一种广义分布式多小区架构——群小区

基金项目：国家自然科学基金重大项目(60496312)；北京市自然科学基金项目(4042021)

      1971年Bell系统实验室提出的蜂窝制小区的设计方案突破了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分为许多蜂窝小区，实现了蜂窝小区覆盖、切换、小功率发射和频率复用，有效地解决了当时(20世纪80年代)移动通信系统出现的频谱匮乏、容量不足、服务质量差及频谱利用率低等问题。蜂窝组网理论已经成功应用了20多年，但是进入21世纪后，随着移动通信技术的迅猛发展，同样的问题又开始重新显现出来，并且日益尖锐。由于频谱资源的限制，未来无线通信系统可能会利用更高的频段，由于高频段信号损耗的增加，蜂窝小区的覆盖面积会比采用现有载频的蜂窝小区覆盖面积大幅度地减小。小区面积的减小将使得覆盖同样的区域需要更多的小区，这不仅将增加接入点的建设负担，更导致频繁切换的问题。频繁的切换将会严重降低系统效率，造成资源的浪费，而且也会造成切换失败及通信质量的不稳定。另一方面，随着数字信号处理技术和射频技术的突飞猛进，大量先进的物理层技术可被用于新的移动通信系统，传统的蜂窝架构已经不能很好地发挥物理层新技术特别是多天线技术的优势。随着用户对高速率、高质量无线通信业务需求的不断增长，以及对多天线信号处理技术(如空时码、联合发送等)的深入研究，探讨全新的移动通信小区与网络拓扑结构成为必然。

      目前，在现有蜂窝网络结构的基础上，已经有人提出了一些改进措施。例如分布式天线系统[1]、微小区方法[2]、站点选择发送分集(SSDT)方法[3]、捆绑(Bunched)系统[4]等。这些改进型的移动通信系统虽然在一定程度上提高了蜂窝系统的容量，但还是基于传统的小区架构和切换策略，不能很好地适应联合发送、空时码、多入多出(MIMO)等未来移动通信系统核心技术的应用。

      基于多天线系统架构，本文介绍一种新型的应用于未来移动通信系统的适应空时码、联合发送、分布式天线等先进技术的广义分布式多小区架构——群小区以及基于该网络架构的新型切换模式——群切换[5-9]。另外，第三代移动通信系统的多媒体业务对通信链路质量的要求越来越高，其长期演进计划将提高小区边缘用户性能作为必须达到的一个目标。基于群切换思想，将群切换策略进行适当的变化而适用于现有第三代移动通信系统(3G)增强系统，本文提出了解决小区边缘用户数据速率下降问题的方案——快速小区组选择方案(FCGS)，仿真比较了该方案相对于快速小区选择(FCS)[10]以及软切换[11]等方案性能的提高情况。

1 广义分布式多小区架构及其越区切换策略
      在多天线发送技术的基础上，群小区被定义为：在地理位置相邻的多个小区(图1中天线或天线阵的覆盖面积)中，针对一个移动终端采用同一套通信资源(例如频率、时隙或码道)进行通信，而针对其他移动终端分别采用不同的通信资源进行通信。采取这种通信方式的多个小区就构成了一个群小区。根据不同的应用环境，群小区的构建方式可以不同。图1表示了高速公路环境以及市区环境下的群小区的构建方式。

      在群小区架构中，每个接入点(AP)内部有一根或多根分离的天线(或天线阵)，典型的天线(或天线阵)间距为十几米到几十公里。天线(或天线阵)和接入点之间可通过光纤、同轴电缆、微波链路等方式连接。信号处理功能由接入点完成。一个接入点可以看成具有多根天线(或天线阵)的基站。

      群小区的构成可以有多种方式：可以是固定的，也可以是滑动的。在固定群小区架构中，各个群小区所包含的天线终端是固定的；在滑动群小区架构中，群小区是对应于移动终端的，其具体包含的天线(或天线阵)终端是可变的，随着移动终端当前情况(如位置、信道等)的变化而动态改变。同时，每个群小区中的天线数目可以根据不同的需要(如信道数、服务质量等)来选择。

      图1中描述了一个典型的基于群小区架构的无线通信系统。接入点AP1下设置N根天线，即原来N个传统蜂窝小区覆盖的范围现在由一个接入点来覆盖。原来每个传统蜂窝小区中的基站现在用天线(图中用数字1～6标注)代替。在AP1中，天线1、2、3构成群小区1(图1中用蓝色标注群小区1的覆盖范围)，天线4、5、6构成群小区2(图1中用绿色标注群小区2的覆盖范围)，该方式称为固定群小区的构建方式。群切换发生在移动终端1(MT1)从群小区1向邻近的群小区2的转移过程中。假设MT1原来位于群小区1内，和群小区1中的天线1、2、3进行通信。在群小区1的覆盖范围内移动时，无须切换。当移动终端1跨过群小区1和群小区2的边界，进入群小区2的覆盖范围时，就需要进行群切换，从与群小区1(由天线1、2、3构成)的连接整个切换到和群小区2(由天线4、5、6构成)的连接。和原来蜂窝移动通信系统中的切换方式类似，在两个群小区之间可以进行硬切换或软切换。这一过程为固定群切换过程。

      另一种切换方式为滑动群切换方式，可以将构造群小区的过程看作一个窗口滑动的过程，这个窗口中的多个小区构成一个群小区。在AP2中，移动终端3(MT3)在时刻1可由天线11、12、13构成一个群小区，随着移动终端的移动，在时刻2天线13、14、16可构成另外一个群小区。移动终端从天线11、12、13构成的群小区滑动到天线13、14、16构成的群小区的过程被称为滑动切换。该窗口滑动的速度以及其大小、形状是可以动态变化的。比如，可以根据移动终端速度的大小和方向变化。当移动终端速度比较快时，滑动窗可以大一些以跟随移动终端的移动，减少其切换。当然，当移动终端运动方向产生变化时，滑动窗的方向也要跟随其变化。不同的终端可能会对应不同的群小区结构。群小区的构成方式不再是固定的，而是可以动态滑动的，这种切换方式即为滑动群小区构建方式。

      群小区概念是能够应用在多天线系统中的一种全新的组网结构，可以充分利用多天线技术带来的优势，并且系统的资源是由AP来进行统一调度，易于达到资源整体最优分配，且更有利于利用先进的信号处理技术来有效地提高系统性能。滑动切换策略使得用户始终处于小区的中心，克服了小区边缘效应问题，进一步地提高了用户的性能。

2 广义分布式多小区在现有网络架构下的应用
      基于滑动群切换的思想并结合现有的3G网络架构，本文提出了快速小区(扇区)组选择方案。本文中，扇区与小区将不进行严格的区分。该方案被认为是解决3G长期演进计划中提高小区边缘用户数据速率问题的一个有效途径。

      快速小区组选择方案定义为：当移动终端处于小区边缘时，每个更新周期选择链路质量最好的一个或几个小区作为发送下行数据的候选小区组，候选小区组结合多天线技术向移动终端发送数据。3G增强系统是小区扇区化系统，如图2所示。MT1处于节点B1内部扇区交界处，进行节点B内部的快速扇区组选择，每个更新周期从节点B内部选择导频信号强度最大的一个或几个扇区向移动终端发送下行数据，所选扇区与同一个节点B相连。节点B内部的快速小区组选择与滑动群切换类似，不过快速小区组选择方案主要针对处于小区边缘的用户，可以结合先进的多天线技术进行扇区间的协同，如应用空时分组码(STBC)等来提高小区边缘用户的性能。

      所选的扇区也可以属于不同节点B。如图2中，MT2处于节点B1、节点B2、节点B3之间扇区交界处，进行节点B之间的快速扇区组选择，每个更新周期从扇区1B、扇区2A、扇区3A中选出导频信号强度最大的一个或几个扇区向移动终端发送下行数据。

      快速小区组选择方案的具体实施流程如图3所示：

      (1)进行物理层测量。移动终端对各小区的导频信道进行测量，结合各小区的当前可用功率、业务负载、资源分配情况等信息选择链路质量最好的一个或几个小区。

      (2)用上行物理层信令将小区组选择结果通知给所选中的各小区。

      (3)选中的小区组对该移动终端进行数据调度。选中的最佳小区组所在的节点B向该移动终端发送下一帧数据。

      快速小区组选择方案与软切换的主要区别在于其服务小区组的更新周期更快，可以达到每帧更新，切换延时更小；而与快速小区选择的主要区别在于它能与有效提高容量的多天线技术结合，充分利用发送分集优势。

      下面对扇区化系统中节点B内部快速小区组选择结合空时分组码(STBC)技术相对于快速小区选择及软切换的性能进行仿真比较。仿真参数如表1所示。

      图4给出了节点B内快速小区组选择、快速小区选择、软切换3种方案的性能增益情况，仿真中仅比较了系统中发生切换用户的性能增益情况，其中快速小区组选择方案以及软切换方案都只选择两个小区的情况。通过切换用户的信道容量比较可知，采用空时分组码(STBC)发送方案的快速小区组选择方案的性能要优于快速扇区选择方案以及软切换方案。

3 结束语
      广义分布式多小区架构——群小区是一种适用于未来移动通信系统的组网方式，可以适应先进的多天线技术，并有效解决由于载频提高导致的频繁切换问题。群小区架构突破了传统蜂窝组网结构，实现了小区域覆盖向大区域覆盖的飞跃。基于群小区架构的群切换模式可以有效地减少切换次数，提高切换性能和系统资源的利用率，采用滑动切换方式还可以进一步提高系统的性能。针对目前3G系统的演进需求，将群切换思想应用于当前3G系统架构而提出的快速小区组选择方案被认为是解决第3代移动通信合作计划(3GPP)长期演进计划中提高小区边缘用户数据速率问题的一个可能途径，与快速小区选择以及软切换方案相比，快速小区组选择通过先进的信号处理技术可以更大幅度地提高小区边缘用户的数据速率。节点B内部的快速小区组选择方案已经在2005年8月3GPP伦敦会议上被接受并写入3GPP的技术报告(TR25.814)中[12]。

4 参考文献
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[9] Tao Xiaofeng, Ni Li, Dai Zuojun, et al. Intelligent Group Handover Mode in Multi-access Point Infrastructure[C]//Proceedings of 6th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications(WPMC ´03). Oct.19-22, 2003, Yokosuka, Japan. Piscataway, NJ,USA:IEEE,2003.
[10] 3GPP TR 25.858. High Speed Downlink Packet Access: Physical Layer Aspects (Release 5) [S]. 2002.
[11] Viterbi A J. CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication[M]. Reading, MA, USA: Addison-Wesley Publishing Company, 1995.
[12] 3GPP TR 25.814. Physical Layer Aspects for Evolved UTRA [S]. 2005.

收稿日期：2006-01-06

[摘要] 为了更好地适应如空时码、联合发送、多入多出等未来移动通信系统核心技术的应用，满足第三代移动通信系统(3G)的多媒体业务对通信链路质量越来越高的要求，需要探讨全新的移动通信小区与网络拓扑结构。广义分布式多小区架构可以适应先进的多天线技术，并有效地解决由于载频提高导致的频繁切换问题。基于该架构的新型切换策略——群切换可以消除小区边缘效应，而进一步将群切换思想应用于3G系统的快速小区组选择方案可以大幅度地提高小区边缘用户的数据速率。

[关键词] 蜂窝；群小区；群切换；滑动切换；快速小区组选择

[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.

[Keywords] cell; group cell; group handover; slide handover; fast cell group selection