（信号与信息处理专业论文）分布式动态虚拟小区系统网络结构及若干关键问题研究.pdf

中文摘要 人类的探索是无止境的。虽然人们寄予厚望的3 g 系统尚未进入人规模商j | j 阶段，但3 g 系统内在的缺点促使人们开始新一轮的探索，展开对后3 g 移动通信系统的研究。 本文提出并研究的分布式虚拟小区( d v c ) 系统是一种全新的移动通信系统，它正是 针对原有移动通信系统空间资源利用1 ；足等缺点而提的。它引入了可充分利用空间资源的 分布式虚拟小区，系统结构更加简洁。与现有系统相比，不但用户发射功率降低，崩户容量 增加，并且在新型系统结构中对用户信号的处理将更加集中，有蠡于降低信号处理时延，利 于未来新型协议和信号处理技术的应用，同时，它充分考虑到了未来全i p 网络的发展趋势， 在结构e 有着良好的兼容性。 首先，论文针对小区构成、接入网结构和核心网二个方面，总结了原有移动系统对应各 方面的发展历程与特点，有针对性的提出和分析了新型系统在这三个方面的组成，并对新型 系统中儿个重要过程提出了可实现的流程。 其次，在提出的结构体系基础上，我们对新型系统的几个关键问题进行了研究，包括用 户发射功率、前反向用户容量，并对相关性阴影效应下选择分集性能进行了分析。由于新 型系统中虚拟小区的自由可移动性，用户可灵活选择增益最大天线组成虚拟小区，这就给系 统带来诸多优势。论文中首次采用理论和仿真两种方法，分析了c a 、c a m 、d a 、d v c 四 种系统中用户发射功率，结果证明d v c 系统中用户发生功率平均值降低，发射范围最小。 对反向用户容量的分析中，我们从干扰分析入手，独立推导出近似用户容量的表达式，理论 计算与仿真结果共同证明了d v c 系统在反向容量方面的优越性。在对前向容量的分析中， 分别分析了选择发送和n p p 发送方式下的不同系统容量。对选择发送下容量的分析证明了 功控可显著提高容量，而对n p p 发送方式下d a 、d v c 系统用户容量的分析同样证明了d v c 系统的优越性。在d v c 系统中，由于分布式天线的间距趋近，阴影效应之间有相关趋势， 针对与此，我们推导得到相关阴影效应下瞬时接收功率的p d f 与c d f ，在此基础上分析了 相关系数、分集范围等因素对系统性能的影响，结果发现相关系数、分集范围等对收端性能 的影响不容忽视。 最后，我们对分布式虚拟小区系统中若干可进一步研究的课题进行了小结，并对后3 g 系统i j 能涉及的技术作了总结。 关键技术：虚拟小区，分布式天线，用户辑量，用户发射功率，宏分集，小区结构，后3 g a b s t r a c t h u m a n se x p l o r i n gi s e n d l e s s a l t h o u g h3 gs y s t e m sh a v e n tg o t t e ni n t ol a r g e s c a l e u s i n g ，t h es h o r t c o m i n go f3 gs y s t e mu r g e sp e o p l et os t u d yo nt h eb e y o n d3 gm o b i l e s y s t e m t h ed i s t r i b u t e dv i r t u a ls y s t e m p r o p o s e da n ds t u d i e di nt h i st h e s i s i san o v e lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e mt oc o n q u e r t h ei n t r i n s i cf a u l ti nt h ec u r r e n ts y s t e m s u c ha s l a c ko f s p a c er e s o u r c ea n ds oo n i ti n t r o d u c e st h ed i s t r i b u t e dv i r t u a lc e l lw h oc a r l m a k ef u l lu s co f s p a c er e s o u r c ea n di t ss y s t e r ns t r u c t u r ei sc o m p a c t c o m p a r e dw i t h t h ec u r r e n ts y s t e m ，t h en e ws y s t e mc a nr e d u c et h eu s e r st r a n s m i tp o w e r , e n h a n c et h e u s e rc a p a c i t ya n dc c n t r a l i z et h eu s e r ss i g n a lp r o c e s s i n g ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt o s h o r t e ns i g n a lp r o c e s s i n gt i m ea n dm a k eu s e ro fn e w p r o t o c o l sa n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e s w h a t sm o r e i tc a l lw o r k w i t ho t h e rs y s t e m sf o ra b u n d a n tc o n s i d e r i n gt h e t r e n do f a l li pn e t w o r kj nt h ef u t u r e f i r s to f a l l ，w ec o n c l u d et h ec u r r e n ts y s t e m sd e v e l o p i n gp r o c e s sa n d c h a r a c t e r si nc e l l a c c e s sn e t w o r ka n dc o mn e t w o r ks t r u c t u r ea n d b r i n g f o r w a r dn e w s y s t e m s f r a m e w o r k a l s o ，s e v e r a li m p o r t a n tp r o c e s s e sa r ed e s c r i b e da n dt h e i rf l o wc h a r t sa r c p r o v i d e d t h e n ，b a s e do nt h es t r u c t u r ep r o p o s e d ，w es t u d i e ds e v e r a lk e yp r o b l e m s ，i n c l u d i n g u s e rt r a n s m i tp o w e r ，f o r w a r d b a c k w a r d1 i n k u s e r c a p a c i t y a n d p e r f o r m a n c e o f s e l e c t i v em a c r o d i v e r s i t yw i t hc o r r e l a t e ds h a d o w i n g b e c a u s ev i r t u a le e l lc a l l f r e e l y m o v e u s e r sc a nf l e x i b l ys e l e c ta n t e n n a sw i t hh i g h e rg a i nt oc o m p o s e t h ev i r t u a lc e l l ， w h i c hc a nb r i n gt h eb e n e f i to ns y s t e m sp e r f o r m a n c e f o ru s e r st r a n s m i tp o w e r , w e f i r s t l ya n a l y z et r a n s m i tp o w e ro f u s e r si nt h ed v c s y s t e r na n dc o m p a r et h er e s u l t s w i t hc a ，c a ma n dd a s y s t e m s ，a d o p t i n gt h em a t h e m a t i c a la n ds i m u l a t i o nt o o l s r e s u l t ss h o wt h a tu s e r si nt h ed v c s y s t e mt r a n s m i t1 e s sa n d s m a l lr a n g ep o w e rt h a n t h eo t h e r s a sf o rt h eu s e rc a p a c i t y , w eb e g i nw i t ht h ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i sa n dw o r k o u ta p p r o x i m a t ef o r m u l a s a l s oac o n c l u s i o ni sm a d et h a td v cs y s t e m sc a p a c i t yi s h i 2 h e rt h a no t h e rs y s t e m s i nt h ed v cs y s t e m ，a n t e n n a sa r ec l o s e rt h a no t h e r sa n d t h es h a d o w i n gt r e n d st o g e tc o r r e l a t e d w ew o r ko u tf o r m u l a s f o ri n s t a n tr e c e i v e p o w e r sp d fa n dc d fw i t hc o r r e l a t e ds h a d o w i n g b a s e d o nt h e s ef o r m u l a s ，w e a n a l y z es e v e r a lp a r a m e t e r s e f f e c to ns y s t e mp e r f o r i n a n c e ，s u c h a st h ec o r r e l a t e d c o e m c i e n t m a c r o d i v e r s i t yr a n g ea n d s oo n ，o u t c o m e ss h o wu st h e s ep a r a m e t e r sh a v e i m p o r t a n te f f e c to ns y s t e m sc a p a b i l i t y f i n a l l y , w ep u tf o r w a r ds e v e r a ls u b j e c t sa b o u t d v c s y s t e mt ob es t u d i e df u r t h e ra n d p r o s p e c tk e yt e c h n i q u e s t ob eu s e di nb e y o n d3 gs y s t e m sp o s s i b l y k e yw o r d s ：v i r t u a lc e l l ，d i s t r i b u t e d a n t e n n a ，u s e rc a p a c i t y , u s e rt r a n s m i tp o w e r m o c r o d i v e r s i t y , c e l ls t r u c t u r e ，b e y o n d 3 g 第章绪论 第一章绪论 1 。1 移动通信发展状况 移动通信是当今通信业内研究最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是2 1 世纪对人类生活和社会发展将有重大影响的科学技术领域之一 1 ，2 。 自1 9 8 1 年第一代以f d m a 技术为基础的模拟移动通信系统( a m p 8 、t a c s 、n m t 等) 使用以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了所有乐观人士原有的 预测。在短短几年时间里，模拟蜂窝系统就面临着阻塞概率高、呼叫中断率增高、 蜂窝系统干扰增大、迫切需要增容等压力。但由于模拟蜂窝系统本身的缺陷( 如： 频谱效率低、保密性差等) ，系统的设计容量远不能满足需求。此后，1 9 9 2 年以 t d m a 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统( 6 s m 、d a m p 、j d c 等) 相继投 入使用。t d m a 蜂窝系统较f d m a 蜂窝系统有诸多优势：频谱效率提高，系统容量 增大，保密性能良好，标准化程度提高等。但在美国，已批准的t d m a 标准并没 有完全达到美国c t i a ( 蜂窝通信工业协会) 对下一代数字蜂窝技术所期望的目 标，尤其在容量上，t d m a 系统离设想要求相差甚远。 在这种情况下，以美国q u a l c o m m 公司为首的倡导者，提出了在蜂窝移动通 信系统中采用c o m a 技术的系统实现方案。他们进行了理论分析和不断的现场实 验，证明c d m a 具有许多t d m a 技术所没有的独特属性，认为c d m a 是移动通信环 境下获得大容量和高质量的一种灵活有效的技术，它既能解决近期模拟系统容量 不足的问题，也是个人通信的长远发展趋势之一。1 9 9 3 年q u a l c o m m 公司提出的 c d m a 技术正式成为技术标准( i s 一9 5 ) ，以i s 一9 5 为标准的c d m a 商用系统已分别 在美国、香港和韩国等国家或地区投入使用，并取得了良好的用户反映。 从历史的角度来看，第一、第二代蜂窝移动通信系统是针对传统的话音和低 速率数据业务的系统，而未来“信息社会”中，图像、话音、数据相结合的多媒 体业务和高速率数据业务将成为必不可少的服务内容，它们的业务量有可能远远 超过传统话音业务的业务量。所以，目前的第一、第二代蜂窝移动通信系统不仅 远远不能满足未来用户对数据业务的需求，而且随着用户数量迅猛增加，现有系 统也将远远不能满足用户容量的发展需求。另外，随着信息高速公路的建成，公 筇一章绪论 共陆地网传输的许多业务，也将与移动通信系统接口。在此背景下，第三代移动 通信系统的研究和发展应运而生。第三代移动通信系统具有更大的系统容量和更 灵活的高速率、多速率数据传输能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达 2 m b i t s 的高质量活动图像，以实现“任何人( w h o e v e r ) 、在任何地点( w h e r e v e r ) 、 任何时间( w h e n e v e r ) 、与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a r e v e r ) 的通 信”目标。 然而，“五个w ”只是一种理想的通信境界。在第三代移动通信的发展过程中， 受到了技术、人为等多方面因素的制约，并没有达到预期目标。延续于第二代移 动通信体制的竞争格局，虽然经过不同体制间的不断妥协与发展，分别以欧美为 主体的3 g p p 和3 g p p 2 两大组织仍各自坚持自有标准，推出w c d m a ( t d s c d m a ) 和c d m a 2 0 0 0 两大通信系统。这两种通信系统的多址方式都采用了c d m a ，然而， 无论是物理层的信号处理、还是更高层的协议信令与数据处理，两种系统存在明 显差异，不同系统间无法实现无缝漫游，依然是“各自为政”。同时，我们看到， 3 g 的峰值速率只有2 m b p s ，演进的3 g 系统也只能保证峰值速率在l o 8 m b p s ，并 且不能保证系统中每个用户都能得到这种服务。这种速率，对于未来的移动计算、 多媒体等业务而言，数据率仍太低，和光纤传输相比更相差很远。自然，人们把 目光透过向了后3 6 ( 4 g ) 。 1 2 后3 g 研究现状 人类的追求是无止境的。虽然3 g 仍未大规模商用，但众多的国际研究机构 与标准化组织已悄然开始了后3 g ( 或称之为超3 g 、4 g ) 的研究工作。 对于后3 g 系统，由于处于研究的初始阶段，普遍达到的共识仅为系统初步 组成与功能 4 1 4 】： 一后3 g 系统应当是一个集成系统( 见图1 1 ) ，其核心网为统一的i p v 6 网， 而接入网按照通信距离、使用的技术不同，可分为四个层次：( 1 ) 分发层( 广播 层) ：用于几十公里或更远距离的通信，如卫星通信；( 2 ) 蜂窝环境下的无线通 信，通信距离在千米数量级，如增强型的3 g 接入系统和4 g 接入系统；( 3 ) 热 点或室内环境下的无线接入，通信距离在百米数量级，如w l a n 系统；( 4 ) 短 距离的p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 环境下的无线通信，通信距离在5 0 米左右， 第章绪论 如蓝牙系统。后3 g 系统可以完成不同接入系统问的移动性管理、签权、计费等， 因此，用户可根据使用环境的不同而灵活选择最优的无线业务，并自动在各种系 统中切换，同时，这种选择( 切换) 是系统自动为用户完成的，用户不必亲自操 作( 见图1 2 ) 。 后3 g 系统应该为用户提供速率更快、质量更高的数据传输能力。对于广 域覆盖，数据速率要达到l o o m b i t s ，对局部覆盖，速率要达到i g b i t s 。同时， 要保证用户不同移动性要求、不同地区的连续覆盖、满足非对称的上下行速率、 对不同业务采用要求更高的分层的q o s 控制等要求( 见图1 2 ) 。 后3 g 系统的容量更高，尤其对于数据通信。3 g 中w c d m a + h s d p a 最高可 达到0 5 - 1 o b i t s h z ，而4 g 中单小区情况下最高要达到5 - l o b i t s h z ，多小区 情况下要远大于1b i t s h z ( n o k i a ) 。 一后3 g 系统使用的频段会更高，系统带宽会更宽，将达到5 0 m h z ( e r r is 0 0 ) 。 后3 g 系统应当是一个开放平台，a s p 和内容提供商可以独立于终端平台、 网络结构等因素，自由地为用户提供更加丰富多彩的服务。当然，这必须建立在 位置、计费、保密等信息在不同机制网络之间安全有效管理的基础上。 图1 1 后3 g 网络的集成结构 第章绪论 图1 2 后3 g 系统中不同接入层 图1 3 后3 g 系统数据传输发展趋势 f u l lc o v e r g e g l o b a la c c e s s f u l lm o b i l i t y ) n o tn e c e s s a r i l y i n d i v i d u a f u l lc o v e r g ea n d h o ts p o t s 。g l o b a lr o a m i n g 。l u l lm o b i l i t y - i n d i v i d u a l l i n k s s h o nr a n g ec o m m u n i c a t i o n 。g l o b a lr o a m i n g i n d i v i d u a l l i n k s n o tm o b i l i t y g l o b a lr o a m i n g j n d i v i d u a l l i n k s 显 | 第一章绪论 对于后3 g 系统可能采用的技术，核心网采用1 p v 6 网已得到大家广泛认可， 但在空中接口技术选择e ，尚未有定论，但也存在若干公认的热点技术，有可能 在未来的后3 g 系统中大有所为。后3 g 系统中采用的与可能采用的技术包括： 一i p v 6 技术，包括增强坤路由器处理能力，使其能够处理上十亿级的用户 设备，增强对口移动性的管理等； 空间域相关技术，包括m i m o 、波束成形、接收发射分集等 一码字的研究，包括空时码、其与m i m o 的结合等： 多维自适应技术，包括时间、频率、空间； 采用更灵活的空中接口框架以更合理的利用空间、时问、码字、频率等 无线资源； 自组织无线网络。 对后3 g 系统的研究正方兴未艾，后3 g 系统必将是对无线通信系统的一个 更激进的变革，以实现人类无限自由通信的理想目标。 1 3 动态虚拟小区网络的提出 正如我们在移动通信发展史中看到的，已有系统的缺陷与不足必然引发人们 对新型移动通信系统的研究。 在3 g 通信系统中，依然延续了2 g 中蜂窝小区的体系结构。蜂窝小区体系 结构的提出，本身是人们对空间资源利用的一次革命。在当时的条件下，人们认 识到频谱资源的不足，由b e l l 实验室创新性地提出了蜂窝小区结构，利用空间 上的隔离度来解决同频干扰问题。对空间资源的进一步开发利用，伴随着移动通 信的发展延续至今，智能天线、空时码等技术就是其中的几例。同时我们在1 2 节“后3 g 的研究现状”中看到，后3 g 系统中可能采用的技术中有四项与空间 资源的利用有关。相对于频率、时间与码字资源的一维性，三维的空间资源是极 其丰富的，它的开发利用可以说是趋于无限的。 然而，现有的蜂窝小区结构，在实现了它应有的价值之后，在当今突飞猛进 的用户容量需求面前，却扮演了制约无线系统容量进一步提高的角色。一般来讲， 蜂窝小区是以中心天线为中心、具有相对固定通信范围的一定地理区域，山位于 中心的天线( 天线阵列) 完成与用户之间的收发信号，而与之通信的用户，则需 第一章绪论 要位于这个特定的地理区域之内，这就引起了儿个问题： ( 1 ) 如果某小区的用户非常密集，基站的处理能力不够，现有的作法一般 是分裂小区，使小区成为微小区或微微小区。小区数量增加使基站也需要相应的 增加，造成系统成本的提高；而反之，如果此小区的用户数量特别稀少，则浪费 了基站的处理资源。用户分布的不确定性与小区结构的固定性成为一对矛盾。 ( 2 ) 当用户位于小区边缘时，离中心位置的天线距离较远，用户与基站天 线的发射功率都较大。系统无论采用什么样的多址方式，在现有技术中，只有本 小区的干扰采用多用户检测能够加以利用，而外小区干扰却完全认为是有害的。 可见，这种干扰越小，对系统性能的提高越有利。 ( 3 ) 空问资源是三维立体的，而蜂窝小区中天线集中于中心位置，可以想 象，这种结构并不能充分利用丰富的空间资源。研究也表明，分布式天线不但对 阴影效应有良好的抵消作用，同时也可以消除部分快衰落，这就是合理利用空间 资源的一个有力例证。 导致上述问题的症结就在于蜂窝小区结构的固定性。针对上述问题，我们提 出了分布式动态虚拟小区( d d v c ：d i s t r i b u t e dd y n a m i cv i r t u a lc e l l ) 系统。这 个系统是北京邮电大学信息工程学院与清华大学微波与数字通信国家重点实验 室联合申请国家自然基金项目“基于分布式天线的无线通信体系理论及关键技 术”( 序列号：9 0 2 0 4 0 0 1 ) 的过程中，首次提出的新型系统。这个系统打破了 固有的蜂窝小区结构，在天线层、接入网络层、核心网层中都引入了“分布式” 概念，而“动态虚拟小区( d d v c ：d i s t r i b u t e dv i r t u a lc e l l ) ”是这个系统的核心， u e端1 2 1p s c c 图1 4d d v c 系统示意图 弟一覃绪论 整个系统都围绕动态虚拟小区为其服务( 见图1 4 ) 。 首先，d d v c 系统的主要特点在于“分布式”，它有四层含义：构成天线系 统的是分布式天线，我们称之为端口；动态虚拟小区( d v c ：d i s t r i b u t e dv i r t u a l c e l l ) 分布于整个无线通信区域，其位置是分布式的：接入网中端口服务器( p s ： p o r ts e r v e r ) 对信号的处理是分布式的；核心网是分布式网络( i p 网) 。其次，“动 态虚拟小区”是d d v c 系统的核心，整个系统的功能实体都是为其服务的。d v c 既不同于我们熟悉的蜂窝小区，也不同于原有的静态虚拟小区：它以用户而非基 站天线为中心，是由与用户之间无线链路传播条件最好的若干天线组成。其位置 随用户移动而自由移动，面积随无线传播环境等因素变化而变化，不会受基站处 理范围的影响而发生虚拟小区的切换，虚拟小区可以平滑地在整个通信区间自由 移动，所以称之为全“动态虚拟小区”。与之相对应，d d v c 系统中，分布式天 线只完成上下变频、功放等简单功能，不必进行复杂的信号处理，它只在控制 中心( c c ：c o n t r o lc e n t r e ) 的控制下与p s 进行信号交互，所以可以有效控制成 本，密集安装p s 以良好覆盖。p s 对来自不同端口的信号进行处理，由于端口与 p s 之间不再是一一对应关系，每个端口的信号可能在几个p s 中进行处理，但在 c c 控制下系统要选择最好的处理结果。c c 是接入网中的控制中心，它负责接 入、切换、上下行虚拟小区的选择等过程。对于d d v c 核心网的构成，在经过 分析比较后，决定采用与3 g p p 2 核心网类似的结构，这在第二章的相关章节中 有详细分析。 d d v c 系统是我们总结现有系统优缺点、把握未来通信系统发展趋势的前提 下提出来的，可以预见，与传统蜂窝结构系统相比，可明显提高系统性能。 1 4 论文主要内容及结构 本文提出并研究的d d v c 系统具有独特的天线、接入网结构，它全面引入了 “分布式”概念，紧紧围绕“动态虚拟小区”以期更好地利用丰富的空间资源， 提高无线系统容量。论文首先详细叙述了d d v c 系统各部分的组成，其次，在 用户发射功率、反向前向容量、相关阴影效应下宏分集性能等问题上进行了理 论分析与仿真，具体结构如下： 第二章为分布式动态虚拟小区系统，主要从小区结构、接入网结构和核心f c i 9 第一章绪论 结构三个方面，通过分析现有系统的特点和发展趋势，对分布式动态虚拟小区系 统中对应的各方面结构提出自己的设想，同时提出了d d v c 系统中的接入、切 换等重要过程的实现流程，并对由现有系统向d d v c 系统演逃的可能路线进行 了分析。 第三章为反向链路用户发射功率分析。由于动态虚拟小区的独特结构，用户 发射功率明显减少。本章首次推导出中心天线系统( c a ：c e n t r a l a n t e n n a s y s t e m ) 、 微蜂窝中心天线系统( c a m ：c e n t r a la n t e n n as y s t e mo f m i c r o e e u ) 、分布式天线 系统( d a ：d i s t r i b u t e da n t e m l as y s t e m ) 、d d v c 四种系统在不考虑阴影效应、 考虑阴影效应下的用户发射功率计算公式，在进行理论分析的基础上进行了仿真 验证，比较结果证明了计算公式的准确性，同时得到d d v c 系统是最节省用户 发射功率的系统的结论。 第四章为反向链路用户容量分析。首次提出同天线干扰、异天线干扰的分析 方法，在接收端一定接收算法的基础上，独立推导出有、无阴影效应时c a 、c a m 、 d a 、d d v c 四种系统的反向用户容量近似计算公式，并与仿真结果进行了比较。 结果表明d d v c 系统为反向用户容量最大的系统。 第五章为前向链路用户容量分析。由于前向链路中用户接收的局限性，最实 用的发送方式为选择性发送，因此我们首先分析了选择发送条件下、有无功控 的前向用户容量，但此时d a 、d d v c 系统已经退化为c a 系统；其次我们分析 了另一种较为实用有效的n p p ( n e i g h b o r i n g - c e l l p i l o tp o w e r ) 功控方式下d a 、 d d v c 系统的前向链路用户容量。提出了天线服务范围概念，并由此计算了无阴 影效应时d a 、d d v c 前向用户容量，结合仿真计算了有阴影效应时的前向用户 容量。 第六章为相关阴影效应下选择性宏分集性能分析，我们主要分析了选择性接 收条件下的系统性能。在假定阴影效应相关系数相同条件下，推导出接收端瞬间 接收功率的p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 与c d f ( c u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ) 表达式，分析了相关系数p 、分集范围三等参数对接收端性能的影响。 第七章为总结与展望，总结了整篇论文的工作，并对未来通信系统、特别是 d d v c 系统中进一步的研究方向进行了阐述。 参考文献 1 李建东，杨家玮，个人通信，人民邮电出版社，北京，1 9 9 8 5 【2 杨大成等，( ( c d m a 2 0 0 0i x 移动通信系统，机械工业出版社，北京，2 0 0 3 1 。 3 代琳，分布式无线通信系统的容量和关键技术的研究，清华大学工学博土 学位论文，2 0 0 21 0 。 4 b s k i ma n dk jh a n ， m u l t i c a s th a n d o f f a g e n ts c h e m ef o rm i c r o m o b i l i t yi n 。a i m pw i r e l e s sn e t w o r k ，”e i e c t r o n i c s l e t t e r s6 ”j u n e2 0 0 2 ，v 0 1 3 8 ，n o 1 2 ， p p 5 9 6 5 9 7 ，j u n e2 0 0 2 5 su s k e l a ，”a l l i pa r c h i t e c t u r e sf o rc e l l u a rn e t w o r k s ，”s e c o n di n t e r n a t i n a l c o n f e r e n c eo n3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s , c o n f e r e n c ep u b l i c a t i o n n o 4 7 7 ，p p 1 8 0 1 8 5 ，2 6 2 8m a r c h 2 0 0 1 6 f a b i om c h i u s s i ，da k h o t i m s k y , a n ds k r i s h n a n ，“m o b i l i t ym a n a g e m e n ti n t h i r d g e n a r a t i o na l l i pn e t w o r k s ，”i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g e z i n e v 0 1 4 0 ， i s s u e9 ，p p 1 2 4 1 3 5 ，s e p t e m b e r2 0 0 2 f 7 1y i b i n gl i n ，a i c h u n ，y r h a u n ga n di c h l a m t a c , a n a l l i pa p p r o a c hf o r u m t st h i r d g e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k s ”i e e en e t w o r k , v 0 1 1 6 ，i s s u e 5 ， p p 8 19 ，s e p t e m b e r o c t o b e r 2 0 0 2 8 1l m o r a n da n ds t e s s i e r , ”g l o b a lm o b i l i t ya p p r o a c hw i t hm o b i l e i pi n “a l li p ” n e t w o r k s ”i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m m u n i c a t i o n s ，i c c 2 0 0 2 , v 0 1 4 ， p p 2 0 7 5 1 0 7 9 ，a p r i l 一2m a y 2 0 0 2 9 1p e t e rj m c c m ma n d t o mh i l l e r , “a ni n t e m e ti n f r a s t r u c t u r ef o rc e l l u l a rc d m a n e t w o r ku s i n gm o b i l ei p , ”1 e e ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 7 ，i s s u e 4 ， p p 2 6 3 2 ，a u g u e s t 2 0 0 0 1 0 1k pw o r r a l l ，“t h ei m p a c to f i p v 6o nw i r e l e s sn e t w o r k ”，s e c o n d i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c 8 o i l3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e d , 2 0 0 1 ，c o n f e r e n c e p u b l i c a t i o nn o 4 7 7 ，p p 3 2 3 3 2 9 ，2 6 2 8m a r c h 2 0 0 1 ， 1 1 1t b z a h a r i a d i s ，k gv a x e v a n a k i se t c ，”g l o b a lr o a m i n gi nn e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k s ”i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e , w 0 1 4 0 ，i s s u e 2 ，p p 1 4 5 1 5 1 ， f e b r u a r y2 0 0 2 【1 2 l d e l l u o m o a n d e m a n a g e m e n t a n da a a s c a r r o n e ， ”a na l l i ps o l u t i o n f o r q o sm o b i l i t y i nt h e4 g 9 m o b i l en e t w o r k ，”t h e5 抽i n t e r n a t i o n a l 笫一章绪论 s y m p o s i u m o nw i r e l e s sp e r s o n a lm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 2 , v 0 1 2 p p 5 91 - 5 9 5 ，2 7 3 0o c t o b e r 2 0 0 2 1 3 q i a n g g a oa n da a e a m p o r a ，“p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n so f a d m i s s i o nc o n t r o l s t r a t e g i e s f o rf u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s ，”i e e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d n e t w o r k i n gc o n f e r e n c e ，w c n c 2 0 0 2 ，v 0 1 1 ，p p 3 1 7 - 3 2 1 ，1 7 _ 2 1m a r c h 2 0 0 2 1 4 1 糜正琨、王文鼎，软交换技术与协议，中国通信学会主编，人民邮电出 版社，北京，2 0 0 2 7 。 1 0 第：章分布式动态虚拟小i 基系统 2 1 引言 第二章分布式动态虚拟小区系统 d d v c 系统的主要特点在于“分布式”，它有四层含义：构成天线系统的是 分布式天线，这罩我们称之为端口；d v c 分布于整个无线通信区域，它们的位 置是分布式的：接入网中p s 对信号处理是分布式的：核心网是分布式网络( i p 网) 。其次，“动态虚拟小区”是d d v c 系统的核心，整个系统的功能实体都是 为其服务的。d v c 既不同于我们熟悉的蜂窝小区，也不同于原有的静态虚拟小 区：它以用户而非基站天线为中心，是由与用户之间无线链路传播条件最好的若 干天线组成。其位置随用户移动而自由移动，面积随无线传播环境等因素变化而 变化，不会受基站处理范围的影响而发生虚拟小区的切换，虚拟小区可以平滑地 在整个通信区间自由移动，所以称之为全“动态虚拟小区”。只有独特的接入】_ i 【司 结构才能保证独特小区的构成，因此，本章分别从小区结构、接入网结构和核心 网结构三个方面，通过分析现有系统特点和发展趋势，对分布式动态虚拟小区系 统进行分析，并提出对其接入网、核心网结构实现的构想。 本章安排如下：第二节从小区结构入手，总结了移动通信发展过程中小区结 构的发展历程，分析了从宏蜂窝到d v c 的各自特点，可看到d v c 的提出是小 区结构发展的必然结果；第三节，分析了现有系统接入网的特点，为适应d v c 自由移动，提出了d d v c 系统中结构独特的接入网；第四节分析了3 g 系统中的 核心网组成，由于不同体制的核心网结构基本相同，具有很好的兼容性，d d v c 系统可利用现有的核心网结构以节省成本。 2 2 小区结构 个人通信的一个主要特征是大规模覆盖，这意味着系统的大容量以及随处接 入性。为了提高系统容量，一个思路是从技术体制上想办法，另一个思路是改变 小区结构1 1 。 对小区结构的研究，是随着用户对无线系统容量要求的增长而发展的。从最 第章分布式动态虚拟小区系统 初的宏小区到微小区、微微小区，从平面结构到分层结构( 曲：体结构) ，小区结 构经历了从大到小，从层次单一到复杂的历程。小区结构的变化正是无线系统为 了适应用户数量增加、通信质量要求提高、业务种类丰富的体现。d v c 结构是 一种创新性小区结构，同时也是从传统小区结构演化而来。我们首先对传统小区 结构的发展加以分析总结，最后提出了d d v c 系统中的虚拟小区结构，并从小 区结构发展的角度对其进行总结。 2 2 1 传统小区结构 传统的小区结构，从小区大小来讲，经历了宏小区、微小区、微微小区等发 展过程；从小区间的关系来讲，经历了平面结构到分层( 立体) 结构的变化。小 区面积越来越小，主要是为了提高频谱利用率，增加用户容量；小区的结构趋于 复杂，则是为了适应不同的用户特性。 从小区而积来讲，我们日常生活中经常接触的小区有三种：宏小区、微小区 和微微小区。宏小区的基站天线的高度在5 0m 以上，覆盖的小区半径至少在l k m 以上，用来覆盖高移动性用户或郊区、农村。而在微蜂窝中，采用低成本的 结构紧凑的基站，基站可以安装在高度1 0 m 左右的电灯杆或公用的电线杆上， 微小区半径在1 5 0r n 左右，甚至更小，用来覆盖高密度低移动性的室内工作环 境。微微蜂窝的半径在5 0m 左右，安装在电梯间，楼板，用来覆盖很高密度低 移动性的室内工作环境。此外，文献【2 对小区进行了更加细致的划分。即：微 微小区( 几m ) 、毫小区( 小于1 0m ) 、节小区( 1 0 2 0 0m ) 、微小区( 步 行为1 0 4 0 0 m ，车辆为3 0 0 m 2k m ) 、小小区( 5 0 0m 3k m ) 、宏小 区( 小于5k m ) 、大小区( 5 到大于3 5k m ) 、兆小区( 2 0 1 0 0 k m ) 和卫 星小区( 大于5 0 0k m ) 。我们对这种细致的划分不再赘述。 小区面积趋于缩小，系统容量提高，但用户切换更加频繁，造成控制负荷加 重，因此，为了适应不同环境，提出了分层小区结构。 从使用用途来讲，分层结构中的微小区一般用在 3 】： ( 1 ) 繁华市区的微小区簇：在繁华市区，除了为步行用户服务之外，还要为 高速移动用户服务。 ( 2 ) 在热点地区设置单个、几个微小区，如某一地区有较高的业务需求，或 第二章分布式动态虚拟小区系统 者某一区域覆盖较薄弱需要单个微小区提供服务。 ( 3 ) 建筑内部的立体微小区：在写字楼和商场内，存在大量的步行用户，这 些用户业务需求大而移动速度很慢。立体微小区存在于楼层之间。 从不同层次间的地理位冠关系来分，宏小区与微小区要么平行覆盖( 阁2 1 1 ， 要么微小区内嵌在宏小区的内部