目前，国际上对UDN的研究正如火如荼地开展，针对以上UDN的挑战，本书尝试着给出几项UDN关键技术的研究方向。首先，随着网络中小区密度的增加，一方面，小区间的干扰问题更加突出，尤其是控制信道的干扰直接影响整个系统的可靠性；另一方面，用户在UDN中的移动性管理变得异常严峻。如何避免空闲状态的用户在超密集网络中进行频繁的小区选择和小区重选以及如何避免连接状态的用户在超密集网络中进行频繁的切换等问题亟待解决。虚拟层技术的提出正是为了解决以上技术难点，可以有效控制信道的干扰问题和移动性问题。

其次，在UDN中，需要为大量的微基站提供传输资源。光纤由于其容量大、可靠性高，是最理想的传输资源。然而，在实际网络中，存在某些地区无法通过有线方式为超密集组网提供传输资源，可考虑以无线方式为超密集组网提供传输资源。同时，基于有线、无线回传的混合分层回传技术也提供了UDN微基站即插即用的技术可能性。

另外，用户的切换率和切换成功率是网络重要的考核指标。随着小区密度的增加，基站之间的间距逐渐减小，这将导致用户的切换次数显著增加，影响用户的体验。UDN需要有高效的移动性管理机制。可考虑宏基站和微基站协调，如宏基站负责管理用户的移动性，微基站承载用户的数据，从而降低用户的切换次数，提高用户的体验。

本节中给出了虚拟层和混合分层回传两项具体技术方案，对于UDN的移动性管理，将在5.2.4节详细进行分析和讨论。

1.虚拟层技术

虚拟层技术的基本原理是由单层实体网络构建虚拟多层网络。如图5-17所示，单层实体微基站小区构建两层网络：虚拟宏基站小区和实体微基站小区，其中虚拟宏基站小区承载控制信令，负责移动性管理；微基站小区承载数据传输。

虚拟层技术可通过单载波和多载波实现。单载波方案通过不同的信号或信道构建虚拟多层网络；而多载波方案通过不同的载波构建虚拟多层网络。

图5-17 虚拟层技术基本原理

在单载波方案中，将UDN中微基站划分为若干个簇，每个簇可分别构建虚拟层。网络为每个簇配置一个VPCI（Virtual Physical Cell Identifier，虚拟物理小区标识）。同一簇内的微基站同时发送VRS（Virtual Reference Signal，虚拟层参考信号），对应于VPCI，不同簇发送的VRS不同；同一簇内的微基站同时发送广播信息，寻呼信息，随机接入响应，公共控制信令，且使用VPCI加扰。传统微基站小区构成实体层，网络为每个微基站小区配置一个物理小区标识PCI。单载波方案中虚拟层的构建可通过时域或频域实现，如图5-18和图5-19所示。

图5-18 单载波方案-时域实现虚拟层方法

图5-19 单载波方案-频域实现虚拟层方法

空闲态用户驻留在虚拟层，侦听微基站小区簇发送的信息，包括VRS、广播信息、寻呼信息、公共控制信令，同时使用VPCI对广播信息、寻呼信息和公共控制信令进行解扰，如图5-20所示。空闲态用户不需要识别实体层，在同一簇内移动时，不会发生小区重选。空闲态用户通过随机接入过程接入实体层。用户向虚拟层发送PRACH，并采用VPCI加扰；网络收到用户的随机接入请求后由虚拟层向用户发送随机接入响应，并采用VPCI加扰。同时根据用户上行信号在各个微基站小区接收的强度，随机接入相应中包含用户可接入的微基站小区物理小区标识PCI；用户接收到虚拟层的随机接入响应后，在PUSCH信道上发送消息3，并采用PCI加扰；微基站小区发送消息4，并采用PCI加扰。自此，用户完成了随机接入过程，进入连接态。

图5-20 空闲态用户看到的网络

连接态用户侦听微基站小区簇发送的信息，包括VRS、广播信息、寻呼信息、公共控制信令，同时使用VPCI对广播信息、寻呼信息和公共控制信令进行解扰。连接态用户可识别实体层中的微基站小区并和服务小区进行数据交互。网络通过虚拟层实现对连接态用户的管理，用户在同一簇内移动时，不会发生切换，如图5-21所示。

图5-21 连接态用户看到的网络

在多载波方案中，网络通过不同的载波构建虚拟多层网络。图5-22给出了两个载波的例子。在该例子中，同一簇内的不同小区在载波1使用相同的PCI构建虚拟层，在载波2使用不同的PCI，即实体层。空闲态用户驻留在载波1，空闲态用户不需要识别实体层，在同一簇内移动时，不会发生切换。连接态用户通过载波聚合技术可同时接入载波1和载波2。网络通过载波1（虚拟层）实现对连接态用户的管理，用户在同一簇内移动时，不会发生切换。

图5-22 多载波方案举例

（1）虚拟层技术的空闲态移动性管理

1）虚拟层技术的小区选择

实体小区的系统信息中广播其是否属于某虚拟小区，以及所属虚拟小区的VPCI；UE在运营商移动网络选择之后，测量实体层小区的信号强度，并依据传统小区选择准则确定一个合适的实体小区；若该小区的系统信息中指示出属于虚拟小区及对应VPCI，则UE驻留在对应的虚拟小区，否则UE驻留在该实体小区，如图5-23所示。

图5-23 虚拟层技术的小区选择流程

2）虚拟层技术的小区重选

虚拟小区广播相邻虚拟小区列表，UE移动过程中测量当前虚拟小区以及相邻虚拟小区的信号强度。若UE测量发现相邻某虚拟小区的信号强度大于当前虚拟小区信号强度，则UE重选到该虚拟小区；若UE测量发现当前虚拟小区信号强度小于门限，则开启对本虚拟小区以外的相邻实体小区的测量。后续测量发现了适合重选的实体小区，且该小区的系统信息中指示出其属于虚拟小区及其VPCI，则UE重选在对应虚拟小区上，否则UE选择该实体小区上，如图5-24所示。

图5-24 虚拟层技术的小区重选流程

3）虚拟层技术的寻呼消息发送

依照前面所述，UE将选择或者重选到虚拟小区，而不是虚拟小区内的实体小区。因此，仅将虚拟小区包括在TA（Tacking Area，跟踪区域）中，虚拟小区内的各实体小区将不属于TA中；当UE驻留在虚拟小区时，核心网侧将保存UE所在虚拟小区所在的TA，寻呼信息将被下发给虚拟小区以减少核心网的寻呼消息负荷。并且由于用户移动造成的TAU（Tacking Area Update，跟踪区域更新）过程频率大大降低。

（2）虚拟层技术的连接态移动性管理

1）测量配置

测量对象：虚拟小区和实体小区都对UE进行测量配置。其中，虚拟小区负责虚拟小区（包括虚拟小区和虚拟小区内的实体小区）的测量配置；实体小区负责本虚拟小区以外的实体小区的配置，且每个实体小区依据自身位置配置对应的测量实体小区集合。

测量上报：引入测量事件EVENT C1（虚拟小区测量值＜门限值），用于开启对本虚拟小区以外的实体小区的测量。为了节约UDN网络中终端的耗电量，一般情况下，UE在虚拟小区内不对本虚拟小区以外的实体小区进行测量，仅在虚拟小区信号质量小于门限值的情况下才启动对周边实体小区的测量。

2）虚拟层技术的实体小区改变

如图5-25所示，虚拟小区和实体小区分别进行测量配置，UE接收到该配置后将移动过程中符合实体小区改变条件的测量结果上报给虚拟小区。收到测量报告后，虚拟小区依据算法进行判决，并协同源与目标实体小区完成小区改变准备工作。虚拟小区发送实体小区改变命令以提高消息发送的成功概率，UE成功接收后执行实体小区改变。虚拟小区、源和目标实体小区协同完成小区改变后续步骤。

3）虚拟层技术的切换

虚拟小区和实体小区分别进行测量配置，UE接收到该配置后测量发现虚拟小区测量结果小于门限，将EVENT C1上报给虚拟小区。虚拟小区确认后发送开启本虚拟小区以外的实体小区测量的命令。UE将满足切换条件的测量结果上报，源实体小区判决后向目标实体小区发送切换请求。目标实体小区完成接纳控制后回复切换请求ACK消息给源实体小区，接着此条消息被封装成切换命令由虚拟小区发送给UE。UE完成后续的切换流程。需要注意的是，若目标实体小区属于某虚拟小区，则UE同时切换到该虚拟小区，如图5-26所示。

图5-25 虚拟层技术的实体小区改变流程

2.混合分层回传技术

在本书3.2.2节中针对5G接入网的演进方向之一——无线MESH进行了具体阐述，无线MESH网络就是要构建快速、高效的基站间无线传输网络，着力满足数据传输速率和流量密度需求，实现易部署、易维护、用户体验轻快、一致的轻型5G网络。本节中首先针对回传链路结构及技术选择进行详细描述，进而分析了一种面向UDN的有线、无线混合的分层回传技术，该技术可以实现UDN的微基站即插即用，也可以作为无线MESH的实现方式之一。

（1）回传演进及基本结构

无线网络中，所有形式的无线接入技术都需要一条链路将基站的传输业务数据在保证一定QoS条件下传送到控制节点上，进而进入运营商的核心网中，这里的传输链路就称为回传链路。5G网络中UDN除了需要解决接入侧的干扰管理、移动性管理问题之外，回传架构的分析和设计至关重要。

从无线网络发展的角度，在过去的20年中，接入链路由1G/2G网络的语音业务到3G/4G的数据业务，数据速率得到了巨大的提升，与此同时，接入链路的数据提升对回传容量的要求也发生了明显变化，接入网回传容量发生了指数增长^[23，24]。因为回传链路的容量和复杂度都直接影响网络建设和运营成本，尤其是UDN中微基站布网对回传链路的要求会更高，所以国内外通信运营商都十分重视回传链路的研究与优化。

图5-26 虚拟层技术的切换流程

图5-27指出了无线网络宏基站典型的回传结构，其中包括无线网络回传架构中的三个主要组成部分，分别为基站、集线器/汇聚节点和核心网节点，来实现无线接入到核心网间的汇聚、交换和路由功能，各组成部分之间由接口相连，回传容量主要由各接口容量限定。

(www.daowen.com)

图5-27 典型无线网络回传结构

3GPP的定义中假设微基站除了尺寸、输出功率以及额外的功能集成以外，与宏基站没有结构上的不同，即微基站/HeNB也是采用相同的逻辑接口（S1&X2或者Iub/Iuh），图5-28给出了3GPP TS 36.300 Release10定义的网络结构。

图5-28 3GPP LTE基本回传结构（Release 10）

在LTE HeNB网络结构设计中，包括了有聚合作用的网关（HeNB GW），在对其他类型微基站的标准化定义中暂时没有相关内容，对于未来的网络设计，比如在接入层面提出了虚拟层技术，引入一个支持微基站的聚合网关是一个可行的方向。这个聚合网关能够提供用户、控制和管理层面的功能，降低核心单元的信令开销，从而降低微基站的运营难度，其结构可以参考3GPP中已经对HeNB设计的网关结构。考虑到运营商既有的宏基站部署，对微基站部署的一个直接选择就是将微基站回传连接到宏基站上，即将宏基站作为微基站汇聚节点，当微基站间具备聚合站点的时候可以连接到宏基站。

（2）回传的拓扑结构

对于未来回传网络的拓扑结构也有多种选择，如图5-29所示，假设微基站间有集线器/汇聚节点，PTP（Point-to-point，单点对单点）形式中集线器与微基站之间的拓扑结构可包括PTP树形、环形和网格形，另外还包括PTMP（Point-to-multi-point，单点对多点）的拓扑结构。

图5-29 典型的微基站回传网络拓扑

PTP的树形结构中，微基站与集线器之间通过一跳或多跳链路连接，其中树干支路因为要传输各树枝汇聚的信息，所以容量要求较高，同时树干容量需求根据支路数目的变化而变化；环形结构使得每一条链路得到充分利用，但是也使远端基站需要经历更多跳链路；网格形结构中点与点间都建立链路，会有更多的冗余链路，但同时路由选择更多，能够更灵活地进行资源分配；PTMP拓扑结构更类似于接入侧的技术，集线器将容量动态分配给不同的微基站，可以根据不同时刻的业务变化改变回传链路的容量分配，可以提高频谱利用率，在这种拓扑中，汇聚节点处可以配置大规模天线进行多个微基站的回传接入，能够提升容量。

（3）回传的实现途径

回传链路通常有两种实现途径，其一是基于有线光纤的方案，这是一种提供高容量、低时延的传输方法；其二是基于无线回传，例如采用微波等频段将回传链路设计成无线传输链路，可以基于PTP形式，也可以采用类似接入链路的PTMP形式。考虑中国国情，宏基站部署在大部分地区通常采用有线回传的解决方式；但是在国际上其他地区，尤其在欧洲地区，因为光纤资源需要租赁，加上其他建设维护的难度，建设有线光纤回传有时候并不划算，所以对于宏基站也广泛采用无线回传的形式。对于微基站而言，因为站址资源及传输资源紧张，到底采用有线还是无线的方式做回传部署是各有利弊需要进一步分析的。尤其是针对未来的5G网络，即插即用如果成为UDN的基本要求，无线回传将提供一种有效的组网手段。

3GPP的讨论中已经对不同回传途径进行了分类，主要分成理想回传（光纤）和非理想回传（部分有线回传类型及无线回传），如表5-3所示。

不同运营商将会根据自身网络架构及传输设备条件来设计微基站的具体部署结构，包括部署拓扑以及采用有线还是无线方式来支撑回传链路。以下基于两种回传实现途径分别讨论。

将微基站与宏基站/聚合节点间用有线的方式连接就构成了有线回传结构，不同有线技术应用的概括如图5-30所示，可以包括PTP和PTMP两种拓扑形式，其中有线回传的PT-MP架构可以基于光纤PON（Passive Optical Network，无源光纤网络），比如GPON（Gigabit-Capable PON）、EPON（Ethernet PON）、WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）PON等。从覆盖角度，有线回传将在室内、室外沿地面或在地下/墙体内进行铺设线路，所以有线回传的制约条件首先应考虑站址建筑物的既有结构和工程难度带来的成本增加，在未来UDN的大量站址需求基础上，单纯建设有线回传网络的难度明显增大。

图5-30 有线回传结构举例

与有线回传相比，无线回传的灵活性更具优势，图5-31给出了无线回传的结构举例。从覆盖角度，无线回传网络部署中无线回传的信道条件有较大影响，例如LOS信道的信道容量较高，但同时要求互传的两点间距较小而没有遮挡物，这就无形中提升了回传部署的成本，所以NLOS信道也在回传部署的考虑范围内。当微基站与宏基站/聚合节点之间没有直接点对点链路时可采用多跳的树形或环形拓扑。

图5-31 无线回传结构举例

在技术分析之外，两种实现方式的布网成本是运营商做出组网选择的重要依据，根据表5-13给出的CAPEX和OPEX的组成构件，文献[25]对不同回传实现形式的成本进行了详细的建模和计算，根据欧洲组网各元素的价位估计，未来20年周期的回传投资结果如图5-32所示。

表5-13 回传成本组成构件

图5-32 未来20年回传成本预测

从图中可以明显看出，未来微基站部署/异构组网时回传成本将显著提升。同时，如果考虑光纤回传场景，租赁光纤的方式通常是成本较低且组网较快的方式（此处指欧洲的情况，国内情况不同），如果运营商不具备租赁光纤的条件，对于宏基站部署无线回传从成本上来看是一个优选。然而，对于微基站部署/异构组网，微波无线回传的成本随着微基站数目的提升显著增加，所以对于UDN而言，无线回传的成本将是一个重要问题。当然，以上计算是针对无线回传采用微波频段进行设备成本计算的，若在5G网络中高频段具备成熟产业链，成本也会随之明显下降。所以，在成本控制基础上选择合适的回传技术及架构对运营商而言至关重要。另外，虽然欧洲的回传成本计算中结论是租赁/自有光纤成本较低，但是计算过程中只涉及价位，如果加入对物业协商的难度考虑（对于国内运营商，这部分工作难度较大），情况就不一样了。

（4）5G网络对回传的需求和挑战

5G网络对接入侧的传输速率提出了很高的要求，随之对回传的挑战首先就体现在容量方面。表5-14以LTE为基础给出了各网络组成所需的容量要求。

表5-14 回传链路容量需求^[26]

从以上结果可以看出，单条链路回传容量需要比接入侧峰值速率要求高20%以上，考虑5G接入速率要求以及表5-3给出的不同回传类型的容量范围，无论是对无线回传还是有线光纤回传都是具有挑战性的。另外，如果考虑回传采用树状拓扑形式，树干支路的容量要求则更高。

在容量之外，回传链路的时延指标也是需要考量的，尤其是当采用多跳回传架构时，时延将影响用户切换性能。从时延的角度，因为有线光纤回传的时延在微秒级别，优势较为明显。同时，因为UDN带来的大量运维数据传输，其传输可靠性也对回传链路性能提出要求。

另外，从UDN的组网形式考虑，即插即用应成为一项基础性要求，然而因为假设广泛的光纤资源并不现实，所以如果单纯考虑有线光纤的回传方式将明显制约大量微基站的部署。那么基于即插即用的考虑，无线回传是有一定应用前景的。表5-15给出了UDN考虑的几种典型的应用场景以及相应的回传条件，其中可以预见密集住宅、密集街区、大型集会以及地铁等场景都可能出现无线回传的需求。

表5-15 超密集组网典型场景特点及回传条件

在无线回传设计角度，5G网络也提出了很多的可能性，比如回传链路与接入链路可能同频部署，也可能异频部署（当接入链路能够采用高频传输时，同频部署的可能性增大）。异频部署时如何做频谱选择，采用许可频段或采用非许可频段；同频部署时同频干扰如何处理等。所以，在未来5G网络的接入技术研究同时，需要对回传链路做相应的联合设计与分析。

（5）潜在技术手段

基于以上分析，UDN部署对站址要求较高，其中主要体现在传输资源的要求上，若沿用宏基站有线回传的部署结构，UDN网络部署需要具备大量的光纤资源，这在运营商部分部署地区是无法达到的。同时，微基站的即插即用应要求使得易于灵活部署的无线回传成为解决传输资源受限的有效途径。结合两种回传条件，可以设计一种有线、无线混合的分层回传架构，如图5-33所示。

图5-33 混合分层回传架构图

混合分层回传主要应用于有线传输资源受限的密集住宅、密集街区、大型集会等UDN典型应用场景。该架构中将不同基站分层标示，宏基站以及其他享有有线回传资源的微基站属于一级回传层，二级回传层的微基站以一跳形式与一级回传层基站相连接，三级及以下回传层的微基站与上一级回传层以一跳形式连接，以两跳/多跳形式与一级回传层基站相连接。在实际网络部署时，微基站只需要与上一级回传层基站建立回传链路连接，能够做到即插即用。

这种混合分层回传的好处在于可以分阶段地部署微基站，例如第一阶段利用有线光纤资源做回传链路部署微基站，即一级回传层微基站；当流量需求增大，即有密集微基站部署需求的时候可以部署二级回传层微基站，通过无线回传的方式与一级回传层相连，做到即插即用；当微基站密度还需要增大时，还可以部署三级回传层微基站与二级回传层微基站即插即用相连。

从该架构的实现角度进行分析，对于一级回传层基站与现有宏基站部署类似；对于二级回传层微基站，情况就会相对复杂，如图5-34所示，假设只存在一级回传层和二级回传层，且两层基站的接入链路同频部署（即链路3与链路4同频部署），那么回传链路1与链路3可能同频部署也可能异频部署。当采用异频部署时，一级回传层基站同时对本层终端用户和二级回传层微基站进行接入，用于支持无线回传的微基站与宏基站需要具备不同频点的两套射频收发装置；当采用同频部署时，二级回传层微基站可参考Release 10中继结构将接入链路与回传链路通过时分的形式进行传输。如果链路3与链路4不同频部署，即用户可采用载波聚合技术提升频谱效率时，将会使得整个系统的频谱利用情况更加复杂。具体的频谱部署与未来运营商所具备的频段以及对之前网络的重耕密切相关。对于三级回传层微基站的接入方式，因为涉及的回传链路以及接入链路更多，布网可能性也随之增加，但考虑尽量降低运营商网络部署难度，应考虑遵循这样的规律：多跳回传之间采用相同频段，多层基站接入链路可参考宏基站与微基站的接入链路频段可不相同，微基站之间接入链路频段相同。

图5-34 各层链路示意图

在混合分层回传架构中考虑无线回传链路的容量和时延要求，可以进一步完成对移动性管理、负载均衡和业务分流等方面的技术研究。比如在移动性增强方面，为尽量降低用户切换的时延，可以进行如下设计。

图5-35 移动性增强示意图

参考图5-35，当终端用户在两级回传层的基站间切换时，通过层间的X2接口，即图中UE1从Pico2切换至Pico1，通过Pico1与Pico2之间的X2接口；当终端用户在相同回传层内基站间切换时，若在一级回传层内通过S1接口，若在二级及以下回传层内，通过X2接口。此时可以通过上一级基站转发，即如图中UE2从Pico2切换至Pico3，通过Pico2和Pico3分别到Pico1的X2接口进行转发，需要进一步评估两跳时延是否能够满足切换要求。也可以新建同层的X2接口，但这将对网络架构设计有更高的要求，比如若实现即插即用，需具备类似3GPP对D2D（Device-to-Device，设备到设备）通信定义的微基站发现过程。

另外，考虑有线回传与无线回传的链路容量和时延都有所不同，在负载均衡以及业务分流上都需要做相应的技术革新来匹配未来的业务需求。在负载均衡方面，可以将高负载用户接入到一级回传层基站，将低负载用户接入到二级及以下回传层基站。在业务分流方面，可以将终端用户双连接至一级回传层和二级及以下回传层，此时时延敏感业务在一级回传层基站发送，非时延敏感业务在其他回传层基站发送。

针对各层回传资源的分配，可以采用预定义的方式，这样的处理使得后期基站维护相对简单；也可以采用自适应的资源调节的方式，这样会更匹配即插即用的部署需求。