1 背景與目標

傳統(tǒng)的UMTS無線通信網(wǎng)絡基本都是圍繞語音業(yè)務為核心進行設計，從3G、LTE以及未來4G技術(shù)的發(fā)展中，我們都可以看到網(wǎng)絡架構(gòu)的變遷之中數(shù)據(jù)業(yè)務的驅(qū)動起著重要的作用。未來通信網(wǎng)絡不僅是多種異構(gòu)無線網(wǎng)絡的融合，還是無線網(wǎng)絡與有線互聯(lián)網(wǎng)的融合。然而隨著各種各樣的互聯(lián)網(wǎng)應用的興起并且互聯(lián)網(wǎng)仍然在不斷地推陳出新，這就對未來的無線接入網(wǎng)的架構(gòu)提出更高的容量要求。

未來的網(wǎng)絡架構(gòu)需要適應未來網(wǎng)絡發(fā)展的需要，對數(shù)據(jù)業(yè)務特性進行優(yōu)化，以滿足多樣化、個性化的通信需求。

在3GPP中，3GPP長期演進(LTE)項目，致力于進一步改進和增強現(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)絡架構(gòu)已經(jīng)在UMTS網(wǎng)絡架構(gòu)的基礎上向全IP扁平化方向前進了一大步，但是面對未來的應用發(fā)展趨勢，我們?nèi)匀恍枰粋€高效的網(wǎng)絡架構(gòu)可以向用戶提供高速的寬帶接入體驗。現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡仍采用以蜂窩為單位進行無線資源的分配模式，在接入網(wǎng)中基站間資源難以共享，網(wǎng)絡不能適應話務遷徙規(guī)律，導致網(wǎng)絡的建設成本(CAPEX)過高且設備利用不充分。此外，在基于LTE或LTE-A的正交頻分復用(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線資源配置模式，顯然會給小區(qū)之間帶來干擾，并導致小區(qū)邊緣節(jié)點的性能急劇惡化。

為了避免單小區(qū)為組織模式的網(wǎng)絡架構(gòu)對網(wǎng)絡性能的約束，顯然通過分布式的模式考慮小區(qū)之間的無線資源配置可以更好優(yōu)化信道干擾對網(wǎng)絡性能的影響，以分布式天線系統(tǒng)的方式實現(xiàn)無線接入網(wǎng)部分，通過天線的分布化布置以及網(wǎng)絡資源的合理利用，可以進一步提高無線接入網(wǎng)絡的容量。

與此同時，對于無線網(wǎng)絡，無線鏈路的衰落特性隨時間不斷地變化；網(wǎng)絡中的用戶也不停地在無線網(wǎng)絡中運動；用戶的業(yè)務會依據(jù)個人喜好有不同的選擇。無線網(wǎng)絡動態(tài)性使得其不適合進行大規(guī)模集中信息處理，例如多小區(qū)的信號聯(lián)合處理，應當進行分布式信息處理。分布式信息處理可以更快地適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，能夠減少很多網(wǎng)絡開銷，使得網(wǎng)絡更健壯，具有更好的可擴展性、自組織性，自配置性，從而從整體上提高網(wǎng)絡的性能。

2 分布式無線接入網(wǎng)的需求

未來的無線接入網(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態(tài)配置

網(wǎng)絡架構(gòu)可以支持硬件資源的共享并且具備資源間互相協(xié)作的機制

同一硬件平臺下多制式的支持，多模基站長期共存.

扁平化的網(wǎng)絡架構(gòu)，面向IP的系統(tǒng)設計更適合與互聯(lián)網(wǎng)融合

無處不在的覆蓋與接入方式

永遠在線的無線連接方式以及高速率的數(shù)據(jù)服務支持#p#

3 分布式無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡架構(gòu)

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

在目前的3G以及未來的LTE系統(tǒng)中，由遠程射頻單元和基帶單元構(gòu)成的分布式基站正變得越來越普遍。分布式基站通常包括一個非常強大的基帶單元和多個遠程射頻單元(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，基帶單元通過吉比特的光纖連接至RRU。每個RRU配備了相應收發(fā)裝置可以將射頻信號(RF)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻(IF)信號。基帶處理功能、無線資源及網(wǎng)絡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)作式無線接入網(wǎng)中打破了基帶處理單元與遠端射頻單元的靜態(tài)鏈接。在協(xié)作式無線電系統(tǒng)中，每個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。通過虛擬化技術(shù)使得物理資源分配更加優(yōu)化，利用負載均衡的策略，物理設備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個基帶池可以為多個RRU提供信號聯(lián)合處理來獲取更高系統(tǒng)頻譜效率。在基帶單元+RRU的協(xié)同無線電系統(tǒng)中，移動終端可以依據(jù)接受信號強度來選擇合適的RRU為其服務。同時，多個移動終端可以依據(jù)信道相關(guān)性合理配對組成虛擬的MIMO來共同發(fā)送/接收，以進一步提高系統(tǒng)的頻譜效率。整個信號的聯(lián)合處理過程可以在一個分布式的方式下協(xié)調(diào)不同RRU的傳輸并最終在基帶池的某個基帶單元中完成處理。

分發(fā)基帶池可以聚合每一個處理能力不同的基帶信號單元，通過實現(xiàn)有效的負載平衡機制來提高資源利用率。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)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

節(jié)省機房以及外圍配套設備的支出。機房數(shù)量需求大大減少，節(jié)約機房建設費用及機房租金;電路共享，節(jié)省全球定位系統(tǒng)(GPS)設備、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。集中控制和維護管理，實現(xiàn)單點監(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，單個小區(qū)的覆蓋范圍將更小，每個RRU到用戶設備的接入距離將被縮短。因此，每個小區(qū)需要的發(fā)射功率也就越低，對于用戶設備而言，用于發(fā)送信號的能量也就越小，對于用戶設備的節(jié)電能力也會有增強作用。

分布式基帶池作為一個中心控制節(jié)點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，多站點間話務平衡，能顯著應對“潮汐效應”，節(jié)省基帶資源。

隨著用戶設備的移動其服務小區(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)絡性能。#p#

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

協(xié)作式無線接入網(wǎng)中打破了基帶處理單元與遠端射頻單元的靜態(tài)鏈接。在協(xié)作式無線電系統(tǒng)中，每個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。通過虛擬化技術(shù)使得物理資源分配更加優(yōu)化，利用負載均衡的策略，物理設備的整體利用效率更高。此外，所有的基帶單元作為一個基帶池可以為多個RRU提供信號聯(lián)合處理來獲取更高系統(tǒng)頻譜效率。

(1)協(xié)作式無線電

協(xié)作式MIMO技術(shù)[2-5]可以將干擾信號作為有用信號加以利用，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。

協(xié)作式無線電研究重點包括：

空口的測量

信道反饋及參考信號的設計

基站間信道信息

數(shù)據(jù)信息及調(diào)度信息的共享分發(fā)機制

(2)高速傳輸系統(tǒng)

參與協(xié)作處理的RRU為了捕獲干擾都是跨站點部署，如圖2所示。這就使得RRU與室內(nèi)基帶處理單元(BBU)之間的數(shù)據(jù)傳輸需要建立高速的傳送網(wǎng)進行異地傳輸。

高速傳輸系統(tǒng)研究重點包括：

部署場景分析及其系統(tǒng)級帶寬需求。

RRU與BBU之間Cpri/Ir接口到LTE階段將達到吉比特量級，未來小區(qū)范圍越來越小，各類型RRU部署量增多，需要研究降帶寬技術(shù)以降低傳輸成本。

Cpri/Ir接口屬于終結(jié)型，需支持交換型的接口研究，以保證天線資源動態(tài)配置給需要的基站系統(tǒng)。

多點之間廣域條件下時間同步與頻率同步問題。

(3)動態(tài)無線資源配置

在基于LTE或LTE-A的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，然而以單小區(qū)為單位的無線資源配置模式，顯然會給小區(qū)之間帶來干擾，并導致小區(qū)邊緣節(jié)點的性能急劇惡化。

為了避免單小區(qū)為組織模式的網(wǎng)絡架構(gòu)對網(wǎng)絡性能的約束，顯然通過分布式的模式考慮小區(qū)之間的無線資源配置可以更好優(yōu)化信道干擾對網(wǎng)絡性能的影響。以分布式天線系統(tǒng)的方式實現(xiàn)無線接入網(wǎng)部分，通過天線的分布化布置以及網(wǎng)絡資源的合理利用，可以進一步提高無線接入網(wǎng)絡的容量。

動態(tài)無線資源配置的研究重點包括：

分布式無線資源配置優(yōu)化技術(shù)(功率，時間，空間)

多天線動態(tài)配置技術(shù)

多用戶配對技術(shù)

(4)基站間負載均衡

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡建設方式不能適應話務遷徙的客觀規(guī)律，導致了網(wǎng)絡資源不能得到充分利用；隨著分布式無線電技術(shù)以及MIMO、干擾抑制算法的成熟，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)限制了該類新技術(shù)的部署應用，約束了無線網(wǎng)絡的性能提升。

基站間負載均衡研究重點包括：

分布式基站系統(tǒng)部署方式及網(wǎng)元間連接方式

負載均衡機制

設備及相關(guān)的信令流程

切換流程

(5)軟件無線電以及虛擬化技術(shù)

已有基站系統(tǒng)的硬件體系架構(gòu)基本包括了ASIC、FPGA、DSP、NP以及CPU等各類芯片，這種異構(gòu)性使得人們很難將各基站內(nèi)的硬件資源進行管理、共享，所以使得網(wǎng)絡產(chǎn)生某些地區(qū)設備利用率不高，某些地區(qū)需要擴容建設。

隨著計算領(lǐng)域的高速發(fā)展，目前有很多公司提出了單一CPU的硬件架構(gòu)的軟基站系統(tǒng)，該系統(tǒng)好處不僅僅可以同時支持多種制式(TD-SCDMA、TD-LTE)，當網(wǎng)絡需要同時支持不同無線制式時，基于該平臺的基站系統(tǒng)可以通過軟件配置，靈活地支持不同的無線制式。而且通過硬件平臺的統(tǒng)一使得通過IT領(lǐng)域的虛擬化等技術(shù)手段，統(tǒng)一管理多個基站的資源，并實現(xiàn)共享。與此同時，單一CPU完成數(shù)字信號處理還有一系列的問題需要研究。

軟件無線電以及虛擬化技術(shù)研究重點包括：

基于IT平臺的軟基站系統(tǒng)研究

多制式的軟件配置技術(shù)

基于軟基站的虛擬化技術(shù)研究(統(tǒng)一完成系統(tǒng)資源分配與管理)

(6)基站側(cè)應用層優(yōu)化技術(shù)

網(wǎng)絡架構(gòu)的逐步扁平化使得網(wǎng)絡的業(yè)務能力更加接近用戶端，此外基站作為用戶接入網(wǎng)絡的接觸點有利于捕獲用戶的行為，通過用戶行為的分析選擇相應的應用層優(yōu)化策略。具體而言，在基站上部署深度包檢測(DPI)能力，完成對用戶進行統(tǒng)計分析，并依據(jù)用戶業(yè)務特性選擇各類應用Cache(Web、Video等)來進一步優(yōu)化用戶體驗。除了通常的Internet應用外，基站的地域特性也十分適合在其直接部署具有區(qū)域應用特點的企業(yè)服務或終端客戶服務。

基站側(cè)應用層優(yōu)化技術(shù)研究重點包括：

基站側(cè)應用層優(yōu)化硬件實現(xiàn)平臺分析

基于基站側(cè)的DPI以及用戶行為分析研究

基于基站側(cè)的多樣化區(qū)域服務創(chuàng)新或緩存類應用優(yōu)化技術(shù)#p#

5 性能評估

下行鏈路的處理表示為在多個協(xié)作基站間通過預處理矩陣來協(xié)調(diào)各個用戶的發(fā)送信號，進行用戶信號的預干擾抑制。下行的預處理算法目前主要有基于迫零(ZF)算法[6-7]和塊對角(BD)算法[8]兩種。

5.1 下行傳輸系統(tǒng)模型

CoMP系統(tǒng)中，聯(lián)合預編碼可以通過一個中央處理單元以集中的方式來完成。這些協(xié)作的基站稱為協(xié)作基站集合，其為一個使用相同時頻資源塊的用戶組服務。中央處理單元用聯(lián)合信號預編碼來進行用戶間信號的預干擾抑制，以提高系統(tǒng)頻譜效率，特別是邊緣用戶的吞吐量。

假設每一個協(xié)作基站有n t 個發(fā)送天線，每一個用戶有n r 個接收天線。一個協(xié)作基站集合由M個協(xié)作基站組成，這M 個協(xié)作基站為N 個使用相同時頻資源塊的用戶服務。下行鏈路中，這M 個協(xié)作基站和N 個用戶可以形成一個虛擬(Nn r )×(Mn t )的MIMO系統(tǒng)。下行傳輸系統(tǒng)模型如圖3所示。

我們采用系統(tǒng)級仿真來評估CoMP下行傳輸方案的性能，得到下行協(xié)作多點傳輸方案的性能評估結(jié)果。評估時TDD幀結(jié)構(gòu)用10 ms的幀長和1 ms的子幀長，并假設所有載波用相等功率傳輸。

與傳統(tǒng)非協(xié)作系統(tǒng)(Rel.8基于碼本的預編碼方案)相比，協(xié)作多點傳輸方案分別提高了38%的下行平均小區(qū)頻譜利用率和70%的下行小區(qū)邊緣用戶頻譜利用率。

上行的聯(lián)合處理可以表示為在多個協(xié)作基站間聯(lián)合檢測用戶的接收信號，相應的MIMO檢測算法有最小均方誤差(MMSE)檢測、串行干擾刪除(SIC)等。

5.2 上行傳輸系統(tǒng)模型

假定每個用戶有n t發(fā)射天線，每個協(xié)作基站有n r 個接收天線。一個協(xié)作基站集合由M 個協(xié)作基站組成，服務于N個采用相同時頻資源塊的用戶。在上行鏈路，這M 個協(xié)作基站和N個分組的用戶可以形成一個(Nn r )×(Mn t )虛擬的MIMO系統(tǒng)，如圖4所示。

對上行協(xié)作多點傳輸方案的評估，我們采用系統(tǒng)級仿真來評估前面提到的CoMP上行傳輸方案的性能。評估時TDD幀結(jié)構(gòu)用10 ms的幀長和1 ms的子幀長，并假設所有載波用相等功率傳輸。

6 結(jié)束語

下一代分布式接入網(wǎng)主要特點是射頻單元拉遠并分布式化，同時基帶處理單元集中化統(tǒng)一為較高數(shù)量的射頻單元提供服務。射頻單元分布式部署時的小區(qū)半徑更小，不僅可以提高空口性能同時降低能耗，而基帶處理的集中化不僅可以降低建設成本和維護成本，通過部署協(xié)作式MIMO技術(shù)可以消除小區(qū)間干擾極大提升系統(tǒng)的頻譜效率。提前開展針對分布式接入網(wǎng)的研究，使得中國移動在基礎網(wǎng)絡領(lǐng)域可以走在技術(shù)發(fā)展前沿，更快推進技術(shù)革新，建設低成本高性能的網(wǎng)絡為終端用戶服務。