cell标准化研究进展[J].移动通信，2014(11)：61-66.

[2]王理惠.LTE-Advanced网络中的增强小小区性能的技术研究[D].北京：北京邮电大学，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.