分布式无线电和蜂窝移动通信网络结构_尤肖虎

分布式无线电和蜂窝移动通信网络结构尤肖虎,赵新胜(东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096)摘要:研究了分布式无线电在蜂窝移动通信网络中的应用,在分析蜂窝移动通信系统和相关技术发展趋势的基础上,针对未来蜂窝移动通信系统将使用多入多出天线(MIMO)、多载波传输技术、光纤无线电技术、移动IP协议和2GHz以上的工作频点进行网络构架等需求,探讨一种新型的广义小区式蜂窝移动通信网络结构、无线资源管理模型和切换算法.关键词:分布式无线电;蜂窝移动通信系统;广义蜂窝小区结构;无线资源管理模型;切换算法中图分类号:TN929.5文献标识码:文章编号:0372-2112(2004)12A-016-06Abstract:Distributedradioanditsapplicationincellularmobilecommunicationssystemareinvestigated.Basedontheanalysisofevolutiontrendsofmobilecommunicationssystemandrelatedkeytechnologies,anovelgeneralizedcellstructure,radioresourcemanagementmodelandhandoveralgorithmforfuturemobilecommunicationssystemareproposedtomeettherequirementofnewtech-nologyapplicationslikeMIMO,multi-carrier,radiooverfiber,mobileIPandhigherworkingfrequency.Keywords:distributedradio;cellularmobilecommunicationssystem;generalizedcellstructure;radioresourcemanagementmodel;handoveralgorithm1引言随着无线通信系统不断发展,无线频谱资源短缺与通信业务量增长之间的矛盾愈显突出,通过对无线网络合理构架提高无线频谱资源利用率和系统功率效率和对频率、时间和空间等多维无线资源充分复用方法,使无线通信系统的系统容量、频谱效率和无线宽带业务承载能力有数十倍提高已成为各无线通信系统技术标准研究发展的主要方向[1].移动通信系统为了满足无线信号全范围覆盖和有效利用无线频谱资源的网络设计需求,通常可采用六边形等效全向天线无线信号传播特征并组成蜂窝小区形式无线网络结构[2],蜂窝式网络结构可降低无线信号发送功率和进行频率复用,较大程度上方便了无线网络优化设计和无线资源充分复用.由于无线通信业务量增长和各种新业务的涌现,旨在优化设计无线系统和网络体系结构的改进方法在系统的演进过程中应运而生,并在各种无线通信系统技术标准中得到应用.其中,分布式无线电是在蜂窝移动通信网络发展中为适应无线网络容量提高、覆盖范围扩大和多种无线业务增长等需求而形成的一种分布式无线网络系统.分布式无线电是指通过光纤无线电等宽带传输技术[3～5]将移动通信网的基站(BTS)和远程天线单元(RAU)分开,基站的无线信号和基带信号在不同的地理位置上处理使基站和天线由传统的集中放置的方法改变为分开放置,基站的无线覆盖小区可由多个分散放置的天线组成.在无线网络进行规划设计时,基站天线的布置可以根据无线信号覆盖和用户容量需求灵活地放置和延伸,以便于通过无线信号覆盖范围的规划、频率空间等无线资源的合理复用和不同位置多个天线的信号发送有效地抗击无线信号衰落等优化设计方法提高移动通信网的系统容量和服务质量(QoS).本文首先介绍了蜂窝移动通信系统网络结构的发展和分布式无线电在移动通信网中的应用,对蜂窝移动通信系统和相关技术的发展趋势进行了系统地分析研究,最后探讨一种能够适应各种无线通信技术发展的广义小区式蜂窝移动通信系统及其无线资源管理模型和切换算法.2蜂窝移动通信网络结构蜂窝移动通信网络优化设计准则是提高系统容量、扩大无线覆盖范围、提供较好的业务传输质量保障、适应各种新业务发展、减少每个用户业务传输的网络代价和网络规划时要考虑网络系统演进或设备更新的适用性[6].在移动通信系统收稿日期:2004-08-01;修回日期:2004-11-20基金项目:国家自然科学基金(No.60496311);863计划项目(No.2003AA123310)第12A期2004年12月电子学报ACTAELECTRONICASINICAVol.32No.12ADec.2004的发展过程中,为提高系统容量和业务承载能力,不仅在系统中使用复杂的多址接入方式(FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA)、功能强大的协议和有效的信源信道编码等技术,而且不断地探讨无线网络覆盖的小区结构以及随之产生的小区间的频率复用、抗干扰技术和切换等技术[7].移动通信网络的小区(Cell)结构是针对无线系统在实际应用情况下无线射频信号传播特性进行合适的等效,并由多个等效小区组成区群(CellGroup)的方式组合形成全范围信号覆盖的无线网络结构.通过多小区形式的无线网络结构,稀缺的无线频谱资源能够得到复用,从而提高无线通信网络的容量.传统的蜂窝移动通信网络通常采用宏蜂窝(Macro-Cell)小区面向1km-25km范围内快速移动和大范围内信号传输为移动业务传输提供基本保障、微蜂窝小区(Micro-Cell)面向30m～500m范围内话务量较大的地区和较低移动速度的业务和微微蜂窝(Pico-Cell)小区用于面向10m～30m范围内移动业务和局部业务热点业务传输的三层蜂窝网络构架方法扩大无线信号无缝覆盖范围和提高系统容量.无线网络拓扑结构的改进方法主要面向两个方面,一是为适应地理环境而采用非六边形小区结构,如宽广的区域采用大蜂窝结构、城市街区使用曼哈顿结构(Manhattan)、高速公路上使用列队结构(Row)和适应广场传播要求的四边形(Quadrangle)等网络拓扑结构.二是通过改变蜂窝结构的方法扩展网络容量,如将小区分裂成更小的小区以提高小区信道数量的小区分裂(CellSplitting)、使用定向天线限定覆盖小区一部分以减小信号干扰比的划分扇区(Sectoring)等方法.为解决小区分裂导致各小区容量减小问题可使用宏小区与微小区共存的重叠小区结构(OverlaidCell)[8],为克服多个扇区增加了越区切换次数等缺点,采用将基站的定向天线设置在小区的顶点上形成的Lee微小区概念(Lee'sMicro-Cell)[9],也可以采用智能天线技术将多组独立天线组成天线阵列进行动态地调整波束方向、使每个用户都获得最大的主瓣并减小了旁瓣干扰的方法形成系统智能小区构架(IntelligentCell)[10].由于分布式无线电可将不同位置的基站天线接收和发送的信号集中到同一处进行基带处理,各种非传统的无线网络结构也随之出现,如根据地理位置和用户移动情况将几个天线各自的微区域(Micro-zone)组成一个移动安全区域(MovableSafetyZone),系统统一调配无线资源以减少邻道干扰和用户移动过程中的切换次数[11],采用定向天线技术,在城市街区道路交叉点处使用四扇区交叉形状(Four-SectorCross-Shaped)的天线排列形式,同时使用波束形成技术面向移动终端,在较大程度上减少了系统干扰,使系统容量成几倍增长[12].针对分组数据业务的传输特点,移动终端可使用整个资源带宽的虚拟小区(VirtualCell)网络结构使系统具有业务传输吞吐量提高能力和更加平滑的系统切换[13],在小区中将独立的天线改变为分布式天线结构的无线网络系统[14],采用分布式天线、分布式基带处理器、分布式控制的分布式无线通信系统(DWCS)概念[15]和针对移动通信中基站位置相对集中、多个天线组成一组特点的无线资源管理系统[16]等方案.各种无线网络拓扑结构和相关技术的改进方法都在不同程度上提高了移动通信网的系统容量.3蜂窝移动通信系统和相关技术的发展趋势在蜂窝移动通信系统的研究、设计和网络规划发展历程中,无线小区结构、系统无线资源管理调配策略、空中接口的信号传输、网络互联互通等相关技术是随着无线基带处理技术、射频和天线技术、网络传输技术和传输协议等各方面的进步以及移动通信系统的宽带传输和系统覆盖的需求而不断地演进和发展.其中,分布式无线电在移动通信系统中应用使系统的研究和发展更加具有活力,原本较为复杂或不易实现的相关技术得到了新的认识,新技术可以得到合理的应用,使未来移动通信系统的发展具有更大的前景.无线通信系统的蜂窝小区结构在移动通信系统中已得到广泛应用,提高系统无线频谱资源利用率和系统功率效率的小区构架方案和增加系统容量的各种技术层出不穷,主要使用的方法有蜂窝内改进、系统层次模型有所变化的整体改进和摒弃了传统的微小区结构的非蜂窝结构等.同时,在各种小区结构的系统中采用适当的无线资源管理策略可以提高系统容量.无线资源管理使用功率和速率控制、信道分配、调度、准入控制、切换控制、无线链路自适应、端到端的QoS等调配和管理算法,针对移动通信系统的多维无线资源使用进行优化设计.各种无线资源管理算法通常采用运算复杂度较低的静态方法或复杂度较高的动态方法实现无线资源的管理和调配,提高了系统性能[20,21].切换技术(Handover)是通过改变时隙、频道、码道或其他无线资源的方法保持移动用户不中断通信,可分为基于网络控制(NCHO)、基于移动终端辅助(MAHO)和基于移动终端控制(MCHO)[27,28]的硬切换和软切换的方法,切换算法对蜂窝移动通信系统容量的提高、业务传输质量保障(QoS)和基站移动终端的复杂度有较大的影响[29～31].空中接口传输技术主要采用传统的多址接入方式提高无线链路传输吞吐量,同时还在进一步挖掘空间无线资源.多入多出(MIMO)天线技术能在不增加带宽情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率[22,23].理论和实践研究结果表明,MIMO系统可将多径作为有利因素加以利用,系统的频谱效率随天线个数线性增长.MIMO系统的空时处理技术是在空间域和时间域联合处理接收信号,利用信号的空间特征分开用户信号、多址干扰(MAI)以及多径干扰信号,因此具有空间信号处理技术和时间信号处理技术的共同优势.另一方面,分集技术可采用时间分集、频率分集、空间分集、极化分集、角度分集和多用户分集等发送接收分集方法改善无线信道的多径衰落、多址干扰和符号间干扰(ISI),在移动通信系统中得到较好的应用[32～34].网络传输技术主要针对核心网的电路交换域和分组交换域的业务和接入网的信号传输进行容量规划设计.光纤无线电(RoF)等宽带传输技术为分布式无线系统的构架提供了便捷方法.分布式无线电能够使系统的基站天线根据实际地理位置和系统覆盖需求进行快速和灵活安置,不仅降低了射频信号发送功率带来系统性价比的提高,而且可以采用多个天线组成基站系统充分利用空间资源、进一步合理地进行系统网络规划.17第12A期尤肖虎:分布式无线电和蜂窝移动通信网络结构未来宽带移动通信系统的发展趋势是无线接入网的空中接口数据传输能力达到高速移动环境下100Mbps和低速移动环境下1Gbps的传输速率[35].为了实现此目标,移动通信系统的工作频点将在2GHz以上,无线系统物理层考虑使用能够线性增加系统容量的多入多出天线(MIMO)和并行方式传送信号以减少干扰的多载波传输等技术,系统组网可采用使天线安置具有较大灵活性的分布式无线电技术,业务传输承载协议将是能够平滑多网互联的IP协议.在使用较高的工作频段缓解频谱资源的稀缺并引入各种新型的宽带传输技术突破空中接口和地面传输速率的瓶颈等方法进行无线系统组网的同时,将出现由于工作频点变化和宽带传输技术应用带来的如下三个方面问题,一是较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落,表1给出了三个不同的工作频点在自由空间衰落[36