下一代协作式无线接入网的网络架构及性能

1 背景与目标

传统的UMTS无线通信网络基本都是围绕语音业务为核心进行设计，从3G、LTE以及未来4G技术的发展中，我们都可以看到网络架构的变迁之中数据业务的驱动起着重要的作用。未来通信网络不仅是多种异构无线网络的融合，还是无线网络与有线互联网的融合。然而随着各种各样的互联网应用的兴起并且互联网仍然在不断地推陈出新，这就对未来的无线接入网的架构提出更高的容量要求。

未来的网络架构需要适应未来网络发展的需要，对数据业务特性进行优化，以满足多样化、个性化的通信需求。

在3GPP中，3GPP长期演进(LTE)项目，致力于进一步改进和增强现有3G技术的性能，提供更快的分组速率、频谱效率以及更低的延迟[1]。虽然LTE网络架构已经在UMTS网络架构的基础上向全IP扁平化方向前进了一大步，但是面对未来的应用发展趋势，我们仍然需要一个高效的网络架构可以向用户提供高速的宽带接入体验。现有的蜂窝网络仍采用以蜂窝为单位进行无线资源的分配模式，在接入网中基站间资源难以共享，网络不能适应话务迁徙规律，导致网络的建设成本(CAPEX)过高且设备利用不充分。此外，在基于LTE或LTE-A的正交频分复用(OFDM)系统中，为了保证频谱效率，小区间采用同频组网模式，然而以蜂窝为单位的无线资源配置模式，显然会给小区之间带来干扰，并导致小区边缘节点的性能急剧恶化。

为了避免单小区为组织模式的网络架构对网络性能的约束，显然通过分布式的模式考虑小区之间的无线资源配置可以更好优化信道干扰对网络性能的影响，以分布式天线系统的方式实现无线接入网部分，通过天线的分布化布置以及网络资源的合理利用，可以进一步提高无线接入网络的容量。

与此同时，对于无线网络，无线链路的衰落特性随时间不断地变化；网络中的用户也不停地在无线网络中运动；用户的业务会依据个人喜好有不同的选择。无线网络动态性使得其不适合进行大规模集中信息处理，例如多小区的信号联合处理，应当进行分布式信息处理。分布式信息处理可以更快地适应网络状态的变化，能够减少很多网络开销，使得网络更健壮，具有更好的可扩展性、自组织性，自配置性，从而从整体上提高网络的性能。

2 分布式无线接入网的需求

未来的无线接入网架构为了支持基站间的协作，满足分布式资源配置以及信息处理的要求，需要具备以下特征：

频谱资源可以共享并支持动态配置

网络架构可以支持硬件资源的共享并且具备资源间互相协作的机制

同一硬件平台下多制式的支持，多模基站长期共存.

扁平化的网络架构，面向IP的系统设计更适合与互联网融合

无处不在的覆盖与接入方式

永远在线的无线连接方式以及高速率的数据服务支持

3 分布式无线接入网的网络架构

为了满足上述需求，我们提出了一种新型的无线接入网架构，该基础网络设施利用分布式无线电技术，提供了同时具有成本效益以及高性能的服务。分布式无线接入网架构中基站的射频单元与基带处理单元分离，通过拉近天线与用户的距离，网络的容量、能量效率以及覆盖范围都得到了提升。此外，通过利用多小区多输入多输出(MIMO)技术实施分布式基带单元，该系统的频谱效率以及边缘节点性能可以得到极大改善。

在目前的3G以及未来的LTE系统中，由远程射频单元和基带单元构成的分布式基站正变得越来越普遍。分布式基站通常包括一个非常强大的基带单元和多个远程射频单元(RRU)，可以灵活组网并覆盖较大的地理区域，其基本思想是分离基站内的基带部分和射频部分，基带单元通过吉比特的光纤连接至RRU。每个RRU配备了相应收发装置可以将射频信号(RF)转换成数字中频(IF)信号。基带处理功能、无线资源及网络管理等功能放在基带单元中完成。

不同于传统的分布式基站，协作式无线接入网中打破了基带处理单元与远端射频单元的静态链接。在协作式无线电系统中，每个RRU不属于任何特定的基带处理单元。从RRU的角度看，所有的基带单元通过虚拟化技术以及高速传输技术可以聚集成基带池。通过虚拟化技术使得物理资源分配更加优化，利用负载均衡的策略，物理设备的整体利用效率更高。此外，所有的基带单元作为一个基带池可以为多个RRU提供信号联合处理来获取更高系统频谱效率。在基带单元+RRU的协同无线电系统中，移动终端可以依据接受信号强度来选择合适的RRU为其服务。同时，多个移动终端可以依据信道相关性合理配对组成虚拟的MIMO来共同发送/接收，以进一步提高系统的频谱效率。整个信号的联合处理过程可以在一个分布式的方式下协调不同RRU的传输并最终在基带池的某个基带单元中完成处理。

分发基带池可以聚合每一个处理能力不同的基带信号单元，通过实现有效的负载平衡机制来提高资源利用率。此外，分布式基带池很容易部署多小区MIMO技术，例如LTE-A中的协同多点处理(CoMP)，可使得系统获取很高的性能增益。

分布式基带池技术的优势主要体现在以下几个方面：

节省机房以及外围配套设备的支出。机房数量需求大大减少，节约机房建设费用及机房租金;电路共享，节省全球定位系统(GPS)设备、控制电路、基站与基站控制器(接入网关)的接口电路，节约投资成本。集中控制和维护管理，实现单点监控，节约人力成本;更低的系统能耗。

分布式基带池将部署更高密度的RRU，单个小区的覆盖范围将更小，每个RRU到用户设备的接入距离将被缩短。因此，每个小区需要的发射功率也就越低，对于用户设备而言，用于发送信号的能量也就越小，对于用户设备的节电能力也会有增强作用。

分布式基带池作为一个中心控制节点可以获取在其覆盖范围内的任何数据以及信道状态信息。因此，很容易部署联合发射/处理算法，联合调度等。从而，消除小区间干扰，提高小区边缘性能。

基带的集中处理，支持更大范围的信道共享，多站点间话务平衡，能显著应对“潮汐效应”，节省基带资源。

随着用户设备的移动其服务小区不断变换，基带池相比传统基站系统覆盖更大的区域，明显降低了切换的数量，提高网络性能。

4 分布式无线接入网的关键技术与面临的挑战

协作式无线接入网中打破了基带处理单元与远端射频单元的静态链接。在协作式无线电系统中，每个RRU不属于任何特定的基带处理单元。从RRU的角度看，所有的基带单元通过虚拟化技术以及高速传输技术可以聚集成基带池。通过虚拟化技术使得物理资源分配更加优化，利用负载均衡的策略，物理设备的整体利用效率更高。此外，所有的基带单元作为一个基带池可以为多个RRU提供信号联合处理来获取更高系统频谱效率。

(1)协作式无线电

协作式MIMO技术[2-5]可以将干扰信号作为有用信号加以利用，从而降低小区间的干扰，提高系统的频谱利用率，如图1所示。图1给出了不同协作范围的示意图。

协作式无线电研究重点包括：

空口的测量

信道反馈及参考信号的设计

基站间信道信息

数据信息及调度信息的共享分发机制

(2)高速传输系统

参与协作处理的RRU为了捕获干扰都是跨站点部署，如图2所示。这就使得RRU与室内基带处理单元(BBU)之间的数据传输需要建立高速的传送网进行异地传输。

高速传输系统研究重点包括：

部署场景分析及其系统级带宽需求。

RRU与BBU之间Cpri/Ir接口到LTE阶段将达到吉比特量级，未来小区范围越来越小，各类型RRU部署量增多，需要研究降带宽技术以降低传输成本。

Cpri/Ir接口属于终结型，需支持交换型的接口研究，以保证天线资源动态配置给需要的基站系统。

多点之间广域条件下时间同步与频率同步问题。

(3)动态无线资源配置

在基于LTE或LTE-A的OFDM系统中，为了保证频谱效率，小区间采用同频组网模式，然而以单小区为单位的无线资源配置模式，显然会给小区之间带来干扰，并导致小区边缘节点的性能急剧恶化。

为了避免单小区为组织模式的网络架构对网络性能的约束，显然通过分布式的模式考虑小区之间的无线资源配置可以更好优化信道干扰对网络性能的影响。以分布式天线系统的方式实现无线接入网部分，通过天线的分布化布置以及网络资源的合理利用，可以进一步提高无线接入网络的容量。

动态无线资源配置的研究重点包括：

分布式无线资源配置优化技术(功率，时间，空间)

多天线动态配置技术

多用户配对技术

(4)基站间负载均衡

传统的网络建设方式不能适应话务迁徙的客观规律，导致了网络资源不能得到充分利用；随着分布式无线电技术以及MIMO、干扰抑制算法的成熟，传统的网络架构限制了该类新技术的部署应用，约束了无线网络的性能提升。

基站间负载均衡研究重点包括：

分布式基站系统部署方式及网元间连接方式

负载均衡机制

设备及相关的信令流程

切换流程

(5)软件无线电以及虚拟化技术

已有基站系统的硬件体系架构基本包括了ASIC、FPGA、DSP、NP以及CPU等各类芯片，这种异构性使得人们很难将各基站内的硬件资源进行管理、共享，所以使得网络产生某些地区设备利用率不高，某些地区需要扩容建设。

随着计算领域的高速发展，目前有很多公司提出了单一CPU的硬件架构的软基站系统，该系统好处不仅仅可以同时支持多种制式(TD-SCDMA、TD-LTE)，当网络需要同时支持不同无线制式时，基于该平台的基站系统可以通过软件配置，灵活地支持不同的无线制式。而且通过硬件平台的统一使得通过IT领域的虚拟化等技术手段，统一管理多个基站的资源，并实现共享。与此同时，单一CPU完成数字信号处理还有一系列的问题需要研究。

软件无线电以及虚拟化技术研究重点包括：

基于IT平台的软基站系统研究

多制式的软件配置技术

基于软基站的虚拟化技术研究(统一完成系统资源分配与管理)

(6)基站侧应用层优化技术

网络架构的逐步扁平化使得网络的业务能力更加接近用户端，此外基站作为用户接入网络的接触点有利于捕获用户的行为，通过用户行为的分析选择相应的应用层优化策略。具体而言，在基站上部署深度包检测(DPI)能力，完成对用户进行统计分析，并依据用户业务特性选择各类应用Cache(Web、Video等)来进一步优化用户体验。除了通常的Internet应用外，基站的地域特性也十分适合在其直接部署具有区域应用特点的企业服务或终端客户服务。

基站侧应用层优化技术研究重点包括：

基站侧应用层优化硬件实现平台分析

基于基站侧的DPI以及用户行为分析研究

基于基站侧的多样化区域服务创新或缓存类应用优化技术

5 性能评估

下行链路的处理表示为在多个协作基站间通过预处理矩阵来协调各个用户的发送信号，进行用户信号的预干扰抑制。下行的预处理算法目前主要有基于迫零(ZF)算法[6-7]和块对角(BD)算法[8]两种。

5.1 下行传输系统模型

CoMP系统中，联合预编码可以通过一个中央处理单元以集中的方式来完成。这些协作的基站称为协作基站集合，其为一个使用相同时频资源块的用户组服务。中央处理单元用联合信号预编码来进行用户间信号的预干扰抑制，以提高系统频谱效率，特别是边缘用户的吞吐量。

假设每一个协作基站有n t 个发送天线，每一个用户有n r 个接收天线。一个协作基站集合由M个协作基站组成，这M 个协作基站为N 个使用相同时频资源块的用户服务。下行链路中，这M 个协作基站和N 个用户可以形成一个虚拟(Nn r )×(Mn t )的MIMO系统。下行传输系统模型如图3所示。

我们采用系统级仿真来评估CoMP下行传输方案的性能，得到下行协作多点传输方案的性能评估结果。评估时TDD帧结构用10 ms的帧长和1 ms的子帧长，并假设所有载波用相等功率传输。

与传统非协作系统(Rel.8基于码本的预编码方案)相比，协作多点传输方案分别提高了38%的下行平均小区频谱利用率和70%的下行小区边缘用户频谱利用率。

上行的联合处理可以表示为在多个协作基站间联合检测用户的接收信号，相应的MIMO检测算法有最小均方误差(MMSE)检测、串行干扰删除(SIC)等。

5.2 上行传输系统模型

假定每个用户有n t发射天线，每个协作基站有n r 个接收天线。一个协作基站集合由M 个协作基站组成，服务于N个采用相同时频资源块的用户。在上行链路，这M 个协作基站和N个分组的用户可以形成一个(Nn r )×(Mn t )虚拟的MIMO系统，如图4所示。

对上行协作多点传输方案的评估，我们采用系统级仿真来评估前面提到的CoMP上行传输方案的性能。评估时TDD帧结构用10 ms的帧长和1 ms的子帧长，并假设所有载波用相等功率传输。