基于虛擬小區的未來無線組網技術*

王文清+張曉寧+余翔

【摘要】隨著智能手機及高級終端的大規模擴散和普及，移動數據業務量呈指數型增長。為了滿足未來網絡需求，獲得更高網絡容量，降低終端功耗，DoCoMo提出了虛擬小區技術。介紹了無線組網所面臨的挑戰，以及與虛擬小區相關的關鍵技術，該技術基于小區大規模部署，通過與宏小區結合，將控制平面與用戶平面分離，高效率利用高頻段頻譜。最后分析了基于虛擬小區信道容量增加以及能源效率提升的問題。

【關鍵詞】虛擬小區C-Plane/U-Plane分離系統容量能源效率

中圖分類號：TN929.53文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-07-0064-05

1 前言

近幾年，隨著可視電話、網絡游戲、多媒體等業務的增加以及3G網絡和互聯網的發展，移動數據業務普及率越來越高。根據數據調查顯示，僅于2011年，移動數據業務量增長了2.3倍[1]。目前經相關機構預測，預計到2015年全球移動數據流量將比2010年上升26倍，假如按照此速度增加，未來十年移動數據流量將再增加1 000倍。針對爆炸性的移動數據業務增長趨勢，傳統的蜂窩網容量將很難滿足未來網絡需求。

為支持未來的業務需求，LTE-Advanced將提升系統容量作為其通信標準，利用小區增強技術對空間重新利用，對網絡進一步進行致密化部署。但將小區部署成更多的小小區，在高數據流量區域，增加了小區切換次數，易影響流量的流動性和連通性。為此，日本NTT DoCoMo公司提出了虛擬小區（Phantom Cell）技術，該技術重新利用和設計現有的宏小區，在宏小區層加入額外的層（即虛擬小區層），依靠空閑頻段和小區間的干擾協調技術進行規劃和部署。該方案不但降低了運營成本，而且有效保證了網絡移動性。

2 無線組網面臨的挑戰

為了能讓用戶體驗更好的移動數據業務，并提供高速率數據流量，移動運營商建設了豐富的網絡系統。針對室內網絡容量提升問題，目前有一系列技術，如：Wi-Fi、家庭式基站和室內基站等等。但針對室外熱點高流量區域，由于受到頻譜稀疏、運營成本高、路徑損耗嚴重等條件限制，對于運營商而言，未來無線組網設計與部署將是一個不小的挑戰。

（1）頻譜效率

無線通信網絡中，為LTE分配的工作頻段是有限的，現階段國內TD-LTE主要工作在38（2 570—2 620MHz）和40（2 300—2 400MHz）兩個頻段。隨著用戶需求量的增長，LTE網絡部署中，頻譜資源日益緊缺，低頻段頻譜越來越稀疏，如何高效率地利用頻譜成為至關重要的問題，許多運營商開始考慮探索和利用高頻段頻譜。然而，在宏小區中，由于受到基站邊緣的空間限制，如RF設備和天線的大小、高路徑損耗嚴重等，高頻段又很難廣泛的適用于網絡部署領域。

（2）低成本的致密化部署

為高效率地利用高頻段頻譜，方法之一是改變已有的網絡基礎設施，但如此以來需要大量的運營成本。或為LTE鋪設一個單獨的網絡，但這基本上是不可行的。從消費者的角度分析，消費者希望在低費用的基礎上有高速率的數據傳輸速度。為實現低運營費用、高流量承載，運營商開始考慮基于現有的宏小區，采用分層部署結構，即在宏小區層引入額外的小區層（即虛擬小區），將小小區致密化部署，從而改善高成本問題。

（3）流動性和連通性

當小區稀疏部署時，無論是在連通還是在閑置的模式下，頻間要求保持有較好的流動性。傳統的蜂窩網結構中將小區化為更小的小區，如家庭小區、微微小區等，然后對其進行部署，該小區部署模式適合服務于對流動性要求低的用戶。但未來無線組網容量需求量遠遠超過傳統模式，如果繼續增強小小區的部署密度，同時會增加小區與小區之間的切換次數，嚴重影響了各小區之間的移動性。此外，增強小區部署密度易發生碰撞，引起“乒乓效應”。所以，未來無線組網結構部署需要在考慮流動性和連通性兩個指標的同時，簡化小區的部署模式。

（4）系統吞吐量

對于蜂窩網絡而言，小區邊緣用戶吞吐量是一個難以回避的問題，LTE系統也不例外。按比例講，宏蜂窩的邊緣區域相對比較大，邊緣用戶吞吐量的降低將嚴重影響整個小區的吞吐量水平[2]。3GPP將小小區納入網絡部署的討論范圍之中，尤其是在其與宏蜂窩共信道部署的場景中，小小區的存在增加了網絡中的傳輸機會，故有望使整個小區的傳輸速率得到提升[3]。在用戶動態分布變化的場景中，要求保持用戶上行和下行吞吐量平衡分布。

（5）小區間干擾協調

在小區致密化部署中，小區之間易產生干擾，所以在需建立動態TDD的LTE-B未來網絡中，要重點考慮小區間干擾協調。目前LTE采用OFDMA接入技術，該技術解決了CDMA自我干擾問題，并可實現更高的頻譜效率。但在實際應用中，由于受到小區格局的不規則和傳播條件差等的限制，小區間干擾協調技術的實施方案變得更加復雜，其未來發展面臨著很多挑戰。

3 虛擬小區及其相關技術

第四代無線移動通信系統采用的是LTE技術，目前LTE R12的研究焦點在于：廣域增強與局域增強的集成；通過將廣域與局域分離部署，高效率利用低頻段和高頻段[4]。目前存在的各種類型的小區密集部署技術對支持室外網絡容量、移動性、吞吐量和可操作性等存在很多缺點。為解決該問題，日本NTT DoCoMo公司提出了虛擬小區技術。該技術是基于小區的大規模部署，通過與宏小區結合將頻譜重新利用。其核心是基于宏小區和C-Plane/U-Plane分離的結合實現容量增大效果，并利用現有的宏小區大規模部署。

虛擬小區采用分層結構，根據用戶需求，將小區結構虛擬為高速用戶和低速用戶服務層。其目的是實現在小區邊界負載不均勻和用戶高速移動的情況下，保證抑制小區間干擾的同時，提高邊緣小區的頻譜利用率，并提高對小區用戶高移動性的支持。

3.1虛擬小區概念

虛擬小區又可以被稱為“宏蜂窩輔助”的微基站，是在分布式天線陣中移動臺自組小區，它與傳統蜂窩小區不同之處在于，虛擬小區沒有被配置例如主/輔同步信號（PSS/SSS）ID、小區特定參考信號（CRS）以及控制信息模塊（MIB）/系統信息模塊（SIB）等專用的信號和信道。宏小區和虛擬小區是主從關系，由宏基站（MeNB）信令控制UE和虛擬小區之間的無線資源控制（RRC）連接程序，虛擬小區基站（PhNB）僅為用戶業務提供數據傳輸通路。該結構通過控制平面和用戶平面分離部署來實現，如圖1所示：

圖1C/U平面分離的虛擬小區

采用虛擬小區結構解決了傳統蜂窩網的很多弊端，為未來無線組網的設計提供了理念和思路。它的相關技術涉及到頻譜擴展、C-Plane/U-Plane分離、大規模MIMO設計、小小區發現、移動性以及低成本設計等。

3.2C-Plane/U-Plane分離部署

C-Plane/U-Plane分離部署技術能夠使得高頻段頻譜（5MHz或5MHz以上）得到低成本、高效率的應用，其部署特點如圖1所示，C平面由宏基站低頻段控制支持，U平面由虛擬小區高頻段控制支持，由此實現C平面與U平面的分離，僅僅當需要為邊緣小區的UE服務時，低功耗、小型覆蓋的U控制平面節點才開始啟動工作，如此以來可明顯減少能源消耗。同時，宏基站以傳統小區狀態支持C平面和U平面，控制支持基帶處理。

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常規C平面與U平面的配置采用點對點模式，該配置模式通過傳統的CA（Carrier Aggregation）利用RRH（Remote Radio Heads）實現。另外，一種新的配置采用主從式配置模式，該模式中，虛擬節點與宏結點之間的傳輸轉移控制信令通過“New Interface”控制操作[5]，如此以來，不僅可降低宏基站和虛擬基站之間的回程吞吐量與延時，而且虛擬小區還能夠提升宏小區邊緣的用戶吞吐量。

3.3增強頻間小區發現過程

虛擬小區與宏小區結合部署，能夠增強頻間小區發現過程，即發現信號增強，使得頻間小區發現過程更加流暢和高效。快速頻間小區發現的過程為：首先由宏蜂窩引導UE發現小小區ID，然后UE利用初始定時進行頻間搜索，當搜索到小小區的ID時，UE對其進行解碼，將小區ID測量結果反饋給宏蜂窩。

虛擬小區架構中，為了降低終端功耗，減少頻間小區發現過程次數，虛擬小區中的發現信號必須與宏基站下行發現信號的發送周期同步，并且發現信號相互之間正交，以便UE能夠快速檢測小小區的發現信號。

3.4大規模MIMO

MIMO技術已應用于現代無線通信系統中，實踐證明，使用MIMO技術不但能夠增加系統容量，而且能夠提高系統性能，并提升頻譜效率。由此可見，增加基站的天線數，即采用大規模MIMO技術能夠很好地提高系統容量。又因為大規模的天線陣列增加了天線孔徑，通過相干合并可以降低上下行鏈路所需的發射功率，符合未來“綠色信道”的要求[6]。無線組網未來的發展中，帶有多發射天線的大規模MIMO將是開發利用高頻段頻譜不可忽視的關鍵技術。

在小區高頻段，可以將天線元素最小化，并把許多元素放置在同一位置，形成很窄的3D電子束，并通過補償路徑損耗的方式支持高頻段網絡覆蓋。基于現階段網絡架構，對于如何獲得窄電子束并利用3D電子束支持信號的移動性還存在很大困難。針對該問題，許多運營商認為，一個可行的解決方案就是應用虛擬小區技術。

3.5CoMP技術以及跨層資源分配

為了消除小區間干擾，LTE-A系統提出了多點協作處理（CoMP）技術，該技術利用MIMO信道特性，采用預編碼來抑制小區間干擾。CoMP技術可以處理不同虛擬小區之間的業務均衡問題，從而提升網絡資源利用率，并能夠高效率地改善LTE-Advance系統性能，例如提高小區邊緣吞吐量及數據傳輸速率等。

為了更好地滿足用戶服務質量（QoS），基于正交頻分復用（OFDM）系統，3GPP組織提出了跨層資源調度技術。LTE/LTE-A系統的網絡設計也為跨層設計的實施提供了便利，系統eNodeB之間采用Mesh連接，在LTE-A系統中更是采用光纖進行X2接口之間的連接，該增強的X2接口就可以進行eNB之間的快速信息交互，獲得協同發射/接受增益以進行基站協調[7]。

3.6高頻段頻譜擴展

現階段LTE工作頻段在2.6GHz，業界認為由國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）所管理的3.5GHz以及更高頻段是最佳的候選方案，如5GHz或更高頻段，高頻段頻譜有利于提供網絡容量。但高頻段頻譜針對室內場景的網絡覆蓋存在很多缺陷，只有兩者相互補充，將低頻段頻譜和高頻段頻譜結合才能達到最好的建網效果。

虛擬小區架構中，DoCoMo提出將現有的蜂窩網低頻段用于支持控制基本覆蓋和移動性，并單獨利用局域小區高頻段支持控制高速率的傳輸，如圖2所示。如此以來，不但解決了針對室內與室外不同場景的網絡覆蓋問題，而且當從現有的蜂窩帶寬獲得顯著的卸載增益時，通過利用高頻段寬頻帶局域無線技術可以獲得高吞吐量。

圖2低頻段與高頻段結合利用

4 虛擬小區信道容量分析

虛擬小區采用大規模多入多出（Massive MIMO）信道模型、分布式天線系統。設定虛擬小區發射端有M根天線，接收端有N根天線，假設通信信道平坦，在接收端錯誤傳送最小的情況下，通信信道近似于理想的傳播環境，信道可以達到最大信息吞吐量。設每個子信道帶寬為B（Hz），輸出信號功率為S（W），高斯白噪聲功率為N（W）。則在加性高斯白噪聲環境下，香農信道容量由下式給出：

C=Blog2(1+S/N)（1）

其中，S/N是信噪比，C為信道容量，單位是b/s。

根據香農信息定理以及參考文獻[8]、[9]中的MIMO信道容量計算信息，推導出虛擬小區的系統容量密度（bps/Hz）：

（2）

其中，，上標H表示信道矩陣共軛轉置；det表示求矩陣的行列式；H=[h1,h2,…,hM]是發射天線與接收天線之間的信道矩陣，hi表示從發射端的第i根天線到接收端的信道幅度；S/N是信道的平均信噪比。

當M、N很大時，信道容量C近似為：

C≈min{M,N}log2(SNR/2)（3）

從式（3）可看出，虛擬小區結構中，隨著天線數目的增加，信道容量成線性增加。也就是說在帶寬和發射功率不變的情況下，可成倍地提高信道容量，且系統信道容量隨著SNR的增加成對數增長。

由此可知，在不增加帶寬的情況下，采用大規模MIMO系統的虛擬小區部署確實能夠成倍地增加信道容量，并能大大地提高系統吞吐量和頻譜利用率，達到了預期的目的。LTE-A希望實現上行天線配置為4×4，下行天線配置為8×8。在未來的無線網絡（如5G網絡）發展中，MIMO將會是一個令人興奮的關鍵技術。

5 虛擬小區能源效率分析

能源效率是評估下一代通信系統性能的一個重要指標。從上述分析可以得到，通過在宏小區層添加虛擬小區能夠達到提高系統容量和頻譜利用率的效果，但虛擬小區需要有充分的能源效率支持才能保障其有效工作，接下來簡單分析虛擬小區結構中能源效率的提升問題。

根據參考文獻[10]可知，忽略受宏小區層影響，這里僅僅考慮虛擬小區層，在同信道小區層，虛擬小區的能源效率為：

（4）

其中，，為虛擬小區頻譜效率，P為虛擬小區發射功率。

從式（4）可看出，在發射功率相同情況下，虛擬小區能源效率隨著頻譜效率的提升呈線性增加。

通過上式分析可得出結論：虛擬小區結構能夠提供高能量的能源效率，這也就意味著，在高密度、低發射功率的環境下，虛擬小區能夠正常并有效地工作，這也為網絡工作者在現有的宏小區進行進一步開發部署提供了有利條件。

6 總結

本文介紹了一種未來分層異構無線組網的新方案。為了滿足現階段無線網絡中爆炸性增長的數據業務量需求，介紹了一種基于虛擬小區技術的設計方案，該技術利用較高頻段的頻譜，通過將控制平面與用戶平面分離配置，大幅度提升系統總容量的同時，保證了系統的移動性。本文還介紹了虛擬小區的相關技術特點，并分析了虛擬小區的信道容量和能源效率，結果證明：與傳統蜂窩小區相比較，采用虛擬小區結構能夠達到提升系統容量并提高能源效率的效果，是未來無線組網重點研究方向之一。

參考文獻：

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[9] 李漢強,郭偉,鄭輝. 分布式天線系統MIMO信道容量分析[J]. 通信學報, 2005(8): 134-138.

[10] Sayandev Mukherjee, Hiroyuki Ishii. Energy Efficiency in the Phantom Cell enhanced Local Area architecture[A]. Wireless Communications and Networking Conference

(WCNC)[C]. 2013.★

作者簡介

王文清：高級工程師，工學碩士畢業于哈爾濱工業大學電子與通信工程專業，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，擁有多項發明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

余翔：高級工程師，現任重慶郵電大學教授，主要從事無線通信、嵌入式系統方面的研究。

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作者簡介

王文清：高級工程師，工學碩士畢業于哈爾濱工業大學電子與通信工程專業，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，擁有多項發明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

余翔：高級工程師，現任重慶郵電大學教授，主要從事無線通信、嵌入式系統方面的研究。

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作者簡介

王文清：高級工程師，工學碩士畢業于哈爾濱工業大學電子與通信工程專業，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，擁有多項發明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

余翔：高級工程師，現任重慶郵電大學教授，主要從事無線通信、嵌入式系統方面的研究。

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