一種廣義分布式多小區(qū)架構(gòu)——群小區(qū)

摘要：為了更好地適應如空時碼、聯(lián)合發(fā)送、多入多出等未來移動通信系統(tǒng)核心技術(shù)的應用，滿足第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的多媒體業(yè)務對通信鏈路質(zhì)量越來越高的要求，需要探討全新的移動通信小區(qū)與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。廣義分布式多小區(qū)架構(gòu)可以適應先進的多天線技術(shù)，并有效地解決由于載頻提高導致的頻繁切換問題。基于該架構(gòu)的新型切換策略——群切換可以消除小區(qū)邊緣效應，而進一步將群切換思想應用于3G系統(tǒng)的快速小區(qū)組選擇方案可以大幅度地提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率。

關(guān)鍵詞：蜂窩；群小區(qū)；群切換；滑動切換；快速小區(qū)組選擇

Abstract: In order to make full use of the advanced technologies for future mobile communications systems such as Space Time Code (STC)， Joint Transmission (JT)， Multiple Input Multiple Output (MIMO) etc， to meet the requirements of high bit rate multimedia services， new network topologies should be studied. The generalized distributed multi-cell architecture can take full advantage of multi-antenna technologies and solve the problem of frequent handover caused by higher carrier frequency. And the handover policy base on this architecture——group handover， can eliminate cell edge effect. Furthermore， by applying the concept of group handover to 3G mobile communication systems， the Fast Cell Group Selection (FCGS) scheme can effectively improves the data rate for cell edge users.

Key words: cell; group cell; group handover; slide handover; fast cell group selection

基金項目：國家自然科學基金重大項目(60496312)；北京市自然科學基金項目(4042021)

1971年Bell系統(tǒng)實驗室提出的蜂窩制小區(qū)的設(shè)計方案突破了點對點傳輸和廣播覆蓋模式，將一個移動通信服務區(qū)劃分為許多蜂窩小區(qū)，實現(xiàn)了蜂窩小區(qū)覆蓋、切換、小功率發(fā)射和頻率復用，有效地解決了當時(20世紀80年代)移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)的頻譜匱乏、容量不足、服務質(zhì)量差及頻譜利用率低等問題。蜂窩組網(wǎng)理論已經(jīng)成功應用了20多年，但是進入21世紀后，隨著移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，同樣的問題又開始重新顯現(xiàn)出來，并且日益尖銳。由于頻譜資源的限制，未來無線通信系統(tǒng)可能會利用更高的頻段，由于高頻段信號損耗的增加，蜂窩小區(qū)的覆蓋面積會比采用現(xiàn)有載頻的蜂窩小區(qū)覆蓋面積大幅度地減小。小區(qū)面積的減小將使得覆蓋同樣的區(qū)域需要更多的小區(qū)，這不僅將增加接入點的建設(shè)負擔，更導致頻繁切換的問題。頻繁的切換將會嚴重降低系統(tǒng)效率，造成資源的浪費，而且也會造成切換失敗及通信質(zhì)量的不穩(wěn)定。另一方面，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和射頻技術(shù)的突飛猛進，大量先進的物理層技術(shù)可被用于新的移動通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的蜂窩架構(gòu)已經(jīng)不能很好地發(fā)揮物理層新技術(shù)特別是多天線技術(shù)的優(yōu)勢。隨著用戶對高速率、高質(zhì)量無線通信業(yè)務需求的不斷增長，以及對多天線信號處理技術(shù)(如空時碼、聯(lián)合發(fā)送等)的深入研究，探討全新的移動通信小區(qū)與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)成為必然。

目前，在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)有人提出了一些改進措施。例如分布式天線系統(tǒng)^[1]、微小區(qū)方法^[2]、站點選擇發(fā)送分集(SSDT)方法^[3]、捆綁(Bunched)系統(tǒng)^[4]等。這些改進型的移動通信系統(tǒng)雖然在一定程度上提高了蜂窩系統(tǒng)的容量，但還是基于傳統(tǒng)的小區(qū)架構(gòu)和切換策略，不能很好地適應聯(lián)合發(fā)送、空時碼、多入多出(MIMO)等未來移動通信系統(tǒng)核心技術(shù)的應用。

基于多天線系統(tǒng)架構(gòu)，本文介紹一種新型的應用于未來移動通信系統(tǒng)的適應空時碼、聯(lián)合發(fā)送、分布式天線等先進技術(shù)的廣義分布式多小區(qū)架構(gòu)——群小區(qū)以及基于該網(wǎng)絡架構(gòu)的新型切換模式——群切換^[5-9]。另外，第三代移動通信系統(tǒng)的多媒體業(yè)務對通信鏈路質(zhì)量的要求越來越高，其長期演進計劃將提高小區(qū)邊緣用戶性能作為必須達到的一個目標。基于群切換思想，將群切換策略進行適當?shù)淖兓m用于現(xiàn)有第三代移動通信系統(tǒng)(3G)增強系統(tǒng)，本文提出了解決小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)速率下降問題的方案——快速小區(qū)組選擇方案(FCGS)，仿真比較了該方案相對于快速小區(qū)選擇(FCS)^[10]以及軟切換^[11]等方案性能的提高情況。

1 廣義分布式多小區(qū)架構(gòu)及其越區(qū)切換策略

在多天線發(fā)送技術(shù)的基礎(chǔ)上，群小區(qū)被定義為：在地理位置相鄰的多個小區(qū)(圖1中天線或天線陣的覆蓋面積)中，針對一個移動終端采用同一套通信資源(例如頻率、時隙或碼道)進行通信，而針對其他移動終端分別采用不同的通信資源進行通信。采取這種通信方式的多個小區(qū)就構(gòu)成了一個群小區(qū)。根據(jù)不同的應用環(huán)境，群小區(qū)的構(gòu)建方式可以不同。圖1表示了高速公路環(huán)境以及市區(qū)環(huán)境下的群小區(qū)的構(gòu)建方式。

在群小區(qū)架構(gòu)中，每個接入點(AP)內(nèi)部有一根或多根分離的天線(或天線陣)，典型的天線(或天線陣)間距為十幾米到幾十公里。天線(或天線陣)和接入點之間可通過光纖、同軸電纜、微波鏈路等方式連接。信號處理功能由接入點完成。一個接入點可以看成具有多根天線(或天線陣)的基站。

群小區(qū)的構(gòu)成可以有多種方式：可以是固定的，也可以是滑動的。在固定群小區(qū)架構(gòu)中，各個群小區(qū)所包含的天線終端是固定的；在滑動群小區(qū)架構(gòu)中，群小區(qū)是對應于移動終端的，其具體包含的天線(或天線陣)終端是可變的，隨著移動終端當前情況(如位置、信道等)的變化而動態(tài)改變。同時，每個群小區(qū)中的天線數(shù)目可以根據(jù)不同的需要(如信道數(shù)、服務質(zhì)量等)來選擇。

圖1中描述了一個典型的基于群小區(qū)架構(gòu)的無線通信系統(tǒng)。接入點AP₁下設(shè)置N根天線，即原來N個傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)覆蓋的范圍現(xiàn)在由一個接入點來覆蓋。原來每個傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)中的基站現(xiàn)在用天線(圖中用數(shù)字1～6標注)代替。在AP1中，天線1、2、3構(gòu)成群小區(qū)1(圖1中用藍色標注群小區(qū)1的覆蓋范圍)，天線4、5、6構(gòu)成群小區(qū)2(圖1中用綠色標注群小區(qū)2的覆蓋范圍)，該方式稱為固定群小區(qū)的構(gòu)建方式。群切換發(fā)生在移動終端1(MT₁)從群小區(qū)1向鄰近的群小區(qū)2的轉(zhuǎn)移過程中。假設(shè)MT₁原來位于群小區(qū)1內(nèi)，和群小區(qū)1中的天線1、2、3進行通信。在群小區(qū)1的覆蓋范圍內(nèi)移動時，無須切換。當移動終端1跨過群小區(qū)1和群小區(qū)2的邊界，進入群小區(qū)2的覆蓋范圍時，就需要進行群切換，從與群小區(qū)1(由天線1、2、3構(gòu)成)的連接整個切換到和群小區(qū)2(由天線4、5、6構(gòu)成)的連接。和原來蜂窩移動通信系統(tǒng)中的切換方式類似，在兩個群小區(qū)之間可以進行硬切換或軟切換。這一過程為固定群切換過程。

另一種切換方式為滑動群切換方式，可以將構(gòu)造群小區(qū)的過程看作一個窗口滑動的過程，這個窗口中的多個小區(qū)構(gòu)成一個群小區(qū)。在AP2中，移動終端3(MT₃)在時刻1可由天線11、12、13構(gòu)成一個群小區(qū)，隨著移動終端的移動，在時刻2天線13、14、16可構(gòu)成另外一個群小區(qū)。移動終端從天線11、12、13構(gòu)成的群小區(qū)滑動到天線13、14、16構(gòu)成的群小區(qū)的過程被稱為滑動切換。該窗口滑動的速度以及其大小、形狀是可以動態(tài)變化的。比如，可以根據(jù)移動終端速度的大小和方向變化。當移動終端速度比較快時，滑動窗可以大一些以跟隨移動終端的移動，減少其切換。當然，當移動終端運動方向產(chǎn)生變化時，滑動窗的方向也要跟隨其變化。不同的終端可能會對應不同的群小區(qū)結(jié)構(gòu)。群小區(qū)的構(gòu)成方式不再是固定的，而是可以動態(tài)滑動的，這種切換方式即為滑動群小區(qū)構(gòu)建方式。

群小區(qū)概念是能夠應用在多天線系統(tǒng)中的一種全新的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以充分利用多天線技術(shù)帶來的優(yōu)勢，并且系統(tǒng)的資源是由AP來進行統(tǒng)一調(diào)度，易于達到資源整體最優(yōu)分配，且更有利于利用先進的信號處理技術(shù)來有效地提高系統(tǒng)性能。滑動切換策略使得用戶始終處于小區(qū)的中心，克服了小區(qū)邊緣效應問題，進一步地提高了用戶的性能。

2 廣義分布式多小區(qū)在現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)下的應用

基于滑動群切換的思想并結(jié)合現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡架構(gòu)，本文提出了快速小區(qū)(扇區(qū))組選擇方案。本文中，扇區(qū)與小區(qū)將不進行嚴格的區(qū)分。該方案被認為是解決3G長期演進計劃中提高小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)速率問題的一個有效途徑。

快速小區(qū)組選擇方案定義為：當移動終端處于小區(qū)邊緣時，每個更新周期選擇鏈路質(zhì)量最好的一個或幾個小區(qū)作為發(fā)送下行數(shù)據(jù)的候選小區(qū)組，候選小區(qū)組結(jié)合多天線技術(shù)向移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)。3G增強系統(tǒng)是小區(qū)扇區(qū)化系統(tǒng)，如圖2所示。MT₁處于節(jié)點B₁內(nèi)部扇區(qū)交界處，進行節(jié)點B內(nèi)部的快速扇區(qū)組選擇，每個更新周期從節(jié)點B內(nèi)部選擇導頻信號強度最大的一個或幾個扇區(qū)向移動終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)，所選扇區(qū)與同一個節(jié)點B相連。節(jié)點B內(nèi)部的快速小區(qū)組選擇與滑動群切換類似，不過快速小區(qū)組選擇方案主要針對處于小區(qū)邊緣的用戶，可以結(jié)合先進的多天線技術(shù)進行扇區(qū)間的協(xié)同，如應用空時分組碼(STBC)等來提高小區(qū)邊緣用戶的性能。

所選的扇區(qū)也可以屬于不同節(jié)點B。如圖2中，MT₂處于節(jié)點B₁、節(jié)點B₂、節(jié)點B₃之間扇區(qū)交界處，進行節(jié)點B之間的快速扇區(qū)組選擇，每個更新周期從扇區(qū)1B、扇區(qū)2A、扇區(qū)3A中選出導頻信號強度最大的一個或幾個扇區(qū)向移動終端發(fā)送下行數(shù)據(jù)。

快速小區(qū)組選擇方案的具體實施流程如圖3所示：

(1)進行物理層測量。移動終端對各小區(qū)的導頻信道進行測量，結(jié)合各小區(qū)的當前可用功率、業(yè)務負載、資源分配情況等信息選擇鏈路質(zhì)量最好的一個或幾個小區(qū)。

(2)用上行物理層信令將小區(qū)組選擇結(jié)果通知給所選中的各小區(qū)。

(3)選中的小區(qū)組對該移動終端進行數(shù)據(jù)調(diào)度。選中的最佳小區(qū)組所在的節(jié)點B向該移動終端發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

快速小區(qū)組選擇方案與軟切換的主要區(qū)別在于其服務小區(qū)組的更新周期更快，可以達到每幀更新，切換延時更小；而與快速小區(qū)選擇的主要區(qū)別在于它能與有效提高容量的多天線技術(shù)結(jié)合，充分利用發(fā)送分集優(yōu)勢。

下面對扇區(qū)化系統(tǒng)中節(jié)點B內(nèi)部快速小區(qū)組選擇結(jié)合空時分組碼(STBC)技術(shù)相對于快速小區(qū)選擇及軟切換的性能進行仿真比較。仿真參數(shù)如表1所示。

圖4給出了節(jié)點B內(nèi)快速小區(qū)組選擇、快速小區(qū)選擇、軟切換3種方案的性能增益情況，仿真中僅比較了系統(tǒng)中發(fā)生切換用戶的性能增益情況，其中快速小區(qū)組選擇方案以及軟切換方案都只選擇兩個小區(qū)的情況。通過切換用戶的信道容量比較可知，采用空時分組碼(STBC)發(fā)送方案的快速小區(qū)組選擇方案的性能要優(yōu)于快速扇區(qū)選擇方案以及軟切換方案。

3 結(jié)束語

廣義分布式多小區(qū)架構(gòu)——群小區(qū)是一種適用于未來移動通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，可以適應先進的多天線技術(shù)，并有效解決由于載頻提高導致的頻繁切換問題。群小區(qū)架構(gòu)突破了傳統(tǒng)蜂窩組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小區(qū)域覆蓋向大區(qū)域覆蓋的飛躍。基于群小區(qū)架構(gòu)的群切換模式可以有效地減少切換次數(shù)，提高切換性能和系統(tǒng)資源的利用率，采用滑動切換方式還可以進一步提高系統(tǒng)的性能。針對目前3G系統(tǒng)的演進需求，將群切換思想應用于當前3G系統(tǒng)架構(gòu)而提出的快速小區(qū)組選擇方案被認為是解決第3代移動通信合作計劃(3GPP)長期演進計劃中提高小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)速率問題的一個可能途徑，與快速小區(qū)選擇以及軟切換方案相比，快速小區(qū)組選擇通過先進的信號處理技術(shù)可以更大幅度地提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率。節(jié)點B內(nèi)部的快速小區(qū)組選擇方案已經(jīng)在2005年8月3GPP倫敦會議上被接受并寫入3GPP的技術(shù)報告(TR25.814)中^[12]。

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收稿日期：2006-01-06

作 者 簡 介

陶小峰，北京郵電大學無線新技術(shù)研究所副所長、博士、副教授，國家“863”計劃通信技術(shù)主題FuTURE未來移動通信計劃TDD特別工作組組長。已在國內(nèi)外期刊和國際學術(shù)會議上發(fā)表論文51篇，其中SCI、EI、ISTP檢索論文35篇；申請發(fā)明專利16項，其中2項已授權(quán)；出版專著兩部。

吳春麗，北京郵電大學無線新技術(shù)研究所在讀碩士研究生。研究方向為先進移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，包括廣義分布式網(wǎng)絡架構(gòu)、無線資源管理策略、3G增強系統(tǒng)標準化工作等。

許曉東，北京郵電大學無線新技術(shù)研究所在讀博士研究生。研究方向為先進移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，包括廣義分布式網(wǎng)絡架構(gòu)、無線資源管理策略、3G增強及其標準化工作等。