下一代協(xié)作式無(wú)線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及性能

摘要:伴隨著網(wǎng)絡(luò)扁平化的趨勢(shì)，下一代的無(wú)線接入網(wǎng)逐漸向分布式方向發(fā)展，基站之間以協(xié)作的方式進(jìn)行無(wú)線資源優(yōu)化配置來(lái)提高空口的頻譜效率。無(wú)線接入網(wǎng)通過(guò)基帶資源聚合等手段，可以極大地提升基站設(shè)備的利用效率同時(shí)更有效地利用機(jī)房空間，滿足低成本建設(shè)與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的要求。

關(guān)鍵字:無(wú)線接入網(wǎng)；負(fù)載均衡；軟件無(wú)線電；協(xié)作式MIMO；無(wú)線資源動(dòng)態(tài)配置

英文摘要:The next generation Radio Access Network (RAN) is evolving in a distributed style along with network architecture getting flat. Base stations in the next generation RAN cooperatively optimize the radio resource allocation to improve the spectral efficiency. In addition, the base-band pool technology reduces the CAPEX and OPEX of RAN through improving resource utilization efficiency greatly and decreasing the requirements for equipment room.

英文關(guān)鍵字:radio access network; load balancing; SDR; cooperative MIMO; dynamic radio resource allocation

1 背景與目標(biāo)

傳統(tǒng)的UMTS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)基本都是圍繞語(yǔ)音業(yè)務(wù)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，從3G、LTE以及未來(lái)4G技術(shù)的發(fā)展中，我們都可以看到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變遷之中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)起著重要的作用。未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)不僅是多種異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合，還是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線互聯(lián)網(wǎng)的融合。然而隨著各種各樣的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起并且互聯(lián)網(wǎng)仍然在不斷地推陳出新，這就對(duì)未來(lái)的無(wú)線接入網(wǎng)的架構(gòu)提出更高的容量要求。

未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特性進(jìn)行優(yōu)化，以滿足多樣化、個(gè)性化的通信需求。

在3GPP中，3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)項(xiàng)目，致力于進(jìn)一步改進(jìn)和增強(qiáng)現(xiàn)有3G技術(shù)的性能，提供更快的分組速率、頻譜效率以及更低的延遲[1]。雖然LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)在UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上向全I(xiàn)P扁平化方向前進(jìn)了一大步，但是面對(duì)未來(lái)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，我們?nèi)匀恍枰�一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以向用戶提供高速的寬帶接入體驗(yàn)�，F(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)仍采用以蜂窩為單位進(jìn)行無(wú)線資源的分配模式，在接入網(wǎng)中基站間資源難以共享，網(wǎng)絡(luò)不能適應(yīng)話務(wù)遷徙規(guī)律，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本(CAPEX)過(guò)高且設(shè)備利用不充分。此外，在基于LTE或LTE-A的正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)中，為了保證頻譜效率，小區(qū)間采用同頻組網(wǎng)模式，然而以蜂窩為單位的無(wú)線資源配置模式，顯然會(huì)給小區(qū)之間帶來(lái)干擾，并導(dǎo)致小區(qū)邊緣節(jié)點(diǎn)的性能急劇惡化。

為了避免單小區(qū)為組織模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的約束，顯然通過(guò)分布式的模式考慮小區(qū)之間的無(wú)線資源配置可以更好優(yōu)化信道干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以分布式天線系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入網(wǎng)部分，通過(guò)天線的分布化布置以及網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用，可以進(jìn)一步提高無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的容量。

與此同時(shí)，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線鏈路的衰落特性隨時(shí)間不斷地變化；網(wǎng)絡(luò)中的用戶也不停地在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)；用戶的業(yè)務(wù)會(huì)依據(jù)個(gè)人喜好有不同的選擇。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性使得其不適合進(jìn)行大規(guī)模集中信息處理，例如多小區(qū)的信號(hào)聯(lián)合處理，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行分布式信息處理。分布式信息處理可以更快地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，能夠減少很多網(wǎng)絡(luò)開銷，使得網(wǎng)絡(luò)更健壯，具有更好的可擴(kuò)展性、自組織性，自配置性，從而從整體上提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 分布式無(wú)線接入網(wǎng)的需求

未來(lái)的無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)為了支持基站間的協(xié)作，滿足分布式資源配置以及信息處理的要求，需要具備以下特征：

頻譜資源可以共享并支持動(dòng)態(tài)配置
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以支持硬件資源的共享并且具備資源間互相協(xié)作的機(jī)制
同一硬件平臺(tái)下多制式的支持，多�；�站長(zhǎng)期共存.
扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，面向IP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更適合與互聯(lián)網(wǎng)融合
無(wú)處不在的覆蓋與接入方式
永遠(yuǎn)在線的無(wú)線連接方式以及高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)支持

3 分布式無(wú)線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了滿足上述需求，我們提出了一種新型的無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)，該基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施利用分布式無(wú)線電技術(shù)，提供了同時(shí)具有成本效益以及高性能的服務(wù)。分布式無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)中基站的射頻單元與基帶處理單元分離，通過(guò)拉近天線與用戶的距離，網(wǎng)絡(luò)的容量、能量效率以及覆蓋范圍都得到了提升。此外，通過(guò)利用多小區(qū)多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)實(shí)施分布式基帶單元，該系統(tǒng)的頻譜效率以及邊緣節(jié)點(diǎn)性能可以得到極大改善。

在目前的3G以及未來(lái)的LTE系統(tǒng)中，由遠(yuǎn)程射頻單元和基帶單元構(gòu)成的分布式基站正變得越來(lái)越普遍。分布式基站通常包括一個(gè)非常強(qiáng)大的基帶單元和多個(gè)遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)，可以靈活組網(wǎng)并覆蓋較大的地理區(qū)域，其基本思想是分離基站內(nèi)的基帶部分和射頻部分，基帶單元通過(guò)吉比特的光纖連接至RRU。每個(gè)RRU配備了相應(yīng)收發(fā)裝置可以將射頻信號(hào)(RF)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻(IF)信號(hào)�；鶐�處理功能、無(wú)線資源及網(wǎng)絡(luò)管理等功能放在基帶單元中完成。

不同于傳統(tǒng)的分布式基站，協(xié)作式無(wú)線接入網(wǎng)中打破了基帶處理單元與遠(yuǎn)端射頻單元的靜態(tài)鏈接。在協(xié)作式無(wú)線電系統(tǒng)中，每個(gè)RRU不屬于任何特定的基帶處理單元。從RRU的角度看，所有的基帶單元通過(guò)虛擬化技術(shù)以及高速傳輸技術(shù)可以聚集成基帶池。通過(guò)虛擬化技術(shù)使得物理資源分配更加優(yōu)化，利用負(fù)載均衡的策略，物理設(shè)備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個(gè)基帶池可以為多個(gè)RRU提供信號(hào)聯(lián)合處理來(lái)獲取更高系統(tǒng)頻譜效率。在基帶單元+RRU的協(xié)同無(wú)線電系統(tǒng)中，移動(dòng)終端可以依據(jù)接受信號(hào)強(qiáng)度來(lái)選擇合適的RRU為其服務(wù)。同時(shí)，多個(gè)移動(dòng)終端可以依據(jù)信道相關(guān)性合理配對(duì)組成虛擬的MIMO來(lái)共同發(fā)送/接收，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜效率。整個(gè)信號(hào)的聯(lián)合處理過(guò)程可以在一個(gè)分布式的方式下協(xié)調(diào)不同RRU的傳輸并最終在基帶池的某個(gè)基帶單元中完成處理。

分發(fā)基帶池可以聚合每一個(gè)處理能力不同的基帶信號(hào)單元，通過(guò)實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)載平衡機(jī)制來(lái)提高資源利用率。此外，分布式基帶池很容易部署多小區(qū)MIMO技術(shù)，例如LTE-A中的協(xié)同多點(diǎn)處理(CoMP)，可使得系統(tǒng)獲取很高的性能增益。

分布式基帶池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

節(jié)省機(jī)房以及外圍配套設(shè)備的支出。機(jī)房數(shù)量需求大大減少，節(jié)約機(jī)房建設(shè)費(fèi)用及機(jī)房租金;電路共享，節(jié)省全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備、控制電路、基站與基站控制器(接入網(wǎng)關(guān))的接口電路，節(jié)約投資成本。集中控制和維護(hù)管理，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)監(jiān)控，節(jié)約人力成本;更低的系統(tǒng)能耗。

分布式基帶池將部署更高密度的RRU，單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍將更小，每個(gè)RRU到用戶設(shè)備的接入距離將被縮短。因此，每個(gè)小區(qū)需要的發(fā)射功率也就越低，對(duì)于用戶設(shè)備而言，用于發(fā)送信號(hào)的能量也就越小，對(duì)于用戶設(shè)備的節(jié)電能力也會(huì)有增強(qiáng)作用。

分布式基帶池作為一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)可以獲取在其覆蓋范圍內(nèi)的任何數(shù)據(jù)以及信道狀態(tài)信息。因此，很容易部署聯(lián)合發(fā)射/處理算法，聯(lián)合調(diào)度等。從而，消除小區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣性能。

基帶的集中處理，支持更大范圍的信道共享，多站點(diǎn)間話務(wù)平衡，能顯著應(yīng)對(duì)“潮汐效應(yīng)”，節(jié)省基帶資源。

隨著用戶設(shè)備的移動(dòng)其服務(wù)小區(qū)不斷變換，基帶池相比傳統(tǒng)基站系統(tǒng)覆蓋更大的區(qū)域，明顯降低了切換的數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

4 分布式無(wú)線接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與面臨的挑戰(zhàn)

協(xié)作式無(wú)線接入網(wǎng)中打破了基帶處理單元與遠(yuǎn)端射頻單元的靜態(tài)鏈接。在協(xié)作式無(wú)線電系統(tǒng)中，每個(gè)RRU不屬于任何特定的基帶處理單元。從RRU的角度看，所有的基帶單元通過(guò)虛擬化技術(shù)以及高速傳輸技術(shù)可以聚集成基帶池。通過(guò)虛擬化技術(shù)使得物理資源分配更加優(yōu)化，利用負(fù)載均衡的策略，物理設(shè)備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個(gè)基帶池可以為多個(gè)RRU提供信號(hào)聯(lián)合處理來(lái)獲取更高系統(tǒng)頻譜效率。

(1)協(xié)作式無(wú)線電

協(xié)作式MIMO技術(shù)[2-5]可以將干擾信號(hào)作為有用信號(hào)加以利用，從而降低小區(qū)間的干擾，提高系統(tǒng)的頻譜利用率，如圖1所示。圖1給出了不同協(xié)作范圍的示意圖。