基于虚拟小区的未来无线组网技术*

王文清+张晓宁+余翔

【摘要】随着智能手机及高级终端的大规模扩散和普及，移动数据业务量呈指数型增长。为了满足未来网络需求，获得更高网络容量，降低终端功耗，DoCoMo提出了虚拟小区技术。介绍了无线组网所面临的挑战，以及与虚拟小区相关的关键技术，该技术基于小区大规模部署，通过与宏小区结合，将控制平面与用户平面分离，高效率利用高频段频谱。最后分析了基于虚拟小区信道容量增加以及能源效率提升的问题。

【关键词】虚拟小区C-Plane/U-Plane分离系统容量能源效率

中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-07-0064-05

1 前言

近几年，随着可视电话、网络游戏、多媒体等业务的增加以及3G网络和互联网的发展，移动数据业务普及率越来越高。根据数据调查显示，仅于2011年，移动数据业务量增长了2.3倍[1]。目前经相关机构预测，预计到2015年全球移动数据流量将比2010年上升26倍，假如按照此速度增加，未来十年移动数据流量将再增加1 000倍。针对爆炸性的移动数据业务增长趋势，传统的蜂窝网容量将很难满足未来网络需求。

为支持未来的业务需求，LTE-Advanced将提升系统容量作为其通信标准，利用小区增强技术对空间重新利用，对网络进一步进行致密化部署。但将小区部署成更多的小小区，在高数据流量区域，增加了小区切换次数，易影响流量的流动性和连通性。为此，日本NTT DoCoMo公司提出了虚拟小区（Phantom Cell）技术，该技术重新利用和设计现有的宏小区，在宏小区层加入额外的层（即虚拟小区层），依靠空闲频段和小区间的干扰协调技术进行规划和部署。该方案不但降低了运营成本，而且有效保证了网络移动性。

2 无线组网面临的挑战

为了能让用户体验更好的移动数据业务，并提供高速率数据流量，移动运营商建设了丰富的网络系统。针对室内网络容量提升问题，目前有一系列技术，如：Wi-Fi、家庭式基站和室内基站等等。但针对室外热点高流量区域，由于受到频谱稀疏、运营成本高、路径损耗严重等条件限制，对于运营商而言，未来无线组网设计与部署将是一个不小的挑战。

（1）频谱效率

无线通信网络中，为LTE分配的工作频段是有限的，现阶段国内TD-LTE主要工作在38（2 570—2 620MHz）和40（2 300—2 400MHz）两个频段。随着用户需求量的增长，LTE网络部署中，频谱资源日益紧缺，低频段频谱越来越稀疏，如何高效率地利用频谱成为至关重要的问题，许多运营商开始考虑探索和利用高频段频谱。然而，在宏小区中，由于受到基站边缘的空间限制，如RF设备和天线的大小、高路径损耗严重等，高频段又很难广泛的适用于网络部署领域。

（2）低成本的致密化部署

为高效率地利用高频段频谱，方法之一是改变已有的网络基础设施，但如此以来需要大量的运营成本。或为LTE铺设一个单独的网络，但这基本上是不可行的。从消费者的角度分析，消费者希望在低费用的基础上有高速率的数据传输速度。为实现低运营费用、高流量承载，运营商开始考虑基于现有的宏小区，采用分层部署结构，即在宏小区层引入额外的小区层（即虚拟小区），将小小区致密化部署，从而改善高成本问题。

（3）流动性和连通性

当小区稀疏部署时，无论是在连通还是在闲置的模式下，频间要求保持有较好的流动性。传统的蜂窝网结构中将小区化为更小的小区，如家庭小区、微微小区等，然后对其进行部署，该小区部署模式适合服务于对流动性要求低的用户。但未来无线组网容量需求量远远超过传统模式，如果继续增强小小区的部署密度，同时会增加小区与小区之间的切换次数，严重影响了各小区之间的移动性。此外，增强小区部署密度易发生碰撞，引起“乒乓效应”。所以，未来无线组网结构部署需要在考虑流动性和连通性两个指标的同时，简化小区的部署模式。

（4）系统吞吐量

对于蜂窝网络而言，小区边缘用户吞吐量是一个难以回避的问题，LTE系统也不例外。按比例讲，宏蜂窝的边缘区域相对比较大，边缘用户吞吐量的降低将严重影响整个小区的吞吐量水平[2]。3GPP将小小区纳入网络部署的讨论范围之中，尤其是在其与宏蜂窝共信道部署的场景中，小小区的存在增加了网络中的传输机会，故有望使整个小区的传输速率得到提升[3]。在用户动态分布变化的场景中，要求保持用户上行和下行吞吐量平衡分布。

（5）小区间干扰协调

在小区致密化部署中，小区之间易产生干扰，所以在需建立动态TDD的LTE-B未来网络中，要重点考虑小区间干扰协调。目前LTE采用OFDMA接入技术，该技术解决了CDMA自我干扰问题，并可实现更高的频谱效率。但在实际应用中，由于受到小区格局的不规则和传播条件差等的限制，小区间干扰协调技术的实施方案变得更加复杂，其未来发展面临着很多挑战。

3 虚拟小区及其相关技术

第四代无线移动通信系统采用的是LTE技术，目前LTE R12的研究焦点在于：广域增强与局域增强的集成；通过将广域与局域分离部署，高效率利用低频段和高频段[4]。目前存在的各种类型的小区密集部署技术对支持室外网络容量、移动性、吞吐量和可操作性等存在很多缺点。为解决该问题，日本NTT DoCoMo公司提出了虚拟小区技术。该技术是基于小区的大规模部署，通过与宏小区结合将频谱重新利用。其核心是基于宏小区和C-Plane/U-Plane分离的结合实现容量增大效果，并利用现有的宏小区大规模部署。

虚拟小区采用分层结构，根据用户需求，将小区结构虚拟为高速用户和低速用户服务层。其目的是实现在小区边界负载不均匀和用户高速移动的情况下，保证抑制小区间干扰的同时，提高边缘小区的频谱利用率，并提高对小区用户高移动性的支持。

3.1虚拟小区概念

虚拟小区又可以被称为“宏蜂窝辅助”的微基站，是在分布式天线阵中移动台自组小区，它与传统蜂窝小区不同之处在于，虚拟小区没有被配置例如主/辅同步信号（PSS/SSS）ID、小区特定参考信号（CRS）以及控制信息模块（MIB）/系统信息模块（SIB）等专用的信号和信道。宏小区和虚拟小区是主从关系，由宏基站（MeNB）信令控制UE和虚拟小区之间的无线资源控制（RRC）连接程序，虚拟小区基站（PhNB）仅为用户业务提供数据传输通路。该结构通过控制平面和用户平面分离部署来实现，如图1所示：

图1C/U平面分离的虚拟小区

采用虚拟小区结构解决了传统蜂窝网的很多弊端，为未来无线组网的设计提供了理念和思路。它的相关技术涉及到频谱扩展、C-Plane/U-Plane分离、大规模MIMO设计、小小区发现、移动性以及低成本设计等。

3.2C-Plane/U-Plane分离部署

C-Plane/U-Plane分离部署技术能够使得高频段频谱（5MHz或5MHz以上）得到低成本、高效率的应用，其部署特点如图1所示，C平面由宏基站低频段控制支持，U平面由虚拟小区高频段控制支持，由此实现C平面与U平面的分离，仅仅当需要为边缘小区的UE服务时，低功耗、小型覆盖的U控制平面节点才开始启动工作，如此以来可明显减少能源消耗。同时，宏基站以传统小区状态支持C平面和U平面，控制支持基带处理。

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常规C平面与U平面的配置采用点对点模式，该配置模式通过传统的CA（Carrier Aggregation）利用RRH（Remote Radio Heads）实现。另外，一种新的配置采用主从式配置模式，该模式中，虚拟节点与宏结点之间的传输转移控制信令通过“New Interface”控制操作[5]，如此以来，不仅可降低宏基站和虚拟基站之间的回程吞吐量与延时，而且虚拟小区还能够提升宏小区边缘的用户吞吐量。

3.3增强频间小区发现过程

虚拟小区与宏小区结合部署，能够增强频间小区发现过程，即发现信号增强，使得频间小区发现过程更加流畅和高效。快速频间小区发现的过程为：首先由宏蜂窝引导UE发现小小区ID，然后UE利用初始定时进行频间搜索，当搜索到小小区的ID时，UE对其进行解码，将小区ID测量结果反馈给宏蜂窝。

虚拟小区架构中，为了降低终端功耗，减少频间小区发现过程次数，虚拟小区中的发现信号必须与宏基站下行发现信号的发送周期同步，并且发现信号相互之间正交，以便UE能够快速检测小小区的发现信号。

3.4大规模MIMO

MIMO技术已应用于现代无线通信系统中，实践证明，使用MIMO技术不但能够增加系统容量，而且能够提高系统性能，并提升频谱效率。由此可见，增加基站的天线数，即采用大规模MIMO技术能够很好地提高系统容量。又因为大规模的天线阵列增加了天线孔径，通过相干合并可以降低上下行链路所需的发射功率，符合未来“绿色信道”的要求[6]。无线组网未来的发展中，带有多发射天线的大规模MIMO将是开发利用高频段频谱不可忽视的关键技术。

在小区高频段，可以将天线元素最小化，并把许多元素放置在同一位置，形成很窄的3D电子束，并通过补偿路径损耗的方式支持高频段网络覆盖。基于现阶段网络架构，对于如何获得窄电子束并利用3D电子束支持信号的移动性还存在很大困难。针对该问题，许多运营商认为，一个可行的解决方案就是应用虚拟小区技术。

3.5CoMP技术以及跨层资源分配

为了消除小区间干扰，LTE-A系统提出了多点协作处理（CoMP）技术，该技术利用MIMO信道特性，采用预编码来抑制小区间干扰。CoMP技术可以处理不同虚拟小区之间的业务均衡问题，从而提升网络资源利用率，并能够高效率地改善LTE-Advance系统性能，例如提高小区边缘吞吐量及数据传输速率等。

为了更好地满足用户服务质量（QoS），基于正交频分复用（OFDM）系统，3GPP组织提出了跨层资源调度技术。LTE/LTE-A系统的网络设计也为跨层设计的实施提供了便利，系统eNodeB之间采用Mesh连接，在LTE-A系统中更是采用光纤进行X2接口之间的连接，该增强的X2接口就可以进行eNB之间的快速信息交互，获得协同发射/接受增益以进行基站协调[7]。

3.6高频段频谱扩展

现阶段LTE工作频段在2.6GHz，业界认为由国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）所管理的3.5GHz以及更高频段是最佳的候选方案，如5GHz或更高频段，高频段频谱有利于提供网络容量。但高频段频谱针对室内场景的网络覆盖存在很多缺陷，只有两者相互补充，将低频段频谱和高频段频谱结合才能达到最好的建网效果。

虚拟小区架构中，DoCoMo提出将现有的蜂窝网低频段用于支持控制基本覆盖和移动性，并单独利用局域小区高频段支持控制高速率的传输，如图2所示。如此以来，不但解决了针对室内与室外不同场景的网络覆盖问题，而且当从现有的蜂窝带宽获得显著的卸载增益时，通过利用高频段宽频带局域无线技术可以获得高吞吐量。

图2低频段与高频段结合利用

4 虚拟小区信道容量分析

虚拟小区采用大规模多入多出（Massive MIMO）信道模型、分布式天线系统。设定虚拟小区发射端有M根天线，接收端有N根天线，假设通信信道平坦，在接收端错误传送最小的情况下，通信信道近似于理想的传播环境，信道可以达到最大信息吞吐量。设每个子信道带宽为B（Hz），输出信号功率为S（W），高斯白噪声功率为N（W）。则在加性高斯白噪声环境下，香农信道容量由下式给出：

C=Blog2(1+S/N)（1）

其中，S/N是信噪比，C为信道容量，单位是b/s。

根据香农信息定理以及参考文献[8]、[9]中的MIMO信道容量计算信息，推导出虚拟小区的系统容量密度（bps/Hz）：

（2）

其中，，上标H表示信道矩阵共轭转置；det表示求矩阵的行列式；H=[h1,h2,…,hM]是发射天线与接收天线之间的信道矩阵，hi表示从发射端的第i根天线到接收端的信道幅度；S/N是信道的平均信噪比。

当M、N很大时，信道容量C近似为：

C≈min{M,N}log2(SNR/2)（3）

从式（3）可看出，虚拟小区结构中，随着天线数目的增加，信道容量成线性增加。也就是说在带宽和发射功率不变的情况下，可成倍地提高信道容量，且系统信道容量随着SNR的增加成对数增长。

由此可知，在不增加带宽的情况下，采用大规模MIMO系统的虚拟小区部署确实能够成倍地增加信道容量，并能大大地提高系统吞吐量和频谱利用率，达到了预期的目的。LTE-A希望实现上行天线配置为4×4，下行天线配置为8×8。在未来的无线网络（如5G网络）发展中，MIMO将会是一个令人兴奋的关键技术。

5 虚拟小区能源效率分析

能源效率是评估下一代通信系统性能的一个重要指标。从上述分析可以得到，通过在宏小区层添加虚拟小区能够达到提高系统容量和频谱利用率的效果，但虚拟小区需要有充分的能源效率支持才能保障其有效工作，接下来简单分析虚拟小区结构中能源效率的提升问题。

根据参考文献[10]可知，忽略受宏小区层影响，这里仅仅考虑虚拟小区层，在同信道小区层，虚拟小区的能源效率为：

（4）

其中，，为虚拟小区频谱效率，P为虚拟小区发射功率。

从式（4）可看出，在发射功率相同情况下，虚拟小区能源效率随着频谱效率的提升呈线性增加。

通过上式分析可得出结论：虚拟小区结构能够提供高能量的能源效率，这也就意味着，在高密度、低发射功率的环境下，虚拟小区能够正常并有效地工作，这也为网络工作者在现有的宏小区进行进一步开发部署提供了有利条件。

6 总结

本文介绍了一种未来分层异构无线组网的新方案。为了满足现阶段无线网络中爆炸性增长的数据业务量需求，介绍了一种基于虚拟小区技术的设计方案，该技术利用较高频段的频谱，通过将控制平面与用户平面分离配置，大幅度提升系统总容量的同时，保证了系统的移动性。本文还介绍了虚拟小区的相关技术特点，并分析了虚拟小区的信道容量和能源效率，结果证明：与传统蜂窝小区相比较，采用虚拟小区结构能够达到提升系统容量并提高能源效率的效果，是未来无线组网重点研究方向之一。

参考文献：

[1] Takehiro Nakamura, Satoshi Nagata, Anass Benjebbour, et al. Trends in Small Cell Enhancements in LTE Advanced[J]. IEEE Communications Magazine, 2013(2): 98-105.

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[2] Osterbo O. Scheduling and capacity estimation in LTE[J]. Advances in Electronics and Telecommunications, 2011(3).

[3] Parkvall S, Danlman E, Jongren G, et al. Heterogeneous Network Deployments in LTE[J]. Ericsson Review, 2011.

[4] Kishiyama Y, Benjebbour A, Nakamura T, et al. Future steps of LTE-A: evolution toward integration of local area and wide area systems[J]. IEEE Wireless Communications, 2013(1): 12-18.

[5] H Ishii, Y Kishiyama, H Takahashi. A Novel Architecture for LTE-B: C-Plane/U-Plane Split and Phantom Cell Concept[J]. IEEE GLOBECOM 2012 Wksp, 2012: 624-630.

[6] Geoffrey Ye Li, Zhikun Xu, Cong Xiong, et al. Energy-efficient wireless communications: tutorial, survey, and open issues[J]. IEEE Wireless Communications, 2011(6): 28-35.

[7] 凌大兵,温向明. LTE/LTE-A系统中跨层无线资源分配研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2013.

[8] 梁红玉,吴伟陵. MIMO系统的信道容量[J]. 无线电通信技术, 2003(2): 60-61.

[9] 李汉强,郭伟,郑辉. 分布式天线系统MIMO信道容量分析[J]. 通信学报, 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.★

作者简介

王文清：高级工程师，工学硕士毕业于哈尔滨工业大学电子与通信工程专业，现任大唐移动通信设备有限公司政府事务部总经理，拥有多项发明专利，曾主持和参与多项国家级重大科研课题研究开发工作。

张晓宁：硕士就读于重庆邮电大学信息与通信工程学院，主要从事嵌入式系统方面的研究。

余翔：高级工程师，现任重庆邮电大学教授，主要从事无线通信、嵌入式系统方面的研究。

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[2] Osterbo O. Scheduling and capacity estimation in LTE[J]. Advances in Electronics and Telecommunications, 2011(3).

[3] Parkvall S, Danlman E, Jongren G, et al. Heterogeneous Network Deployments in LTE[J]. Ericsson Review, 2011.

[4] Kishiyama Y, Benjebbour A, Nakamura T, et al. Future steps of LTE-A: evolution toward integration of local area and wide area systems[J]. IEEE Wireless Communications, 2013(1): 12-18.

[5] H Ishii, Y Kishiyama, H Takahashi. A Novel Architecture for LTE-B: C-Plane/U-Plane Split and Phantom Cell Concept[J]. IEEE GLOBECOM 2012 Wksp, 2012: 624-630.

[6] Geoffrey Ye Li, Zhikun Xu, Cong Xiong, et al. Energy-efficient wireless communications: tutorial, survey, and open issues[J]. IEEE Wireless Communications, 2011(6): 28-35.

[7] 凌大兵,温向明. LTE/LTE-A系统中跨层无线资源分配研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2013.

[8] 梁红玉,吴伟陵. MIMO系统的信道容量[J]. 无线电通信技术, 2003(2): 60-61.

[9] 李汉强,郭伟,郑辉. 分布式天线系统MIMO信道容量分析[J]. 通信学报, 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.★

作者简介

王文清：高级工程师，工学硕士毕业于哈尔滨工业大学电子与通信工程专业，现任大唐移动通信设备有限公司政府事务部总经理，拥有多项发明专利，曾主持和参与多项国家级重大科研课题研究开发工作。

张晓宁：硕士就读于重庆邮电大学信息与通信工程学院，主要从事嵌入式系统方面的研究。

余翔：高级工程师，现任重庆邮电大学教授，主要从事无线通信、嵌入式系统方面的研究。

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[2] Osterbo O. Scheduling and capacity estimation in LTE[J]. Advances in Electronics and Telecommunications, 2011(3).

[3] Parkvall S, Danlman E, Jongren G, et al. Heterogeneous Network Deployments in LTE[J]. Ericsson Review, 2011.

[4] Kishiyama Y, Benjebbour A, Nakamura T, et al. Future steps of LTE-A: evolution toward integration of local area and wide area systems[J]. IEEE Wireless Communications, 2013(1): 12-18.

[5] H Ishii, Y Kishiyama, H Takahashi. A Novel Architecture for LTE-B: C-Plane/U-Plane Split and Phantom Cell Concept[J]. IEEE GLOBECOM 2012 Wksp, 2012: 624-630.

[6] Geoffrey Ye Li, Zhikun Xu, Cong Xiong, et al. Energy-efficient wireless communications: tutorial, survey, and open issues[J]. IEEE Wireless Communications, 2011(6): 28-35.

[7] 凌大兵,温向明. LTE/LTE-A系统中跨层无线资源分配研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2013.

[8] 梁红玉,吴伟陵. MIMO系统的信道容量[J]. 无线电通信技术, 2003(2): 60-61.

[9] 李汉强,郭伟,郑辉. 分布式天线系统MIMO信道容量分析[J]. 通信学报, 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.★

作者简介

王文清：高级工程师，工学硕士毕业于哈尔滨工业大学电子与通信工程专业，现任大唐移动通信设备有限公司政府事务部总经理，拥有多项发明专利，曾主持和参与多项国家级重大科研课题研究开发工作。

张晓宁：硕士就读于重庆邮电大学信息与通信工程学院，主要从事嵌入式系统方面的研究。

余翔：高级工程师，现任重庆邮电大学教授，主要从事无线通信、嵌入式系统方面的研究。

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