一種廣義分布式多小區架構——群小區

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

關鍵詞：蜂窩；群小區；群切換；滑動切換；快速小區組選擇

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系統實驗室提出的蜂窩制小區的設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劃分為許多蜂窩小區，實現了蜂窩小區覆蓋、切換、小功率發射和頻率復用，有效地解決了當時(20世紀80年代)移動通信系統出現的頻譜匱乏、容量不足、服務質量差及頻譜利用率低等問題。蜂窩組網理論已經成功應用了20多年，但是進入21世紀后，隨著移動通信技術的迅猛發展，同樣的問題又開始重新顯現出來，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，蜂窩小區的覆蓋面積會比采用現有載頻的蜂窩小區覆蓋面積大幅度地減小。小區面積的減小將使得覆蓋同樣的區域需要更多的小區，這不僅將增加接入點的建設負擔，更導致頻繁切換的問題。頻繁的切換將會嚴重降低系統效率，造成資源的浪費，而且也會造成切換失敗及通信質量的不穩定。另一方面，隨著數字信號處理技術和射頻技術的突飛猛進，大量先進的物理層技術可被用于新的移動通信系統，傳統的蜂窩架構已經不能很好地發揮物理層新技術特別是多天線技術的優勢。隨著用戶對高速率、高質量無線通信業務需求的不斷增長，以及對多天線信號處理技術(如空時碼、聯合發送等)的深入研究，探討全新的移動通信小區與網絡拓撲結構成為必然。

目前，在現有蜂窩網絡結構的基礎上，已經有人提出了一些改進措施。例如分布式天線系統^[1]、微小區方法^[2]、站點選擇發送分集(SSDT)方法^[3]、捆綁(Bunched)系統^[4]等。這些改進型的移動通信系統雖然在一定程度上提高了蜂窩系統的容量，但還是基于傳統的小區架構和切換策略，不能很好地適應聯合發送、空時碼、多入多出(MIMO)等未來移動通信系統核心技術的應用。

基于多天線系統架構，本文介紹一種新型的應用于未來移動通信系統的適應空時碼、聯合發送、分布式天線等先進技術的廣義分布式多小區架構——群小區以及基于該網絡架構的新型切換模式——群切換^[5-9]。另外，第三代移動通信系統的多媒體業務對通信鏈路質量的要求越來越高，其長期演進計劃將提高小區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的變化而適用于現有第三代移動通信系統(3G)增強系統，本文提出了解決小區邊緣用戶數據速率下降問題的方案——快速小區組選擇方案(FCGS)，仿真比較了該方案相對于快速小區選擇(FCS)^[10]以及軟切換^[11]等方案性能的提高情況。

1 廣義分布式多小區架構及其越區切換策略

在多天線發送技術的基礎上，群小區被定義為：在地理位置相鄰的多個小區(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就構成了一個群小區。根據不同的應用環境，群小區的構建方式可以不同。圖1表示了高速公路環境以及市區環境下的群小區的構建方式。

在群小區架構中，每個接入點(AP)內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。

群小區的構成可以有多種方式：可以是固定的，也可以是滑動的。在固定群小區架構中，各個群小區所包含的天線終端是固定的；在滑動群小區架構中，群小區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)的變化而動態改變。同時，每個群小區中的天線數目可以根據不同的需要(如信道數、服務質量等)來選擇。

圖1中描述了一個典型的基于群小區架構的無線通信系統。接入點AP₁下設置N根天線，即原來N個傳統蜂窩小區覆蓋的范圍現在由一個接入點來覆蓋。原來每個傳統蜂窩小區中的基站現在用天線(圖中用數字1～6標注)代替。在AP1中，天線1、2、3構成群小區1(圖1中用藍色標注群小區1的覆蓋范圍)，天線4、5、6構成群小區2(圖1中用綠色標注群小區2的覆蓋范圍)，該方式稱為固定群小區的構建方式。群切換發生在移動終端1(MT₁)從群小區1向鄰近的群小區2的轉移過程中。假設MT₁原來位于群小區1內，和群小區1中的天線1、2、3進行通信。在群小區1的覆蓋范圍內移動時，無須切換。當移動終端1跨過群小區1和群小區2的邊界，進入群小區2的覆蓋范圍時，就需要進行群切換，從與群小區1(由天線1、2、3構成)的連接整個切換到和群小區2(由天線4、5、6構成)的連接。和原來蜂窩移動通信系統中的切換方式類似，在兩個群小區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，可以將構造群小區的過程看作一個窗口滑動的過程，這個窗口中的多個小區構成一個群小區。在AP2中，移動終端3(MT₃)在時刻1可由天線11、12、13構成一個群小區，隨著移動終端的移動，在時刻2天線13、14、16可構成另外一個群小區。移動終端從天線11、12、13構成的群小區滑動到天線13、14、16構成的群小區的過程被稱為滑動切換。該窗口滑動的速度以及其大小、形狀是可以動態變化的。比如，可以根據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結構。群小區的構成方式不再是固定的，而是可以動態滑動的，這種切換方式即為滑動群小區構建方式。

群小區概念是能夠應用在多天線系統中的一種全新的組網結構，可以充分利用多天線技術帶來的優勢，并且系統的資源是由AP來進行統一調度，易于達到資源整體最優分配，且更有利于利用先進的信號處理技術來有效地提高系統性能。滑動切換策略使得用戶始終處于小區的中心，克服了小區邊緣效應問題，進一步地提高了用戶的性能。

2 廣義分布式多小區在現有網絡架構下的應用

基于滑動群切換的思想并結合現有的3G網絡架構，本文提出了快速小區(扇區)組選擇方案。本文中，扇區與小區將不進行嚴格的區分。該方案被認為是解決3G長期演進計劃中提高小區邊緣用戶數據速率問題的一個有效途徑。

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

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

快速小區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。移動終端對各小區的導頻信道進行測量，結合各小區的當前可用功率、業務負載、資源分配情況等信息選擇鏈路質量最好的一個或幾個小區。

(2)用上行物理層信令將小區組選擇結果通知給所選中的各小區。

(3)選中的小區組對該移動終端進行數據調度。選中的最佳小區組所在的節點B向該移動終端發送下一幀數據。

快速小區組選擇方案與軟切換的主要區別在于其服務小區組的更新周期更快，可以達到每幀更新，切換延時更小；而與快速小區選擇的主要區別在于它能與有效提高容量的多天線技術結合，充分利用發送分集優勢。

下面對扇區化系統中節點B內部快速小區組選擇結合空時分組碼(STBC)技術相對于快速小區選擇及軟切換的性能進行仿真比較。仿真參數如表1所示。

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

3 結束語

廣義分布式多小區架構——群小區是一種適用于未來移動通信系統的組網方式，可以適應先進的多天線技術，并有效解決由于載頻提高導致的頻繁切換問題。群小區架構突破了傳統蜂窩組網結構，實現了小區域覆蓋向大區域覆蓋的飛躍。基于群小區架構的群切換模式可以有效地減少切換次數，提高切換性能和系統資源的利用率，采用滑動切換方式還可以進一步提高系統的性能。針對目前3G系統的演進需求，將群切換思想應用于當前3G系統架構而提出的快速小區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邊緣用戶數據速率問題的一個可能途徑，與快速小區選擇以及軟切換方案相比，快速小區組選擇通過先進的信號處理技術可以更大幅度地提高小區邊緣用戶的數據速率。節點B內部的快速小區組選擇方案已經在2005年8月3GPP倫敦會議上被接受并寫入3GPP的技術報告(TR25.814)中^[12]。

4 參考文獻

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[12] 3GPP TR 25.814. Physical Layer Aspects for Evolved UTRA [S]. 2005.

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研究所副所長、博士、副教授，國家“863”計劃通信技術主題FuTURE未來移動通信計劃TDD特別工作組組長。已在國內外期刊和國際學術會議上發表論文51篇，其中SCI、EI、ISTP檢索論文35篇；申請發明專利16項，其中2項已授權；出版專著兩部。

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

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