支持协作多点技术的网络架构的研究*

李慧芹 ，周文安 ，陈 思

（1.北京邮电大学ICN&SEC中心 北京100876；2.中兴通讯股份有限公司 上海 201203）

1 引言

在IMT-Advanced系统中，为了降低小区间干扰，提高系统平均吞吐量，尤其是小区边缘用户的吞吐量，LTE-A提出了CoMP技术。CoMP是指多个地理上相互分离的传输节点共享用户的数据信息和信道信息，多个传输节点间协调资源分配，规避干扰或者把干扰转化为有用信息。

根据回程的特性，CoMP的评估可分为两个阶段：第一阶段假定回程特性理想，即回程时延为0，并且回程容量无限大；第二阶段则考虑实际中的非理想回程，即非零时延和有限容量对CoMP技术的影响[1]。CoMP最终要经由第二阶段的测评才走向实际应用，第二阶段的场景为在多个eNode B间协作的Inter-eNode B CoMP，需要通过X2接口进行信道信息、数据信息的交互。为了尽可能减少回程时延以提升CoMP性能，可以提高回程技术，如采用高容量的光纤连接协作节点；更具有研究价值的方式是寻找一种可以简化CoMP流程、减少时延的网络架构。

目前关于CoMP架构的研究成果主要有两种：集中控制的中心式CoMP和信令交互式类似Mesh网络的分布式CoMP[2]。中心式CoMP需要引入集中控制节点CU（central unit，中心单元）汇集其覆盖范围内的所有信息并进行资源的统一分配和调度，其容易实现协作节点的选择和同步以及资源分配，但无疑增加了CoMP时延，同时也存在CU的瓶颈问题。分布式CoMP由eNode B各自掌握其覆盖范围内的信息，服务eNode B和协作eNode B经由X2接口共享信息，协商资源分配策略，但其CoMP流程复杂，X2接口的容量和时延均很大。本文提出的CoMP网络架构是在分布式组网方式的基础上增加了协作节点集中控制的功能，可以简化CoMP流程，减少eNode B间的信息交互次数，从而降低时延和容量。

2 CoMP技术对网络架构的新要求

为了实现CoMP技术，必须解决协作节点的同步问题[3]。

（1）时钟同步

参与协作的节点同步的前提。室外节点可以通过GPS获得精确同步，室内节点则可以通过标准协议 （如IEEE 1588v2）获得同步。

（2）MAC 层同步

包含两个方面：RI（resource information，资源信息）同步和调度同步。RI包含参与协作的节点和用户两方面的信息，CoMP技术需要服务节点和协作节点共享节点资源信息和待调度用户信息。节点的资源信息包括节点的频率、带宽、总的可用时频资源单元数目以及可用于协作调度的最大资源数目等；待调度用户的信息包括用户ID、归属小区ID、用户业务QoS、用户缓存数据量大小、用户与CoMP协作集内所有小区的信道质量信息等。在不同的调度方式和CoMP性能要求下，RI所包含的信息有所区别。在进行调度之前，协作节点所拥有的RI必须同步，这是制定有效的协作方案的前提。调度同步是指服务节点和协作节点的同步调度决策，在相同的时频资源上向UE发送数据。一个完整的CoMP调度决策包括：CoMP类别（JP、CS/CB）、CoMP传输节点、UE配对、每一个独立链路的链路自适应参数（预编码矢量、MCS等）、资源分配信息。

（3）数据同步

协作节点获得数据的同步以及传输过程中的数据同步。服务节点经由S1接口从核心网获得数据；协作节点可以经S1接口获得数据，也可以通过服务节点由X2接口传输，其数据同步要求较为宽松，下行CoMP JP中，用户接收多个协作节点的数据以获得分集增益，要求经过调制、预编码后的数据在传输过程中保持同步。

CoMP过程中要完成两个任务：协作集（参与协作的节点的集合）的确定和协作资源的分配。

协作集的确定有两种方式：NS（network-specific，网络确定）和 UES（UE-specific，用户确定）[4]。NS 方案是预先把网络中的各个小区划分为不相交的协作集，一般由地理上毗邻的节点构成，该方案容易实现，但是灵活性不足，系统性能提升空间较小。UES方案是用户根据一定的准则选择为自己服务的协作集，这些准则可以从RSRP、信号时延、协作节点负载等方面考虑[5,6]，可以获得较优的系统性能，但会增加协作集选择和资源分配的复杂度。

资源分配是在有效规避资源冲突的前提下，为中心用户和边缘用户分配满足其性能要求的时频资源，同时尽可能提高资源的利用率。通常把整个资源划分为为边缘用户服务的CoMP频带和为中心用户服务的非CoMP频带。

由以上分析可知，CoMP网络架构要求参与协作的节点同步资源信息、调度信息以及数据信息，同时不依赖于具体方案的信息交互框架和流程，支持不同的协作集选择和资源分配方案。

3 CoMP网络架构

为了保证协作节点的同步，完成节点选择和资源分配，CoMP网络需要与之对应的功能实体。参考文献[7]提出了CCE （coordination control entity，协作控制实体）和CoMP SGW（CoMP serving gateway，CoMP服务网关）两个逻辑上的概念。CCE用于资源联合调度，为协作小区分配相同的无线资源；CoMP SGW负责多个eNodeB的CoMP数据同步传输。这两个逻辑实体在不同的网络架构中有不同的体现形式。

中心式和分布式以及本文提出的改进型分布式3种网络架构以各自的方式满足CoMP技术对网络架构的新要求。假定采用相同的协作集选择方案和资源分配框架，分析3种网络架构的CoMP流程。

用户确定协作集方案有较强的灵活性和较优的性能，本文基于此方案为3种网络架构设计CoMP流程，首先要解决资源分配冲突问题。本文架构是基于CoMP JP设计的，因为CoMP JP的性能优于CoMP CS/CB，且对原有系统流程的修改较大，对其的研究更具有参考性。

3.1 中心式网络架构

中心式网络架构中，CCE和CoMP SGW的功能由新增实体CU完成。CU位于接入网中，集中控制其覆盖下所有 eNode B的资源和调度[2,8]，可以获得较优的 CoMP性能，但是破坏了LTE网络架构的扁平化结构。CU与eNode B通过S1接口连接，若干个相邻的eNode B汇集到一个CU，该CU经由S1接口连接到核心网。CU在进行局部资源调度时，相邻CU控制边缘处的UE资源分配可能出现冲突，可通过S1接口进行交互，其网络拓扑如图1所示。

CU集中控制所有的信息进行中心式调度，选择协作节点并进行资源分配，资源信息、调度信息和数据信息的同步易于实现，CoMP流程如图2所示。假定为UE1进行协作的是CU1下的两个eNode B：eNode B1和eNode B2。

·CU集中控制其覆盖范围内的资源，需要eNode B 1和eNode B 2周期性上报资源信息，包括频率、带宽、总的可用时频资源、可用于协作调度的时频资源、小区的负载状况、待调度的UE的ID以及所属服务小区的ID等。

·当eNode B 1收到UE1的CoMP请求后，向其所属CU1发送CoMP请求信息，包括请求CoMP的服务小区ID、UE的ID、UE业务承载信息、UE的信道测量报告。

·CU1收到eNode B 1的CoMP请求信息后，根据范围内所有eNode B的上报信息选择最优的协作eNode B，此处为 eNode B 1。

·CU1向eNode B 1发送CoMP指令，包括需要协作的eNode B的ID、需要服务的UE的ID、服务小区ID、UE业务承载信息。

·eNode B 1收到CoMP指令后给予响应，表示已获知该协作事件。

·CU1制定资源分配方案，即选择在哪一时频资源上为UE1服务，并把制定的方案传输给eNode B 1和eNode B 2执行。

·SGW向CU 1发送UE的CoMP数据，CU1进行调制、联合预编码等数据处理后，把数据信息和同步信息发送给eNode B 1和eNode B 2。

·由相应的节点同时向UE1同步发送数据信息进行CoMP JP。

由以上CoMP流程可知，中心式网络架构中的CU根据汇集的信息制定局部最优的用户确定的节点选择方案和资源分配方案，进行联合资源调度和数据联合预编码，可以获得较优的CoMP性能，且易于进行同步控制。但CU需要处理大量的信息，当请求CoMP的UE数量很多时，瓶颈问题便凸显出来，需要CU具有较强的性能；与此同时，增加了信息传输的跳数，加上信息处理时间，不可避免地增大了CoMP时延。

3.2 分布式网络架构

分布式网络架构沿用了LTE扁平化结构，eNode B间采用Peer-to-Peer的组织形式，每个eNode B均具有CCE和CoMP SGW的功能，自行处理其管辖范围内的资源分配和调度，并通过X2接口的信令交互达成一致并保持同步。其架构如图3所示。

CoMP协作集可由以下步骤确定。

·UE向服务eNode B反馈CoMP测量集 （支持RRM测量，在R8中已经存在）中所有小区的RSRP，服务eNode B据此决定CoMP报告集并告知UE；

·UE测量CoMP报告集中所有小区的CSI，服务eNode B获得反馈后，决定CoMP协作集。通过逐步缩小UE测量范围、增强测量精度，确定了CoMP协作集。

为了保证CoMP过程中的同步并制定资源分配方案，协作的eNode B经由X2接口进行信令交互。CoMP流程如图4所示，假定协作eNode B的数据经由S1接口获得。

·服务eNode B收到UE的CoMP请求后，向CoMP协作集中的候选协作eNode B发送CoMP请求信息，包括UE的ID、请求CoMP的服务小区ID、UE业务承载信息（与UE业务承载相关的信息和E-RAB信息）、小区资源信息请求、CoMP传输模式（如JP、CS/CB）、UE上下文等相关信息。

·收到CoMP请求信息后，候选协作eNode B向服务eNode B发送响应信息，包括小区资源信息响应，即根据CoMP请求中配置的报告周期向服务eNode B周期性报告其资源使用情况；接受/拒绝信息，即根据自身情况决定是否参与本次CoMP。

·若候选协作eNode B接受本次CoMP请求，则服务eNode B和协作eNode B通过X2接口就资源分配、传输参数进一步协商。服务eNode B根据UE反馈的测量结果对UE进行资源调度，确定联合传输参数并向协作eNode B传递下述信息：资源分配信息，即分配给CoMP UE下行物理资源的相关信息，包括PRB的位置、数目等；物理层传输参数，包括预编码矩阵标志/秩标志(PMI/RI)、调制编码方案、传输模式(如单用户多入多出系统、多用户多入多出系统、开环/闭环、分集/复用等)、天线端口号、同步信息、与资源分配信息相对应的传输参数；UE上下文等相关信息。

·协作eNode B根据自身情况接受本次资源调度、传输参数方案，并给予响应（也有可能存在资源分配冲突问题，需要进一步协商）。

·SGW同时向服务eNode B和协作eNode B发送CoMP数据。

·服务eNode B和协作eNode B根据已协商好的方案进行调制、编码等数据处理。

·服务eNode B向协作eNode B发送同步信令，控制数据的同步传输。

·服务eNode B和协作eNode B向用户同步发送数据。

由于没有信息的汇集和集中处理，经由X2接口进行两方面的协商：候选协作eNode B是否愿意协作、资源分配方案。由于候选协作eNode B自身负荷较大、存在资源冲突等原因，协商可能不止一次，从而增大了回程容量和时延，影响了CoMP性能。

3.3 改进型分布式网络架构

本文提出的改进型分布式网络架构可通过一定程度的集中控制来减少分布式中的信息交互次数。S-GW增加了CoMP SGW功能，控制CoMP数据的同步，对协议栈有所修改。所有eNode B均有执行CCE功能的能力。在进行资源调度时，服务eNode B处于控制地位，收集候选协作eNode B的资源信息，制定调度决策传给协作eNode B执行而无需协商，eNode B间的控制方式由分布式中的Peer-to-Peer方式变成主从（master-slave）方式。

CoMP SGW增加同步协议SYNC进行内容同步和分组丢失检测，同时也需要修改eNode B侧的接入协议栈，修改后的协议栈设计如图5所示。SYNC同步协议控制CoMP数据同步传输到UE侧，满足CoMP JP时UE同步获得多个协作节点数据的要求。

CoMP协作集的确定方法与分布式架构相同。为了避免CoMP过程中协作eNode B收到不同的服务eNode B的调度指示而产生资源冲突，假定CoMP协作集不发生重叠，可以让协作eNode B在同一时刻只由一个服务eNode B控制，或者通过划分不同的频段来区分不同的协作集。相应的CoMP流程如图6所示。

·收到UE的CoMP请求时，服务eNode B发送的CoMP请求信息只需要包括资源信息请求和配置的报告周期。

·协作eNode B向服务eNode B周期性反馈其资源信息使用情况，包括其包含的各节点的频率、带宽、总的可用时频资源、可用于协作调度的资源等。

·服务eNode B制定调度方案并传给协作eNode B。调度方案包括：调度的UE的ID、请求CoMP的服务小区ID、资源分配信息、物理层传输参数、调制编码方案、CoMP传输模式、天线端口号、同步信息、与资源分配信息相对应的传输参数。

·协作eNode B收到调度方案后，向服务eNode B发送一个调度响应，表示已获知调度决策，保证调度的同步。

·CoMP SGW同时向服务eNode B和协作eNode B发送CoMP数据。

·服务eNode B和协作eNode B各自进行调制、编码等数据处理。

·CoMP SGW向服务eNode B和协作eNode B发送同步信令，在eNode B进行数据处理时即可发送，同步信令发送时间可计入eNode B数据处理时间，从而可忽略不计。

·服务eNode B和协作eNode B向用户同步发送数据。

改进型分布式网络架构下的CoMP流程与分布式类似，但是不需要协商，减少了不成功协商占用的回程容量和时延；数据的同步由CoMP SGW控制，可与eNode B数据处理并行，从而减少时延。但是服务eNode B的调度决策对于协作eNode B来说不一定是较优的，会损害协作eNode B的效益，由于同一个eNode B可以兼备服务eNode B和协作eNode B的角色，这样整体来说每个eNode B的效益是公平的，但有可能使资源不能实现优化配置。

3.4 3种网络架构的比较

3种网络架构的性能比较如下。

（1）对LTE网络架构的影响

·中心式：增加了汇集点CU。

·分布式：不需要增加网元，eNode B需具有CCE和CoMP SGW的功能。

·改进型分布式：不需要增加网元，eNode B需具有CCE功能，SGW增强为CoMP SGW，需要修改协议栈。

（2）调度的制定，同步的保证

·中心式：CU收集其覆盖范围内的所有eNode B信息，进行统一调度；控制协作eNode B的同步。

·分布式：eNode B自治，通过信令交互协商调度决策，保证节点同步。

·改进型分布式：服务eNode B根据协作eNode B的资源信息制定调度决策，不需要协商；CoMP SGW保证协作CoMP数据的同步。

（3）CoMP 时延来源

·中心式：CU的路由时间、处理和计算时间。

·分布式：分布式协商的多次信令交互。

·改进型分布式：服务eNode B和协作eNode B的信令交互，但次数少于分布式。

（4）回程容量来源

·中心式：CU覆盖范围内所有eNode B资源信息的收集、调度结果的传输。

·分布式：多次信令交互所包含的资源信息、调度决策。

·改进型分布式：与分布式相同，但交互次数和交互所携带的信息量少于分布式。

（5）总性能

·中心式：系统性能局部最优，但增加了成本和CoMP时延。

·分布式：信令交互次数以及每次交互的信息量较多，CoMP性能受限于X2接口的容量和时延。

·改进型分布式：服务eNode B获得少量信息进行独立决策，减少X2时延和容量。

由上述分析可知，改进型分布式网络架构在LTE网络架构的基础上，增强了服务eNode B的控制功能，从而简化了中心式中CU的处理，减少了分布式中信息交互的次数，由此简化了CoMP流程，减少了回程容量和时延。

4 结束语

本文阐述了CoMP网络架构的现状，分析了CoMP技术对网络架构的新要求以及CoMP要完成的任务。综合中心式和分布式网络架构的优点，提出了改进型分布式网络架构。3种架构的比较结果表明，改进型分布式网络架构可简化CoMP流程，降低时延，但是服务eNode B的独立调度决策可能使资源不能得到较优配置，降低了频谱效率，如何在此架构下提高资源利用率是未来研究的重点。

1 3GPP TSG-RAN WG1#64.R1-111174.Backhaul Modelling for CoMP,January 2011

2 Jungnickel V,Thiele L,Wirth T,et al.Coordinated Multipoint Trials in the Downlink.IEEE Transactionson Globecom Workshops,Hawaii,USA,2009

3 3GPP TSG RAN WG1#59.R1-100121.Discussions on CoMP Standard Impact,January 2010

4 3GPP TSG-RAN WG1#55.R1-084464.Cell Clustering for CoMP Transmission/Reception,November 2008

5 3GPP TSG RAN WG1#57.R1-091969.Considerations on the Selection Method for CoMP Cells,May 2009

6 郭敬东.LTE-Advanced中CoMP技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文,2010

7 Gao Youjun,Wang Qixing,Liu Guangyi.The access network and protocol design for CoMP technique in LTE-Advanced system.WiCOM2010 6th,Chengdu,China,2010

8 Xiao Shanghui, Zhang Zhongpei. Network multi-point coordinating downlink transmission with the clustered precoding design.ICCCAS,Silicon Valley,USA,2009