下一代協作式無線接入網的網絡架構及性能

[摘要]伴隨著網絡扁平化的趨勢，下一代的無線接入網逐漸向分布式方向發展，基站之間以協作的方式進行無線資源優化配置來提高空口的頻譜效率。無線接入網通過基帶資源聚合等手段，可以極大地提升基站設備的利用效率同時更有效地利用機房空間，滿足低成本建設與維護網絡的要求。

[關鍵詞]無線接入網;負載均衡;軟件無線電;協作式MIMO;無線資源動態配置

The next generation Radio Access Network (RAN) is evolving in a distributed style along with network architecture getting flat. Base stations in the next generation RAN cooperatively optimize the radio resource allocation to improve the spectral efficiency. In addition， the base-band pool technology reduces the CAPEX and OPEX of RAN through improving resource utilization efficiency greatly and decreasing the requirements for equipment room.

radio access network; load balancing; SDR; cooperative MIMO; dynamic radio resource allocation

1 背景與目標

傳統的UMTS無線通信網絡基本都是圍繞語音業務為核心進行設計，從3G、LTE以及未來4G技術的發展中，我們都可以看到網絡架構的變遷之中數據業務的驅動起著重要的作用。未來通信網絡不僅是多種異構無線網絡的融合，還是無線網絡與有線互聯網的融合。然而隨著各種各樣的互聯網應用的興起并且互聯網仍然在不斷地推陳出新，這就對未來的無線接入網的架構提出更高的容量要求。

未來的網絡架構需要適應未來網絡發展的需要，對數據業務特性進行優化，以滿足多樣化、個性化的通信需求。

在3GPP中，3GPP長期演進(LTE)項目，致力于進一步改進和增強現有3G技術的性能，提供更快的分組速率、頻譜效率以及更低的延遲[1]。雖然LTE網絡架構已經在UMTS網絡架構的基礎上向全IP扁平化方向前進了一大步，但是面對未來的應用發展趨勢，我們仍然需要一個高效的網絡架構可以向用戶提供高速的寬帶接入體驗。現有的蜂窩網絡仍采用以蜂窩為單位進行無線資源的分配模式，在接入網中基站間資源難以共享，網絡不能適應話務遷徙規律，導致網絡的建設成本(CAPEX)過高且設備利用不充分。此外，在基于LTE或LTE-A的正交頻分復用(OFDM)系統中，為了保證頻譜效率，小區間采用同頻組網模式，然而以蜂窩為單位的無線資源配置模式，顯然會給小區之間帶來干擾，并導致小區邊緣節點的性能急劇惡化。

為了避免單小區為組織模式的網絡架構對網絡性能的約束，顯然通過分布式的模式考慮小區之間的無線資源配置可以更好優化信道干擾對網絡性能的影響，以分布式天線系統的方式實現無線接入網部分，通過天線的分布化布置以及網絡資源的合理利用，可以進一步提高無線接入網絡的容量。

與此同時，對于無線網絡，無線鏈路的衰落特性隨時間不斷地變化;網絡中的用戶也不停地在無線網絡中運動;用戶的業務會依據個人喜好有不同的選擇。無線網絡動態性使得其不適合進行大規模集中信息處理，例如多小區的信號聯合處理，應當進行分布式信息處理。分布式信息處理可以更快地適應網絡狀態的變化，能夠減少很多網絡開銷，使得網絡更健壯，具有更好的可擴展性、自組織性，自配置性，從而從整體上提高網絡的性能。

2 分布式無線接入網的需求

未來的無線接入網架構為了支持基站間的協作，滿足分布式資源配置以及信息處理的要求，需要具備以下特征:

●頻譜資源可以共享并支持動態配置

●網絡架構可以支持硬件資源的共享并且具備資源間互相協作的機制

●同一硬件平臺下多制式的支持，多模基站長期共存.

●扁平化的網絡架構，面向IP的系統設計更適合與互聯網融合

●無處不在的覆蓋與接入方式

●永遠在線的無線連接方式以及高速率的數據服務支持

3 分布式無線接入網的網絡架構

為了滿足上述需求，我們提出了一種新型的無線接入網架構，該基礎網絡設施利用分布式無線電技術，提供了同時具有成本效益以及高性能的服務。分布式無線接入網架構中基站的射頻單元與基帶處理單元分離，通過拉近天線與用戶的距離，網絡的容量、能量效率以及覆蓋范圍都得到了提升。此外，通過利用多小區多輸入多輸出(MIMO)技術實施分布式基帶單元，該系統的頻譜效率以及邊緣節點性能可以得到極大改善。

在目前的3G以及未來的LTE系統中，由遠程射頻單元和基帶單元構成的分布式基站正變得越來越普遍。分布式基站通常包括一個非常強大的基帶單元和多個遠程射頻單元(RRU)，可以靈活組網并覆蓋較大的地理區域，其基本思想是分離基站內的基帶部分和射頻部分，基帶單元通過吉比特的光纖連接至RRU。每個RRU配備了相應收發裝置可以將射頻信號(RF)轉換成數字中頻(IF)信號。基帶處理功能、無線資源及網絡管理等功能放在基帶單元中完成。

不同于傳統的分布式基站，協作式無線接入網中打破了基帶處理單元與遠端射頻單元的靜態鏈接。在協作式無線電系統中，每個RRU不屬于任何特定的基帶處理單元。從RRU的角度看，所有的基帶單元通過虛擬化技術以及高速傳輸技術可以聚集成基帶池。通過虛擬化技術使得物理資源分配更加優化，利用負載均衡的策略，物理設備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個基帶池可以為多個RRU提供信號聯合處理來獲取更高系統頻譜效率。在基帶單元+RRU的協同無線電系統中，移動終端可以依據接受信號強度來選擇合適的RRU為其服務。同時，多個移動終端可以依據信道相關性合理配對組成虛擬的MIMO來共同發送/接收，以進一步提高系統的頻譜效率。整個信號的聯合處理過程可以在一個分布式的方式下協調不同RRU的傳輸并最終在基帶池的某個基帶單元中完成處理。

分發基帶池可以聚合每一個處理能力不同的基帶信號單元，通過實現有效的負載平衡機制來提高資源利用率。此外，分布式基帶池很容易部署多小區MIMO技術，例如LTE-A中的協同多點處理(CoMP)，可使得系統獲取很高的性能增益。

分布式基帶池技術的優勢主要體現在以下幾個方面:

●節省機房以及外圍配套設備的支出。機房數量需求大大減少，節約機房建設費用及機房租金;電路共享，節省全球定位系統(GPS)設備、控制電路、基站與基站控制器(接入網關)的接口電路，節約投資成本。集中控制和維護管理，實現單點監控，節約人力成本;更低的系統能耗。

●分布式基帶池將部署更高密度的RRU，單個小區的覆蓋范圍將更小，每個RRU到用戶設備的接入距離將被縮短。因此，每個小區需要的發射功率也就越低，對于用戶設備而言，用于發送信號的能量也就越小，對于用戶設備的節電能力也會有增強作用。

●分布式基帶池作為一個中心控制節點可以獲取在其覆蓋范圍內的任何數據以及信道狀態信息。因此，很容易部署聯合發射/處理算法，聯合調度等。從而，消除小區間干擾，提高小區邊緣性能。

●基帶的集中處理，支持更大范圍的信道共享，多站點間話務平衡，能顯著應對“潮汐效應”，節省基帶資源。

●隨著用戶設備的移動其服務小區不斷變換，基帶池相比傳統基站系統覆蓋更大的區域，明顯降低了切換的數量，提高網絡性能。

4 分布式無線接入網的關鍵技術與面臨的挑戰

協作式無線接入網中打破了基帶處理單元與遠端射頻單元的靜態鏈接。在協作式無線電系統中，每個RRU不屬于任何特定的基帶處理單元。從RRU的角度看，所有的基帶單元通過虛擬化技術以及高速傳輸技術可以聚集成基帶池。通過虛擬化技術使得物理資源分配更加優化，利用負載均衡的策略，物理設備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個基帶池可以為多個RRU提供信號聯合處理來獲取更高系統頻譜效率。

(1)協作式無線電

協作式MIMO技術[2-5]可以將干擾信號作為有用信號加以利用，從而降低小區間的干擾，提高系統的頻譜利用率，如圖1所示。圖1給出了不同協作范圍的示意圖。

協作式無線電研究重點包括:

●空口的測量

●信道反饋及參考信號的設計

●基站間信道信息

●數據信息及調度信息的共享分發機制

(2)高速傳輸系統

參與協作處理的RRU為了捕獲干擾都是跨站點部署，如圖2所示。這就使得RRU與室內基帶處理單元(BBU)之間的數據傳輸需要建立高速的傳送網進行異地傳輸。

高速傳輸系統研究重點包括:

●部署場景分析及其系統級帶寬需求。

●RRU與BBU之間Cpri/Ir接口到LTE階段將達到吉比特量級，未來小區范圍越來越小，各類型RRU部署量增多，需要研究降帶寬技術以降低傳輸成本。

●Cpri/Ir接口屬于終結型，需支持交換型的接口研究，以保證天線資源動態配置給需要的基站系統。

●多點之間廣域條件下時間同步與頻率同步問題。

(3)動態無線資源配置

在基于LTE或LTE-A的OFDM系統中，為了保證頻譜效率，小區間采用同頻組網模式，然而以單小區為單位的無線資源配置模式，顯然會給小區之間帶來干擾，并導致小區邊緣節點的性能急劇惡化。

為了避免單小區為組織模式的網絡架構對網絡性能的約束，顯然通過分布式的模式考慮小區之間的無線資源配置可以更好優化信道干擾對網絡性能的影響。以分布式天線系統的方式實現無線接入網部分，通過天線的分布化布置以及網絡資源的合理利用，可以進一步提高無線接入網絡的容量。

動態無線資源配置的研究重點包括:

●分布式無線資源配置優化技術(功率，時間，空間)

●多天線動態配置技術

●多用戶配對技術

(4)基站間負載均衡

傳統的網絡建設方式不能適應話務遷徙的客觀規律，導致了網絡資源不能得到充分利用;隨著分布式無線電技術以及MIMO、干擾抑制算法的成熟，傳統的網絡架構限制了該類新技術的部署應用，約束了無線網絡的性能提升。

基站間負載均衡研究重點包括:

●分布式基站系統部署方式及網元間連接方式

●負載均衡機制

●設備及相關的信令流程

●切換流程

(5)軟件無線電以及虛擬化技術

已有基站系統的硬件體系架構基本包括了ASIC、FPGA、DSP、NP以及CPU等各類芯片，這種異構性使得人們很難將各基站內的硬件資源進行管理、共享，所以使得網絡產生某些地區設備利用率不高，某些地區需要擴容建設。

隨著計算領域的高速發展，目前有很多公司提出了單一CPU的硬件架構的軟基站系統，該系統好處不僅僅可以同時支持多種制式(TD-SCDMA、TD-LTE)，當網絡需要同時支持不同無線制式時，基于該平臺的基站系統可以通過軟件配置，靈活地支持不同的無線制式。而且通過硬件平臺的統一使得通過IT領域的虛擬化等技術手段，統一管理多個基站的資源，并實現共享。與此同時，單一CPU完成數字信號處理還有一系列的問題需要研究。

軟件無線電以及虛擬化技術研究重點包括:

●基于IT平臺的軟基站系統研究

●多制式的軟件配置技術

●基于軟基站的虛擬化技術研究(統一完成系統資源分配與管理)

(6)基站側應用層優化技術

網絡架構的逐步扁平化使得網絡的業務能力更加接近用戶端，此外基站作為用戶接入網絡的接觸點有利于捕獲用戶的行為，通過用戶行為的分析選擇相應的應用層優化策略。具體而言，在基站上部署深度包檢測(DPI)能力，完成對用戶進行統計分析，并依據用戶業務特性選擇各類應用Cache(Web、Video等)來進一步優化用戶體驗。除了通常的Internet應用外，基站的地域特性也十分適合在其直接部署具有區域應用特點的企業服務或終端客戶服務。

基站側應用層優化技術研究重點包括:

●基站側應用層優化硬件實現平臺分析

●基于基站側的DPI以及用戶行為分析研究

●基于基站側的多樣化區域服務創新或緩存類應用優化技術

5 性能評估

下行鏈路的處理表示為在多個協作基站間通過預處理矩陣來協調各個用戶的發送信號，進行用戶信號的預干擾抑制。下行的預處理算法目前主要有基于迫零(ZF)算法[6-7]和塊對角(BD)算法[8]兩種。

5.1 下行傳輸系統模型

CoMP系統中，聯合預編碼可以通過一個中央處理單元以集中的方式來完成。這些協作的基站稱為協作基站集合，其為一個使用相同時頻資源塊的用戶組服務。中央處理單元用聯合信號預編碼來進行用戶間信號的預干擾抑制，以提高系統頻譜效率，特別是邊緣用戶的吞吐量。

假設每一個協作基站有n t 個發送天線，每一個用戶有n r 個接收天線。一個協作基站集合由M個協作基站組成，這M 個協作基站為N 個使用相同時頻資源塊的用戶服務。下行鏈路中，這M 個協作基站和N 個用戶可以形成一個虛擬(Nn r )×(Mn t )的MIMO系統。下行傳輸系統模型如圖3所示。

我們采用系統級仿真來評估CoMP下行傳輸方案的性能，得到下行協作多點傳輸方案的性能評估結果。評估時TDD幀結構用10 ms的幀長和1 ms的子幀長，并假設所有載波用相等功率傳輸。

與傳統非協作系統(Rel.8基于碼本的預編碼方案)相比，協作多點傳輸方案分別提高了38%的下行平均小區頻譜利用率和70%的下行小區邊緣用戶頻譜利用率。

上行的聯合處理可以表示為在多個協作基站間聯合檢測用戶的接收信號，相應的MIMO檢測算法有最小均方誤差(MMSE)檢測、串行干擾刪除(SIC)等。

5.2 上行傳輸系統模型

假定每個用戶有n t發射天線，每個協作基站有n r 個接收天線。一個協作基站集合由M 個協作基站組成，服務于N個采用相同時頻資源塊的用戶。在上行鏈路，這M 個協作基站和N個分組的用戶可以形成一個(Nn r )×(Mn t )虛擬的MIMO系統，如圖4所示。

對上行協作多點傳輸方案的評估，我們采用系統級仿真來評估前面提到的CoMP上行傳輸方案的性能。評估時TDD幀結構用10 ms的幀長和1 ms的子幀長，并假設所有載波用相等功率傳輸。

6 結束語

下一代分布式接入網主要特點是射頻單元拉遠并分布式化，同時基帶處理單元集中化統一為較高數量的射頻單元提供服務。射頻單元分布式部署時的小區半徑更小，不僅可以提高空口性能同時降低能耗，而基帶處理的集中化不僅可以降低建設成本和維護成本，通過部署協作式MIMO技術可以消除小區間干擾極大提升系統的頻譜效率。提前開展針對分布式接入網的研究，使得中國移動在基礎網絡領域可以走在技術發展前沿，更快推進技術革新，建設低成本高性能的網絡為終端用戶服務。

7 參考文獻

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[8] ZHANG Jun， CHEN Runhua， Andrews j g， et al. Coordinated multi-cell MIMO systems with cellular block diagonalization[C]//Proceedings of the 41st Asilomar Conference on Signals， Systems and Computers (ACSSC '07)， Nov 4-7，2007， Pacific Grove， CA， USA. 2007: 1669-1673.

收稿日期:2009-11-01

陳沫，畢業于中國科學院計算技術研究所，博士。現為中國移動通信研究院項目經理，從事下一代協作式接入網研究。

王啟星，畢業于北京郵電大學，博士。現為中國移動通信研究院項目經理，從事LTE-A CoMP技術研究。

崔春風，畢業于北京郵電大學，博士。現為中國移動通信研究院副主任研究員，從事LTE-A關鍵技術研究。