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，移動數據業(yè)務量呈指數型增長。為了滿足未來網絡需求，獲得更高網絡容量，降低終端功耗，DoCoMo提出了虛擬小區(qū)技術。介紹了無線組網所面臨的挑戰(zhàn)，以及與虛擬小區(qū)相關的關鍵技術，該技術基于小區(qū)大規(guī)模部署，通過與宏小區(qū)結合，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。

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

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、網絡游戲、多媒體等業(yè)務的增加以及3G網絡和互聯網的發(fā)展，移動數據業(yè)務普及率越來越高。根據數據調查顯示，僅于2011年，移動數據業(yè)務量增長了2.3倍[1]。目前經相關機構預測，預計到2015年全球移動數據流量將比2010年上升26倍，假如按照此速度增加，未來十年移動數據流量將再增加1 000倍。針對爆炸性的移動數據業(yè)務增長趨勢，傳統的蜂窩網容量將很難滿足未來網絡需求。

為支持未來的業(yè)務需求，LTE-Advanced將提升系統容量作為其通信標準，利用小區(qū)增強技術對空間重新利用，對網絡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)，在高數據流量區(qū)域，增加了小區(qū)切換次數，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，該技術重新利用和設計現有的宏小區(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)間的干擾協調技術進行規(guī)劃和部署。該方案不但降低了運營成本，而且有效保證了網絡移動性。

2 無線組網面臨的挑戰(zhàn)

為了能讓用戶體驗更好的移動數據業(yè)務，并提供高速率數據流量，移動運營商建設了豐富的網絡系統。針對室內網絡容量提升問題，目前有一系列技術，如：Wi-Fi、家庭式基站和室內基站等等。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，未來無線組網設計與部署將是一個不小的挑戰(zhàn)。

（1）頻譜效率

無線通信網絡中，為LTE分配的工作頻段是有限的，現階段國內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網絡部署中，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絡部署領域。

（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絡基礎設施，但如此以來需要大量的運營成本?；驗長TE鋪設一個單獨的網絡，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上有高速率的數據傳輸速度。為實現低運營費用、高流量承載，運營商開始考慮基于現有的宏小區(qū)，采用分層部署結構，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。傳統的蜂窩網結構中將小區(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)部署模式適合服務于對流動性要求低的用戶。但未來無線組網容量需求量遠遠超過傳統模式，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，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”。所以，未來無線組網結構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）系統吞吐量

對于蜂窩網絡而言，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)納入網絡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)的存在增加了網絡中的傳輸機會，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)間干擾協調

在小區(qū)致密化部署中，小區(qū)之間易產生干擾，所以在需建立動態(tài)TDD的LTE-B未來網絡中，要重點考慮小區(qū)間干擾協調。目前LTE采用OFDMA接入技術，該技術解決了CDMA自我干擾問題，并可實現更高的頻譜效率。但在實際應用中，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)間干擾協調技術的實施方案變得更加復雜，其未來發(fā)展面臨著很多挑戰(zhàn)。

3 虛擬小區(qū)及其相關技術

第四代無線移動通信系統采用的是LTE技術，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)密集部署技術對支持室外網絡容量、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。該技術是基于小區(qū)的大規(guī)模部署，通過與宏小區(qū)結合將頻譜重新利用。其核心是基于宏小區(qū)和C-Plane/U-Plane分離的結合實現容量增大效果，并利用現有的宏小區(qū)大規(guī)模部署。

虛擬小區(qū)采用分層結構，根據用戶需求，將小區(qū)結構虛擬為高速用戶和低速用戶服務層。其目的是實現在小區(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)務提供數據傳輸通路。該結構通過控制平面和用戶平面分離部署來實現，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)結構解決了傳統蜂窩網的很多弊端，為未來無線組網的設計提供了理念和思路。它的相關技術涉及到頻譜擴展、C-Plane/U-Plane分離、大規(guī)模MIMO設計、小小區(qū)發(fā)現、移動性以及低成本設計等。

3.2C-Plane/U-Plane分離部署

C-Plane/U-Plane分離部署技術能夠使得高頻段頻譜（5MHz或5MHz以上）得到低成本、高效率的應用，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C平面與U平面的分離，僅僅當需要為邊緣小區(qū)的UE服務時，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，宏基站以傳統小區(qū)狀態(tài)支持C平面和U平面，控制支持基帶處理。

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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的CA（Carrier Aggregation）利用RRH（Remote Radio Heads）實現。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)點與宏結點之間的傳輸轉移控制信令通過“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)現過程

虛擬小區(qū)與宏小區(qū)結合部署，能夠增強頻間小區(qū)發(fā)現過程，即發(fā)現信號增強，使得頻間小區(qū)發(fā)現過程更加流暢和高效。快速頻間小區(qū)發(fā)現的過程為：首先由宏蜂窩引導UE發(fā)現小小區(qū)ID，然后UE利用初始定時進行頻間搜索，當搜索到小小區(qū)的ID時，UE對其進行解碼，將小區(qū)ID測量結果反饋給宏蜂窩。

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

3.4大規(guī)模MIMO

MIMO技術已應用于現代無線通信系統中，實踐證明，使用MIMO技術不但能夠增加系統容量，而且能夠提高系統性能，并提升頻譜效率。由此可見，增加基站的天線數，即采用大規(guī)模MIMO技術能夠很好地提高系統容量。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鍵技術。

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絡覆蓋?；诂F階段網絡架構，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用虛擬小區(qū)技術。

3.5CoMP技術以及跨層資源分配

為了消除小區(qū)間干擾，LTE-A系統提出了多點協作處理（CoMP）技術，該技術利用MIMO信道特性，采用預編碼來抑制小區(qū)間干擾。CoMP技術可以處理不同虛擬小區(qū)之間的業(yè)務均衡問題，從而提升網絡資源利用率，并能夠高效率地改善LTE-Advance系統性能，例如提高小區(qū)邊緣吞吐量及數據傳輸速率等。

為了更好地滿足用戶服務質量（QoS），基于正交頻分復用（OFDM）系統，3GPP組織提出了跨層資源調度技術。LTE/LTE-A系統的網絡設計也為跨層設計的實施提供了便利，系統eNodeB之間采用Mesh連接，在LTE-A系統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，獲得協同發(fā)射/接受增益以進行基站協調[7]。

3.6高頻段頻譜擴展

現階段LTE工作頻段在2.6GHz，業(yè)界認為由國際電信聯盟無線電通信部門（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絡容量。但高頻段頻譜針對室內場景的網絡覆蓋存在很多缺陷，只有兩者相互補充，將低頻段頻譜和高頻段頻譜結合才能達到最好的建網效果。

虛擬小區(qū)架構中，DoCoMo提出將現有的蜂窩網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與室外不同場景的網絡覆蓋問題，而且當從現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可以獲得高吞吐量。

圖2低頻段與高頻段結合利用

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。設定虛擬小區(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。

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

（2）

其中，，上標H表示信道矩陣共軛轉置；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)結構中，隨著天線數目的增加，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，且系統信道容量隨著SNR的增加成對數增長。

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吞吐量和頻譜利用率，達到了預期的目的。LTE-A希望實現上行天線配置為4×4，下行天線配置為8×8。在未來的無線網絡（如5G網絡）發(fā)展中，MIMO將會是一個令人興奮的關鍵技術。

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)結構中能源效率的提升問題。

根據參考文獻[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論：虛擬小區(qū)結構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，這也為網絡工作者在現有的宏小區(qū)進行進一步開發(fā)部署提供了有利條件。

6 總結

本文介紹了一種未來分層異構無線組網的新方案。為了滿足現階段無線網絡中爆炸性增長的數據業(yè)務量需求，介紹了一種基于虛擬小區(qū)技術的設計方案，該技術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，大幅度提升系統總容量的同時，保證了系統的移動性。本文還介紹了虛擬小區(qū)的相關技術特點，并分析了虛擬小區(qū)的信道容量和能源效率，結果證明：與傳統蜂窩小區(qū)相比較，采用虛擬小區(qū)結構能夠達到提升系統容量并提高能源效率的效果，是未來無線組網重點研究方向之一。

參考文獻：

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[9] 李漢強,郭偉,鄭輝. 分布式天線系統MIMO信道容量分析[J]. 通信學報, 2005(8): 134-138.

[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，工學碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電子與通信工程專業(yè)，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，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信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

余翔：高級工程師，現任重慶郵電大學教授，主要從事無線通信、嵌入式系統方面的研究。

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作者簡介

王文清：高級工程師，工學碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電子與通信工程專業(yè)，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，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信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

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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，工學碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電子與通信工程專業(yè)，現任大唐移動通信設備有限公司政府事務部總經理，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信息與通信工程學院，主要從事嵌入式系統方面的研究。

余翔：高級工程師，現任重慶郵電大學教授，主要從事無線通信、嵌入式系統方面的研究。

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