1、協(xié)作多點通信系統(tǒng)中的切換機制    協(xié)作多點技術(shù)能有效改善小區(qū)邊緣用戶性能，提高系統(tǒng)吞吐量。協(xié)作多點技術(shù)需要設(shè)計全新的切換機制，否則將會限制其實際性能。文章基于協(xié)作多點通信系統(tǒng)架構(gòu)下的切換場景提出了一種支持協(xié)作多點通信的切換機制，包括協(xié)作小區(qū)集合切換和協(xié)作傳輸點選擇/更新的信息交互以及信令傳輸流程。該切換機制可有效支持協(xié)作多點通信，同時降低信息交互及信令開銷。關(guān)鍵字:協(xié)作多點；切換；信息交互；信令傳輸英文Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology has drawn a

2、n extensive attention recently and became one of the 3GPP LTE-Advanced key study item due to its ability of improving both cell-edge and average system performance. However, efficient handover scheme that has great impact on CoMP performance has not been investigated yet. It is necessary to design a

3、 new handover scheme for CoMP scenarios. In this paper, the handover model of CoMP system is analyzed and a novel handover scheme supporting CoMP is proposed, including information sharing and signaling transmission procedure of CoMP cooperating sets handover and CoMP transmission points selection/u

4、pdate. The proposed scheme could support CoMP well, but reduce the overhead of information exchanging and signaling transmission.英文關(guān)鍵字:ccoordinated multi-point transmission/reception; handover; information exchange; signaling transmissionwireless network; joint radio resource management基金項目：國家自然科學(xué)基金

5、課題(60872048)；科技部中瑞合作項目(2008DFA12110)1 協(xié)作多點通信技術(shù)近年來，隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對 協(xié)作多點技術(shù)，即指多個地理位置相互獨立分散的傳輸點通過不同的協(xié)作方式(如聯(lián)合傳輸、聯(lián)合處理、協(xié)作調(diào)度等)為多個用戶服務(wù)。其中，多個傳輸點可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和 1.1 協(xié)作多點通信技術(shù)的發(fā)展協(xié)作多點通信技術(shù)起源于兩個重要的通信理論，即中繼信道容量分析和多天線分集理論。中繼信道模型2是協(xié)作多點通信技術(shù)的最本質(zhì)模型，可從信息論角度對3個以上節(jié)點組成的通信網(wǎng)絡(luò)的容量進行中繼信道容量分析。根據(jù)不同的條件，中繼信道可變化為 在CDMA移動通信系統(tǒng)軟切換中

6、使用的宏分集技術(shù)可以說是在實際通信系統(tǒng)中最早運用協(xié)作多點通信技術(shù)的實例。與硬切換不同的是，在軟切換中，用戶從一個基站切換到另一個基站的過程中有一段時間是與源基站和目標(biāo)通信基站同時通信的，從而增加用戶切換成功的概率。分布式天線系統(tǒng)5的研究也為如今的協(xié)作多點通信技術(shù)奠定了一定的研究基礎(chǔ)。在分布式天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的廣義分布式天線系統(tǒng)6則第一次將多點協(xié)作的概念引入了分布式天線系統(tǒng)。而群小區(qū)理論7-10(如圖1所示)的提出，第一次引入了蜂窩小區(qū)間協(xié)作通信概念，是現(xiàn)代協(xié)作多點通信技術(shù)的雛形，標(biāo)志了面向整個蜂窩移動通信系統(tǒng)的協(xié)作多點通信技術(shù)的問世。近年來，隨著正交頻分復(fù)用(OFDM)及MIMO技術(shù)被確定

7、為下一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，基于OFDM-MIMO系統(tǒng)的協(xié)作通信的研究引起了廣泛關(guān)注，諸如虛擬MIMO、網(wǎng)絡(luò)MIMO、協(xié)作MIMO等新概念新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，它們都屬于現(xiàn)代協(xié)作多點通信技術(shù)的范疇。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化研究中，現(xiàn)代協(xié)作多點通信技術(shù)被命名為多用戶協(xié)作多點傳輸(CoMP)技術(shù)，成為LTE-Advanced系統(tǒng)中的重要研究項目之一。1.2 CoMP關(guān)鍵技術(shù)CoMP技術(shù)主要分為兩大類：聯(lián)合處理(JP)及協(xié)作調(diào)度/波束賦形(CS/CB)。聯(lián)合處理利用不同小區(qū)基站天線到用戶的空間分集來提高小區(qū)邊緣用戶性能，進一步分為聯(lián)合傳輸和動態(tài)小區(qū)選擇兩類。其中，聯(lián)合傳輸是指多個小區(qū)用相同的時頻資源向用戶發(fā)送

8、承載用戶數(shù)據(jù)信息的物理下行共享信道(PDSCH)；動態(tài)小區(qū)選擇指同一時刻由用戶設(shè)備(UE)動態(tài)選擇某一小區(qū)向其發(fā)送PDSCH。協(xié)作調(diào)度/波束賦形則是利用不同小區(qū)之間的信息交互，通過對資源(時間、頻率、空間等)的調(diào)度，包括波束賦形向量的調(diào)度來減少小區(qū)間干擾(ICI)，從而改善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。CoMP技術(shù)需要多種物理層傳輸技術(shù)的支持，如適應(yīng)多小區(qū)聯(lián)合傳輸?shù)腗IMO技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、高效的信道估計和聯(lián)合檢測技術(shù)等。同時，先進有效的無線資源管理方案也是影響CoMP技術(shù)性能的重要因素，如小區(qū)資源分配策略、負載均衡、聯(lián)合傳輸中協(xié)作小區(qū)的選擇機制以及有效的切換策略等。其中切換性能

9、是衡量移動通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，有效的切換策略是實現(xiàn)用戶無處不在的網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在引入?yún)f(xié)作多點通信技術(shù)后，系統(tǒng)中的切換場景將發(fā)生變換，現(xiàn)有系統(tǒng)中的切換策略將無法滿足新場景中的切換需要，因此設(shè)計有效的切換策略成為CoMP技術(shù)中亟待解決的問題。2 協(xié)作多點通信中的切換場景分析在現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的切換場景中，通常由用戶觸發(fā)切換流程，用戶在與當(dāng)前連接的基站進行通信的同時，周期性的測量當(dāng)前連接基站以及相鄰小區(qū)基站的導(dǎo)頻信號強度，當(dāng)用戶測量發(fā)現(xiàn)當(dāng)前連接基站的導(dǎo)頻信號強度下降到一定門限值以下，同時相鄰小區(qū)中某一小區(qū)基站的導(dǎo)頻信號強度上升到一定門限值以上并持續(xù)一定時間后，即觸發(fā)切換流程。切換過程中需要經(jīng)過

10、用戶、源基站和目標(biāo)基站間復(fù)雜的信息交互和信令傳輸。在3G增強系統(tǒng)3GPP LTE系統(tǒng)中由于取消了無線網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)引入?yún)f(xié)作多點通信后，用戶的切換場景將發(fā)生改變。首先，用戶在可能發(fā)生切換的區(qū)域通常也是小區(qū)邊緣區(qū)域，即用戶與當(dāng)前連接基站間的通信質(zhì)量較差時。而在引入?yún)f(xié)作多點通信后，此時的用戶很可能正在采用協(xié)作多點通信模式，因此需要設(shè)計新的切換策略來同時支持協(xié)作多點通信模式下的用戶切換和傳統(tǒng)通信模式下的切換。其次，假如用戶在協(xié)作多點通信模式下發(fā)生切換，則不再是從一個小區(qū)切換到另一個切換的小區(qū)間切換，而將可能是從一個小區(qū)集合切換到另一個小區(qū)集合，如CoMP聯(lián)合處理JP中的聯(lián)合傳輸，此時需要新的切換機制來協(xié)調(diào)多

11、個小區(qū)之間的信息交互和信令傳輸。在當(dāng)前的LTE-Advanced移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進程中，后向兼容性是非常重要的準(zhǔn)則，同時也說明新的切換機制需要同時支持協(xié)作多點通信模式下的切換和傳統(tǒng)通信模式下的切換，新的切換機制需要在現(xiàn)有的切換機制上進行改進。因此，本文以下部分將注重描述本文提出的切換機制在現(xiàn)有LTE系統(tǒng)切換機制基礎(chǔ)上的修改部分，不再復(fù)述與現(xiàn)有切換機制相同的部分。同時，本文將側(cè)重于對切換機制的改進，即切換過程中多小區(qū)之間，多小區(qū)與用戶之間的信息交互與信令傳輸流程，即在現(xiàn)有切換機制中小區(qū)與用戶間的信息交互及信令傳輸?shù)幕A(chǔ)上，給出支持協(xié)作多點通信所需要增加的信息交互，同時提出相應(yīng)的交互及信令傳輸流

12、程。3 支持協(xié)作多點通信的切換機制3.1 系統(tǒng)模型基于3GPP LTE-Advanced系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進程最新的CoMP系統(tǒng)模型，本文將重點分析頻分雙工系統(tǒng)中下行CoMP JP場景下切換時的信息交互及信令傳輸流程，因為在CoMP JP場景下對現(xiàn)有切換機制中信息交互及信令傳輸流程的修改是最為顯著的。(1)服務(wù)小區(qū)服務(wù)小區(qū)向UE發(fā)送PDCCH的小區(qū)，在通信過程中，同時只有一個小區(qū)為UE的服務(wù)小區(qū)。(2)測量小區(qū)集合UE進行周期性的信道狀態(tài)信息測量的小區(qū)集合，該小區(qū)集合由UE服務(wù)小區(qū)所在演進的基站(eNodeB)半靜態(tài)配置。(3)協(xié)作小區(qū)集合協(xié)作小區(qū)集合(CCS)直接或間接參與向UE發(fā)送PDSCH的小區(qū)

13、集合。(4)協(xié)作傳輸點集合協(xié)作傳輸點集合(CTP)直接參與向UE發(fā)送PDSCH的小區(qū)集合。這里我們采用CoMP系統(tǒng)分析時常用的系統(tǒng)模型，CCS由測量小區(qū)集合中選出，CTP由CCS中選出，如圖2所示。3.2 反饋及資源管理策略假設(shè)本文假設(shè)CoMP UE僅向服務(wù)小區(qū)進行反饋報告。JP時，資源分配與調(diào)度，以及傳輸參數(shù)可以由服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB單獨決定，也可以由各協(xié)作小區(qū)通過協(xié)商共同決定。由于UE僅接收服務(wù)小區(qū)的PDCCH，上述信息必然要匯總于服務(wù)小區(qū)，因此，為了減小X2 3.3 支持協(xié)作多點通信的切換流程如前述所說，我們除去現(xiàn)有切換過程中完整復(fù)雜的信息交互及信令傳輸，概述性的介紹支持協(xié)作多點通信

14、中的切換流程。(1)切換流程的觸發(fā)在LTE-Advanced系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進程中規(guī)定PDCCH僅由服務(wù)小區(qū)發(fā)送給UE，而每一個UE相同時刻只屬于一個服務(wù)小區(qū)，而PDCCH用來向UE發(fā)送各種控制信令，必須保證PDCCH的通信質(zhì)量。因此，當(dāng)服務(wù)小區(qū)的導(dǎo)頻信號強度(RSRP)下降到一定門限值以下而相鄰小區(qū)中某一基站的RSRP上升到一定門限值以上時，即觸發(fā)切換流程，無論UE是否處于CoMP模式，這與現(xiàn)有的切換流程觸發(fā)模式基本相同。(2)CoMP模式下的切換流程根據(jù)CoMP JP的定義，當(dāng)UE處于CoMP模式是，該UE對應(yīng)于一個小區(qū)集合即CCS，CCS中所有小區(qū)均擁有UE的數(shù)據(jù)信息，每個時刻，UE動態(tài)的選

15、擇協(xié)作傳輸小區(qū)集合CTP，因此，在CoMP模式下，除了服務(wù)小區(qū)間切換，還需要為CCS以及CTP設(shè)計切換機制，即CCS以及CTP建立與更新過程。我們首先給出CCS的切換流程及必要的信息交互和信令傳輸，然后給出CTP的建立與更新過程。(3)CCS的切換流程我們稱UE切換后所連接的服務(wù)小區(qū)為目標(biāo)服務(wù)小區(qū)，切換前的CCS及其中的協(xié)作小區(qū)成為源CCS及源協(xié)作小區(qū)，切換后的CCS及協(xié)作小區(qū)稱為目標(biāo)CCS及目標(biāo)協(xié)作小區(qū)，在此基礎(chǔ)上給出CCS的切換流程如圖3所示。第1步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB通過下行控制信道向UE發(fā)送測量命令，要求UE對測量小區(qū)集合中的小區(qū)的信道信息進行測量，包括RSRP、傳播時延等，

16、為了保證CCS的建立速度，提高CCS切換的成功性，不要求UE測量如信道矩陣H，CSI(信道狀態(tài)信息)或信道質(zhì)量信息(CQI)等詳細的信道信息。要求UE測量傳播時延是為了保證CCS中各小區(qū)到UE的有較小的傳播時延差異，有利于聯(lián)合傳輸時UE端的信號同步。第2步。UE根據(jù)第一步中的測量命令對測量小區(qū)集合中的小區(qū)進行測量并向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)上報相應(yīng)測量結(jié)果。第3步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB根據(jù)UE上報的測量結(jié)果選定UE的候選目標(biāo)CCS。候選目標(biāo)CCS中的候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)需要滿足下面兩個條件：導(dǎo)頻信號強度滿足要求，可以按照RSRP大于某一特定門限或者MAX-N的方法選定N 個RSRP最大的小區(qū)組成候選目

17、標(biāo)CCS，其中具體的門限值以及N 的個數(shù)根據(jù)UE業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)負載情況進行半靜態(tài)配置； 各目標(biāo)協(xié)作小區(qū)(包括服務(wù)小區(qū)在內(nèi))到UE的傳播時延差異較小，也可以按照上述設(shè)定門限值或選取MIN-N 的方法來選取候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)。第4步。如果候選目標(biāo)小區(qū)與目標(biāo)服務(wù)小區(qū)屬于同一個eNodeB，則到第6步，否則啟動X2接口(X2接口為eNodeB間的通信接口)CCS建立進程，該進程包括：目標(biāo)服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB通過X2接口用戶平面向候選協(xié)作小區(qū)所屬eNodeB發(fā)送UE的數(shù)據(jù)信息。 目標(biāo)服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB通過X2接口控制平面向候選協(xié)作小區(qū)所屬eNodeB發(fā)送協(xié)作小區(qū)集合CCS建立請求信息，該請求包括

18、以下信息：目標(biāo)服務(wù)小區(qū)標(biāo)志；目標(biāo)候選協(xié)作小區(qū)標(biāo)志；UE業(yè)務(wù)承載信息，與UE業(yè)務(wù)承載相關(guān)的信息，及E-RAB信息，該信息與服務(wù)小區(qū)切換時由源服務(wù)小區(qū)向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)發(fā)送的E-RAB信息相同；資源信息請求(CRI_Request)，用于目標(biāo)服務(wù)小區(qū)請求候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)報告小區(qū)內(nèi)的資源使用信息，我們定義為CRI，該信息有利于根據(jù)各協(xié)作小區(qū)的資源使用情況更好地進行CoMP用戶的資源分配，該請求包括協(xié)作小區(qū)CRI的報告周期，在CCS未更新時，協(xié)作小區(qū)將以該周期報告CRI；CoMP模式，用于標(biāo)志請求的模式，包括JP/CS/CB等；UE信息，CoMP是基于用戶的，因此需要共享UE相關(guān)信息。第5步：收到CCS建

19、立請求信息的候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)所屬eNodeB通過X2接口控制平面向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB發(fā)送CCS建立響應(yīng)信息，該信息包括：消息傳遞源小區(qū)標(biāo)志。 消息傳遞目標(biāo)小區(qū)標(biāo)志。 資源信息請求(CRI)，候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)根據(jù)CCS建立請求中配置的CRI報告周期向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)周期性報告本小區(qū)資源使用情況，當(dāng)目標(biāo)服務(wù)小區(qū)未收到CRI更新時，將一直使用當(dāng)前CRI。 接受/拒絕，目標(biāo)小區(qū)可以根據(jù)本小區(qū)的情況決定接受/或拒絕CCS建立請求，即是否參與CoMP。第6步：將未收到Reject信息的候選目標(biāo)協(xié)作小區(qū)加入目標(biāo)協(xié)作小區(qū)集合CCS，CCS切換完畢。至此，CCS切換流程結(jié)束，同時啟動CTP建立/更新流程。

20、(4)CTP建立/更新流程CCS切換完畢后，需要進行CTP的建立/更新，CTP的建立/更新流程介紹如下：(a)CTP的建立第1步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)通過下行控制信道要求UE對CCS內(nèi)所有協(xié)作小區(qū)的信道狀態(tài)信息進行測量。第2步。UE向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)反饋CCS內(nèi)所有協(xié)作小區(qū)的信道狀態(tài)信息，為了減小反饋開銷，UE僅反饋長期的信道狀態(tài)信息。第3步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)根據(jù)UE反饋的測量以及CCS切換時各小區(qū)反饋的CRI信息(資源使用信息)選擇UE的候選CTP，候選CTP內(nèi)的小區(qū)需要同時滿足信道質(zhì)量的要求和小區(qū)負載的要求。第4步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)要求UE測量候選CTP內(nèi)小區(qū)的信道狀態(tài)信息。第5步。UE將測量的short-t

21、erm信道狀態(tài)信息以及信道狀態(tài)信息對應(yīng)的頻帶反饋給目標(biāo)服務(wù)小區(qū)。第6步：目標(biāo)服務(wù)小區(qū)根據(jù)UE反饋的測量結(jié)果對UE進行資源調(diào)度并確定聯(lián)合傳輸時使用的傳輸參數(shù)。第7步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)通過X2接口控制平面向CTP內(nèi)各小區(qū)發(fā)送CTP建立/更新信息，該信息包括：目標(biāo)服務(wù)小區(qū)標(biāo)志。 傳輸點標(biāo)志。 資源分配信息。分配給CoMP UE下行物理資源的相關(guān)信息，包括PRB的位置、數(shù)目等。 物理層傳輸參數(shù)。包括預(yù)編碼矩陣標(biāo)志/秩標(biāo)志(PMI/RI)、調(diào)制編碼方案、傳輸模式(單用戶多入多出系統(tǒng)、多用戶多入多出系統(tǒng)、開環(huán)/閉環(huán)、分集/復(fù)用等)、天線端口號、同步信息等。該傳輸參數(shù)要與資源分配信息相對應(yīng)。 UE信息。CoMP

22、是基于用戶的，因此需要共享UE相關(guān)信息。第8步。候選CTP內(nèi)小區(qū)向目標(biāo)服務(wù)小區(qū)返回CTP建立/更新信息響應(yīng)，該響應(yīng)包含響應(yīng)小區(qū)標(biāo)志以及接受/拒絕信息，小區(qū)可以根據(jù)自身情況選擇拒絕參與CoMP。第9步。目標(biāo)服務(wù)小區(qū)通過下行控制信道告知UE實際CTP，調(diào)度信息以及相應(yīng)傳輸參數(shù)并開始CoMP數(shù)據(jù)傳輸。(b)CTP的取消當(dāng)CTP需要進行更新時，需要進行CTP的取消，該進程由目標(biāo)服務(wù)小區(qū)發(fā)起，目標(biāo)服務(wù)小區(qū)向原CTP內(nèi)小區(qū)發(fā)送CTP取消信息，該消息包含聯(lián)合傳輸停止指示和資源釋放命令。至此CTP建立/更新流程完畢。4 結(jié)束語支持協(xié)作多點通信的切換策略，由于引入了“多點”，使得切換場景已經(jīng)不是傳統(tǒng)的一個小區(qū)切

23、換到另一個小區(qū)的單小區(qū)切換，而是由多個小區(qū)切換到多個小區(qū)的小區(qū)集合切換。因此，切換時小區(qū)之間、小區(qū)與用戶之間的信息交互與信令傳輸將更為復(fù)雜，設(shè)計有效的切換機制以減小協(xié)作多點通信場景下信息交互和信令傳輸開銷，提高切換效率與成功率，這是保證協(xié)作多點通信性能的關(guān)鍵。本文分析了協(xié)作多點通信系統(tǒng)架構(gòu)下的切換場景，并提出了一種支持協(xié)作多點通信的切換機制，指出了協(xié)作小區(qū)集合切換和協(xié)作傳輸點選擇/更新所需的交互信息，同時給出了信息的交互步驟以及支持切換的信令傳輸流程，可以減少開銷，提高協(xié)作多點通信系統(tǒng)切換的成功率。5 參考文獻1 3GPP TR 36.814 v1.0.1. Further Advanceme

24、nts for E-UTRA physical layer aspects (Release 9)S. 2009.2 COVER T M, GAMAL A E. Capacity theorems for the relay channelJ. IEEE Transactions on Information Theory 1979,25(5): 572-584.3 TELATAR E. Capacity of multi-antenna Gaussian channelsJ. European Transactions on Telecommunications, 1999,10(6): 5

25、85-595.4 FOSCHINI G J, GANS M. On limits of wireless communications in a fading environments when using multiple antennasJ. Wireless Personal Communications, 1998,6(3): 311-335.5 ZHOU S, ZHAO M, XU X, et al. Distributed wireless communication system: A new architecture for future public wireless access J. IEEE Communications Magazine, 2003, 41(3): 108-113.6 SUN Huan, WANG Xinyu, YOU Xiaohu. Close-formed boun