協作多點通信系統中的切換機制

[摘要]協作多點技術能有效改善小區邊緣用戶性能，提高系統吞吐量。協作多點技術需要設計全新的切換機制，否則將會限制其實際性能。文章基于協作多點通信系統架構下的切換場景提出了一種支持協作多點通信的切換機制，包括協作小區集合切換和協作傳輸點選擇/更新的信息交互以及信令傳輸流程。該切換機制可有效支持協作多點通信，同時降低信息交互及信令開銷。

[關鍵詞]協作多點;切換;信息交互;信令傳輸

Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology has drawn an extensive attention recently and became one of the 3GPP LTE-Advanced key study item due to its ability of improving both cell-edge and average system performance. However， efficient handover scheme that has great impact on CoMP performance has not been investigated yet. It is necessary to design a new handover scheme for CoMP scenarios. In this paper， the handover model of CoMP system is analyzed and a novel handover scheme supporting CoMP is proposed， including information sharing and signaling transmission procedure of CoMP cooperating sets handover and CoMP transmission points selection/update. The proposed scheme could support CoMP well， but reduce the overhead of information exchanging and signaling transmission.

ccoordinated multi-point transmission/reception; handover; information exchange; signaling transmissionwireless network; joint radio resource management

1 協作多點通信技術

近年來，隨著移動通信技術的發展，系統對無線通信業務的支持能力有了明顯的提高。然而，用戶對高速率、高質量的多媒體業務也有了更高的需求。因此，在下一代移動通信技術的研究中，對頻譜效率、傳輸速率、系統吞吐量和小區邊緣性能等方面也提出了更高的要求。協作多點技術因其能有效改善小區邊緣用戶性能，提高系統吞吐量，在近年來引起了業界的廣泛關注和研究，并成為3GPP LTE-Advanced標準化工作的重要研究項目[1]。

協作多點技術，即指多個地理位置相互獨立分散的傳輸點通過不同的協作方式(如聯合傳輸、聯合處理、協作調度等)為多個用戶服務。其中，多個傳輸點可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和射頻單元的基站，或者是地理位置互異的多個射頻單元及天線(如分布式天線)，或者是中繼節點。

1.1 協作多點通信技術的發展

協作多點通信技術起源于兩個重要的通信理論，即中繼信道容量分析和多天線分集理論。中繼信道模型[2]是協作多點通信技術的最本質模型，可從信息論角度對3個以上節點組成的通信網絡的容量進行中繼信道容量分析。根據不同的條件，中繼信道可變化為廣播信道和多址接入信道。多天線分集理論[3-4]，也稱為多輸入多輸出(MIMO)技術，是指發送端(接收端)配備多根天線或天線陣列，利用多天線間形成的多個空間子信道的分集增益提高發送端與接收端之間的信道容量。利用空間分集提高收發兩端間的信道容量是協作多點通信技術產生的根本動因，同時多天線分集理論的研究發展使得在實際通信系統中使用協作多點通信技術成為可能。

在CDMA移動通信系統軟切換中使用的宏分集技術可以說是在實際通信系統中最早運用協作多點通信技術的實例。與硬切換不同的是，在軟切換中，用戶從一個基站切換到另一個基站的過程中有一段時間是與源基站和目標通信基站同時通信的，從而增加用戶切換成功的概率。

分布式天線系統[5]的研究也為如今的協作多點通信技術奠定了一定的研究基礎。在分布式天線系統的基礎上提出的廣義分布式天線系統[6]則第一次將多點協作的概念引入了分布式天線系統。而群小區理論[7-10](如圖1所示)的提出，第一次引入了蜂窩小區間協作通信概念，是現代協作多點通信技術的雛形，標志了面向整個蜂窩移動通信系統的協作多點通信技術的問世。

近年來，隨著正交頻分復用(OFDM)及MIMO技術被確定為下一代移動通信系統的關鍵技術，基于OFDM-MIMO系統的協作通信的研究引起了廣泛關注，諸如虛擬MIMO、網絡MIMO、協作MIMO等新概念新技術不斷涌現，它們都屬于現代協作多點通信技術的范疇。

在3GPP標準化研究中，現代協作多點通信技術被命名為多用戶協作多點傳輸(CoMP)技術，成為LTE-Advanced系統中的重要研究項目之一。

1.2 CoMP關鍵技術

CoMP技術主要分為兩大類:聯合處理(JP)及協作調度/波束賦形(CS/CB)。聯合處理利用不同小區基站天線到用戶的空間分集來提高小區邊緣用戶性能，進一步分為聯合傳輸和動態小區選擇兩類。其中，聯合傳輸是指多個小區用相同的時頻資源向用戶發送承載用戶數據信息的物理下行共享信道(PDSCH);動態小區選擇指同一時刻由用戶設備(UE)動態選擇某一小區向其發送PDSCH。協作調度/波束賦形則是利用不同小區之間的信息交互，通過對資源(時間、頻率、空間等)的調度，包括波束賦形向量的調度來減少小區間干擾(ICI)，從而改善小區邊緣性能，提高系統吞吐量。

CoMP技術需要多種物理層傳輸技術的支持，如適應多小區聯合傳輸的MIMO技術、預編碼技術、網絡編碼技術、高效的信道估計和聯合檢測技術等。同時，先進有效的無線資源管理方案也是影響CoMP技術性能的重要因素，如小區資源分配策略、負載均衡、聯合傳輸中協作小區的選擇機制以及有效的切換策略等。其中切換性能是衡量移動通信系統性能的重要指標，有效的切換策略是實現用戶無處不在的網絡的關鍵。在引入協作多點通信技術后，系統中的切換場景將發生變換，現有系統中的切換策略將無法滿足新場景中的切換需要，因此設計有效的切換策略成為CoMP技術中亟待解決的問題。

2 協作多點通信中的切換場景分析

在現有蜂窩移動通信系統的切換場景中，通常由用戶觸發切換流程，用戶在與當前連接的基站進行通信的同時，周期性的測量當前連接基站以及相鄰小區基站的導頻信號強度，當用戶測量發現當前連接基站的導頻信號強度下降到一定門限值以下，同時相鄰小區中某一小區基站的導頻信號強度上升到一定門限值以上并持續一定時間后，即觸發切換流程。切換過程中需要經過用戶、源基站和目標基站間復雜的信息交互和信令傳輸。在3G增強系統3GPP LTE系統中由于取消了無線網絡控制(RNC)節點，所以沒有采用軟切換技術，所有切換過程均為硬切換，即用戶先與源基站斷開連接，然后與目標基站建立連接。

當引入協作多點通信后，用戶的切換場景將發生改變。首先，用戶在可能發生切換的區域通常也是小區邊緣區域，即用戶與當前連接基站間的通信質量較差時。而在引入協作多點通信后，此時的用戶很可能正在采用協作多點通信模式，因此需要設計新的切換策略來同時支持協作多點通信模式下的用戶切換和傳統通信模式下的切換。其次，假如用戶在協作多點通信模式下發生切換，則不再是從一個小區切換到另一個切換的小區間切換，而將可能是從一個小區集合切換到另一個小區集合，如CoMP聯合處理JP中的聯合傳輸，此時需要新的切換機制來協調多個小區之間的信息交互和信令傳輸.

在當前的LTE-Advanced移動通信系統標準化進程中，后向兼容性是非常重要的準則，同時也說明新的切換機制需要同時支持協作多點通信模式下的切換和傳統通信模式下的切換，新的切換機制需要在現有的切換機制上進行改進。因此，本文以下部分將注重描述本文提出的切換機制在現有LTE系統切換機制基礎上的修改部分，不再復述與現有切換機制相同的部分。同時，本文將側重于對切換機制的改進，即切換過程中多小區之間，多小區與用戶之間的信息交互與信令傳輸流程，即在現有切換機制中小區與用戶間的信息交互及信令傳輸的基礎上，給出支持協作多點通信所需要增加的信息交互，同時提出相應的交互及信令傳輸流程。

3 支持協作多點通信的切換機制

3.1 系統模型

基于3GPP LTE-Advanced系統標準化進程最新的CoMP系統模型，本文將重點分析頻分雙工系統中下行CoMP JP場景下切換時的信息交互及信令傳輸流程，因為在CoMP JP場景下對現有切換機制中信息交互及信令傳輸流程的修改是最為顯著的。

(1)服務小區

服務小區向UE發送PDCCH的小區，在通信過程中，同時只有一個小區為UE的服務小區。

(2)測量小區集合

UE進行周期性的信道狀態信息測量的小區集合，該小區集合由UE服務小區所在演進的基站(eNodeB)半靜態配置。

(3)協作小區集合

協作小區集合(CCS)直接或間接參與向UE發送PDSCH的小區集合。

(4)協作傳輸點集合

協作傳輸點集合(CTP)直接參與向UE發送PDSCH的小區集合。

這里我們采用CoMP系統分析時常用的系統模型，CCS由測量小區集合中選出，CTP由CCS中選出，如圖2所示。

3.2 反饋及資源管理策略假設

本文假設CoMP UE僅向服務小區進行反饋報告。JP時，資源分配與調度，以及傳輸參數可以由服務小區所屬eNodeB單獨決定，也可以由各協作小區通過協商共同決定。由于UE僅接收服務小區的PDCCH，上述信息必然要匯總于服務小區，因此，為了減小X2接口上信息交互開銷以及產生的時延，本文假設資源分配與調度，以及傳輸參數均由服務小區所屬eNodeB決定，并將必要的信息通過X2接口傳輸給各協作小區。

3.3 支持協作多點通信的切換流程

如前述所說，我們除去現有切換過程中完整復雜的信息交互及信令傳輸，概述性的介紹支持協作多點通信中的切換流程。

(1)切換流程的觸發

在LTE-Advanced系統的標準化進程中規定PDCCH僅由服務小區發送給UE，而每一個UE相同時刻只屬于一個服務小區，而PDCCH用來向UE發送各種控制信令，必須保證PDCCH的通信質量。因此，當服務小區的導頻信號強度(RSRP)下降到一定門限值以下而相鄰小區中某一基站的RSRP上升到一定門限值以上時，即觸發切換流程，無論UE是否處于CoMP模式，這與現有的切換流程觸發模式基本相同。

(2)CoMP模式下的切換流程

根據CoMP JP的定義，當UE處于CoMP模式是，該UE對應于一個小區集合即CCS，CCS中所有小區均擁有UE的數據信息，每個時刻，UE動態的選擇協作傳輸小區集合CTP，因此，在CoMP模式下，除了服務小區間切換，還需要為CCS以及CTP設計切換機制，即CCS以及CTP建立與更新過程。

我們首先給出CCS的切換流程及必要的信息交互和信令傳輸，然后給出CTP的建立與更新過程。

(3)CCS的切換流程

我們稱UE切換后所連接的服務小區為目標服務小區，切換前的CCS及其中的協作小區成為源CCS及源協作小區，切換后的CCS及協作小區稱為目標CCS及目標協作小區，在此基礎上給出CCS的切換流程如圖3所示。

第1步。目標服務小區所屬eNodeB通過下行控制信道向UE發送測量命令，要求UE對測量小區集合中的小區的信道信息進行測量，包括RSRP、傳播時延等，為了保證CCS的建立速度，提高CCS切換的成功性，不要求UE測量如信道矩陣H，CSI(信道狀態信息)或信道質量信息(CQI)等詳細的信道信息。要求UE測量傳播時延是為了保證CCS中各小區到UE的有較小的傳播時延差異，有利于聯合傳輸時UE端的信號同步。

第2步。UE根據第一步中的測量命令對測量小區集合中的小區進行測量并向目標服務小區上報相應測量結果。

第3步。目標服務小區所屬eNodeB根據UE上報的測量結果選定UE的候選目標CCS。候選目標CCS中的候選目標協作小區需要滿足下面兩個條件:

●導頻信號強度滿足要求，可以按照RSRP大于某一特定門限或者MAX-N的方法選定N 個RSRP最大的小區組成候選目標CCS，其中具體的門限值以及N 的個數根據UE業務需求和系統負載情況進行半靜態配置;

●各目標協作小區(包括服務小區在內)到UE的傳播時延差異較小，也可以按照上述設定門限值或選取MIN-N 的方法來選取候選目標協作小區。

第4步。如果候選目標小區與目標服務小區屬于同一個eNodeB，則到第6步，否則啟動X2接口(X2接口為eNodeB間的通信接口)CCS建立進程，該進程包括:

●目標服務小區所屬eNodeB通過X2接口用戶平面向候選協作小區所屬eNodeB發送UE的數據信息。

●目標服務小區所屬eNodeB通過X2接口控制平面向候選協作小區所屬eNodeB發送協作小區集合CCS建立請求信息，該請求包括以下信息:目標服務小區標志;目標候選協作小區標志;UE業務承載信息，與UE業務承載相關的信息，及E-RAB信息，該信息與服務小區切換時由源服務小區向目標服務小區發送的E-RAB信息相同;資源信息請求(CRI_Request)，用于目標服務小區請求候選目標協作小區報告小區內的資源使用信息，我們定義為CRI，該信息有利于根據各協作小區的資源使用情況更好地進行CoMP用戶的資源分配，該請求包括協作小區CRI的報告周期，在CCS未更新時，協作小區將以該周期報告CRI;CoMP模式，用于標志請求的模式，包括JP/CS/CB等;UE信息，CoMP是基于用戶的，因此需要共享UE相關信息。

第5步:收到CCS建立請求信息的候選目標協作小區所屬eNodeB通過X2接口控制平面向目標服務小區所屬eNodeB發送CCS建立響應信息，該信息包括:

●消息傳遞源小區標志。

●消息傳遞目標小區標志。

●資源信息請求(CRI)，候選目標協作小區根據CCS建立請求中配置的CRI報告周期向目標服務小區周期性報告本小區資源使用情況，當目標服務小區未收到CRI更新時，將一直使用當前CRI。

●接受/拒絕，目標小區可以根據本小區的情況決定接受/或拒絕CCS建立請求，即是否參與CoMP。

第6步:將未收到Reject信息的候選目標協作小區加入目標協作小區集合CCS，CCS切換完畢。

至此，CCS切換流程結束，同時啟動CTP建立/更新流程，。

(4)CTP建立/更新流程

CCS切換完畢后，需要進行CTP的建立/更新，CTP的建立/更新流程介紹如下:

(a)CTP的建立

第1步。目標服務小區通過下行控制信道要求UE對CCS內所有協作小區的信道狀態信息進行測量。

第2步。UE向目標服務小區反饋CCS內所有協作小區的信道狀態信息，為了減小反饋開銷，UE僅反饋長期的信道狀態信息。

第3步。目標服務小區根據UE反饋的測量以及CCS切換時各小區反饋的CRI信息(資源使用信息)選擇UE的候選CTP，候選CTP內的小區需要同時滿足信道質量的要求和小區負載的要求。

第4步。目標服務小區要求UE測量候選CTP內小區的信道狀態信息。

第5步。UE將測量的short-term信道狀態信息以及信道狀態信息對應的頻帶反饋給目標服務小區。

第6步:目標服務小區根據UE反饋的測量結果對UE進行資源調度并確定聯合傳輸時使用的傳輸參數。

第7步。目標服務小區通過X2接口控制平面向CTP內各小區發送CTP建立/更新信息，該信息包括:

●目標服務小區標志。

●傳輸點標志。

●資源分配信息。分配給CoMP UE下行物理資源的相關信息，包括PRB的位置、數目等。

●物理層傳輸參數。包括預編碼矩陣標志/秩標志(PMI/RI)、調制編碼方案、傳輸模式(單用戶多入多出系統、多用戶多入多出系統、開環/閉環、分集/復用等)、天線端口號、同步信息等。該傳輸參數要與資源分配信息相對應。

●UE信息。CoMP是基于用戶的，因此需要共享UE相關信息。

第8步。候選CTP內小區向目標服務小區返回CTP建立/更新信息響應，該響應包含響應小區標志以及接受/拒絕信息，小區可以根據自身情況選擇拒絕參與CoMP。

第9步。目標服務小區通過下行控制信道告知UE實際CTP，調度信息以及相應傳輸參數并開始CoMP數據傳輸。

(b)CTP的取消

當CTP需要進行更新時，需要進行CTP的取消，該進程由目標服務小區發起，目標服務小區向原CTP內小區發送CTP取消信息，該消息包含聯合傳輸停止指示和資源釋放命令。

至此CTP建立/更新流程完畢。

4 結束語

支持協作多點通信的切換策略，由于引入了“多點”，使得切換場景已經不是傳統的一個小區切換到另一個小區的單小區切換，而是由多個小區切換到多個小區的小區集合切換。因此，切換時小區之間、小區與用戶之間的信息交互與信令傳輸將更為復雜，設計有效的切換機制以減小協作多點通信場景下信息交互和信令傳輸開銷，提高切換效率與成功率，這是保證協作多點通信性能的關鍵。

本文分析了協作多點通信系統架構下的切換場景，并提出了一種支持協作多點通信的切換機制，指出了協作小區集合切換和協作傳輸點選擇/更新所需的交互信息，同時給出了信息的交互步驟以及支持切換的信令傳輸流程，可以減少開銷，提高協作多點通信系統切換的成功率。

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收稿日期:2009-11-06

許曉東，北京郵電大學信息與通信工程學院、泛網無線通信教育部重點實驗室講師、博士，主要研究領域為廣義蜂窩網絡架構、無線資源管理策略、協作通信技術等。已發表SCI/EI檢索學術論文30多篇，申請發明專利10余項。

陳鑫，北京郵電大學通信與信息系統在讀碩士研究生，研究方向為新型移動通信網絡架構下的無線資源管理。

李靜雅，北京郵電大學通信與信息系統在讀碩士研究生，研究方向為新型移動通信網絡架構在未來移動通信系統中的關鍵技術。