王文清+張曉寧+余翔

【摘要】隨著智能手機及高級終端的大規(guī)模擴散和普及，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量呈指數(shù)型增長。為了滿足未來網(wǎng)絡(luò)需求，獲得更高網(wǎng)絡(luò)容量，降低終端功耗，DoCoMo提出了虛擬小區(qū)技術(shù)。介紹了無線組網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，以及與虛擬小區(qū)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)基于小區(qū)大規(guī)模部署，通過與宏小區(qū)結(jié)合，將控制平面與用戶平面分離，高效率利用高頻段頻譜。最后分析了基于虛擬小區(qū)信道容量增加以及能源效率提升的問題。

【關(guān)鍵詞】虛擬小區(qū)C-Plane/U-Plane分離系統(tǒng)容量能源效率

中圖分類號：TN929.53文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-07-0064-05

1 前言

近幾年，隨著可視電話、網(wǎng)絡(luò)游戲、多媒體等業(yè)務(wù)的增加以及3G網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)普及率越來越高。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，僅于2011年，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量增長了2.3倍[1]。目前經(jīng)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，預(yù)計到2015年全球移動數(shù)據(jù)流量將比2010年上升26倍，假如按照此速度增加，未來十年移動數(shù)據(jù)流量將再增加1 000倍。針對爆炸性的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長趨勢，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)容量將很難滿足未來網(wǎng)絡(luò)需求。

為支持未來的業(yè)務(wù)需求，LTE-Advanced將提升系統(tǒng)容量作為其通信標準，利用小區(qū)增強技術(shù)對空間重新利用，對網(wǎng)絡(luò)進一步進行致密化部署。但將小區(qū)部署成更多的小小區(qū)，在高數(shù)據(jù)流量區(qū)域，增加了小區(qū)切換次數(shù)，易影響流量的流動性和連通性。為此，日本NTT DoCoMo公司提出了虛擬小區(qū)（Phantom Cell）技術(shù)，該技術(shù)重新利用和設(shè)計現(xiàn)有的宏小區(qū)，在宏小區(qū)層加入額外的層（即虛擬小區(qū)層），依靠空閑頻段和小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進行規(guī)劃和部署。該方案不但降低了運營成本，而且有效保證了網(wǎng)絡(luò)移動性。

2 無線組網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

為了能讓用戶體驗更好的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并提供高速率數(shù)據(jù)流量，移動運營商建設(shè)了豐富的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。針對室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)容量提升問題，目前有一系列技術(shù)，如：Wi-Fi、家庭式基站和室內(nèi)基站等等。但針對室外熱點高流量區(qū)域，由于受到頻譜稀疏、運營成本高、路徑損耗嚴重等條件限制，對于運營商而言，未來無線組網(wǎng)設(shè)計與部署將是一個不小的挑戰(zhàn)。

（1）頻譜效率

無線通信網(wǎng)絡(luò)中，為LTE分配的工作頻段是有限的，現(xiàn)階段國內(nèi)TD-LTE主要工作在38（2 570—2 620MHz）和40（2 300—2 400MHz）兩個頻段。隨著用戶需求量的增長，LTE網(wǎng)絡(luò)部署中，頻譜資源日益緊缺，低頻段頻譜越來越稀疏，如何高效率地利用頻譜成為至關(guān)重要的問題，許多運營商開始考慮探索和利用高頻段頻譜。然而，在宏小區(qū)中，由于受到基站邊緣的空間限制，如RF設(shè)備和天線的大小、高路徑損耗嚴重等，高頻段又很難廣泛的適用于網(wǎng)絡(luò)部署領(lǐng)域。

（2）低成本的致密化部署

為高效率地利用高頻段頻譜，方法之一是改變已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，但如此以來需要大量的運營成本?；驗長TE鋪設(shè)一個單獨的網(wǎng)絡(luò)，但這基本上是不可行的。從消費者的角度分析，消費者希望在低費用的基礎(chǔ)上有高速率的數(shù)據(jù)傳輸速度。為實現(xiàn)低運營費用、高流量承載，運營商開始考慮基于現(xiàn)有的宏小區(qū)，采用分層部署結(jié)構(gòu)，即在宏小區(qū)層引入額外的小區(qū)層（即虛擬小區(qū)），將小小區(qū)致密化部署，從而改善高成本問題。

（3）流動性和連通性

當(dāng)小區(qū)稀疏部署時，無論是在連通還是在閑置的模式下，頻間要求保持有較好的流動性。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中將小區(qū)化為更小的小區(qū)，如家庭小區(qū)、微微小區(qū)等，然后對其進行部署，該小區(qū)部署模式適合服務(wù)于對流動性要求低的用戶。但未來無線組網(wǎng)容量需求量遠遠超過傳統(tǒng)模式，如果繼續(xù)增強小小區(qū)的部署密度，同時會增加小區(qū)與小區(qū)之間的切換次數(shù)，嚴重影響了各小區(qū)之間的移動性。此外，增強小區(qū)部署密度易發(fā)生碰撞，引起“乒乓效應(yīng)”。所以，未來無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)部署需要在考慮流動性和連通性兩個指標的同時，簡化小區(qū)的部署模式。

（4）系統(tǒng)吞吐量

對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言，小區(qū)邊緣用戶吞吐量是一個難以回避的問題，LTE系統(tǒng)也不例外。按比例講，宏蜂窩的邊緣區(qū)域相對比較大，邊緣用戶吞吐量的降低將嚴重影響整個小區(qū)的吞吐量水平[2]。3GPP將小小區(qū)納入網(wǎng)絡(luò)部署的討論范圍之中，尤其是在其與宏蜂窩共信道部署的場景中，小小區(qū)的存在增加了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機會，故有望使整個小區(qū)的傳輸速率得到提升[3]。在用戶動態(tài)分布變化的場景中，要求保持用戶上行和下行吞吐量平衡分布。

（5）小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

在小區(qū)致密化部署中，小區(qū)之間易產(chǎn)生干擾，所以在需建立動態(tài)TDD的LTE-B未來網(wǎng)絡(luò)中，要重點考慮小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)。目前LTE采用OFDMA接入技術(shù)，該技術(shù)解決了CDMA自我干擾問題，并可實現(xiàn)更高的頻譜效率。但在實際應(yīng)用中，由于受到小區(qū)格局的不規(guī)則和傳播條件差等的限制，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的實施方案變得更加復(fù)雜，其未來發(fā)展面臨著很多挑戰(zhàn)。

3 虛擬小區(qū)及其相關(guān)技術(shù)

第四代無線移動通信系統(tǒng)采用的是LTE技術(shù)，目前LTE R12的研究焦點在于：廣域增強與局域增強的集成；通過將廣域與局域分離部署，高效率利用低頻段和高頻段[4]。目前存在的各種類型的小區(qū)密集部署技術(shù)對支持室外網(wǎng)絡(luò)容量、移動性、吞吐量和可操作性等存在很多缺點。為解決該問題，日本NTT DoCoMo公司提出了虛擬小區(qū)技術(shù)。該技術(shù)是基于小區(qū)的大規(guī)模部署，通過與宏小區(qū)結(jié)合將頻譜重新利用。其核心是基于宏小區(qū)和C-Plane/U-Plane分離的結(jié)合實現(xiàn)容量增大效果，并利用現(xiàn)有的宏小區(qū)大規(guī)模部署。

虛擬小區(qū)采用分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶需求，將小區(qū)結(jié)構(gòu)虛擬為高速用戶和低速用戶服務(wù)層。其目的是實現(xiàn)在小區(qū)邊界負載不均勻和用戶高速移動的情況下，保證抑制小區(qū)間干擾的同時，提高邊緣小區(qū)的頻譜利用率，并提高對小區(qū)用戶高移動性的支持。

3.1虛擬小區(qū)概念

虛擬小區(qū)又可以被稱為“宏蜂窩輔助”的微基站，是在分布式天線陣中移動臺自組小區(qū)，它與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)不同之處在于，虛擬小區(qū)沒有被配置例如主/輔同步信號（PSS/SSS）ID、小區(qū)特定參考信號（CRS）以及控制信息模塊（MIB）/系統(tǒng)信息模塊（SIB）等專用的信號和信道。宏小區(qū)和虛擬小區(qū)是主從關(guān)系，由宏基站（MeNB）信令控制UE和虛擬小區(qū)之間的無線資源控制（RRC）連接程序，虛擬小區(qū)基站（PhNB）僅為用戶業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)傳輸通路。該結(jié)構(gòu)通過控制平面和用戶平面分離部署來實現(xiàn)，如圖1所示：

圖1C/U平面分離的虛擬小區(qū)

采用虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的很多弊端，為未來無線組網(wǎng)的設(shè)計提供了理念和思路。它的相關(guān)技術(shù)涉及到頻譜擴展、C-Plane/U-Plane分離、大規(guī)模MIMO設(shè)計、小小區(qū)發(fā)現(xiàn)、移動性以及低成本設(shè)計等。

3.2C-Plane/U-Plane分離部署

C-Plane/U-Plane分離部署技術(shù)能夠使得高頻段頻譜（5MHz或5MHz以上）得到低成本、高效率的應(yīng)用，其部署特點如圖1所示，C平面由宏基站低頻段控制支持，U平面由虛擬小區(qū)高頻段控制支持，由此實現(xiàn)C平面與U平面的分離，僅僅當(dāng)需要為邊緣小區(qū)的UE服務(wù)時，低功耗、小型覆蓋的U控制平面節(jié)點才開始啟動工作，如此以來可明顯減少能源消耗。同時，宏基站以傳統(tǒng)小區(qū)狀態(tài)支持C平面和U平面，控制支持基帶處理。

endprint

常規(guī)C平面與U平面的配置采用點對點模式，該配置模式通過傳統(tǒng)的CA（Carrier Aggregation）利用RRH（Remote Radio Heads）實現(xiàn)。另外，一種新的配置采用主從式配置模式，該模式中，虛擬節(jié)點與宏結(jié)點之間的傳輸轉(zhuǎn)移控制信令通過“New Interface”控制操作[5]，如此以來，不僅可降低宏基站和虛擬基站之間的回程吞吐量與延時，而且虛擬小區(qū)還能夠提升宏小區(qū)邊緣的用戶吞吐量。

3.3增強頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程

虛擬小區(qū)與宏小區(qū)結(jié)合部署，能夠增強頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程，即發(fā)現(xiàn)信號增強，使得頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程更加流暢和高效?？焖兕l間小區(qū)發(fā)現(xiàn)的過程為：首先由宏蜂窩引導(dǎo)UE發(fā)現(xiàn)小小區(qū)ID，然后UE利用初始定時進行頻間搜索，當(dāng)搜索到小小區(qū)的ID時，UE對其進行解碼，將小區(qū)ID測量結(jié)果反饋給宏蜂窩。

虛擬小區(qū)架構(gòu)中，為了降低終端功耗，減少頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程次數(shù)，虛擬小區(qū)中的發(fā)現(xiàn)信號必須與宏基站下行發(fā)現(xiàn)信號的發(fā)送周期同步，并且發(fā)現(xiàn)信號相互之間正交，以便UE能夠快速檢測小小區(qū)的發(fā)現(xiàn)信號。

3.4大規(guī)模MIMO

MIMO技術(shù)已應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，實踐證明，使用MIMO技術(shù)不但能夠增加系統(tǒng)容量，而且能夠提高系統(tǒng)性能，并提升頻譜效率。由此可見，增加基站的天線數(shù)，即采用大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠很好地提高系統(tǒng)容量。又因為大規(guī)模的天線陣列增加了天線孔徑，通過相干合并可以降低上下行鏈路所需的發(fā)射功率，符合未來“綠色信道”的要求[6]。無線組網(wǎng)未來的發(fā)展中，帶有多發(fā)射天線的大規(guī)模MIMO將是開發(fā)利用高頻段頻譜不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)。

在小區(qū)高頻段，可以將天線元素最小化，并把許多元素放置在同一位置，形成很窄的3D電子束，并通過補償路徑損耗的方式支持高頻段網(wǎng)絡(luò)覆蓋?；诂F(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對于如何獲得窄電子束并利用3D電子束支持信號的移動性還存在很大困難。針對該問題，許多運營商認為，一個可行的解決方案就是應(yīng)用虛擬小區(qū)技術(shù)。

3.5CoMP技術(shù)以及跨層資源分配

為了消除小區(qū)間干擾，LTE-A系統(tǒng)提出了多點協(xié)作處理（CoMP）技術(shù)，該技術(shù)利用MIMO信道特性，采用預(yù)編碼來抑制小區(qū)間干擾。CoMP技術(shù)可以處理不同虛擬小區(qū)之間的業(yè)務(wù)均衡問題，從而提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率，并能夠高效率地改善LTE-Advance系統(tǒng)性能，例如提高小區(qū)邊緣吞吐量及數(shù)據(jù)傳輸速率等。

為了更好地滿足用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS），基于正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)，3GPP組織提出了跨層資源調(diào)度技術(shù)。LTE/LTE-A系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計也為跨層設(shè)計的實施提供了便利，系統(tǒng)eNodeB之間采用Mesh連接，在LTE-A系統(tǒng)中更是采用光纖進行X2接口之間的連接，該增強的X2接口就可以進行eNB之間的快速信息交互，獲得協(xié)同發(fā)射/接受增益以進行基站協(xié)調(diào)[7]。

3.6高頻段頻譜擴展

現(xiàn)階段LTE工作頻段在2.6GHz，業(yè)界認為由國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）所管理的3.5GHz以及更高頻段是最佳的候選方案，如5GHz或更高頻段，高頻段頻譜有利于提供網(wǎng)絡(luò)容量。但高頻段頻譜針對室內(nèi)場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在很多缺陷，只有兩者相互補充，將低頻段頻譜和高頻段頻譜結(jié)合才能達到最好的建網(wǎng)效果。

虛擬小區(qū)架構(gòu)中，DoCoMo提出將現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)低頻段用于支持控制基本覆蓋和移動性，并單獨利用局域小區(qū)高頻段支持控制高速率的傳輸，如圖2所示。如此以來，不但解決了針對室內(nèi)與室外不同場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，而且當(dāng)從現(xiàn)有的蜂窩帶寬獲得顯著的卸載增益時，通過利用高頻段寬頻帶局域無線技術(shù)可以獲得高吞吐量。

圖2低頻段與高頻段結(jié)合利用

4 虛擬小區(qū)信道容量分析

虛擬小區(qū)采用大規(guī)模多入多出（Massive MIMO）信道模型、分布式天線系統(tǒng)。設(shè)定虛擬小區(qū)發(fā)射端有M根天線，接收端有N根天線，假設(shè)通信信道平坦，在接收端錯誤傳送最小的情況下，通信信道近似于理想的傳播環(huán)境，信道可以達到最大信息吞吐量。設(shè)每個子信道帶寬為B（Hz），輸出信號功率為S（W），高斯白噪聲功率為N（W）。則在加性高斯白噪聲環(huán)境下，香農(nóng)信道容量由下式給出：

C=Blog2(1+S/N)（1）

其中，S/N是信噪比，C為信道容量，單位是b/s。

根據(jù)香農(nóng)信息定理以及參考文獻[8]、[9]中的MIMO信道容量計算信息，推導(dǎo)出虛擬小區(qū)的系統(tǒng)容量密度（bps/Hz）：

（2）

其中，，上標H表示信道矩陣共軛轉(zhuǎn)置；det表示求矩陣的行列式；H=[h1,h2,…,hM]是發(fā)射天線與接收天線之間的信道矩陣，hi表示從發(fā)射端的第i根天線到接收端的信道幅度；S/N是信道的平均信噪比。

當(dāng)M、N很大時，信道容量C近似為：

C≈min{M,N}log2(SNR/2)（3）

從式（3）可看出，虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)中，隨著天線數(shù)目的增加，信道容量成線性增加。也就是說在帶寬和發(fā)射功率不變的情況下，可成倍地提高信道容量，且系統(tǒng)信道容量隨著SNR的增加成對數(shù)增長。

由此可知，在不增加帶寬的情況下，采用大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的虛擬小區(qū)部署確實能夠成倍地增加信道容量，并能大大地提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率，達到了預(yù)期的目的。LTE-A希望實現(xiàn)上行天線配置為4×4，下行天線配置為8×8。在未來的無線網(wǎng)絡(luò)（如5G網(wǎng)絡(luò)）發(fā)展中，MIMO將會是一個令人興奮的關(guān)鍵技術(shù)。

5 虛擬小區(qū)能源效率分析

能源效率是評估下一代通信系統(tǒng)性能的一個重要指標。從上述分析可以得到，通過在宏小區(qū)層添加虛擬小區(qū)能夠達到提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的效果，但虛擬小區(qū)需要有充分的能源效率支持才能保障其有效工作，接下來簡單分析虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)中能源效率的提升問題。

根據(jù)參考文獻[10]可知，忽略受宏小區(qū)層影響，這里僅僅考慮虛擬小區(qū)層，在同信道小區(qū)層，虛擬小區(qū)的能源效率為：

（4）

其中，，為虛擬小區(qū)頻譜效率，P為虛擬小區(qū)發(fā)射功率。

從式（4）可看出，在發(fā)射功率相同情況下，虛擬小區(qū)能源效率隨著頻譜效率的提升呈線性增加。

通過上式分析可得出結(jié)論：虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)能夠提供高能量的能源效率，這也就意味著，在高密度、低發(fā)射功率的環(huán)境下，虛擬小區(qū)能夠正常并有效地工作，這也為網(wǎng)絡(luò)工作者在現(xiàn)有的宏小區(qū)進行進一步開發(fā)部署提供了有利條件。

6 總結(jié)

本文介紹了一種未來分層異構(gòu)無線組網(wǎng)的新方案。為了滿足現(xiàn)階段無線網(wǎng)絡(luò)中爆炸性增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求，介紹了一種基于虛擬小區(qū)技術(shù)的設(shè)計方案，該技術(shù)利用較高頻段的頻譜，通過將控制平面與用戶平面分離配置，大幅度提升系統(tǒng)總?cè)萘康耐瑫r，保證了系統(tǒng)的移動性。本文還介紹了虛擬小區(qū)的相關(guān)技術(shù)特點，并分析了虛擬小區(qū)的信道容量和能源效率，結(jié)果證明：與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)相比較，采用虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)能夠達到提升系統(tǒng)容量并提高能源效率的效果，是未來無線組網(wǎng)重點研究方向之一。

參考文獻：

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[8] 梁紅玉,吳偉陵. MIMO系統(tǒng)的信道容量[J]. 無線電通信技術(shù), 2003(2): 60-61.

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[10] Sayandev Mukherjee, Hiroyuki Ishii. Energy Efficiency in the Phantom Cell enhanced Local Area architecture[A]. Wireless Communications and Networking Conference

(WCNC)[C]. 2013.★

作者簡介

王文清：高級工程師，工學(xué)碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，現(xiàn)任大唐移動通信設(shè)備有限公司政府事務(wù)部總經(jīng)理，擁有多項發(fā)明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發(fā)工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

余翔：高級工程師，現(xiàn)任重慶郵電大學(xué)教授，主要從事無線通信、嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

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作者簡介

王文清：高級工程師，工學(xué)碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，現(xiàn)任大唐移動通信設(shè)備有限公司政府事務(wù)部總經(jīng)理，擁有多項發(fā)明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發(fā)工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

余翔：高級工程師，現(xiàn)任重慶郵電大學(xué)教授，主要從事無線通信、嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

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(WCNC)[C]. 2013.★

作者簡介

王文清：高級工程師，工學(xué)碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，現(xiàn)任大唐移動通信設(shè)備有限公司政府事務(wù)部總經(jīng)理，擁有多項發(fā)明專利，曾主持和參與多項國家級重大科研課題研究開發(fā)工作。

張曉寧：碩士就讀于重慶郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

余翔：高級工程師，現(xiàn)任重慶郵電大學(xué)教授，主要從事無線通信、嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

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