4G无线接入网拓扑结构展望

1 蜂窝结构用于4G的缺陷
  传统蜂窝通信系统主要由交换网路子系统(NSS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)三大部分组成。蜂窝系统使用小区分裂的方法来扩容，即通过增加基站数量把现有小区划分为若干更小的小区[1]。
  由于频带资源有限，传统蜂窝系统采用频率复用技术，从而产生小区间干扰；此外CDMA蜂窝系统由于地址码间互相关性不理想，具有自干扰性。当小区半径缩小时，干扰将随之增强，严重制约了系统容量，同时基站密度也将急剧加大。若小区半径减为原先的1/2，所需基站数将是原来的4倍，导致切换频率大大增加，系统复杂度和成本呈指数级上升。
  目前3G系统仍然采用蜂窝结构，能达到2 Mb/s的传输速率和较大系统容量，实现无缝覆盖。4G系统的设计速率高达100 Mb/s以上，预计用户数量也比3G系统高一个数量级。因此4G无线接入网若沿用传统蜂窝结构，很难以合理的比特成本同时满足高速/大容量与高覆盖率的要求。所以，4G无线接入网必须对蜂窝结构进行改进或采用新的结构。

2 改进的蜂窝结构

2.1 光纤无线电技术
    该技术将传统基站集成的天线改为分布式结构，天线与基站间使用光纤连接，因此天线可以随意延伸到较远的地方以减少盲区。
    由于处理/控制功能都在基站端实现，远程天线单元(RAU)只负责射频信号的收发和光电转换。远程天线单元(RAU)包括天线、双工器、放大器和光/电转换收发器。光纤链路直接传送模拟射频信号以降低RAU的复杂度。
    光纤无线电技术(RoF)技术具有如下优点：

(1)由于光纤是低损耗(1 550 nm时光损耗为0.2 dB/km)、高带宽的传输媒介，基站、天线间使用光纤链路可提供高信号传输质量，并在一根光纤上实现多个服务，从而加强天线布置的延伸性和灵活性[2]。

(2)天线结构从集中模式改为分布式，可有效均匀化下行发送功率并缩短移动台到天线间的距离，从而减小上行发送功率。这样系统可以采用大量成本低、体积小、射频功率低的远程天线单元提供大范围的视线内通信，加大覆盖范围，提高频谱效率和系统容量。系统部署由此变得简单而且容易进行集中升级，使网络规划周期缩短。如果天线单元采用多输入多输出(MIMO)技术，可进一步加大系统容量和传输速率。
    由于系统层次结构没有变化，且实现比较简单，RoF技术目前在欧洲已被用于UMTS系统中。

2.2 分布式接收站
    为了降低蜂窝系统的小区间干扰，减小移动台发射功率，一种分布式接收站概念被提出[3]。分布式接收站结构中基站由多个接收站和一个发送站构成。接收站处于发送站的视线内，只负责接收上行信号并中继到发送站，发送站发送下行信号并作为处理/控制端。这样移动台与接收站间距离显著缩短，移动台的发射功率和硬件复杂度大大降低。考虑到系统成本，接收站与发送站间将使用无线链路连接。采用分布式接收站结构的系统以较低成本实现了较大容量，且部署简单灵活、易于实现。

2.3 多跳无线接入蜂窝
    宽带CDMA通过宽带扩频与精确发送功率控制减轻瞬时衰落的影响。然而导致远近问题的传播损耗不受接入技术的影响，而且基站和移动台发送功率的限制导致小区边缘功率控制不够理想，从而引起很多传输差错。为此，文献[4]提出了多跳无线接入蜂窝(MRAC)概念。
    在多跳无线接入蜂窝概念中，用户与相应基站间增加了作为无线中继器和无线分组路由器的跳站(HS)，从而构成了移动台—跳站—基站“双跳”路径。
跳站分为专用跳站和临时跳站。专用跳站位于基站视线内，专门用于中继信号。临时跳站可由任何处于优良传播条件下的移动台充当。
    移动台有“单跳”和“双跳”路径模型：

(1)当传播条件足以满足通信需求(如速率、差错率等)时移动台直接访问基站，称为“单跳”路径。

(2)当传播损耗较高，移动台选择一个可用的跳站以低于“单跳”路径的发送功率与跳站建立连接，跳站将信号中继到基站，称为“双跳”路径。
    在“双跳”路径模型中，通过选择通往基站的最佳路径，移动台能在特定传输速率下减小发送功率，或能以特定发送功率实现更高传输速率。利用“双跳”路径模型可减小移动台带来的干扰，并通过中继传输加大小区半径或区域覆盖能力。
在“双跳”模型中，跳站需要一些额外无线资源进行中继传输，这会产生一定干扰。当专用中继器被部署在基站的视线内，且专用跳站与基站使用定向天线时，跳站中继引起的干扰很小，而如果用户终端被用作跳站，跳站中继引起的干扰将大于使用专用跳站时的干扰。然而，在人口密度很高的城区，可找到很多用户终端充当跳站，只要从中选择传播条件最佳的一个，就可以将干扰减为最小。
    基站－专用跳站路径的传播损耗非常低，因此专用跳站能放置在任何地方。然而，因为小区边缘“单跳”路径传输损耗非常大而且需要较高发送功率，所以当专用跳站放置在小区边缘时采用“双跳”路径传输具有明显优越性，因此，MRAC结构中将中继区域(“双跳”区域)放在小区边界处。为使用“双跳”路径减小移动台的发送功率，临时跳站(由另一个移动台充当)应当处于比该移动台更优良的通信位置。
    MRAC小区布局与蜂窝单元很相似。每个小区的中央部分是“单跳”占优区域，小区边缘部分是“双跳”占优区域，此区域内存在很多跳站作为中继站。“双跳”区范围(或“单跳”区半径)的选择根据“单跳”路径和“双跳”路径的传播损耗比值来确定。
    当移动台位于小区边缘时，MRAC结构可有效降低发送功率。由此，MRAC减小了蜂窝系统的干扰并增强了区域覆盖性。这种结构可扩大小区半径，部署较为灵活，相同系统容量下成本低于传统蜂窝结构。

2.4 簇-蜂窝结构
    簇－蜂窝结构是NTT DoCoMo公司提出的一种无线接入网（RAN）结构，采用了簇内多跳概念[5]。4G系统的RAN拟采用簇型结构，分布式控制。图1所示为簇－蜂窝无线接入网。图中，环状簇只是一个示例，其他的拓扑结构也能采用。这种结构下，基站被聚合成一个簇并拥有一个连接到核心网的“簇头”基站。簇内的基站由一种局域网互相连接。无线网络控制器(RNC)的功能被分配到每个基站，形成分布式基站控制。

(1)分布式基站控制
    为减轻链路和信号处理设备的负担，大多数层1信号处理控制被分配到各个基站。
    上行信号被多个基站(从基站)接收，然后被送至其中一个作为暂时代理处理上行信号的基站(主基站)处。当移动台移动，主基站的角色被传递到邻近基站，从基站随之变更。所以，与移动台通信的基站形成一种以主基站为代表的“虚拟基站”。如果接收到的层1信号仅在簇中传递，簇中的分集切换控制则被关闭。如果信号以IP包形式传送且基站作为路由器工作，分集切换能独立于簇而进行。
下行分组信号从簇头基站多发至簇中的其他基站。

(2)多跳无线连接
    在3G RAN结构中，每个基站都与无线网络控制器直接相连，属于“单跳”结构。簇－蜂窝结构采用基于簇型RAN结构的多跳无线连接。这种结构，不需要寻找直接连接基站与簇头基站的视线内无线路径，形成了基站间的多跳连接，降低了系统的总发送功率。
    簇－蜂窝结构采用分布方式实现无线接入网控制，可以减少所需处理功率和控制信号。而且其构造采用多跳无线连接，可以增大通路链路容量并降低系统成本。

3 非蜂窝结构

3.1 Ad hoc技术
    Ad hoc网络指的是由若干带有无线收发信机的节点构成的一个无中心多跳的自组织对等式通信网络，它采用分布式控制，网中的节点同时具有主机和路由器的功能。
    在Ad hoc方式的无线接入网中，采用了虚拟无线节点基站的概念。节点基站分为两种，一种是核心节点基站，另一种是叶节点基站。核心节点基站与核心网相连，叶节点基站分布于无线接入网内。叶节点基站通过与不同数量的核心节点基站连接来动态保证用户的接入带宽[6]。
    核心节点基站通过光纤与核心网连接，通过无线链路与叶节点基站连接。数据包在无线节点基站间的传输采用Ad hoc网的自组织多跳路由方式。为保证系统容量和热点情况下的流量需求，节点基站采用了定向天线(多输入多输出结构)，能适应动态流量需求。
    采用Ad hoc方式的无线接入网结构模型可分为3层：终端分布层、节点分布层、网络层。该结构中，核心节点基站数量固定，而连接到核心节点基站的叶节点基站数量根据流量密度与热点变化而相应增减。根据Ad hoc网络可任意增减节点的连接特性，叶节点基站被称为虚拟节点基站。划分核心与叶节点基站概念的做法可在热点地区快速部署基站，自适应地与原有网络融合，可极大地减轻网络规划的负担。
    采用Ad hoc方式的无线接入网结构继承了Ad hoc无线网络的基本优点，可以不依赖预先存在的网络基础设施，能快速展开，自适应组网。各节点可在不进行通知的情况下自由进入网络和脱离网络，能大大降低网络规划的复杂度，因此部署简单、迅速。此外该结构能以较低的总发射功率实现高速、大容量覆盖。

3.2 分布无线通信系统
    传统蜂窝系统是干扰受限系统，而且由于无线链路速率相对有限，加上其接入网是树型结构，因而易导致网络拥塞。针对这种局面，清华大学提出了分布无线通信系统(DWCS)概念[7]。在传统蜂窝结构中，小区缩小后移动用户切换频率大大增加，给系统带来沉重负担，小区间干扰也急剧增大，导致系统容量无法有效提升。分布无线通信系统的基本原理是将蜂窝系统结构平坦化，使分布无线通信系统的每个层面都是分布式的。

(1)分布式天线
    DWCS结构中使用高密度的分布式天线，天线与处理中心之间使用光纤连接，即用到RoF技术。系统在低移动性场合使用最大比值传输(MRT)方案，而在高移动性场合使用选择性传输方案。

(2)分布式信号处理
    分布式信号处理是DWCS最重要的部分。所有与无线接入有关的信号处理都包含在这一层面，包括调制/解调、信道编/解码、联合检测、信道测量、媒体访问控制、链路层控制(LLC)、无线链路控制(RLC)、无线网络控制等。
    信号处理由整个服务区内的众多超高速处理器并行执行，而且处理任务可在网内动态安排并分发给各个处理器。这种结构是一种软件无线电或叫网络无线电，基于由高速网络连接的可调配处理器阵列。因此，系统能方便地支持多重协议并能自由升级与扩容。

(3)分布式高层控制
    分布式高层控制可以由信号处理层一并实现。该层执行所有的高层协议控制，包括信令、交换、移动管理(接入核心网的网关)。
   

(4)虚拟小区
    DWCS中不再有传统的小区概念存在，一般以虚拟小区概念取而代之。传统小区以基站为中心，虚拟小区以移动终端为中心。
    虚拟小区是一组与移动终端建立连接的天线。每个移动终端都有自己的虚拟小区，而且随着终端移动或环境变化而改变。
    虚拟小区只在信号处理时有用，不是一个真正的小区。处理层为每个移动终端动态地选择虚拟小区，并进行控制与优化。

(5)虚拟基站
    在分布无线通信系统中，信号处理功能被置于分布式处理网络中。所以，为特定区域用户处理信号的功能不再属于某个处理器，而是形成虚拟基站(VBS)。VBS为用户接触到的天线组提供信号处理服务。
    由于采用超高速分布式并行处理网络，分布无线通信系统结构灵活，可伸缩，易于升级。与传统蜂窝接入网相比，分布式无线通信系统的最大优势在于：无须频繁切换，网络健壮性强，易于支持多标准。

4 各种新结构方案分析
    本文提到的几种方案都对传统蜂窝接入网结构作了改进或重新设计，按结构变化程度可分为3种：

(1)蜂窝内改进
    蜂窝内改进方案将蜂窝系统中的基站改为分布式天线结构，以减小用户终端发送功率并降低实现系统容量的比特成本。RoF技术、分布式接收站、多跳无线接入蜂窝这3种方案属于小区内改进。这种改进都用到同一个概念：小区内“双跳”；即移动台不在基站视线内时，通过一个跳站(如远程天线单元、接收站)与基站建立连接。

(2)整体改进
    在整体改进方案中，系统层次模型有所变化，例如将RNC功能分布到由局域网互连的基站中，相当于传统树型结构减少了一层。同时小区内部可使用分布式基站的方式进一步改进。簇－蜂窝结构属于整体改进。整体改进用到了多跳无线连接概念，采用局部基站间的多跳方式。理论上其系统比特成本低于蜂窝内改进方案。

(3)采用非蜂窝结构
    在非蜂窝结构方案中，无线接入网结构完全重新设计，摒弃了传统的微小区结构。Ad hoc结构和分布无线通信系统采用了分布式处理思路，把系统分层模型彻底平坦化，以软件无线电技术为核心。分布式结构采用了全网多跳方式，即用户终端与全IP核心网间的通信都是IP包的多跳传输过程。将来这种方案的系统比特成本有望大大低于蜂窝结构。

5 结束语
    4G系统要求无线接入网成本低廉、部署灵活、易于支持多标准，并满足高速率大容量的需求。传统蜂窝系统干扰受限的特性和集中、树形的层次结构很难满足这些要求。因此，目前各国都在研究4G无线接入网的结构方案。
从特性对比看出，采用分布式处理/控制和多跳技术的无线接入网比传统蜂窝接入网更符合4G系统的要求。虽然目前仍有许多难题有待解决，但是可以预计，随着软件无线电、MIMO和正交频分复用等4G关键技术的发展，采用分布式结构和多跳技术将是4G无线接入网的发展趋势。

6 参考文献
[1] 祁玉生,邵世祥. 现代移动通信系统[M]. 北京:人民邮电出版社,1999.
[2] Hamed Ai-Raweshidy, Shozo Komaki. Radio over Fiber Technologies for Mobile Communications[M]. Boston: Artech House,2002.
[3] Fumiyuki Adachi. Wireless Past and Future—Evolving Mobile Communications Systems[J]. IEICE TRANS. Fundamentals, 2001, E84-A(1).
[4] Yamao Y, Otsu T, Fujiwara A. Multihop Radio Access Cellular Concept for Fourth-Generation Mobile Communications System[C]. 13th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2002,(1):59—63.
[5] Otsu T, Umeda N, Yamao Y. System Architecture for Mobile Communications Systems Beyond IMT-2000[C]. IEEE Global Telecommunications Conference, 2001,(1):25—29.
[6] Mihovska A, Wijting C, Prasad R. A Novel Flexible Technology for Intelligent Base Station Architecture Support for 4G Systems[J]. Wireless Personal Multimedia Communications, 2002,(2):27—30.
[7] Zhou Shidong, Zhao Ming, Xu Xibin. Distributed Wireless Communication System: A New Architecture for Future Public Wireless Access[J]. Communications Magazine, IEEE, 2003,41(3):108—113.

收稿日期：2004-03-02

[摘要] 第四代移动通信(4G)系统的无线接入网如果沿用传统蜂窝结构，很难满足设计要求。为此文章介绍了可能用于4G系统的改进蜂窝结构，如光纤无线电(RoF)、分布式接收站、多跳无线接入蜂窝、簇－蜂窝，以及全新设计的非蜂窝结构，如Ad hoc和分布无线通信系统。在对这些结构进行了分析对比后，文章认为采用分布式处理/控制和多跳技术的无线接入网比传统蜂窝接入网更符合4G系统的要求。

[关键词] 第4代移动通信系统；蜂窝结构；无线接入网；多跳

[Abstract] It’s quite difficult to meet the requirement of the fourth generation mobile communication (4G) system if its radio access network (RAN) adopts traditional cellular architecture. Thus, this paper analyzes several improved cellular architectures that may be adopted for 4G, such as Radio on Fiber (Rof), Distributed Receive Stations, Multi-hop Radio Access Cellular and Cluster-Cellular, and non-cellular architectures such as Ad hoc and Distributed Wireless Communication System. It finally draws a conclusion that RANs adopting distributed processing and control and multi-hop technologies may meet demands of the 4G system much better than the traditional cellular RANs.

[Keywords] 4G; cellular architecture; radio access network; multi-hop