分布式无线电和蜂窝移动通信网络结构尤肖虎.docx

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1、分布式无线电和蜂窝移动通信网络构造尤肖虎,赵胜(东南大学移动通信国家重点试验室,江苏南京 210096)摘 要: 争论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进展趋势的根底上,针对将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 以上的工作频点进展网络构架等需求,探讨一种型的广义小区式蜂窝移动通信网络构造、无线资源治理模型和切换算法.关键词: 分布式无线电;蜂窝移动通信系统;广义蜂窝小区构造;无线资源治理模型;切换算法中 图 分 类 号 : TN929. 5号:0372-2112(2023)12

2、A-016-06文 献 标 识 码 :文 章 编Abstract:Distributedradioanditsapplicationincellularmobile communications system are investigated.Based on the analysis of evolution trends of mobile communications system and related key technologies,a novel generalized cell structure,radio resource management model and hand

3、over algorithmforfuture mobile communications system are proposed tomeetthe requirementof newtech-nologyapplicationslikeMIMO,multi-carrier,radiooverfiber,mobileIPand higherworking frequency.Keywords:distributedradio;cellularmobilecommunications system;generalized cell structure;radio resource manage

4、mentmodel;handover algorithm1 引言随着无线通信系统不断进展,无线频谱资源短缺与通信业务量增长之间的冲突愈显突出,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力量有数十倍提高已成为各无线通信系统技术标准争论进展的主要方向1.移动通信系统为了满足无线信号全范围掩盖和有效利用无线频谱资源的网络设计需求,通常可承受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构造2,蜂窝式网络构造可降低无线信号发送功率和进展频率复用,较大程度上便利了无线网络优化

5、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业务的涌现,旨在优化设计无线系统和网络体系构造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进展中为适应无线网络容量提高、掩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转变为分开放置,基站的无线覆 盖小区可由多个分散放置的天线组成.在无线网络进展规划 设计时,基站

6、天线的布置可以依据无线信号掩盖和用户容量 需求敏捷地放置和延长,以便于通过无线信号掩盖范围的规 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效劳质量(QoS).本文首先介绍了蜂窝移动通信系统网络构造的进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进展趋势进展了系统地分析争论,最终探讨一种能够适应各种无线通信技术进展的广义小区式蜂窝移动通信系统及其无线资源治理模型和切换算法.2 蜂窝移动通信网络构造蜂窝移动通信网络优化设计准则是提高系统容量、扩大 无线掩盖范围、供给较好的业务传输质量保障、适应

7、各种业务进展、削减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的适用性6.在移动通信系统 收稿日期: 2023-08-01;修回日期: 2023-11-20基金工程:国家自然科学基金(No.60496311);863 打算工程(No.2023AA123310) 第 12A 期 2023 年 12 月电子学报 ACTA ELECTRONICASINICAVol.32 No.12ADec.2023 的进展过程中,为提高系统容量和业务承载力量,不仅在系统中使用简单的多址接入方式(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

8、讨无线网络掩盖的小区构造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)构造是针对无线系统在实际应用状况下无线射频信号传播特性进展适宜的等效,并由多个等效小区组成区群(Cell Group)的方式组合形成全范围信号掩盖的无线网络构造.通过多小区形式的无线网络构造,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承受宏蜂窝(Macro-Cell)小区面对 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供给根本保障、微蜂窝小区(Micro-Cell)面对 30m 500m 范围内话务量较大的地区和较低

9、移动速度的业务和微微蜂窝(Pico-Cell)小区 用于面对 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掩盖范围和提高系统容量.无线网络拓扑构造的改进方法主要面对两个方面,一是为适应地理环境而承受非六边形小区构造,如宽广的区域采用大蜂窝构造、城市街区使用曼哈顿构造(Manhattan)、高速公路上使用列队构造(Row)和适应广场传播要求的四边形(Quadrangle)等网络拓扑构造.二是通过转变蜂窝构造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(Cell Splitting)、使用定向天线限定掩盖小区一局部以减小信号

10、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构造(Overlaid Cell)8,为抑制多个扇区增加了越区切换次数等缺点,承受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” s Micro-Cell)9,也可以承受智能天线技术将多组独立天线组成天线阵列进展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(Intelligent Cell)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展基带处理,各种非传统的无线网络构造也随之消灭,如

11、依据地理位置和用户移动状况将几个天线各自的微区域(Micro-zone)组成一个移动安全区域(Movable Safety Zone),系统统一调配无线资源以削减邻道干扰和用户移动过程中的切换次数11,承受定向天线技术,在城市街区道路穿插点处使用四扇区穿插外形(Four-Sector Cross-Shaped)的天线排列形式,同时使用波束形成技术面对移动终端,在较大程度上削减了系统干扰,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(Virtual Cell)网络构造使系统具有业务传输吞吐量提高力量和更加平滑的系统切换13,在小区中将独立的天线转变为

12、分布式天线构造的无线网络系统14,承受分布式天 线、分布式基带处理器、分布式掌握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治理系统16等方案.各种无线网络拓扑构造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进展趋势在蜂窝移动通信系统的争论、设计和网络规划进展历程中,无线小区构造、系统无线资源治理调配策略、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掩盖的需求而不断地 演进和

13、进展.其中,分布式无线电在移动通信系统中应用使系 统的争论和进展更加具有活力,原本较为简单或不易实现的 相关技术得到了的生疏,技术可以得到合理的应用,使未 来移动通信系统的进展具有更大的前景.无线通信系统的蜂窝小区构造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构造的非蜂窝构造等.同时,在各种小 区构造的系统中承受适当的无线资源治理策略可以提高系统 容量.无线资源治理使用功率和速率掌握、信道安排、调度、准入掌握、切换掌握、无线链路自适应、端到

14、端的 QoS 等调配和治理算法,针对移动通信系统的多维无线资源使用进展优化设计.各种无线资源治理算法通常承受运算简单度较低的静态方法或简单度较高的动态方法实现无线资源的治理和调配,提高了系统性能20,21.切换技术(Handover)是通过转变时隙、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,可分为基于网络掌握(NCHO)、基于移动终端关心(MAHO)和基于移动终端掌握(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 移动终端的简单度有较大的影响29 31.空中接口传输技术主要承受传统的多址接入方式提高无线链路传输

15、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状况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率22,23.理论和实践争论结果说明,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,分集技术可承受时间分集、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

16、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展容量规划设计.光纤无线电(RoF)等宽带传输技术为分布式无线系统的构架供给了便捷方法.分布式无线电能够使系统的基站天线依据实际地理位置和系统掩盖需求进展快速和敏捷安置,不仅降低了射频信号发送功率带来系统性价比的提高,而且可以承受多个天线组成基站系统充分利用空间资源、进一步合理地进展系统网络规划.17 第 12A 期尤肖虎:分布式无线电和蜂窝移动通信网络构造将来宽带移动通信系统的进展趋势是无线接入网的空中接口数据传输力量到达高速移动环境下 100Mbps 和低速移动环境下 1Gbps 的传输速

17、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 信号以削减干扰的多载波传输等技术,系统组网可承受使天线安置具有较大敏捷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展无线系统组网的同时,将消灭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和城市

18、街区衰落模型下37链路预算结果. 由表 1 可知,在保持同样掩盖范围的条件下 5GHz 工作频点基站所需发送功率比 800MHz 工作频点基站发送功率要大 16dB 左右,假设承受传统的三层蜂窝构造进展 5GHz 工作频点无线网络掩盖将导致很低的系统功率效率和较大的系统干扰.二是降低基站天线发送功率将形成传统的小区分裂,系统中多小区间的切换次数增多使系统信令开销加大和系统容量降 低.三是多入多出天线技术和多载波传输技术在移动通信网中使用给出了一个较有前途的应用场景.针对上述问题,将来移动通信网的网络构造设计需要考虑提高系统功率效率的天线系统组网方式、降低系统干扰的无线资源调配方法、削减系统信令

19、开销的切换算法和各种宽带传输技术的合理应用等. 表14 广义小区式蜂窝移动通信网由于分布式无线电具有天线发送功率小、无线网络构造敏捷、基带信号可集中处理等特点,能够适应将来移动通信系统以较小的发送功率传送无线信号的网络构架需求.同时,分布式无线网络构造使各天线与移动终端之间距离尽量短,将 在较大程度上提高系统的功率效率和削减系统干扰.因此,可进一步探讨分布式无线网络的小区构造、无线资源治理模型和切换方法,使移动通信系统能够提高系统功率效率、充分利用无线资源、减小系统干扰和提高系统容量.4.1 小区定义在移动通信系统的无线网络构造设计时,可将承受分布式无线电技术的移动通信系统无线接入网分为三个层

20、面即远程天线单元(RAU)的掩盖范围、基站收发器(BTS)无线掩盖范围 和 移 动 通 信 网 无 线 覆 盖 范 围 如 图1所 示 .对上述无线接入网三个层面可作如下定义:射频小区(RF-Cell):无线接入单元(RAU)的无线信号覆盖范围,通常一个射频小区无线信号掩盖在几十至几百米范围内.可以依据实际应用环境的掩盖需求和用户业务量大小规划射频小区天线的位置和数量并组成分布式无线系统. 广义小区(GN- Cell):由连接在同一个基站收发器(BTS)的一组射频小区构成无线信号的掩盖范围.广义小区中分布的天线数量和广义小区掩盖范围的大小是可以随实际应用场景变化.两个广义小区的组合形成广义小区

21、式移动通信系统的网络构造如图 2 所示.在广义小区式移动通信系统中,可在各个层面上承受无线资源安排方法、小区切换方法和空时处理技术 , 以 便 更 好 地 进 行 网 络 规 划 、 减 少 系 统 干 扰 和 提 高 系 统 容 量 .4.2 无线资源安排模型和切换过程为了保障广义小区式移动通信系统在保持系统无线资源复用力量和较高的系统容量等各种优势的条件下,进一步开发利用广义小区中多天线的无线空间资源.在广义小区式蜂窝 移 动 通 信 系 统 中 采 用 两 级 无 线 资 源 分 配 模 型 , 如 图 3 所 示 .第一级无线资源安排:在基站掌握器(BSC)中完成,负责整个系统中的频率

22、、时隙、码道等资源在系统中的统一调配和复用,通过动态或静态的切换掌握、呼叫允入、调度、功率掌握和链路自适应等算法,针对系统的业务呼叫堵塞率、广义小区间 切换堵塞率、各用户业务的传输吞吐量和时延、系统功率效率以及削减系统干扰等目标进展合理的规划设计.其次级无线资源安排:在基站收发器(BTS)中完成,依据 BSC 的无线资源 安排结果给各个射频小区安排资源,负责广义小区中无线资 源和空间资源的调配.广义小区内的无线资源安排可承受两 种不同的方法,一是在广义小区内承受频率、时隙、码道复用的方法,如此能够提高系统容量但网络规划和信令系统较为简单.二是广义小区内频率、时隙、码道不复用方法,多个移动终端可

23、通过对频率、时隙、码道等资源的信道安排方法在广义小区中共享一个或多个射频小区,可使系统的网络规划和设计简洁但系统容量较低.在广义小区式移动通信系统的两级无线资源安排模型中,系统中的移动终端的切换过程可承受两层不同的切换方法.第一层是在广义小区之间依据移动终端接收的功率强度等参数承受频率、时隙、码道和天线等无线资源统一调整的方法完成传统的小区间切换,其次层是移动终端在广义小区内 部时,由于移动终端可以承受空时处理方法同时与几个射频小区天线通信,BTS 检测各天线接收到移动终端的信号的平均能量选择与移动终端通信的几个射频小区天线,通过 BTS 中广义小区天线资源占用表的更方法对天线空间资源的调整完

24、成物理层快速切换(L1 层切换)过程,移动终端与系统网络之间无需信令交换可完成空间资源间的切换,广义小区内部物理层快速切换过程和广义小区之间切换过程如图4所示.4.3 系统干扰与性能分析在广义小区式蜂窝移动通信系统中移动终端主要受到三种系统内部干扰信号影响,一是广义小区内其他相邻移动终端的多址信号干扰(Iat),二是广义小区内未与该移动终端处于通信工作状态的邻近天线干扰(Iaa),三是来自其他邻近广义小区的干扰(Iagnc).广义小区中用户 j 的比特能量干扰比为:其中 pg 是收发处理增益,Pj 是接收到用户 j 的功率,Pi 是接收到广义小区中其他用户的多址干扰信号功率,N 是噪声功率,M

25、 为广义小区中最大用户数.假设系统承受抱负功率控制,系统的判决门限为(EbI0)th,则其他用户的 Pi 相等,广义小区中最大用户数为:由式(2)可以看出,小区用户容量受到系统内部各种干扰信号的影响.在广义小区式移动通信系统中,传统小区的集中式天线系统被多个射频小区组成的分布式无线系统所替代,传统 小区中基站天线的总发送功率随着基站与移动终端距离增加快速增加的需求被分解成为多个短距离掩盖范围的射频小区发送功率的线性相加.通过合理地设定广义小区中射频小区 的个数和各射频小区的发送功率,系统将具有较好的功率效 率和较小的无线干扰信号强度.同时,在系统中承受的两级无线资源安排模型和两层切换算法使广义

26、小区式移动通信系统能够在充分使用传统提高系统容量方法(如扇区划分、频率复用、小区呼吸等)的根底上增加了空间无线资源的利用率.另一方面,广义小区中分布式无线网络掩盖的系统构造可形成19 第 12A 期尤肖虎:分布式无线电和蜂窝移动通信网络构造分布式多天线(Distributed MIMO)系统,承受多个射频小区天线的复用 分集方法32或多天线间的时机通信的方法33将使广义小区容量随着多天线的合理应用而线性增加.广义小区式蜂窝移动通信系统与传统蜂窝移动通信系统的功率效率和系统容量比较如表2所示.5 完毕语随着移动通信系统使用更高的工作频点,功率受限的分 布式无线电将在系统的进展过程中得到不断完善和

27、广泛应 用,在分布式无线网络构架下的各种无线资源(尤其是空间无线资源)的开发利用将成为削减系统干扰和提高系统容量的 合理途径,进一步探讨移动通信系统的系统网络构造、空中接口的宽带传输技术、无线资源调配机制等各种技术将能有效地缓解无线频谱资源短缺与通信业务量增长之间的冲突.参考文献: 1 F Adachi.Challenges for Broadband Mobile TechnologyA.Proc 12th International Conference onAntennas&PropagationC.Exeter,U.K:(ICAP 2023),2023.1- 4. 2 VHMacDon

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