Małe komórki dla sieci komórkowych 5G

Wprowadzenie

Każdego roku zapotrzebowanie na mobilną łączność szerokopasmową gwałtownie wzrasta, ponieważ coraz więcej użytkowników korzysta z mobilnych usług szerokopasmowych. Ponadto smartfony i tablety z potężnymi możliwościami multimedialnymi i aplikacjami stają się coraz bardziej popularne i tworzą nowe wymagania wobec mobilnego dostępu szerokopasmowego. Wszystkie te czynniki sumują się, tworząc gwałtowny wzrost natężenia ruchu i transakcji. Sprostanie zapotrzebowaniu wymaga podejścia, które może łatwo dostosować się do wahań w wymaganiach użytkowników w czasie i lokalizacji. W obliczu globalnego, ekspotencjalnego mobilnego przesyłania danych, wdrożenie systemów 5G napotka nowe wyzwania w zakresie szybkości transmisji danych, wsparcia mobilności i jakości usług (jakości doświadczenia); często stwierdzane "1000-krotne zwiększenie wydajności" zasadniczo podsumowuje te techniczne wyzwania. W związku z popytem konsumenckim oczekuje się zdumiewającego 1000-krotnego wzrostu ruchu danych w tej dekadzie. Stwarza to podstawę do włączenia technologii 5G, która może zapewnić szybką i efektywną kosztowo łączność danych przy jednoczesnej minimalizacji kosztów wdrożenia. Aby sprostać przewidywanemu zapotrzebowaniu na ruch i zgodnie z dzisiejszymi planami technologicznymi, powszechnie uznaje się, że wymagane będzie więcej widma, wyższa wydajność widmowa (bity na herc na komórkę) i większe zagęszczenie komórek (więcej małych komórek na km2). Postęp technologiczny umożliwi obsługę wyższych szybkości transmisji danych i pojemności, ale musi również obniżyć koszty za bit. Jednak ewolucja radiowa wymaga także spektrum. Ilość dostępnego widma dla mobilnej łączności szerokopasmowej może wzrosnąć nawet 10-krotnie, ale do osiągnięcia tego celu konieczne będzie wiele globalnych prac koordynacyjnych. Branża spodziewa się uzyskać nowe spektrum na światowej konferencji radiowej (WRC2016). Jednak nawet dzisiaj można zauważyć, że jeśli nowe spektrum zostanie przydzielone do aplikacji radiowych mobilnych, będzie to dalekie od wystarczającego do spełnienia przewidywanych wymagań ruchu na rok 2020. Tak więc technologie o zwiększonej wydajności widmowej i nowe heterogeniczne wdrożenia gęstej sieci z rozproszonym węzły współpracujące będą musiały zostać wdrożone. Wydajności widmowe na poziomie systemu można zwiększyć dzięki inteligentnym projektom wykorzystującym techniki zarządzania interferencjami międzykomórkowymi. Współczesna wydajność spektralna wynosi zazwyczaj od 0,5 do 1,4 bps / Hz / komórkę (z Evolved High-Speed Packet Access - HSPA +), z uwzględnieniem ograniczeń terminala i backhaul. Średnia efektywność widmowa może być zwiększona do 5-10 bps / Hz / komórkę przy użyciu zaawansowanych odbiorników, transmisji i współpracy wielu komórek i wielu komórek. Oczekuje się również, że gęstość stacji bazowej znacznie wzrośnie w szczególnie gęstych środowiskach. Wdrożona zostanie duża liczba małych / femto komórek w celu poprawy zasięgu w domu i małym biurze oraz odciążenia ruchu od makrokomórek. Analysys Mason, na przykład, przewiduje, że do 2016 r. Ponad 80% globalnego ruchu danych bezprzewodowych będzie generowane w pomieszczeniach, dlatego dla operatora sieci komórkowej (MNO) kluczowe znaczenie ma odciążenie tego ruchu z bezprzewodowej sieci makr. Obecnie znaczna część ruchu danych w pomieszczeniach, w szczególności na komputerach PC, jest już odciążona. Dlatego można oczekiwać, że łączny wpływ trzech ulepszeń, tj. Poprawy wydajności widmowej, dodatkowego widma i dużej liczby małych stacji bazowych, zapewni do 1000 razy większa pojemność niż obecnie.

Co to są małe komórki?

W miarę dojrzewania sieci i gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na ruch danych, pomysł dostarczania zlokalizowanych zasobów, wypełniania luk i utrzymania jakości usług dzięki wdrożeniom małych komórek okazał się atrakcyjnym rozwiązaniem, umożliwiającym operatorom ściślejsze monitorowanie wymagań ruchu i korzystanie z nich zasoby widma bardziej efektywnie, zwiększając tym samym przepustowość sieci. Małe komórki według ścisłej definicji są punktami dostępu bezprzewodowego o niskiej mocy działają w licencjonowanym spektrum są zarządzane przez operatora i zapewniają lepsze pokrycie sieci komórkowej, pojemność i aplikacje dla domów i przedsiębiorstw, jak również metropolitalnych i wiejskich przestrzeni publicznych. Małe ogniwa mają różne profile pokrycia - znacznie większe rozmiary od femtokomórek (najmniejszych) do mikrokomórek / metra (największe) i charakterystyk mocy. Można również twierdzić, że gęsta implementacja sieci WLAN opartych na IEEE 802.11 (bezprzewodowych sieci lokalnych) mieści się w szerszej definicji małych komórek, chociaż działają one w nielicencjonowanych pasmach i mogą być lub nie być pod kontrolą operatora / usługodawcy. W dzisiejszych czasach starsze wdrożenia LTE (Long-Term Term Evolution) w małych komórkach obejmują pewne rodzaje WiFi (wierności bezprzewodowej). Małe komórki mieszkalne wykorzystują moc i backhaul za pośrednictwem istniejących zasobów użytkownika, zapewniając pojemność równoważną pełnemu sektorowi sieci 3G przy bardzo niskich mocach transmisji, radykalnie wydłuża żywotność baterii istniejących telefonów, bez konieczności wprowadzania telefonów WiFienabled. Małe komórki przedsiębiorstwa / biura mają również sens w wielu kontekstach korporacyjnych, zapewniając prostszą i tańszą alternatywę dla tradycyjnych rozwiązań w budowie. Na przykład femtokomórki w przedsiębiorstwie umożliwiają użytkownikom biznesowym korzystanie z wysokiej jakości usług mobilnych, zapewniając jednocześnie lepsze pokrycie budynku, co przyspiesza przepływ danych. Ze względu na ich niski koszt i łatwość wdrażania, małe komórki są również realną i efektywną kosztowo alternatywą dla tradycyjnych sieci makro w odległych obszarach wiejskich z niewielką infrastrukturą sieci naziemnej lub bez infrastruktury naziemnej. , zwiększenie pojemności i odciążenie ruchu w sieci makr, powszechnie nazywane "sterowaniem ruchem". Małe komórki są również niezbędnym składnikiem sieci heterogenicznych (HetNets), których celem jest zapewnienie większej wydajności i zwiększonej wydajności widma oraz poprawa doświadczenia abonentów przy jednoczesnym obniżeniu kosztu transportu danych. Jednak zakres HetNets wykracza poza małe komórki i obejmuje wiele typów architektur, warstw i technologii dostępu radiowego (RAT), które muszą współistnieć i wspierać się wzajemnie, i gdzie coraz bardziej zaawansowane narzędzia są wymagane do zarządzania zakłóceniami, różnymi typami ruchu i zaawansowane usługi. Tak więc, chociaż małe komórki 3G / LTE będą istotną częścią ewolucji HetNet, inne technologie, takie jak WiFi, DAS (rozproszony system antenowy) i chmura-RAN (radiowa sieć dostępowa), żeby wymienić tylko kilka, odegrają kluczową rolę. Podstawowym wyzwaniem dla udanego działania HetNets jest jednak zarządzanie złożonością i optymalizacją operacji sieciowych wielowarstwowych, heterogenicznych gęstych sieci. Większość dotychczasowych wdrożeń małych ogniw skupiała się na zwiększeniu zasięgu, odciążeniu danych i penetracji sygnału w środowiskach wewnętrznych (mieszkalnych, przedsiębiorstwach), jednak przeciążenie ruchu i potrzeba wyższego QoE w gęstych obszarach miejskich doprowadziły do wprowadzenia małych / dużych powierzchni zewnętrznych zwłaszcza, że wielu dużych operatorów (Verizon i AT&T w USA, SK i SKT telecom w Korei) zgłosiło zagęszczenie ruchu w głównych miastach już w 2013 r. w swoich sieciach LTE.

WiFi i femtokomórki jako kandydujące technologie małych komórek

Bezprzewodowe sieci LAN i femtokomórki zapewniły praktyczne zamienniki połączeń przewodowych w środowiskach mieszkalnych i biurowych. W przypadku sieci WLAN opartych na standardach 802.11 często zdarza się, że dany obszar jest objęty wieloma sieciami WLAN na obszarach miejskich. Sieci Wi-Fi są również coraz częściej wykorzystywane do odciążania komórkowego ruchu danych, który w przeciwnym razie byłby przenoszony przez sieci komórkowe lub stałe sieci IP. Istnieją jednak pewne znane problemy z gęstym wdrażaniem systemów WiFi, które są pokrótce omówione poniżej.

•  Duża liczba punktów dostępowych (punktów dostępowych) we wdrożeniach o ultrawysokiej gęstości może prowadzić do nasycenia dużą liczbą stacji STA (stacji) przypadających na jeden punkt dostępowy, a ponowne wykorzystanie kanałów staje się prawie niemożliwe (zakłócenia w kanale ko-kanałowym silnie ograniczają pojemność przestrzenną i problem jest wzmacniany w środowiskach bez ścian, gdzie propagacja jest głównie LOS (linia widzenia). Dzięki gęstym wdrożeniom trudno jest uzyskać spójną kontrolę dostępu, równoważenie obciążenia i uczciwość.

•  Większe opóźnienia w typowych kanałach zewnętrznych powodują problemy z utrzymaniem łącza (w przypadku nieliniowego wzroku (NLOS), nawet przy dobrym odebranym stosunku SNR (sygnał do szumu) przy odbieranej mocy poniżej -70/75 dBm), które stają się czynnik ograniczający, zwłaszcza w przypadku smartfonów (o mocy transmisji 10-15 dBm).

•  Duża liczba stacji STA na punkt dostępowy w wdrożeniach o ultrawysokiej gęstości może spowodować zmniejszenie przepustowości (po pewnym zagęszczeniu stacji STA z powodu zwiększonych kolizji) z powodu nieodłącznych ograniczeń CSMA-CA (unikanie kolizji przez wiele operatorów), np. Niewydolność MAC / czas antenowy ograniczenia użytkowania i ramki zarządzania (np. żądania / odpowiedzi sondy) pochłaniające dużą część dostępnego czasu antenowego.

•  Wdrożone w wielu lokalizacjach wdrożenia powodują znaczne zakłócenia z powodu braku koordynacji kanałów, ponieważ plany kanałów są niemal losowe w miejscach publicznych, co powoduje utratę pakietów i jitter. Istnieje zapotrzebowanie na sprawdzone zautomatyzowane algorytmy do negocjacji kanałów, np. Kontrola oparta na chmurze, z ograniczonym wyborem kanałów ad hoc.

•  Zbyt wiele beaconów ładuje powietrze niepotrzebnie. W praktyce tylko domyślny okres sygnału nawigacyjnego o długości 100 ms jest używany z szybkością 1 Mbit / s w punktach dostępowych klasy konsumenckiej. Wszędzie wszędzie przepływa powietrze.

•  Domyślne interwały sygnału nawigacyjnego muszą być dłuższe, np. 300ms. W przypadku dynamicznego / adaptacyjnego sygnału nawigacyjnego interwał sygnału nawigacyjnego może być automatycznie ustawiany w zależności od obserwowanego czasu między roamingiem.

•  Protokoły w stylu CSMA / CA w środowiskach o dużej gęstości mogą "marnować" dużo rywalizacji w zakresie czasu antenowego dzięki statycznemu systemowi okien rywalizujących i dużej liczbie kolizji w gęstym środowisku. Dodatkowo, statyczny próg wykrywania nośnika ogranicza wydajność.

•  Ramki zarządzania muszą zostać zmniejszone. Przykłady obejmują niepotrzebne wymiany sondy i odpowiedzi sondy (częstości ponownych prób odpowiedzi sondy mogą być bardzo wysokie z powodu separacji AP - STA lub skanowania aktywnego). Ponadto duże zestawy podstawowych usług (BSS) mają duży obszar krawędzi komórki, co może powodować problem z ponowną ramką. Redukcja zajętości czasu przez Beacony powinna być również brana pod uwagę w oparciu o wykorzystanie wyższej szybkości transmisji danych lub wydłużenie interwału sygnału nawigacyjnego.

Obszary potencjalnych ulepszeń obejmują kontrolę mocy klienta (w celu zmniejszenia kolizji), adaptacyjne sygnalizowanie (zmniejszone sygnalizowanie, gdy w pobliżu nie ma klientów przez długi czas w celu zmniejszenia obciążenia widma w okolicznych obszarach - obecnie sygnał nawigacyjny AP, zwykle 1 Mbit / szybkość i 100 ms) interwał, niepotrzebnie zużywają znaczne spektrum w dzień iw nocy), wykorzystują wyższe szybkości transmisji danych dla Beaconów i sond (więc tylko pobliscy klienci mogą je odbierać), unikając długiej Clear Channel Assessment (CCA), ponieważ krótkie CCA może pomóc zapobiec pojedynczej transmisji Blokowanie punktu dostępowego przez znaczną część sieci (przejście do fazy wyłączenia) i aktywne zarządzanie kolejkami w celu zmniejszenia opóźnień. Pomimo wyżej wymienionych problemów, biorąc pod uwagę łatwość wdrażania, rosnącą częstość występowania i znaczny poziom rozładowania komórek zgłaszany przez wielu operatorów na całym świecie, ważne jest zrozumienie wydajności coraz gęstszych wdrożeń sieci WLAN jako kandydata na technologię małych komórek . Szczytowa pojemność w sieciach WiFi może się różnić w zależności od wielu czynników, takich jak: moc transmisji i ustawienie CCA, próg dostępu, czułość odbiornika, Wyczyść do wysłania / żądania do wysłania (WŁ. Lub WYŁ.), Obsługa w trybie mieszanym, niedopasowanie mocy łącza (łącze w górę vs downlink), założone modele Pathloss / propagacji, współczynnik ponownego użycia i wymagane prawdopodobieństwo pokrycia (niezawodność). Wielu operatorów sieci komórkowych korzysta z Wi-Fi, aby uzupełnić swoje sieci dostępu radiowego, ale wiele z nich stara się także wyjść poza korzystanie z WiFi tylko w celu zapewnienia wygodnego dostępu lub rozładowania danych, i czyni z niego centralną część szerszych strategii dostarczania wysokiej jakości usług szerokopasmowych . Celem jest umożliwienie WiFi klasy operatorskiej, które zapewnia bezpieczne i bezproblemowe doświadczenie użytkownikom, w których roaming z i do sieci 3G / LTE do sieci WiFi jest kontrolowany przez operatora i kierowany przez sieć, oraz aby uzyskać wgląd w sieć WiFi i zastosować te same funkcje zarządzania, takie jak uwierzytelnianie, które są obecnie wykorzystywane w sieciach komórkowych. Podczas gdy odciążenie WiFi okazało się cenne dla operatorów telefonii komórkowej, a jego wykorzystanie będzie kontynuowane, nie ulegnie zmianie.

Architektura HetNet ułatwi przyjęcie WiFi klasy operatorskiej, w którym operatorzy mobilni nie tylko są właścicielami infrastruktury WiFi, ale również integrują ją z sieciami. Wdrożenia te zostaną włączone dzięki takim funkcjom, jak uwierzytelnianie oparte na karcie SIM i automatyczny wybór sieci wprowadzone przez WiFi Alliance Passpoint oraz inicjatywy takie jak Hotspot nowej generacji (NGH). Integracja z sieciami mobilnymi opiera się na specyfikacjach 3GPP (3rd Generation Partnership Project), które definiują interfejsy między sieciami WiFi i sieciami komórkowymi. Wymagany poziom integracji sieci wymaga w pełni skoordynowanego zestawu standardów, w tym architektury, funkcjonalności sieci i urządzeń oraz interfejsów aplikacji. WiFi jest prostszym systemem niż komórkowy z mniejszą liczbą funkcji. Szereg funkcji zaprojektowanych do wypełnienia luk został niedawno opracowany przez organy normalizacyjne (IEEE, 3GPP) i inne organizacje. Oto niektóre z funkcji, które sprawiają, że WiFi klasy przewoźnej jest wykonalną opcją:

•  Skalowalność: sieci WiFi niektórych operatorów obejmują dziesiątki tysięcy węzłów dostępowych. Każdy węzeł dostępowy musi obsługiwać dużą liczbę subskrybentów samodzielnie (może to być kilkaset). Możliwość skalowania sieci WiFi wymaga specyficznych funkcji, a w konsekwencji cała liczba funkcji podlega nagłówkowi "skalowalności", np. Zarządzanie siecią i wzmocnienie przed zakłóceniami.
•  Wsparcie mobilności / roamingu: możliwość utrzymania sesji podczas przemieszczania się między punktami dostępu WiFi jest ważną funkcją we wdrożeniach na poziomie operatora.
•  Zarządzanie siecią: obsługa tysięcy węzłów dostępu dla ważnych funkcji, takich jak usterka, konfiguracja, księgowość, wydajność i bezpieczeństwo (FCAPS).
•  Bezpieczeństwo klasy operatorskiej: sieć WiFi jest wzmocniona, aby chronić ją przed typowymi zagrożeniami bezpieczeństwa (wykrywanie włamań / zapobieganie, odmowa usługi, wykrywanie zagłuszania, rejestrowanie zdarzeń i powiadomień, czarne listy itp.). Sieć WiFi klasy operatorskiej jest lepiej chroniona przeciwko zagrożeniom bezpieczeństwa.
•  Integracja z siecią RAN: przesyłu ruchu WiFi do rdzenia sieci mobilnej, gdzie można wykonywać funkcje kontroli liczby, takie jak rozliczanie, polityka, uwierzytelnianie, adresowanie, zarządzanie mobilnością, roaming, filtrowanie treści i zgodne z prawem przechwytywanie.
•  Obsługa Hotspot 2.0 (sprzedawany jako Passpoint przez WiFi Alliance) i Hotspot następnej generacji: oparty na IEEE 802.11u, ta funkcja poprawia dostęp do sieci WiFi poprzez mobilną kartę SIM i doświadczenie staje się płynne, ponieważ WiFi integruje się z RAN.
•  Jakość doświadczenia i usługi: możliwość kontrolowania priorytetów usług na podstawie klienta i / lub aplikacji.
•  Funkcje sieciowe: operator WiFi obsługuje wiele funkcji sieciowych w celu zapewnienia rozszerzonych usług (np. Identyfikacja wielu zestawów usług (SSID), pułapki 802.1Q VLAN (wirtualna sieć LAN), multiemisja, Simple Network Management Protocol (SNMP) do zarządzania siecią itp. ).

Podobnie jak punkty dostępowe WiFi, femtokomórki są małymi, niedrogimi stacjami bazowymi o niskim poborze mocy, które są zazwyczaj rozmieszczane przez konsumentów i podłączone do własnego przewodowego połączenia dosyłowego. Pod tym względem przypominają one punkty dostępowe WiFi, ale zamiast tego wykorzystują jeden lub więcej komercyjnych standardów komórkowych i licencjonowane spektrum. Femtokomórka jest zasadniczo odmienna od tradycyjnych małych komórek, ponieważ wymaga większej autonomii i samodostosowania. Dodatkowo interfejs backhaul do sieci komórkowej wymaga użycia bram femtokomórek i innej nowej infrastruktury sieciowej, aby odpowiednio kierować i obsługiwać ruch. Główne problemy związane z femtokomórkami zostały szeroko omówione i zbadane w literaturze i są pokrótce podsumowane tutaj:

•  Zakłócenia (między poziomami makro i femto oraz w obrębie warstwy femto):

- Zarządzanie i unikanie (np. poprzez planowanie i lepsze wykorzystanie widma)
- Tłumienie (formowanie wiązki i odbiorniki zaawansowane)

•  Powiązanie / odchylenie komórki
•  Zarządzanie zasobami radiowymi:

- Planowanie i równoważenie obciążenia między poziomami makro i femto
- Statyczna / dynamiczna alokacja zasobów

•  Przydział mocy do femtokomórek

- Ustawienie mocy femto TX i dynamiczna regulacja

•  Samodzielna konfiguracja i optymalizacja femtokomórek

- Femtokomórki mogą być rozmieszczane przez użytkownika lub planowane (wdrażane przez operatora), stąd potrzeba samonfiguracji i algorytmów optymalizacji
•  Mobilność / przekazywanie rąk (użytkownicy przemieszczają się między pokryciem makro i femtokomórek oraz między femtokomórkami)

•  Bezpieczeństwo (femtocells backhaul zwykle używają stacjonarnych szerokopasmowych połączeń IP za pomocą modemów kablowych i routerów DSL).

Zarządzanie zakłóceniami jest prawdopodobnie najważniejszym i szeroko dyskutowanym wyzwaniem dla wdrożeń femtokomórek. Femtokomórki zostały wykorzystane do zwiększenia zasięgu wewnętrznego i pojemności sieci 2G i 3G. W sieciach 2G komórki wewnętrzne są często wdrażane przy użyciu wewnętrznych DAS; Komórki wewnętrzne 3G często były wdrażane przy użyciu femtokomórek DAS lub 3G. Komórki wewnętrzne w systemach 4G zmagają się z podobnymi problemami interferencji między warstwami do femtokomórek 2G / 3G. Jednak systemy 4G zawierają zaawansowane funkcje, takie jak koordynacja interferencji międzykomórkowej (ICIC) i ulepszona koordynacja interferencji międzykomórkowej (eICIC). W praktyce co najmniej dwa aspekty sieci femtokomórek mogą znacznie zwiększyć zakłócenia. Po pierwsze, przy zamkniętym dostępie niezarejestrowane telefony komórkowe nie mogą połączyć się z femtokomórką, nawet jeśli są blisko. Może to spowodować znaczną degradację femtokomórki (w łączu uplink) lub użytkownika makrokomórki krawędziowej w łączu w dół, które jest blisko femtokomórki. Po drugie, sygnalizacja niezbędna do koordynowania interferencji międzywarstwowej może być trudna logistycznie zarówno w dostępie otwartym, jak i zamkniętym. Sygnalizacja nadmiaru powietrza dla koordynacji zakłóceń może być trudna ze względu na duże różnice w mocy. Ponadto sygnalizacja typu backhaul z femtokomórkami często nie jest obsługiwana lub ma znacznie większe opóźnienia, ponieważ femtokomórki zazwyczaj nie są bezpośrednio połączone z siecią bazową operatora. Uznając te wyzwania, organy normalizacyjne zainicjowały kilka wysiłków badawczych w zakresie zarządzania interferencją femtokomórek, w tym zarządzania przez Femto Forum i 3GPP. Ponadto zaawansowane metody ICIC specjalnie dla sieci femtokomórek zostały uwzględnione w standardzie 3GPP LTE-Advanced (LTE-A). W przypadku femtosów CDMA (ang. 3G Code Division Multiple Access) dominującą metodą koordynacji interferencji były strategie kontroli mocy. W przeciwieństwie do tego, znacznie bogatszy zestaw technik koordynacji / zarządzania zakłóceniami jest dostępny dla sieci femtokomórkowych opartych na 4G / LTE, w tym koordynacja oparta na sieciach typu backhaul, dynamiczna ortogonalizacja, szeregowanie sub-pasmowe i wielokrotne wykorzystanie częstotliwości adaptacyjnej, jak omówiono w odnośnikach. W celu podsumowania zarządzania zakłóceniami we wdrożeniach femtokomórki 4G i obecnych rozwiązań ze standardów, czytnik jest przywoływany.

Cell Association (przypisywanie użytkowników do odpowiednich stacji bazowych) stanowi kolejne wyzwanie w sieci heterogenicznej z szeroką gamą rozmiarów / warstw komórek. Najbardziej oczywistym sposobem, który w rzeczywistości maksymalizuje współczynnik SINR (Signal-to-Interference plus Noise) każdego użytkownika, jest po prostu przypisanie każdego użytkownika do stacji bazowej o najsilniejszej sile odbieranego sygnału. Jednak symulacje i próby terenowe wykazały, że takie podejście nie zwiększa całkowitej przepustowości, ponieważ wiele małych komórek będzie zazwyczaj miało niewielu aktywnych użytkowników, co motywuje odchylenie, dzięki czemu użytkownicy są aktywnie pchani na małe komórki. Pomimo potencjalnego spadku SINR dla wyposażenia użytkownika (UE), metoda ta może być akceptowalnym kompromisem, ponieważ UE uzyskuje dostęp do znacznie większej części zasobów małych komórek, przy czym makrokomórka odzyskuje zasoby czasu i częstotliwości, które UE będzie Bieda jest szczególnie atrakcyjny w ortogonalnym wielodostępu z podziałem częstotliwości (OFDMA) sieci, ponieważ stronniczemu użytkownikowi można przypisać zasoby ortogonalne. Sieci femtokomórek są wyjątkowe, ponieważ są w dużej mierze instalowane przez klientów lub przedsiębiorstwa prywatne, często w sposób doraźny, bez tradycyjnego planowania częstotliwości radiowej, wyboru lokalizacji, wdrażania i konserwacji przez operatora. Ponadto, ponieważ oczekuje się, że liczba femtokomórek rzędy wielkości większe niż makrokomórki, ręczne wdrażanie sieci i konserwacja nie jest po prostu skalowalne w sposób efektywny kosztowo dla dużych wdrożeń femtokomórek. Femtokomórki muszą zatem obsługiwać zasadniczo działanie typu "podłącz i używaj", z automatyczną konfiguracją i adaptacją sieci. Ze względu na te wymagania 3GPP poświęciło znaczną uwagę funkcjom samoorganizującej się sieci (SON) definiującym procedury automatycznej rejestracji i uwierzytelniania femtokomórek, zarządzania i udostępniania, wykrywania sąsiadów, synchronizacji, wybierania identyfikatorów komórek i optymalizacji sieci. Jeden aspekt SON, który przyciągnęła znaczną uwagę badawczą: automatyczny wybór kanałów, regulacja mocy i przypisanie częstotliwości do koordynacji autonomicznych interferencji i optymalizacji zasięgu. Takie problemy są często formułowane jako matematyczne problemy optymalizacyjne, dla których zaproponowano również wiele rozwiązań. Niedawne badanie Small Cell Forum analizujące aspekty zasięgu w środowiskach korporacyjnych, femtokomórek LTE i WiFi (802.11n), ujawnia, że przepustowość obszaru wzrasta niemal liniowo aż do liczby kanałów ortogonalnych, zarówno dla WiFi, jak i femtokomórek. Zakłócenia ograniczają wydajność obu systemów, chociaż efekty są różne dla każdej technologii. W przypadku LTE-femtokomórek efektywność widmowa ulega pogorszeniu z powodu spadku SINR (geometrii), dzięki czemu większa liczba mniejszych komórek staje się korzystna (do pewnego limitu). W przypadku WiFi CSMA MAC nakłada ograniczenia na dostęp do mediów na tym samym kanale (a tym samym na zagęszczenie), w skrajnych przypadkach powodując tylko jeden punkt dostępu wykorzystujący media w dowolnym momencie (dobrze znane zjawisko załamania przepustowości) . Uznaje się jednak, że technologie LTE i WiFi mogą współistnieć (zintegrowane / kolokowane) w środowiskach wewnętrznych i mogą się wzajemnie uzupełniać (np. Femtocell zapewniający QoS i WiFi zapewniający bardzo potrzebną zdolność rozładunku). Różne aspekty techniczne i biznesowe zintegrowanych sieci femto-WiFi są dalej omówione w odniesieniu do potencjalnych scenariuszy wdrożenia, jak również korzyści, wyzwania i problemy.

Wydajność WiFi i Femto - w pomieszczeniu vs na zewnątrz

Autorzy różnych badań przedstawili zestaw wyników dotyczących wydajności gęstych wdrożeń WLAN 802.11g w środowiskach wewnętrznych. W pracy zbadano granice przepustowości biorąc pod uwagę różne warunki propagacji w pomieszczeniach i widać, że ma to znaczący wpływ na wydajność i osiągalne możliwości w gęstych wdrożeniach. Ponadto, w środowiskach o wysokim tłumieniu, zagęszczanie może przynieść poprawę przepustowości obszaru, a nawet nieplanowane wdrożenia reprezentujące najgorszy scenariusz zakłóceń mogą również zapewnić zyski w przepustowości obszaru, co oznacza, że planowane wdrożenie nie jest tak krytyczne w środowiskach o niskim tłumieniu. Ponadto, dla danego modelu propagacji, rozmiaru komórki i poziomu zagęszczenia, można uzyskać większą przepustowość przy niższych mocach transmisji ze względu na zmniejszone zakłócenia. W odniesieniu do tego przeprowadzono podobną ocenę wydajności nowej generacji 802.11n / ac działającej w oparciu o zagregowane kanały WiFi w paśmie 5 GHz w celu zbadania, jakie pojemności mogą być obsługiwane w gęstych wdrożeniach. Można zauważyć, że 802.11ac jest w stanie zapewnić znaczną pojemność w środowiskach o wysokim tłumieniu i, zakładając, że rzeczywiste wdrożenia wykorzystają masową konfigurację MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) i bardziej realistyczne szerokości pasma kanału (np. Łączenie 80 MHz, aby umożliwić pięć nienakładające się kanały) można oczekiwać, że przepustowość obszaru (środowisko biurowe) osiągnie szczyt około 10 100 Gb / s / km².

Limity pojemności i osiągalne zyski z zagęszczeniem

Powszechnie uznaje się, że zagęszczanie sieci jest jednym z głównych rozwiązań rosnącego zapotrzebowania na moc. Zagęszczanie, gdy jest zdefiniowane jako liczba anten na jednostkę powierzchni, może być osiągnięte za pomocą systemów wielo-antenowych, takich jak masywne systemy MIMO i / lub rozproszone systemy antenowe (DAS) i / lub gęste rozmieszczenie małych komórek (SC).

Wykorzystanie techniki Multi-Antenna

Pierwsze podejście do zagęszczania sieci proponuje rozmieszczenie dużej liczby anten w jednym miejscu na komórki, aby utworzyć tak zwaną "masywną MIMO" (sieć MIMO z wieloma użytkownikami z bardzo dużymi antenami), gdy liczba anten przekroczy liczba aktywnych UE na komórkę. Ta nowa technologia wykorzystuje wiele współlokujących anten (do kilkuset), aby jednocześnie obsługiwać / przestrzennie multipleksować wielu użytkowników w tym samym zasobie częstotliwości czasowej. Ponieważ apertura macierzy rośnie z wieloma anteny, rozdzielczość tablicy również wzrasta. To skutecznie koncentruje przesyłaną moc w stosunku do zamierzonych odbiorników, dzięki czemu moc nadawania może być dowolnie mała, co powoduje znaczne zmniejszenie (i prawie całkowite wyeliminowanie) zakłóceń wewnątrz- i międzykomórkowych. Wykazano również, że anteny dystrybucyjne zapewniają największą pojemność. Wykazano jednak, że wydajność masywnego MIMO jest ograniczona przez skończone i skorelowane rozpraszanie, biorąc pod uwagę ograniczenia przestrzeni [66]. Stopnie swobody systemu, określone wyłącznie przez rozdzielczość przestrzenną układu antenowego, mogą osiągnąć punkt nasycenia. Również w systemach z dupleksem z podziałem częstotliwości (FDD) oszacowanie kanału i sprzężenie zwrotne dla dużej liczby anten stanowi wyzwanie. O ile struktura kanału nie jest dostępna w BS, zaporowy trening kanału łącza zwrotnego i sprzężenie zwrotne w systemach FDD ustawia górną granicę liczby anten BS. Autorzy odnośnych argumentów twierdzą, że przyrosty wydajności masowego MIMO mogą być również realizowane w systemach FDD, biorąc pod uwagę, że pewne założenia dotyczące korelacji anteny są prawdziwe i że informacje o macierzy kowariancji kanału są dostępne w nadajniku. W przeciwieństwie do tego, sieć oparta na dupleksie z podziałem czasu (TDD) może wykorzystywać wzajemność kanału łącza nadawczego w celu znacznego zmniejszenia związanego z tym narzutu sygnalizacji, to znaczy, wynikowy narzut skaluje się liniowo z liczbą UE i jest niezależny od liczby anten. Jednakże, w systemach TDD, liczba ortogonalnych pilotów może być wciąż ograniczona przez czas koherencji skończonego kanału, co skutkuje wysokim wykorzystaniem pilotów w sąsiednich komórkach, zanieczyszczając pilotów, a tym samym kończy się upośledzeniem estymacji kanału łącza w górę, jak również przez korelacja anteny. Pomimo wspomnianych ograniczeń, niektóre wczesne pionierskie prace nad masywnym MIMO, takie jak te w referencjach, dostarczają wstępnych wskazań na temat pojemności na komórkę i wydajności widmowych, których można oczekiwać od ogromnego MIMO. W celu zapoznania się z przeglądem pokrewnych prac, otwartymi wyzwaniami badawczymi i ograniczeniami ogromnego MIMO, czytelnik jest przywoływany i wraz z odnośnikami do niego. Alternatywą dla masowego MIMO, w którym anteny są rozproszone, a nie współlokowane, jest w literaturze określane jako "sieć MIMO" lub "współpraca MIMO" i "skoordynowane formowanie wiązki" lub "skoordynowane wielopunktowe (CoMP)" w specyfikacji 3GPP LTE-A . Podczas gdy sieć MIMO używa podobnych algorytmów do MUO (MU-MIMO), to nie to samo. MIMO działa na wielu antenach nadajnika i odbiornika, umożliwiając jednoczesną transmisję z pełną wydajnością na tej samej częstotliwości. Jednak, jak omówiono wcześniej, każda dodatkowa antena nakłada dodatkowe wymagania, takie jak dodatkowa moc, koszt i przestrzeń na urządzenia radiowe. Sieć MIMO zasadniczo różni się tym, że wielodostęp z podziałem przestrzeni (SDMA) jest wykorzystywany do konstruowania pojedynczych wiązek dla każdego użytkownika. W przeciwieństwie do MU-MIMO, gdzie wiele anten znajduje się w jednym miejscu, w sieci MIMO anteny są rozmieszczone na dużym obszarze. W przypadku LTE-A praktyczne implementacje technik MU-MIMO przyniosły w przybliżeniu 3-krotny wzrost (z czterema antenami nadawczymi) w szybkości transmisji danych DL z SDMA. Kluczowym ograniczeniem schematów MU-MIMO w sieciach komórkowych jest brak zróżnicowania przestrzennego strona nadawcza. Różnorodność przestrzenna jest funkcją odstępu między antenami i wielościeżkowego rozłożenia kątowego w łączach bezprzewodowych

Zyski dzięki małym komórkom

W bardziej zaawansowanych odmianach sieci MIMO, w których zakłócenia mogą być zarządzane centralnie (na przykład za pomocą architektur opartych na chmurze), istnieje możliwość, że bardzo znaczna część interferencji między komórkami / użytkownikami może zostać usunięta, co umożliwi terminalom dokonanie pełne wykorzystanie dostępnych przepustowości bez udostępniania zasobów widma innym użytkownikom. Jednak, aby takie systemy działały, wymagane są nowe techniki kodowania / adaptacji, informacje zwrotne o stanie kanału i widoczność LOS wszystkich zaangażowanych punktów dostępu, aby mogła nastąpić skoordynowana wymiana informacji o zakłóceniach. Najnowszy przykład takich rozwiązań. Alternatywnym podejściem do technologii wieloantenowych jest gęste rozmieszczenie małych komórek. Opiera się to na założeniu, że użytkownicy będą fizycznie bliżsi obsługi stacji bazowych, co doprowadzi do znacznego wzrostu przepustowości i zostało uznane za najbardziej skuteczny sposób zwiększenia przepustowości sieci. Dzieje się tak, ponieważ pojemność skaluje się, przynajmniej teoretycznie, liniowo z gęstością komórek. Co więcej, całkowita moc transmisji sieci mogłaby zostać zmniejszona, ponieważ gęstość komórek jest proporcjonalna do kwadratu promienia komórki, podczas gdy utrata ścieżki jest proporcjonalna do odległości podniesionej przez pewien wykładnik utraty ścieżki, który jest zazwyczaj większy niż dwa. W związku z tym poprawa wydajności (wydajności widmowej) wynika z ulepszonego średniego SINR (z ściślejszą kontrolą zakłóceń) i nie odbywa się to kosztem zwiększenia promieniowania energii. W szeregu ostatnich badań przyjrzano się możliwym do osiągnięcia przyrostom pojemności związanym z rozmieszczeniem małych komórek nakładających się na makrokomórki, których nośniki obsługują regiony sieciowe, w których małe komórki nie zapewniają niezbędnego zasięgu. W związku z tym wprowadzono koncepcję małych komórek sąsiedzkich (NSC); sieć NSC składa się z małych komórek rozmieszczonych przez użytkownika końcowego lub operatora bez planowania RF lub minimalnie. W przeciwieństwie do tradycyjnego modelu wdrażania "zamkniętych" małych komórek dostępu (aka femtocells), NSC mają dostęp "otwarty / hybrydowy" do obsługi wszystkich abonentów należących do operatora. Wdrażanie w małych komórkach z otwartym dostępem ma tę zaletę, że użytkownicy mogą być obsługiwani za pomocą najlepszego łącza w dół, co skutkuje lepszą wydajnością. Niezależnie od tego, czy znajdują się w pomieszczeniach, czy na zewnątrz, NSC o otwartym dostępie zapewniają zasięg i pojemność zarówno użytkownikom wewnętrznym, jak i zewnętrznym. Wykazano, że wdrożenie NSC może zapewnić zyski rzędu 10-100x, gdy pojedyncza nośna 10 MHz jest dedykowana dla NSC, oraz z umiarkowaną penetracją NSC wraz z widmem do 100 MHz przydzielonym do warstwy małych komórek, 1000x DL Mediana przyrostu pojemności można osiągnąć przy 20% penetracji NSC (~ 145 NSC na makrokomórkę). Podobne wnioski zostały osiągnięte w badaniu będącym przedmiotem odniesienia. Wreszcie, badanie w referencji 2 ujawnia, że przy wysokiej kolejności MU-MIMO nadal jest w celu osiągnięcia wysokiej wydajności widmowej, szczególnie przy promieniach małych komórek; chociaż pomimo poprawy SNR (z zagęszczeniem komórek), poprawa SINR ma tendencję do wyrównywania się, prowadząc do zmniejszenia wydajności widmowej w odległościach między lokalizacjami (ISD) poniżej 100 m ze względu na nadmierne poziomy zakłóceń międzykomórkowych. Należy jednak pamiętać, że chociaż wystąpią straty w wydajności widmowej (SE) na mniejszych ISD (50 m i mniej), pojemność obszaru w bardzo małych ISD (pomimo strat) nadal będzie znacznie wyższa niż w przypadku większych ISD. W przypadku LTE-A zyski w postaci średniej przepustowości komórek DL ze względu na zagęszczenie (w porównaniu z wdrożeniem tylko dla makrokomórek @ ISD = 1000m), można uznać za najwyższe: około 20-30x przy ISD = 100m.

Zapotrzebowanie na dane mobilne

Podejście i metodologia

Aby ocenić zapotrzebowanie na ruch danych w sieci komórkowej, w jednostkach Gb / s / km², podejście przyjęte w odnośniku rozpoczyna się od znanych gęstości zaludnienia w 2010 r. Dla różnych typów środowiska i zakładając stawkę 1% rocznie dla zwiększenia subskrypcji, następnie oblicza i przedstawia dalsze prognozy popytu do 2020 r. i później (wskaźnik penetracji osiągnie 100% do 2020 r., chociaż wskaźniki penetracji wynoszą już ponad 100% w niektórych krajach APAC). Gęstość zaludnienia może być silnie niejednolita, na przykład w Wielkiej Brytanii istnieje szeroki zakres między najwyższą i najniższą gęstością zaludnienia. Zrobione w całości w Wielkiej Brytanii maksymalna gęstość zaludnienia (64 760 na km²) jest ponad 160 razy wyższa niż średnia i 12 razy wyższa niż średnia w najgęściej zaludnionym obszarze 80%. Średnia gęstość obszaru 80% została przekroczona w nieco ponad 2,2% powierzchni lądowej. Kiedy bierze się pod uwagę mobilność, ta różnica między średnią i szczytową gęstością zaludnienia gwałtownie wzrasta, a ruchliwe dzielnice biznesowe mają bardzo dużą gęstość zaludnienia. Na przykład City of London o powierzchni 2,9 km2 zamieszkuje zaledwie 8000 mieszkańców, ale pracuje tam około 320 000 osób [89], co powoduje wzrost gęstości zaludnienia o czynnik 40 do ponad 110 000 na km². Statystyki te ujawniają jeszcze większą dysproporcję między gęstością szczytową a średnią gęstością populacji (a zatem i liczby abonentów). Przykładami lokalizacji szczytowego zapotrzebowania ze względu na dużą gęstość zaludnienia i wysoką mobilność abonentów w godzinach pracy są główne dworce kolejowe lub wysokie budynki biurowe. Następnie wykorzystuje się zgłoszone prognozy ruchu na lata 2010-2018 i dalej ekstrapoluje do 2020 r. I później, przy założeniu wzrostu ruchu (złożona roczna stopa wzrostu - CAGR) 50%, aby obliczyć gęstości ruchu na abonenta w jednostkach GB / miesiąc / sub. Fakt, że konsumenci (użytkownicy domowi) generują znacznie większy ruch na podstawie liczby abonentów, niż przeciętni użytkownicy biurowi / przedsiębiorcy jest również uwzględniany. Łączenie zapotrzebowania na ruch subskrybenta i gęstości subskrybenta oraz zakładanie stopniowego zwiększania okresów BH, na przykład [2010 -2017] = 12,5%, [2018-2023] = 16,7% i tak dalej, można uzyskać gęstość ruchu (w jednostkach GB / miesiąc / km2), a następnie przekształcić w końcowe gęstości ruchu obszaru przed rozładowaniem w jednostkach Gb / s / km2. Gęstość ruchu w obszarze jest szczególnie interesująca i jest wykorzystywana w badaniu jako główny wskaźnik zapotrzebowania na ruch na danym obszarze. Wreszcie, zgłoszone średnie stawki odciążenia stosuje się, aby uzyskać prognozy ruchu przenoszonego przez sieć komórkową, to znaczy po rozładunku.

Popyt a moc obliczeniowa

W niedawnym badaniu opartym na prognozach ruchu CNI Visual Networking Index (VNI), 1000-krotny wzrost (w stosunku do poziomów z 2010 r.) popytu, można zaobserwować na całym świecie około 2021 r., Podczas gdy bardziej dokładny harmonogram typowego Kraj zachodnioeuropejski wydaje się być późniejszy, około roku 2026, i na zauważalnie różnych poziomach średniego zapotrzebowania na abonenta. W badaniu podkreślono rolę technologii odciążania, w przypadku których pojemność 3G / HSPA zostałaby wyczerpana w latach 2014-2015 w gęstszych środowiskach. Nawet wdrożenia 4G high-end (8x8 MIMO) mogą zabraknąć pojemności do ˜ 2025. Odnośne badanie wskazuje również, że różne poziomy zapotrzebowania będą znacząco różne w zależności od gęstości abonentów w różnych środowiskach (dla danego kraju), co ilustruje, że charakter rozwiązań, stosowane w celu spełnienia wymagań dotyczących przepustowości mogą się znacznie różnić w zależności od rodzaju rozważanego środowiska. Oczywiście możliwe jest dostarczenie oszacowań wymaganego widma, biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na ruch (lub prognozy) dla danego roku (w jednostkach b / s / m2 lub Gb / s / km²), średnie wydajności widmowe i liczbę pracowite godziny. Na przykład można zauważyć, że do 2020 r. 360 MHz (scenariusz wysokiego zapotrzebowania) i 44 MHz (scenariusz niskiego popytu) widmo byłoby wymagane (z wyłączeniem kosztów ogólnych kontroli / sygnalizacji), aby zapewnić wystarczającą pojemność dla poziomów popytu po odciążeniu odpowiednio 12,1 i 1,5 Gb / s / km². Ze względu na różnice w stosowanych metodologiach istnieją różnice między średnimi szacowanymi wymaganiami dotyczącymi widma a wymaganiami dotyczącymi widma. Konieczne jest zatem zmniejszenie wymagań dotyczących widma, jasne jest, że zagęszczenie i migracja do małych komórek mogą znacząco wpływać na ilość wymaganego widma (3-krotne zmniejszenie promienia komórki, co powoduje prawie 10-krotne zmniejszenie wymagań dotyczących widma). Z drugiej strony, przy ISD = 100 m, w typowym kraju europejskim wymagane byłoby tylko 36 MHz (wyłączając sterowanie / sygnalizację) licencjonowanego widma, które można łatwo znaleźć w zakresie częstotliwości poniżej 3 GHz. Przy wyższej wydajności MIMO, na przykład przenoszeniu do 8x8 MU-MIMO, można uzyskać dalsze redukcje wymagań dotyczących widma (rzędu 20x). Należy jednak zauważyć, że efektywność widmowa może być znacznie zmniejszona przy wąskich (3 MHz i poniżej) szerokościach pasma kanału ze względu na duże zajęcie dostępnych zasobów przez sygnały pilota, sterowania i odniesienia, a zatem najmniejszy poziom wymaganego widma obliczony dla środowisk B i E (@ ISD = 100m), obecnie odpowiednio 3 i 1 MHz, należy zrewidować do 5 MHz.3 Biorąc pod uwagę wydajności widmowe związane z niektórymi technologiami kandydującymi 5G i prognozami popytu w latach 2030-2035 można ustalić minimalne wymagania dotyczące widma, to znaczy piętro widma. Analiza wyraźnie wskazuje, że znaczące zyski, jak również kompromisy, które są możliwe przy zagęszczaniu i przemieszczaniu do małych komórek; Jednak potrzeba dodatkowego widma jest również oczywista, szczególnie w gęstych środowiskach. Jeśli do 2035 r. praktyczna efektywność widmowa nie wzrośnie znacznie ponad to, co mogą zaoferować obecne ogromne technologie MIMO i kształtowania wiązki 3D, oczywiste jest, że nawet przy małych komórkach ISD o szerokości 50 m , wymagane będzie bardzo duże widmo (rzędu 1 GHz), które jest dostępne tylko w pasmach mmWave, na zasadach współdzielonych (nielicencjonowanych) lub lekko licencjonowanych4. Warto zauważyć, że badanie podkreśla znaczącą rolę różnych technologii odciążania i że poziomy odciążenia będą wyższe niż ruch sieci komórkowych, we wszystkich środowiskach i do roku 2030. Jednak do 2035 r., Kiedy osiągnięta zostanie maksymalna pojemność odciążania (65%), trend zaczyna się odwracać. Będzie to miało znaczące konsekwencje dla sieci komórkowych, ponieważ do około 2035 r., z powodu braku dalszej zdolności odciążania, ruch, który musi być przenoszony przez sieci komórkowe, zostanie gwałtownie zwiększony. Odwrócenie tego trendu może rozpocząć się nawet wcześniej, jeśli w obliczeniach zostaną uwzględnione wymagania ruchu wynikające z ruchu M2M / IoT. Limity przepustowości niektórych znanych technologii można teraz odwzorować na przewidywane poziomy zapotrzebowania w różnych środowiskach. Jest oczywiste, że w okresie 2025-2030 w bardziej gęstych środowiskach, na przykład typu A lub D, limity pojemności małych komórek 4G zostaną osiągnięte, o ile nie zostanie zapewnione dodatkowe widmo (> 100 MHz); alternatywnie komórki ISD muszą przejść poniżej 100 m. Badania określają granicę zagęszczenia (maksymalna wydajność widmowa) przy użyciu technologii LTE-A na poziomie poniżej ISD = 100 m (@ 2,6 GHz) i na 150 m dla mmWave (@ 60 GHz z formowaniem wiązki 3D) wdrożenia, odpowiadające odpowiednio 115 i 50 małym komórkom na km2. Wykazano, że prawie 400 Gb / s / km² pojemności można osiągnąć nawet przy prostych schematach modulacji / kodowania.

Wyzwania dla małych komórek

Do połączenia małych komórek z siecią bazową, Internetem i innymi usługami potrzebny jest backhaul. Operatorzy komórkowi uważają to za trudniejsze niż backhaul makrokomórkowy, ponieważ: (i) małe komórki są zazwyczaj w trudno dostępnych obszarach w pobliżu poziomu ulicy, a nie w jasnych przestrzeniach, takich jak typowe dachy; oraz (ii) łączność między operatorami musi być zapewniona po znacznie niższym koszcie za bit. Każdy operator chciałby mieć połączenie światłowodowe do swoich małych komórek. Jest jednak jasne, że z wyjątkiem kilku krajów Azji i Pacyfiku, nie będzie tak z powodu kosztów, braku dostępności lub względów instalacyjnych. Bezprzewodowe urządzenia dosyłowe używane w warstwie makro nie są opłacalne dla małych komórek. W ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się wiele bezprzewodowych rozwiązań typu backhaul dla małych komórek, ale backhaul pozostaje wyzwaniem, ponieważ stanowi wysoki procent całkowitego kosztu posiadania (TCO). Dla wielu operatorów silna argumentacja biznesowa dotycząca małych komórek zależy od znalezienia opłacalnego rozwiązania typu backhaul (i uzyskania dostępu do widma dla backhaul, jeśli korzysta się z licencjonowanego widma). Proces selekcji jest dodatkowo komplikowany przez trudny wybór między rozwiązaniami, które zapewniają wysoką wydajność za pomocą widma mikrofalowego o wysokiej częstotliwości dla scenariuszy LOS, a łatwiejszymi do wdrożenia rozwiązaniami NLOS, które wymagają widma, które jest trudne lub kosztowne do uzyskania i ma mniejszą pojemność. W sierpniu 2013 r. Amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) ogłosiła zmianę zasad regulujących 60 GHz (57-64 GHz) pasmo, co czyni go jedną z kluczowych technologii backhaul LTE. Wyczerpujący zestaw wymagań dotyczących backhaul z sieci komórkowych nowej generacji (NGMN) można znaleźć w referencji.

Widmo - Ponieważ dostawcy usług komórkowych próbują dostarczać wysokiej jakości, wideo o niskiej latencji i multimedialne aplikacje dla urządzeń bezprzewodowych, są one ograniczone do widma częstotliwości nośnej w zakresie od 800 MHz do 2,6 GHz. W typowym kraju europejskim, na przykład w Wielkiej Brytanii, przydział pasma dla wszystkich technologii komórkowych nie przekracza 600 MHz, przy czym niektórzy główni dostawcy bezprzewodowi mają około 160 MHz we wszystkich różnych pasmach komórkowych dostępnych dla nich. Do 2020 r. minimalne (tzn. zakładające brak dalszego przydzielania / aukcji 4G) 2 x 106 + 2 x 159 = 530 MHz sparowanego widma (w tym 2G i 3G ponownie uprawiane) może być dostępne dla wdrożeń 4G i podzielone między operatorów. W skali globalnej nie można jednak wiele udostępnić do wyłącznego użytku poniżej 3GHz (obsługującego zarówno zasięg, jak i mobilność) oraz tego, co prawdopodobnie zostanie udostępnione (nawet przy wyższych częstotliwościach, takich jak pasma 28, 40 lub 60-70 GHz) może wymagać wspólnego korzystania, co wymaga dynamicznych technik dostępu do widma i mechanizmów udostępniania. Szacuje się, że prawie 100 GHz można udostępnić dla mobilnego Internetu szerokopasmowego w paśmie 3-300 GHz, a prawie 29 GHz można udostępnić w 23, lokalnej wielopunktowej usłudze dystrybucji (LMDS), 38, 40, 46, 47 i 49 Pasma GHz oraz prawie 13 GHz w paśmie E, wraz z 7 GHz nielicencjonowanego widma już dostępnego w paśmie 60 GHz. Następna generacja sieci drobnokomórkowych będzie wymagać więcej widma, które jest dostępne tylko w pasmach mmWave. Preferowaną opcją jest dostępność licencjonowanego i wyłącznego użytkowania rozliczonego widma, a następnie korzystanie z niego bez zezwolenia (dedykowane do WiFi lub LTE-u itp.) Oraz autoryzowany / licencjonowany dostęp współdzielony (ASA / LSA) [103], przy czym ten ostatni jest używany kiedy widmo nie może być autoryzowane, gdy jest wymagane do licencjonowanego wyłącznego użytkowania, ale może być używane w określonych miejscach i godzinach. Aby efektywniej wykorzystywać wszystkie zasoby widma, zaproponowano takie techniki, jak agregacja widma i rozwiązania, takie jak dodatkowe łącze w dół.

Automatyzacja - dzięki HetNets operatorzy stają przed nowym zestawem wyzwań w zakresie wdrażania i zarządzania ich sieciami. SON obejmuje szeroki zakres funkcji, które obejmują konfigurację sieci, optymalizację ruchu i QoE, efektywne wykorzystanie zasobów widma, ograniczanie zakłóceń i wsparcie mobilności, umożliwiając w ten sposób automatyzację. Do tej pory podejście do wdrażania małych komórek było podobne do hotspotów WiFi. Operator zainstalowałby je w razie potrzeby lub tam, gdzie była dostępna dobra lokalizacja, i utworzono mały obszar o dużej pojemności. Model ten działa, do pewnego stopnia, dla mieszkalnych femtokomórek, które w dużej mierze działają niezależnie od warstwy makro (a zatem tworzą jedynie minimalne zakłócenia) i służą tylko mieszkańcom. Jest jednak niewystarczające do zarządzania szerszymi sieciami małych komórek, zwłaszcza gdy znajdują się one na zewnątrz. Zarządzanie małymi komórkami w obszarach miejskich lub innych obszarach o dużej gęstości - w środowisku multi-RAT, które może obejmować nie tylko inne technologie komórkowe, ale także WiFi - wymaga zaawansowanych narzędzi zarządzania siecią LTE-Advanced (wydanie 10). Bez tych narzędzi wdrażanie małych komórek może nie zwiększyć pojemności ani poprawić wydajności. Automatyzację można uznać za warunek wstępny zagęszczania. Gęstość makro sieci zależy od wielu czynników, w tym natężenia ruchu i celów pokrycia. Do tej pory w Europie i Ameryce Północnej gęstość komórek w ośrodkach miejskich może wynosić nawet pięć komórek na km2. Gęstość komórek na innych rynkach (region Azji i Pacyfiku), gdzie zapotrzebowanie na ruch jest znacznie wyższy, może przekroczyć tę liczbę o cztery do sześciu razy. Tradycyjne procesy planowania i optymalizacji komórek, takie jak definiowanie sąsiadów RF i ręczna optymalizacja granicy między komórkami, które sprawdziły się w warstwie makro, będą wymagały pełnej automatyzacji, gdy operatorzy wdrożą dużą liczbę małych komórek, które muszą współistnieć z już zainstalowaną infrastrukturą. Wreszcie, niektóre z pozostałych wyzwań związanych z wdrożeniami małych komórek to:

•  Integracja z rdzeniem komórkowym - Mała sieć komórkowa musi być w pełni zintegrowana z rozszerzonym rdzeniem pakietowym (EPC) i obsługiwać SON, aby operator mógł widzieć i zarządzać ruchem danych użytkowników, wspierać mobilność, łagodzić zakłócenia i wdrażać spójną politykę w różnych warstwach sieci.
•  Potrzeba odpowiednich modeli kanałów LOS od UE do wielu stacji bazowych SC (i / lub lokalizacji makr) - Jako minimalne wymagania można założyć kanał zanikania Rician składający się z zaniku Rayleigha i deterministycznego komponentu LOS, gdzie każdy złożony kanał zyskuje między TX / Jednostki RX mogą mieć inną wariancję. To ostatnie założenie dotyczy współpracujących SC, ponieważ UE może być jednocześnie obsługiwane przez wiele stacji BS, z których każda ma kanał o innej utracie ścieżki.
•  Konieczność współpracy BS w celu wspierania mobilności użytkowników, ponieważ częste są uściśnięcia rąk, a współpraca może być nie tylko korzystna dla redukcji zakłóceń, ale także konieczna do obsługi mobilności użytkowników, to znaczy kilka BS może działać jako rozproszony system antenowy umożliwiający wspólne przetwarzanie sygnału i zmniejszenie częstotliwości twardych przerzutów między małymi komórkami.
•  Zarządzanie zakłóceniami (scentralizowane vs rozproszone), koordynacja vs anulowanie a unikanie (co jest najbardziej odpowiednie dla małych komórek 5G) i modele ścieżek.
•  Praca z ograniczoną przepustowością dosyłową (i opóźnienie <20ms jako włókno punkt-punkt może nie być dostępne) i niedoskonała znajomość kanału.
•  Projektowanie wektorów kształtujących wiązkę DL bez konieczności wymiany pełnej informacji o stanie kanału (CSI).
•  Potrzeba automatyzacji, ponieważ tradycyjne procesy planowania i optymalizacji komórek (takie jak definiowanie sąsiadów RF i ręczna optymalizacja granic między komórkami, które działały dobrze dla warstwy makro) będzie wymagać pełnej automatyzacji, gdy operatorzy wprowadzą dużą liczbę małych komórek, które muszą współistnieć z już zainstalowaną infrastrukturą