无线通信系统异构网络的自动邻区关联方法
2014-08-08刘为纪子超
刘为+纪子超
【摘要】主要提出一种宏小区与毫微微小区混合组网的异构无线通信网络，从而设计了一种用于异构无线通信网络中的基站间自动邻区关联的方法，并阐述了具体实施步骤。该方法支持异构网络中的基站自组织功能，基站能够在自动邻区关联的过程中正确地获得邻区基站的ID，从而成功构造邻区关系且无需人工配置，克服了已有方法存在的缺陷。同时，该方法无需修改空口信令，也不会增加空口信令开销。
【关键词】宏小区毫微微小区异构网络自动邻区关联无线通信系统
中图分类号：TP915文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-10-0054-05
A Method of Automatic Neighbor Association in Heterogeneous Networks of Wireless Communication System
LIU Wei, JI Zi-chao
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)
[Abstract] Heterogeneous wireless communication network is proposed where a hybrid networking is made by the macro-cell and the femto cells. Thus a method of automatic neighbor association between base stations is designed to heterogeneous wireless communication network and the specific implementation steps are illustrated. This method supports self-organization function of base station in heterogeneous networks. In addition, base station can obtain the unique ID of its neighbor base station correctly in the process of automatic neighbor association so that the neighbor relationship can be established successfully without manual configuration to overcome the drawbacks of the existing methods, meanwhile, the proposed method does not need air interface modification and it will not increase the signaling overhead of air interface.
[Key words]macro-cellfemto cellheterogeneous networksautomatic neighbor associationwireless communication system
1 引言
一般来说，宏小区（Macro cell，以下简称Mcell）是指宏蜂窝基站小区，其覆盖区域最大可达数十公里；而毫微微小区（Femto cell，以下简称Fcell）是指在无线通信系统中信号覆盖范围很小的小区。在LTE系统中，一个Mcell的基站被定义为演进型节点B（eNB）；而一个Fcell的基站被定义为家庭eNB（HeNB），又称家庭基站。在下一代无线通信系统设计中，SON（Self-Organization Networks，自组织网络）功能是运营商看重的一个重要部分，其包含的基站间ANR（Automatic Neighbor Relation，自动邻区关联）功能使得基站能够指示UE（User Equipment，用户设备）上报相邻小区的小区标识，如PCI（Physical Cell Identifier，物理小区标识）、CGI（Cell Global Identifier，小区全局标识）等，并可根据上报的各小区标识推断出相邻小区基站的唯一标识（ID），以自动获取周围小区的邻区关系，从而无需手工配置即可自动建立一个NRT（Neighbor Relationship Table，邻区关系表），完成与相邻小区的基站建立连接。例如，应用LTE系统的ANR功能，基站可通过UE上报的E-CGI推断相邻小区的基站的ID，从而建立NRT并与相邻小区的基站建立X2连接[1]。
然而在Fcell与Mcell混合组网的LTE异构网络中，上述现有的ANR功能将无法工作。例如，在LTE系统中，由于HeNB的eNB-ID长度为28比特位，而一般eNB的eNB-ID是20比特位，eNB在得到UE上报的E-CGI后，需要先判断该邻区的类别是一个Fcell还是一个Mcell，然后才能选择使用28比特位或20比特位的eNB-ID[2]。但是在当前规范中，UE上报的信息中并不包含小区类型[3]，因此eNB将无法区分该邻区的类型，从而导致现有的ANR功能失效。
此问题可以通过增加UE上报信息或对PCI进行分区两种方法部分解决[4]。然而，增加UE上报信息的方法将增加空口的信令开销，而且该方法还存在向后兼容的问题。另一方面，PCI分区的方法已经用于CSG（Closed Subscriber Group，闭合用户群）与非CSG的区分，如果将它应用于小区类型划分，则需要将PCI再进一步细分。考虑到可用的PCI数量是非常有限的，如LTE系统只有504个，过多、过细的划分将大大缩小基站可选PCI的范围，从而降低了基站的小区间抗干扰能力，增加了PCI混淆的概率。
针对现有方案存在的问题，本文提供了一种新的ANR方法，在支持异构网络中的基站自组织功能的同时还克服了已有方法存在的缺陷。
2 小区标识分区
本方法需要先将小区标识（Cell Identity，以下简称小区ID）进行分区。将总共S比特位长的ID空间分成两个码空间（短码区和长码区）：短码区用于Mcell等需要使用M比特位长的ID的基站，长码区则用于Fcell等需要使用N比特位长的ID的基站，其中LL以及LS由分区方法决定，M 图1宏基站小区ID空间位图 图2HeNB小区ID空间位图
3 基站ID以及小区ID的分区方法
3.1方法一：单层分区法
将M比特位长的二进制空间分成A、B两个子空间，两空间的容量分别为LA和LB，且LA+LB=2M。LA和LB的容量取决于网络部署时期对该网络内将存在的不同类型基站的数量的预计值，典型情况下，两者的关系为：LB=2K，LA=2M-2K，LB 例如，在LTE系统中，M=20，N=28。预计宏基站的数量大约为10万个，若取K=17，则可得到接近10万个的数值217=131 072，满足要求。然后可将20比特位长的二进制空间分成以下两部分： （1）子空间A：在该子空间内，每一个20比特位ID的第18、19及20比特位不全为0。 （2）子空间B：在该子空间内，每一个20比特位ID的第18、19及20比特位固定为0。 根据上述分区方法，可得到两个容量分别为LB=217、LA=(220-217)的子空间。然后将A、B子空间分别扩充到28比特位长，可形成容量为LS=225的短码区以及容量为LL=(228-225)的长码区。 3.2方法二：多层分区法 单层分区法虽然简单，但存在ID利用率低的缺点。例如，在上述例子中，该方法将为每个宏基站预留28=256个小区。然而实际组网时，很少存在占用256个小区的宏基站，因此可以考虑对短码区进一步细分。具体来说，在从上述单层分区法得到的容量分别为LA、LB的A、B两个子空间的基础上，可将子空间B进一步划分成B-1（容量为LB-1）和B-2（容量为LB-2）两个部分。LB-1和LB-2的大小仍然取决于对网络内将存在的不同类型基站的数量的预计值。典型情况下，两者满足关系：LB-1=2J，LB-2=LB-2J，J （1）将A子空间扩充到N位用于长码区，容量为LA′=2d*LA，其中d=N-M。 （2）将B-1子空间扩充到N位用于短码区，容量为LB-1′=2d*LB-1。 （3）将B-2子空间扩充到N位后（容量为LB-2′= 2d*LB-2），再分成Q-1和Q-2两部分，其中： ◆Q-1子空间用于短码区，容量为LQ-1=2I*LB-2，其中I ◆Q-2子空间用于长码区，容量为LQ-2=LB-2′- LQ-1。 （4）最后得到长码区的容量为LL=LA′+LQ-2，短码区的容量为LS=LB-1′+LQ-1。 下面仍以上述单层分区法中的例子来具体说明。在得到两个容量分别为LB=217、LA=(220-217)的两个子空间的基础上： （1）假设取J=15，将空间B分成B-1及B-2两部分，其中LB-1=215，LB-2=(217-215)。 （2）进一步地，将B-2子空间扩充到28比特位后再分成Q-1和Q-2两部分。假设需要为宏基站预留128个小区（即I=7，2I=128），则Q-1分区内的每一个ID的第21位可固定设置为0，即得到Q-1和Q-2两个子分区的容量分别为：LQ-1=(217-215)*27=(224-222)，LQ-2=(217-215)*27=(224-222)。最终可得到容量为LS=(223+224-222)的短码区以及容量为LL=(228-225+224-222)的长码区。 Fcell的基站接入网络有两种形式：一种是连接到网关（如HeNB连接到HeNB GW）；另一种是不通过网关，直接连接到核心网。从传统的角度看，不管是哪一种连接方式，基站都需要通过连接到网络管理和维护（以下简称OAM）系统获取基站ID以及小区ID。然而这意味着需要运营商大量的前期配置工作，以保证基站可分配到合适的基站ID以及小区ID。如果基站接入的是网关，则可以由网关动态地为基站分配基站ID以及小区ID。具体实施中，可在基站初始化接入到网关时，由网关从当前空闲的小区ID中为基站分配ID，如HeNB GW可以通过S1接口为HeNB分配ID，这样既减少了运营商的预配置工作，也可以支持动态而灵活的ID分配方式。 在ANR的过程中，基站收到UE上报的CGI后，解出其中的小区ID，再根据该小区ID属于哪个分区来判断相邻小区的基站类型。如果该小区ID属于长码区，则认为相邻小区是一个Fcell；如果该小区ID属于短码区，则认为相邻小区是一个Mcell。 3.3实施流程 下面将结合图3详细说明本方法的一般实施流程，具体如下： （1）运营商/设备制造商根据协议定义或网络规划需求，选择使用上述两种ID分区方案中的一种，将小区ID空间划分成长码区及短码区。 （2）运营商从短码区中为宏基站分配基站ID以及小区ID，并从长码区中为Fcell基站分配基站ID以及小区ID（如可通过OAM系统或网关自动分配）。 （3）基站上电，获取基站ID、小区ID等配置参数，并完成其他初始化工作，开始提供服务。基站会通过空口广播小区的CGI信息。 （4）基站配置UE测量，根据UE的测量上报获知邻区的CGI。基站将该邻区加入自己的邻区关系表（NRT）。 （5）基站从CGI中解出小区ID。 （6）基站根据该小区ID属于哪个分区来判断相邻小区的基站的类型： ◆如果该小区ID属于长码区，则认为相邻小区是一个Fcell； ◆如果该小区ID属于短码区，则认为相邻小区是一个Mcell。 （7）基站根据相邻小区的类型，确定相应的基站ID的比特位长，并获取基站ID。 （8）基站根据该基站ID，更新NRT并尝试获取该邻区基站的传输层地址以建立连接。 图3实施流程图 4 具体实施用例 结合图4所示场景，下面详细说明本方法的一个基于3GPP LTE规范的实施用例。 （1）在本实施用例中，假设小区ID按多层分区法分成长码区及短码区： ◆假设根据规划，预期宏基站的数量约为10万个，且其中约3万个需要预留全部256个小区，而其他宏基站则只需要预留26=64个小区； ◆将20比特位长的二进制空间分成两部分，其中子空间B内的每一个ID的第18、19及20比特位固定设置为0； ◆进一步将空间B分成子空间B-1和B-2，其中B-1子空间内的每一个ID的第16、17位固定设置为0； ◆将B-2扩充到28比特位再分成子空间Q-1和Q-2，其中Q-1内的每一个ID的第21、22位固定设置为0； ◆按照前述方法，将A、B-1、Q-1和Q-2各子空间组合构成长码区以及短码区； ◆根据上述长码区以及短码区的划分特点来判断小区类型。例如，可以使用掩码的方法帮助判断，其中一种掩码的例子用二进制表达如下： K1=00000,00000,00000,11111,00000,000 K2=00000,00000,00000,00111,11000,000 （2）运营商从短码区中为宏基站（见图4中的M1和M2）分配eNB-ID以及小区ID，并从长码区中为家庭基站（见图4中的H1）分配eNB-ID以及小区ID，例如：
◆M1的eNB-ID为eNB-ID-M1=00011,00000,
10101,00000；
◆M1的小区ID为CI-M1=00011,00000,10101,
00000,00000,100；
◆M2的eNB-ID为eNB-ID-M2=00011,00000,
10101,11000；
◆M2的小区ID为CI-M2=00011,00000,10101,
11000,00000,100；
◆H1的eNB-ID为eNB-ID-H1=00011,00000,
10101,11000,11000,111；
◆H1的小区ID为CI-H1=00011,00000,10101,
11000,11000,111。
（3）基站上电，获取eNB-ID、小区ID等配置参数，并完成其他初始化工作，开始提供服务。
（4）M1配置UE1测量。
（5）UE1上报测量结果给M1，包括M2以及H1的PCI。
（6）M1指示UE1获取邻区M2的E-CGI。
（7）UE1读取M2的广播信道，获取它的E-CGI-M2，并报告至M1。
（8）收到UE1的报告后，M1将M2加入自己的邻区关系表。
（9）M1从E-CGI-M2中解出CI-M2，将CI-M2与掩码K1以及K2做与运算。其中与K2运算的结果为0，表明CI-M2属于短码区。
（10）M1判断M2为宏基站，取CI-M2的前20比特位为M2的eNB-ID。
（11）M1指示UE1获取邻区H1的E-CGI。
（12）UE1读取H1的广播信道，获取它的E-CGI-H1，并报告至M1。
（13）M1将H1加入自己的邻区关系表。
（14）M1从E-CGI-H1中解出CI-H1，将CI-H1与掩码K1以及K2做与运算，结果都不为0，表明CI-H1属于长码区。
（15）M1判断H1为家庭基站，将CI-H1作为H1的eNB-ID。
（16）M1分别使用eNB-ID-M2以及eNB-ID-H1，向MME请求邻区M2和H1的传输层地址，以建立X2连接。
5 结束语
本文提出了一种无线通信系统异构网络的自动邻区关联方法，在异构网络环境中，基站依然能够在ANR的过程中正确地获得邻区基站的ID，从而成功构造邻区关系而无需人工配置。该方法无需修改空口信令，因此不存在向后兼容问题，也不会增加空口信令开销。同时，基站ID的选择独立于空口标识，所以基站选择空口标识（如PCI）时无需受限于基站类型，可以纯粹按照物理层的需要（如出于干扰抑制的目的）进行选取，从而显著降低了网络规划的复杂度。
参考文献：
[1] 3GPP TS 36.300 V9.4.0. Overall Description[S]. 2010.
[2] 3GPP TS 36.413 V9.3.0. S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.
[3] 3GPP TS 36.331 V9.3.0. Radio Resource Control(RRC)[S]. 2010.
[4] 3GPP R3-102282-2010. Inbound Mobility to HeNB Open Cells and Macro CSG Cells, 3GPP TSG-RAN WG3 #69[S]. 2010.
[5] 沈嘉. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009.
[6] 3GPP TR 23.882. System Architecture Evolution: Report on Technical Options and Conclusions[S]. 2008.
[7] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA(E-UTRA) and Evolved UTRAN(E-UTRAN)[S]. 2008.
[8] 3GPP TS 25.104. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(FDD)[S]. 2010.
[9] 3GPP TS 25.105. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(TDD)[S]. 2010.
[10] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE–The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice Second Edition[M]. United Kingdom: A John Wiley & Sons Ltd, 2011.★
作者简介
刘为：工程师，硕士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
纪子超：助理工程师，学士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
endprint
◆M1的eNB-ID为eNB-ID-M1=00011,00000,
10101,00000；
◆M1的小区ID为CI-M1=00011,00000,10101,
00000,00000,100；
◆M2的eNB-ID为eNB-ID-M2=00011,00000,
10101,11000；
◆M2的小区ID为CI-M2=00011,00000,10101,
11000,00000,100；
◆H1的eNB-ID为eNB-ID-H1=00011,00000,
10101,11000,11000,111；
◆H1的小区ID为CI-H1=00011,00000,10101,
11000,11000,111。
（3）基站上电，获取eNB-ID、小区ID等配置参数，并完成其他初始化工作，开始提供服务。
（4）M1配置UE1测量。
（5）UE1上报测量结果给M1，包括M2以及H1的PCI。
（6）M1指示UE1获取邻区M2的E-CGI。
（7）UE1读取M2的广播信道，获取它的E-CGI-M2，并报告至M1。
（8）收到UE1的报告后，M1将M2加入自己的邻区关系表。
（9）M1从E-CGI-M2中解出CI-M2，将CI-M2与掩码K1以及K2做与运算。其中与K2运算的结果为0，表明CI-M2属于短码区。
（10）M1判断M2为宏基站，取CI-M2的前20比特位为M2的eNB-ID。
（11）M1指示UE1获取邻区H1的E-CGI。
（12）UE1读取H1的广播信道，获取它的E-CGI-H1，并报告至M1。
（13）M1将H1加入自己的邻区关系表。
（14）M1从E-CGI-H1中解出CI-H1，将CI-H1与掩码K1以及K2做与运算，结果都不为0，表明CI-H1属于长码区。
（15）M1判断H1为家庭基站，将CI-H1作为H1的eNB-ID。
（16）M1分别使用eNB-ID-M2以及eNB-ID-H1，向MME请求邻区M2和H1的传输层地址，以建立X2连接。
5 结束语
本文提出了一种无线通信系统异构网络的自动邻区关联方法，在异构网络环境中，基站依然能够在ANR的过程中正确地获得邻区基站的ID，从而成功构造邻区关系而无需人工配置。该方法无需修改空口信令，因此不存在向后兼容问题，也不会增加空口信令开销。同时，基站ID的选择独立于空口标识，所以基站选择空口标识（如PCI）时无需受限于基站类型，可以纯粹按照物理层的需要（如出于干扰抑制的目的）进行选取，从而显著降低了网络规划的复杂度。
参考文献：
[1] 3GPP TS 36.300 V9.4.0. Overall Description[S]. 2010.
[2] 3GPP TS 36.413 V9.3.0. S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.
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[7] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA(E-UTRA) and Evolved UTRAN(E-UTRAN)[S]. 2008.
[8] 3GPP TS 25.104. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(FDD)[S]. 2010.
[9] 3GPP TS 25.105. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(TDD)[S]. 2010.
[10] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE–The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice Second Edition[M]. United Kingdom: A John Wiley & Sons Ltd, 2011.★
作者简介
刘为：工程师，硕士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
纪子超：助理工程师，学士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
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◆M1的eNB-ID为eNB-ID-M1=00011,00000,
10101,00000；
◆M1的小区ID为CI-M1=00011,00000,10101,
00000,00000,100；
◆M2的eNB-ID为eNB-ID-M2=00011,00000,
10101,11000；
◆M2的小区ID为CI-M2=00011,00000,10101,
11000,00000,100；
◆H1的eNB-ID为eNB-ID-H1=00011,00000,
10101,11000,11000,111；
◆H1的小区ID为CI-H1=00011,00000,10101,
11000,11000,111。
（3）基站上电，获取eNB-ID、小区ID等配置参数，并完成其他初始化工作，开始提供服务。
（4）M1配置UE1测量。
（5）UE1上报测量结果给M1，包括M2以及H1的PCI。
（6）M1指示UE1获取邻区M2的E-CGI。
（7）UE1读取M2的广播信道，获取它的E-CGI-M2，并报告至M1。
（8）收到UE1的报告后，M1将M2加入自己的邻区关系表。
（9）M1从E-CGI-M2中解出CI-M2，将CI-M2与掩码K1以及K2做与运算。其中与K2运算的结果为0，表明CI-M2属于短码区。
（10）M1判断M2为宏基站，取CI-M2的前20比特位为M2的eNB-ID。
（11）M1指示UE1获取邻区H1的E-CGI。
（12）UE1读取H1的广播信道，获取它的E-CGI-H1，并报告至M1。
（13）M1将H1加入自己的邻区关系表。
（14）M1从E-CGI-H1中解出CI-H1，将CI-H1与掩码K1以及K2做与运算，结果都不为0，表明CI-H1属于长码区。
（15）M1判断H1为家庭基站，将CI-H1作为H1的eNB-ID。
（16）M1分别使用eNB-ID-M2以及eNB-ID-H1，向MME请求邻区M2和H1的传输层地址，以建立X2连接。
5 结束语
本文提出了一种无线通信系统异构网络的自动邻区关联方法，在异构网络环境中，基站依然能够在ANR的过程中正确地获得邻区基站的ID，从而成功构造邻区关系而无需人工配置。该方法无需修改空口信令，因此不存在向后兼容问题，也不会增加空口信令开销。同时，基站ID的选择独立于空口标识，所以基站选择空口标识（如PCI）时无需受限于基站类型，可以纯粹按照物理层的需要（如出于干扰抑制的目的）进行选取，从而显著降低了网络规划的复杂度。
参考文献：
[1] 3GPP TS 36.300 V9.4.0. Overall Description[S]. 2010.
[2] 3GPP TS 36.413 V9.3.0. S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.
[3] 3GPP TS 36.331 V9.3.0. Radio Resource Control(RRC)[S]. 2010.
[4] 3GPP R3-102282-2010. Inbound Mobility to HeNB Open Cells and Macro CSG Cells, 3GPP TSG-RAN WG3 #69[S]. 2010.
[5] 沈嘉. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009.
[6] 3GPP TR 23.882. System Architecture Evolution: Report on Technical Options and Conclusions[S]. 2008.
[7] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA(E-UTRA) and Evolved UTRAN(E-UTRAN)[S]. 2008.
[8] 3GPP TS 25.104. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(FDD)[S]. 2010.
[9] 3GPP TS 25.105. Base Station(BS) Radio Transmission and Reception(TDD)[S]. 2010.
[10] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE–The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice Second Edition[M]. United Kingdom: A John Wiley & Sons Ltd, 2011.★
作者简介
刘为：工程师，硕士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
纪子超：助理工程师，学士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，研究方向为宽带无线通信。
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