1 蜂窩結(jié)構(gòu)用于4G的缺陷
傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)主要由交換網(wǎng)路子系統(tǒng)(NSS),、無線基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺(MS)三大部分組成,。蜂窩系統(tǒng)使用小區(qū)分裂的方法來擴容，即通過增加基站數(shù)量把現(xiàn)有小區(qū)劃分為若干更小的小區(qū)[1],。
由于頻帶資源有限,，傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)采用頻率復用技術(shù)，從而產(chǎn)生小區(qū)間干擾,；此外CDMA蜂窩系統(tǒng)由于地址碼間互相關(guān)性不理想,，具有自干擾性。當小區(qū)半徑縮小時,，干擾將隨之增強,，嚴重制約了系統(tǒng)容量，同時基站密度也將急劇加大,。若小區(qū)半徑減為原先的1/2,，所需基站數(shù)將是原來的4倍，導致切換頻率大大增加,，系統(tǒng)復雜度和成本呈指數(shù)級上升,。
目前3G系統(tǒng)仍然采用蜂窩結(jié)構(gòu)，能達到2 Mb/s的傳輸速率和較大系統(tǒng)容量,，實現(xiàn)無縫覆蓋,。4G系統(tǒng)的設(shè)計速率高達100 Mb/s以上，預(yù)計用戶數(shù)量也比3G系統(tǒng)高一個數(shù)量級,。因此4G無線接入網(wǎng)若沿用傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu),，很難以合理的比特成本同時滿足高速/大容量與高覆蓋率的要求。所以,，4G無線接入網(wǎng)必須對蜂窩結(jié)構(gòu)進行改進或采用新的結(jié)構(gòu),。
2 改進的蜂窩結(jié)構(gòu)
2.1 光纖無線電技術(shù)
該技術(shù)將傳統(tǒng)基站集成的天線改為分布式結(jié)構(gòu)，天線與基站間使用光纖連接,，因此天線可以隨意延伸到較遠的地方以減少盲區(qū),。
由于處理/控制功能都在基站端實現(xiàn),，遠程天線單元(RAU)只負責射頻信號的收發(fā)和光電轉(zhuǎn)換。遠程天線單元(RAU)包括天線,、雙工器,、放大器和光/電轉(zhuǎn)換收發(fā)器,。光纖鏈路直接傳送模擬射頻信號以降低RAU的復雜度,。
光纖無線電技術(shù)(RoF)技術(shù)具有如下優(yōu)點：
(1)由于光纖是低損耗(1 550 nm時光損耗為0.2 dB/km)、高帶寬的傳輸媒介,，基站,、天線間使用光纖鏈路可提供高信號傳輸質(zhì)量，并在一根光纖上實現(xiàn)多個服務(wù),，從而加強天線布置的延伸性和靈活性[2],。
(2)天線結(jié)構(gòu)從集中模式改為分布式，可有效均勻化下行發(fā)送功率并縮短移動臺到天線間的距離,，從而減小上行發(fā)送功率,。這樣系統(tǒng)可以采用大量成本低、體積小,、射頻功率低的遠程天線單元提供大范圍的視線內(nèi)通信,，加大覆蓋范圍，提高頻譜效率和系統(tǒng)容量,。系統(tǒng)部署由此變得簡單而且容易進行集中升級,，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃周期縮短。如果天線單元采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù),，可進一步加大系統(tǒng)容量和傳輸速率,。
由于系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)沒有變化，且實現(xiàn)比較簡單,，RoF技術(shù)目前在歐洲已被用于UMTS系統(tǒng)中,。
2.2 分布式接收站
為了降低蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，減小移動臺發(fā)射功率,，一種分布式接收站概念被提出[3],。分布式接收站結(jié)構(gòu)中基站由多個接收站和一個發(fā)送站構(gòu)成。接收站處于發(fā)送站的視線內(nèi),，只負責接收上行信號并中繼到發(fā)送站,，發(fā)送站發(fā)送下行信號并作為處理/控制端。這樣移動臺與接收站間距離顯著縮短,，移動臺的發(fā)射功率和硬件復雜度大大降低,。考慮到系統(tǒng)成本,，接收站與發(fā)送站間將使用無線鏈路連接,。采用分布式接收站結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)以較低成本實現(xiàn)了較大容量,，且部署簡單靈活、易于實現(xiàn),。
2.3 多跳無線接入蜂窩
寬帶CDMA通過寬帶擴頻與精確發(fā)送功率控制減輕瞬時衰落的影響,。然而導致遠近問題的傳播損耗不受接入技術(shù)的影響，而且基站和移動臺發(fā)送功率的限制導致小區(qū)邊緣功率控制不夠理想,，從而引起很多傳輸差錯,。為此，文獻[4]提出了多跳無線接入蜂窩(MRAC)概念,。
在多跳無線接入蜂窩概念中,，用戶與相應(yīng)基站間增加了作為無線中繼器和無線分組路由器的跳站(HS)，從而構(gòu)成了移動臺—跳站—基站“雙跳”路徑,。
跳站分為專用跳站和臨時跳站,。專用跳站位于基站視線內(nèi)，專門用于中繼信號,。臨時跳站可由任何處于優(yōu)良傳播條件下的移動臺充當,。
移動臺有“單跳”和“雙跳”路徑模型：
(1)當傳播條件足以滿足通信需求(如速率、差錯率等)時移動臺直接訪問基站,，稱為“單跳”路徑,。
(2)當傳播損耗較高，移動臺選擇一個可用的跳站以低于“單跳”路徑的發(fā)送功率與跳站建立連接,，跳站將信號中繼到基站,，稱為“雙跳”路徑。
在“雙跳”路徑模型中,，通過選擇通往基站的最佳路徑,，移動臺能在特定傳輸速率下減小發(fā)送功率，或能以特定發(fā)送功率實現(xiàn)更高傳輸速率,。利用“雙跳”路徑模型可減小移動臺帶來的干擾,，并通過中繼傳輸加大小區(qū)半徑或區(qū)域覆蓋能力。
在“雙跳”模型中,，跳站需要一些額外無線資源進行中繼傳輸,，這會產(chǎn)生一定干擾。當專用中繼器被部署在基站的視線內(nèi),，且專用跳站與基站使用定向天線時,，跳站中繼引起的干擾很小，而如果用戶終端被用作跳站,，跳站中繼引起的干擾將大于使用專用跳站時的干擾,。然而，在人口密度很高的城區(qū)，可找到很多用戶終端充當跳站,，只要從中選擇傳播條件最佳的一個,，就可以將干擾減為最小。
基站－專用跳站路徑的傳播損耗非常低,，因此專用跳站能放置在任何地方,。然而，因為小區(qū)邊緣“單跳”路徑傳輸損耗非常大而且需要較高發(fā)送功率,，所以當專用跳站放置在小區(qū)邊緣時采用“雙跳”路徑傳輸具有明顯優(yōu)越性,，因此，MRAC結(jié)構(gòu)中將中繼區(qū)域(“雙跳”區(qū)域)放在小區(qū)邊界處,。為使用“雙跳”路徑減小移動臺的發(fā)送功率,，臨時跳站(由另一個移動臺充當)應(yīng)當處于比該移動臺更優(yōu)良的通信位置,。
MRAC小區(qū)布局與蜂窩單元很相似,。每個小區(qū)的中央部分是“單跳”占優(yōu)區(qū)域，小區(qū)邊緣部分是“雙跳”占優(yōu)區(qū)域,，此區(qū)域內(nèi)存在很多跳站作為中繼站,。“雙跳”區(qū)范圍(或“單跳”區(qū)半徑)的選擇根據(jù)“單跳”路徑和“雙跳”路徑的傳播損耗比值來確定。
當移動臺位于小區(qū)邊緣時,，MRAC結(jié)構(gòu)可有效降低發(fā)送功率,。由此，MRAC減小了蜂窩系統(tǒng)的干擾并增強了區(qū)域覆蓋性,。這種結(jié)構(gòu)可擴大小區(qū)半徑,，部署較為靈活，相同系統(tǒng)容量下成本低于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu),。
2.4 簇-蜂窩結(jié)構(gòu)
簇－蜂窩結(jié)構(gòu)是NTT DoCoMo公司提出的一種無線接入網(wǎng)（RAN）結(jié)構(gòu),，采用了簇內(nèi)多跳概念[5]。4G系統(tǒng)的RAN擬采用簇型結(jié)構(gòu),，分布式控制,。圖1所示為簇－蜂窩無線接入網(wǎng)。圖中,，環(huán)狀簇只是一個示例,，其他的拓撲結(jié)構(gòu)也能采用。這種結(jié)構(gòu)下,，基站被聚合成一個簇并擁有一個連接到核心網(wǎng)的“簇頭”基站,。簇內(nèi)的基站由一種局域網(wǎng)互相連接。無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)的功能被分配到每個基站,，形成分布式基站控制,。
(1)分布式基站控制
為減輕鏈路和信號處理設(shè)備的負擔，大多數(shù)層1信號處理控制被分配到各個基站。
上行信號被多個基站(從基站)接收,，然后被送至其中一個作為暫時代理處理上行信號的基站(主基站)處,。當移動臺移動，主基站的角色被傳遞到鄰近基站,，從基站隨之變更,。所以，與移動臺通信的基站形成一種以主基站為代表的“虛擬基站”,。如果接收到的層1信號僅在簇中傳遞,，簇中的分集切換控制則被關(guān)閉。如果信號以IP包形式傳送且基站作為路由器工作,，分集切換能獨立于簇而進行,。
下行分組信號從簇頭基站多發(fā)至簇中的其他基站。
(2)多跳無線連接
在3G RAN結(jié)構(gòu)中,，每個基站都與無線網(wǎng)絡(luò)控制器直接相連,，屬于“單跳”結(jié)構(gòu)。簇－蜂窩結(jié)構(gòu)采用基于簇型RAN結(jié)構(gòu)的多跳無線連接,。這種結(jié)構(gòu),，不需要尋找直接連接基站與簇頭基站的視線內(nèi)無線路徑，形成了基站間的多跳連接,，降低了系統(tǒng)的總發(fā)送功率,。
簇－蜂窩結(jié)構(gòu)采用分布方式實現(xiàn)無線接入網(wǎng)控制，可以減少所需處理功率和控制信號,。而且其構(gòu)造采用多跳無線連接,，可以增大通路鏈路容量并降低系統(tǒng)成本。
3 非蜂窩結(jié)構(gòu)
3.1 Ad hoc技術(shù)
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)指的是由若干帶有無線收發(fā)信機的節(jié)點構(gòu)成的一個無中心多跳的自組織對等式通信網(wǎng)絡(luò),，它采用分布式控制,，網(wǎng)中的節(jié)點同時具有主機和路由器的功能。
在Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)中,，采用了虛擬無線節(jié)點基站的概念,。節(jié)點基站分為兩種，一種是核心節(jié)點基站,，另一種是葉節(jié)點基站,。核心節(jié)點基站與核心網(wǎng)相連，葉節(jié)點基站分布于無線接入網(wǎng)內(nèi),。葉節(jié)點基站通過與不同數(shù)量的核心節(jié)點基站連接來動態(tài)保證用戶的接入帶寬[6],。
核心節(jié)點基站通過光纖與核心網(wǎng)連接，通過無線鏈路與葉節(jié)點基站連接,。數(shù)據(jù)包在無線節(jié)點基站間的傳輸采用Ad hoc網(wǎng)的自組織多跳路由方式,。為保證系統(tǒng)容量和熱點情況下的流量需求,，節(jié)點基站采用了定向天線(多輸入多輸出結(jié)構(gòu))，能適應(yīng)動態(tài)流量需求,。
采用Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型可分為3層：終端分布層,、節(jié)點分布層、網(wǎng)絡(luò)層,。該結(jié)構(gòu)中,，核心節(jié)點基站數(shù)量固定，而連接到核心節(jié)點基站的葉節(jié)點基站數(shù)量根據(jù)流量密度與熱點變化而相應(yīng)增減,。根據(jù)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可任意增減節(jié)點的連接特性,，葉節(jié)點基站被稱為虛擬節(jié)點基站。劃分核心與葉節(jié)點基站概念的做法可在熱點地區(qū)快速部署基站,，自適應(yīng)地與原有網(wǎng)絡(luò)融合,，可極大地減輕網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的負擔。
采用Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)繼承了Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點,，可以不依賴預(yù)先存在的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,，能快速展開，自適應(yīng)組網(wǎng),。各節(jié)點可在不進行通知的情況下自由進入網(wǎng)絡(luò)和脫離網(wǎng)絡(luò),，能大大降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復雜度,，因此部署簡單,、迅速。此外該結(jié)構(gòu)能以較低的總發(fā)射功率實現(xiàn)高速,、大容量覆蓋,。
3.2 分布無線通信系統(tǒng)
傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，而且由于無線鏈路速率相對有限,，加上其接入網(wǎng)是樹型結(jié)構(gòu),，因而易導致網(wǎng)絡(luò)擁塞。針對這種局面,，清華大學提出了分布無線通信系統(tǒng)(DWCS)概念[7],。在傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)中，小區(qū)縮小后移動用戶切換頻率大大增加,，給系統(tǒng)帶來沉重負擔,，小區(qū)間干擾也急劇增大，導致系統(tǒng)容量無法有效提升,。分布無線通信系統(tǒng)的基本原理是將蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平坦化,，使分布無線通信系統(tǒng)的每個層面都是分布式的。
(1)分布式天線
DWCS結(jié)構(gòu)中使用高密度的分布式天線,，天線與處理中心之間使用光纖連接,，即用到RoF技術(shù),。系統(tǒng)在低移動性場合使用最大比值傳輸(MRT)方案，而在高移動性場合使用選擇性傳輸方案,。
(2)分布式信號處理
分布式信號處理是DWCS最重要的部分,。所有與無線接入有關(guān)的信號處理都包含在這一層面，包括調(diào)制/解調(diào),、信道編/解碼,、聯(lián)合檢測、信道測量,、媒體訪問控制,、鏈路層控制(LLC)、無線鏈路控制(RLC),、無線網(wǎng)絡(luò)控制等,。
信號處理由整個服務(wù)區(qū)內(nèi)的眾多超高速處理器并行執(zhí)行，而且處理任務(wù)可在網(wǎng)內(nèi)動態(tài)安排并分發(fā)給各個處理器,。這種結(jié)構(gòu)是一種軟件無線電或叫網(wǎng)絡(luò)無線電,，基于由高速網(wǎng)絡(luò)連接的可調(diào)配處理器陣列。因此,，系統(tǒng)能方便地支持多重協(xié)議并能自由升級與擴容,。
(3)分布式高層控制
分布式高層控制可以由信號處理層一并實現(xiàn)。該層執(zhí)行所有的高層協(xié)議控制,，包括信令,、交換、移動管理(接入核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)),。
(4)虛擬小區(qū)
DWCS中不再有傳統(tǒng)的小區(qū)概念存在,，一般以虛擬小區(qū)概念取而代之。傳統(tǒng)小區(qū)以基站為中心,，虛擬小區(qū)以移動終端為中心,。
虛擬小區(qū)是一組與移動終端建立連接的天線。每個移動終端都有自己的虛擬小區(qū),，而且隨著終端移動或環(huán)境變化而改變,。
虛擬小區(qū)只在信號處理時有用，不是一個真正的小區(qū),。處理層為每個移動終端動態(tài)地選擇虛擬小區(qū),，并進行控制與優(yōu)化。
(5)虛擬基站
在分布無線通信系統(tǒng)中,，信號處理功能被置于分布式處理網(wǎng)絡(luò)中,。所以，為特定區(qū)域用戶處理信號的功能不再屬于某個處理器,，而是形成虛擬基站(VBS),。VBS為用戶接觸到的天線組提供信號處理服務(wù),。
由于采用超高速分布式并行處理網(wǎng)絡(luò)，分布無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活,，可伸縮,，易于升級。與傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)相比,，分布式無線通信系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于：無須頻繁切換,，網(wǎng)絡(luò)健壯性強，易于支持多標準,。
4 各種新結(jié)構(gòu)方案分析
本文提到的幾種方案都對傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)作了改進或重新設(shè)計,，按結(jié)構(gòu)變化程度可分為3種：
(1)蜂窩內(nèi)改進
蜂窩內(nèi)改進方案將蜂窩系統(tǒng)中的基站改為分布式天線結(jié)構(gòu)，以減小用戶終端發(fā)送功率并降低實現(xiàn)系統(tǒng)容量的比特成本,。RoF技術(shù),、分布式接收站、多跳無線接入蜂窩這3種方案屬于小區(qū)內(nèi)改進,。這種改進都用到同一個概念：小區(qū)內(nèi)“雙跳”,；即移動臺不在基站視線內(nèi)時，通過一個跳站(如遠程天線單元,、接收站)與基站建立連接,。
(2)整體改進
在整體改進方案中，系統(tǒng)層次模型有所變化,，例如將RNC功能分布到由局域網(wǎng)互連的基站中,，相當于傳統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)減少了一層。同時小區(qū)內(nèi)部可使用分布式基站的方式進一步改進,。簇－蜂窩結(jié)構(gòu)屬于整體改進,。整體改進用到了多跳無線連接概念，采用局部基站間的多跳方式,。理論上其系統(tǒng)比特成本低于蜂窩內(nèi)改進方案。
(3)采用非蜂窩結(jié)構(gòu)
在非蜂窩結(jié)構(gòu)方案中,，無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)完全重新設(shè)計,，摒棄了傳統(tǒng)的微小區(qū)結(jié)構(gòu)。Ad hoc結(jié)構(gòu)和分布無線通信系統(tǒng)采用了分布式處理思路,，把系統(tǒng)分層模型徹底平坦化,，以軟件無線電技術(shù)為核心。分布式結(jié)構(gòu)采用了全網(wǎng)多跳方式,，即用戶終端與全IP核心網(wǎng)間的通信都是IP包的多跳傳輸過程,。將來這種方案的系統(tǒng)比特成本有望大大低于蜂窩結(jié)構(gòu)。
5 結(jié)束語
4G系統(tǒng)要求無線接入網(wǎng)成本低廉,、部署靈活,、易于支持多標準,，并滿足高速率大容量的需求。傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)干擾受限的特性和集中,、樹形的層次結(jié)構(gòu)很難滿足這些要求,。因此，目前各國都在研究4G無線接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方案,。
從特性對比看出,，采用分布式處理/控制和多跳技術(shù)的無線接入網(wǎng)比傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)更符合4G系統(tǒng)的要求。雖然目前仍有許多難題有待解決,，但是可以預(yù)計,，隨著軟件無線電、MIMO和正交頻分復用等4G關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,，采用分布式結(jié)構(gòu)和多跳技術(shù)將是4G無線接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢,。
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