協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)中的切換機(jī)制

摘要:協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)能有效改善小區(qū)邊緣用戶性能，提高系統(tǒng)吞吐量。協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)需要設(shè)計(jì)全新的切換機(jī)制，否則將會(huì)限制其實(shí)際性能。文章基于協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)架構(gòu)下的切換場(chǎng)景提出了一種支持協(xié)作多點(diǎn)通信的切換機(jī)制，包括協(xié)作小區(qū)集合切換和協(xié)作傳輸點(diǎn)選擇/更新的信息交互以及信令傳輸流程。該切換機(jī)制可有效支持協(xié)作多點(diǎn)通信，同時(shí)降低信息交互及信令開銷。

關(guān)鍵字:協(xié)作多點(diǎn)；切換；信息交互；信令傳輸

英文摘要:Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology has drawn an extensive attention recently and became one of the 3GPP LTE-Advanced key study item due to its ability of improving both cell-edge and average system performance. However, efficient handover scheme that has great impact on CoMP performance has not been investigated yet. It is necessary to design a new handover scheme for CoMP scenarios. In this paper, the handover model of CoMP system is analyzed and a novel handover scheme supporting CoMP is proposed, including information sharing and signaling transmission procedure of CoMP cooperating sets handover and CoMP transmission points selection/update. The proposed scheme could support CoMP well, but reduce the overhead of information exchanging and signaling transmission.

英文關(guān)鍵字:ccoordinated multi-point transmission/reception; handover; information exchange; signaling transmissionwireless network; joint radio resource management

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金課題(60872048)；科技部中瑞合作項(xiàng)目(2008DFA12110)

1 協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)的支持能力有了明顯的提高。然而，用戶對(duì)高速率、高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)也有了更高的需求。因此，在下一代移動(dòng)通信技術(shù)的研究中，對(duì)頻譜效率、傳輸速率、系統(tǒng)吞吐量和小區(qū)邊緣性能等方面也提出了更高的要求。協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)因其能有效改善小區(qū)邊緣用戶性能，提高系統(tǒng)吞吐量，在近年來(lái)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究，并成為3GPP LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化工作的重要研究項(xiàng)目[1]。

協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)，即指多個(gè)地理位置相互獨(dú)立分散的傳輸點(diǎn)通過(guò)不同的協(xié)作方式(如聯(lián)合傳輸、聯(lián)合處理、協(xié)作調(diào)度等)為多個(gè)用戶服務(wù)。其中，多個(gè)傳輸點(diǎn)可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和射頻單元的基站，或者是地理位置互異的多個(gè)射頻單元及天線(如分布式天線)，或者是中繼節(jié)點(diǎn)。

1.1 協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的發(fā)展

協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)起源于兩個(gè)重要的通信理論，即中繼信道容量分析和多天線分集理論。中繼信道模型[2]是協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的最本質(zhì)模型，可從信息論角度對(duì)3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)組成的通信網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行中繼信道容量分析。根據(jù)不同的條件，中繼信道可變化為廣播信道和多址接入信道。多天線分集理論[3-4]，也稱為多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，是指發(fā)送端(接收端)配備多根天線或天線陣列，利用多天線間形成的多個(gè)空間子信道的分集增益提高發(fā)送端與接收端之間的信道容量。利用空間分集提高收發(fā)兩端間的信道容量是協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)產(chǎn)生的根本動(dòng)因，同時(shí)多天線分集理論的研究發(fā)展使得在實(shí)際通信系統(tǒng)中使用協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)成為可能。

在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)軟切換中使用的宏分集技術(shù)可以說(shuō)是在實(shí)際通信系統(tǒng)中最早運(yùn)用協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的實(shí)例。與硬切換不同的是，在軟切換中，用戶從一個(gè)基站切換到另一個(gè)基站的過(guò)程中有一段時(shí)間是與源基站和目標(biāo)通信基站同時(shí)通信的，從而增加用戶切換成功的概率。

分布式天線系統(tǒng)[5]的研究也為如今的協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)奠定了一定的研究基礎(chǔ)。在分布式天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的廣義分布式天線系統(tǒng)[6]則第一次將多點(diǎn)協(xié)作的概念引入了分布式天線系統(tǒng)。而群小區(qū)理論[7-10](如圖1所示)的提出，第一次引入了蜂窩小區(qū)間協(xié)作通信概念，是現(xiàn)代協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的雛形，標(biāo)志了面向整個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的問(wèn)世。

近年來(lái)，隨著正交頻分復(fù)用(OFDM)及MIMO技術(shù)被確定為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，基于OFDM-MIMO系統(tǒng)的協(xié)作通信的研究引起了廣泛關(guān)注，諸如虛擬MIMO、網(wǎng)絡(luò)MIMO、協(xié)作MIMO等新概念新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，它們都屬于現(xiàn)代協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)的范疇。

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化研究中，現(xiàn)代協(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)被命名為多用戶協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP)技術(shù)，成為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)中的重要研究項(xiàng)目之一。

1.2 CoMP關(guān)鍵技術(shù)

CoMP技術(shù)主要分為兩大類：聯(lián)合處理(JP)及協(xié)作調(diào)度/波束賦形(CS/CB)。聯(lián)合處理利用不同小區(qū)基站天線到用戶的空間分集來(lái)提高小區(qū)邊緣用戶性能，進(jìn)一步分為聯(lián)合傳輸和動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇兩類。其中，聯(lián)合傳輸是指多個(gè)小區(qū)用相同的時(shí)頻資源向用戶發(fā)送承載用戶數(shù)據(jù)信息的物理下行共享信道(PDSCH)；動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇指同一時(shí)刻由用戶設(shè)備(UE)動(dòng)態(tài)選擇某一小區(qū)向其發(fā)送PDSCH。協(xié)作調(diào)度/波束賦形則是利用不同小區(qū)之間的信息交互，通過(guò)對(duì)資源(時(shí)間、頻率、空間等)的調(diào)度，包括波束賦形向量的調(diào)度來(lái)減少小區(qū)間干擾(ICI)，從而改善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。

CoMP技術(shù)需要多種物理層傳輸技術(shù)的支持，如適應(yīng)多小區(qū)聯(lián)合傳輸?shù)腗IMO技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、高效的信道估計(jì)和聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)等。同時(shí)，先進(jìn)有效的無(wú)線資源管理方案也是影響CoMP技術(shù)性能的重要因素，如小區(qū)資源分配策略、負(fù)載均衡、聯(lián)合傳輸中協(xié)作小區(qū)的選擇機(jī)制以及有效的切換策略等。其中切換性能是衡量移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，有效的切換策略是實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)通信技術(shù)后，系統(tǒng)中的切換場(chǎng)景將發(fā)生變換，現(xiàn)有系統(tǒng)中的切換策略將無(wú)法滿足新場(chǎng)景中的切換需要，因此設(shè)計(jì)有效的切換策略成為CoMP技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。

2 協(xié)作多點(diǎn)通信中的切換場(chǎng)景分析

在現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換場(chǎng)景中，通常由用戶觸發(fā)切換流程，用戶在與當(dāng)前連接的基站進(jìn)行通信的同時(shí)，周期性的測(cè)量當(dāng)前連接基站以及相鄰小區(qū)基站的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)用戶測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)前連接基站的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度下降到一定門限值以下，同時(shí)相鄰小區(qū)中某一小區(qū)基站的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度上升到一定門限值以上并持續(xù)一定時(shí)間后，即觸發(fā)切換流程。切換過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)用戶、源基站和目標(biāo)基站間復(fù)雜的信息交互和信令傳輸。在3G增強(qiáng)系統(tǒng)3GPP LTE系統(tǒng)中由于取消了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制(RNC)節(jié)點(diǎn)，所以沒(méi)有采用軟切換技術(shù)，所有切換過(guò)程均為硬切換，即用戶先與源基站斷開連接，然后與目標(biāo)基站建立連接。

當(dāng)引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)通信后，用戶的切換場(chǎng)景將發(fā)生改變。首先，用戶在可能發(fā)生切換的區(qū)域通常也是小區(qū)邊緣區(qū)域，即用戶與當(dāng)前連接基站間的通信質(zhì)量較差時(shí)。而在引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)通信后，此時(shí)的用戶很可能正在采用協(xié)作多點(diǎn)通信模式，因此需要設(shè)計(jì)新的切換策略來(lái)同時(shí)支持協(xié)作多點(diǎn)通信模式下的用戶切換和傳統(tǒng)通信模式下的切換。其次，假如用戶在協(xié)作多點(diǎn)通信模式下發(fā)生切換，則不再是從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)切換的小區(qū)間切換，而將可能是從一個(gè)小區(qū)集合切換到另一個(gè)小區(qū)集合，如CoMP聯(lián)合處理JP中的聯(lián)合傳輸，此時(shí)需要新的切換機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)多個(gè)小區(qū)之間的信息交互和信令傳輸。

在當(dāng)前的LTE-Advanced移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，后向兼容性是非常重要的準(zhǔn)則，同時(shí)也說(shuō)明新的切換機(jī)制需要同時(shí)支持協(xié)作多點(diǎn)通信模式下的切換和傳統(tǒng)通信模式下的切換，新的切換機(jī)制需要在現(xiàn)有的切換機(jī)制上進(jìn)行改進(jìn)。因此，本文以下部分將注重描述本文提出的切換機(jī)制在現(xiàn)有LTE系統(tǒng)切換機(jī)制基礎(chǔ)上的修改部分，不再?gòu)?fù)述與現(xiàn)有切換機(jī)制相同的部分。同時(shí)，本文將側(cè)重于對(duì)切換機(jī)制的改進(jìn)，即切換過(guò)程中多小區(qū)之間，多小區(qū)與用戶之間的信息交互與信令傳輸流程，即在現(xiàn)有切換機(jī)制中小區(qū)與用戶間的信息交互及信令傳輸?shù)幕�礎(chǔ)上，給出支持協(xié)作多點(diǎn)通信所需要增加的信息交互，同時(shí)提出相應(yīng)的交互及信令傳輸流程。