协作多点通信系统中的切换机制

摘要:协作多点技术能有效改善小区边缘用户性能，提高系统吞吐量。协作多点技术需要设计全新的切换机制，否则将会限制其实际性能。文章基于协作多点通信系统架构下的切换场景提出了一种支持协作多点通信的切换机制，包括协作小区集合切换和协作传输点选择/更新的信息交互以及信令传输流程。该切换机制可有效支持协作多点通信，同时降低信息交互及信令开销。

关键字:协作多点；切换；信息交互；信令传输

英文摘要:Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology has drawn an 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 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/update. The proposed scheme could support CoMP well, but reduce the overhead of information exchanging and signaling transmission.

英文关键字:ccoordinated multi-point transmission/reception; handover; information exchange; signaling transmissionwireless network; joint radio resource management

基金项目：国家自然科学基金课题(60872048)；科技部中瑞合作项目(2008DFA12110)

1 协作多点通信技术

近年来，随着移动通信技术的发展，系统对无线通信业务的支持能力有了明显的提高。然而，用户对高速率、高质量的多媒体业务也有了更高的需求。因此，在下一代移动通信技术的研究中，对频谱效率、传输速率、系统吞吐量和小区边缘性能等方面也提出了更高的要求。协作多点技术因其能有效改善小区边缘用户性能，提高系统吞吐量，在近年来引起了业界的广泛关注和研究，并成为3GPP LTE-Advanced标准化工作的重要研究项目[1]。

协作多点技术，即指多个地理位置相互独立分散的传输点通过不同的协作方式(如联合传输、联合处理、协作调度等)为多个用户服务。其中，多个传输点可以是具有完整资源管理模块、基带处理模块和射频单元的基站，或者是地理位置互异的多个射频单元及天线(如分布式天线)，或者是中继节点。

1.1 协作多点通信技术的发展

协作多点通信技术起源于两个重要的通信理论，即中继信道容量分析和多天线分集理论。中继信道模型[2]是协作多点通信技术的最本质模型，可从信息论角度对3个以上节点组成的通信网络的容量进行中继信道容量分析。根据不同的条件，中继信道可变化为广播信道和多址接入信道。多天线分集理论[3-4]，也称为多输入多输出(MIMO)技术，是指发送端(接收端)配备多根天线或天线阵列，利用多天线间形成的多个空间子信道的分集增益提高发送端与接收端之间的信道容量。利用空间分集提高收发两端间的信道容量是协作多点通信技术产生的根本动因，同时多天线分集理论的研究发展使得在实际通信系统中使用协作多点通信技术成为可能。

在CDMA移动通信系统软切换中使用的宏分集技术可以说是在实际通信系统中最早运用协作多点通信技术的实例。与硬切换不同的是，在软切换中，用户从一个基站切换到另一个基站的过程中有一段时间是与源基站和目标通信基站同时通信的，从而增加用户切换成功的概率。

分布式天线系统[5]的研究也为如今的协作多点通信技术奠定了一定的研究基础。在分布式天线系统的基础上提出的广义分布式天线系统[6]则第一次将多点协作的概念引入了分布式天线系统。而群小区理论[7-10](如图1所示)的提出，第一次引入了蜂窝小区间协作通信概念，是现代协作多点通信技术的雏形，标志了面向整个蜂窝移动通信系统的协作多点通信技术的问世。

近年来，随着正交频分复用(OFDM)及MIMO技术被确定为下一代移动通信系统的关键技术，基于OFDM-MIMO系统的协作通信的研究引起了广泛关注，诸如虚拟MIMO、网络MIMO、协作MIMO等新概念新技术不断涌现，它们都属于现代协作多点通信技术的范畴。

在3GPP标准化研究中，现代协作多点通信技术被命名为多用户协作多点传输(CoMP)技术，成为LTE-Advanced系统中的重要研究项目之一。

1.2 CoMP关键技术

CoMP技术主要分为两大类：联合处理(JP)及协作调度/波束赋形(CS/CB)。联合处理利用不同小区基站天线到用户的空间分集来提高小区边缘用户性能，进一步分为联合传输和动态小区选择两类。其中，联合传输是指多个小区用相同的时频资源向用户发送承载用户数据信息的物理下行共享信道(PDSCH)；动态小区选择指同一时刻由用户设备(UE)动态选择某一小区向其发送PDSCH。协作调度/波束赋形则是利用不同小区之间的信息交互，通过对资源(时间、频率、空间等)的调度，包括波束赋形向量的调度来减少小区间干扰(ICI)，从而改善小区边缘性能，提高系统吞吐量。

CoMP技术需要多种物理层传输技术的支持，如适应多小区联合传输的MIMO技术、预编码技术、网络编码技术、高效的信道估计和联合检测技术等。同时，先进有效的无线资源管理方案也是影响CoMP技术性能的重要因素，如小区资源分配策略、负载均衡、联合传输中协作小区的选择机制以及有效的切换策略等。其中切换性能是衡量移动通信系统性能的重要指标，有效的切换策略是实现用户无处不在的网络的关键。在引入协作多点通信技术后，系统中的切换场景将发生变换，现有系统中的切换策略将无法满足新场景中的切换需要，因此设计有效的切换策略成为CoMP技术中亟待解决的问题。

2 协作多点通信中的切换场景分析

在现有蜂窝移动通信系统的切换场景中，通常由用户触发切换流程，用户在与当前连接的基站进行通信的同时，周期性的测量当前连接基站以及相邻小区基站的导频信号强度，当用户测量发现当前连接基站的导频信号强度下降到一定门限值以下，同时相邻小区中某一小区基站的导频信号强度上升到一定门限值以上并持续一定时间后，即触发切换流程。切换过程中需要经过用户、源基站和目标基站间复杂的信息交互和信令传输。在3G增强系统3GPP LTE系统中由于取消了无线网络控制(RNC)节点，所以没有采用软切换技术，所有切换过程均为硬切换，即用户先与源基站断开连接，然后与目标基站建立连接。

当引入协作多点通信后，用户的切换场景将发生改变。首先，用户在可能发生切换的区域通常也是小区边缘区域，即用户与当前连接基站间的通信质量较差时。而在引入协作多点通信后，此时的用户很可能正在采用协作多点通信模式，因此需要设计新的切换策略来同时支持协作多点通信模式下的用户切换和传统通信模式下的切换。其次，假如用户在协作多点通信模式下发生切换，则不再是从一个小区切换到另一个切换的小区间切换，而将可能是从一个小区集合切换到另一个小区集合，如CoMP联合处理JP中的联合传输，此时需要新的切换机制来协调多个小区之间的信息交互和信令传输。

在当前的LTE-Advanced移动通信系统标准化进程中，后向兼容性是非常重要的准则，同时也说明新的切换机制需要同时支持协作多点通信模式下的切换和传统通信模式下的切换，新的切换机制需要在现有的切换机制上进行改进。因此，本文以下部分将注重描述本文提出的切换机制在现有LTE系统切换机制基础上的修改部分，不再复述与现有切换机制相同的部分。同时，本文将侧重于对切换机制的改进，即切换过程中多小区之间，多小区与用户之间的信息交互与信令传输流程，即在现有切换机制中小区与用户间的信息交互及信令传输的基础上，给出支持协作多点通信所需要增加的信息交互，同时提出相应的交互及信令传输流程。

作者：许晓东　陈鑫　李静雅   来源：中兴通讯技术——2010年 第1期　总第89期