1 蜂窩結(jié)構(gòu)用于4G的缺陷
傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)主要由交換網(wǎng)路子系統(tǒng)(NSS)、無線基站子系統(tǒng)(BSS)和移動(dòng)臺(tái)(MS)三大部分組成。蜂窩系統(tǒng)使用小區(qū)分裂的方法來擴(kuò)容，即通過增加基站數(shù)量把現(xiàn)有小區(qū)劃分為若干更小的小區(qū)[1]。
由于頻帶資源有限，傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)采用頻率復(fù)用技術(shù)，從而產(chǎn)生小區(qū)間干擾；此外CDMA蜂窩系統(tǒng)由于地址碼間互相關(guān)性不理想，具有自干擾性。當(dāng)小區(qū)半徑縮小時(shí)，干擾將隨之增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)容量，同時(shí)基站密度也將急劇加大。若小區(qū)半徑減為原先的1/2，所需基站數(shù)將是原來的4倍，導(dǎo)致切換頻率大大增加，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本呈指數(shù)級上升。
目前3G系統(tǒng)仍然采用蜂窩結(jié)構(gòu)，能達(dá)到2 Mb/s的傳輸速率和較大系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋。4G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速率高達(dá)100 Mb/s以上，預(yù)計(jì)用戶數(shù)量也比3G系統(tǒng)高一個(gè)數(shù)量級。因此4G無線接入網(wǎng)若沿用傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，很難以合理的比特成本同時(shí)滿足高速/大容量與高覆蓋率的要求。所以，4G無線接入網(wǎng)必須對蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或采用新的結(jié)構(gòu)。

2 改進(jìn)的蜂窩結(jié)構(gòu)

2.1 光纖無線電技術(shù)
該技術(shù)將傳統(tǒng)基站集成的天線改為分布式結(jié)構(gòu)，天線與基站間使用光纖連接，因此天線可以隨意延伸到較遠(yuǎn)的地方以減少盲區(qū)。
由于處理/控制功能都在基站端實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程天線單元(RAU)只負(fù)責(zé)射頻信號的收發(fā)和光電轉(zhuǎn)換。遠(yuǎn)程天線單元(RAU)包括天線、雙工器、放大器和光/電轉(zhuǎn)換收發(fā)器。光纖鏈路直接傳送模擬射頻信號以降低RAU的復(fù)雜度。
光纖無線電技術(shù)(RoF)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于光纖是低損耗(1 550 nm時(shí)光損耗為0.2 dB/km)、高帶寬的傳輸媒介，基站、天線間使用光纖鏈路可提供高信號傳輸質(zhì)量，并在一根光纖上實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)，從而加強(qiáng)天線布置的延伸性和靈活性[2]。

(2)天線結(jié)構(gòu)從集中模式改為分布式，可有效均勻化下行發(fā)送功率并縮短移動(dòng)臺(tái)到天線間的距離，從而減小上行發(fā)送功率。這樣系統(tǒng)可以采用大量成本低、體積小、射頻功率低的遠(yuǎn)程天線單元提供大范圍的視線內(nèi)通信，加大覆蓋范圍，提高頻譜效率和系統(tǒng)容量。系統(tǒng)部署由此變得簡單而且容易進(jìn)行集中升級，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃周期縮短。如果天線單元采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，可進(jìn)一步加大系統(tǒng)容量和傳輸速率。
由于系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)沒有變化，且實(shí)現(xiàn)比較簡單，RoF技術(shù)目前在歐洲已被用于UMTS系統(tǒng)中。

2.2 分布式接收站
為了降低蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，減小移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率，一種分布式接收站概念被提出[3]。分布式接收站結(jié)構(gòu)中基站由多個(gè)接收站和一個(gè)發(fā)送站構(gòu)成。接收站處于發(fā)送站的視線內(nèi)，只負(fù)責(zé)接收上行信號并中繼到發(fā)送站，發(fā)送站發(fā)送下行信號并作為處理/控制端。這樣移動(dòng)臺(tái)與接收站間距離顯著縮短，移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率和硬件復(fù)雜度大大降低?？紤]到系統(tǒng)成本，接收站與發(fā)送站間將使用無線鏈路連接。采用分布式接收站結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)以較低成本實(shí)現(xiàn)了較大容量，且部署簡單靈活、易于實(shí)現(xiàn)。

2.3 多跳無線接入蜂窩
寬帶CDMA通過寬帶擴(kuò)頻與精確發(fā)送功率控制減輕瞬時(shí)衰落的影響。然而導(dǎo)致遠(yuǎn)近問題的傳播損耗不受接入技術(shù)的影響，而且基站和移動(dòng)臺(tái)發(fā)送功率的限制導(dǎo)致小區(qū)邊緣功率控制不夠理想，從而引起很多傳輸差錯(cuò)。為此，文獻(xiàn)[4]提出了多跳無線接入蜂窩(MRAC)概念。
在多跳無線接入蜂窩概念中，用戶與相應(yīng)基站間增加了作為無線中繼器和無線分組路由器的跳站(HS)，從而構(gòu)成了移動(dòng)臺(tái)—跳站—基站“雙跳”路徑。
跳站分為專用跳站和臨時(shí)跳站。專用跳站位于基站視線內(nèi)，專門用于中繼信號。臨時(shí)跳站可由任何處于優(yōu)良傳播條件下的移動(dòng)臺(tái)充當(dāng)。
移動(dòng)臺(tái)有“單跳”和“雙跳”路徑模型：

(1)當(dāng)傳播條件足以滿足通信需求(如速率、差錯(cuò)率等)時(shí)移動(dòng)臺(tái)直接訪問基站，稱為“單跳”路徑。

(2)當(dāng)傳播損耗較高，移動(dòng)臺(tái)選擇一個(gè)可用的跳站以低于“單跳”路徑的發(fā)送功率與跳站建立連接，跳站將信號中繼到基站，稱為“雙跳”路徑。
在“雙跳”路徑模型中，通過選擇通往基站的最佳路徑，移動(dòng)臺(tái)能在特定傳輸速率下減小發(fā)送功率，或能以特定發(fā)送功率實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率。利用“雙跳”路徑模型可減小移動(dòng)臺(tái)帶來的干擾，并通過中繼傳輸加大小區(qū)半徑或區(qū)域覆蓋能力。
在“雙跳”模型中，跳站需要一些額外無線資源進(jìn)行中繼傳輸，這會(huì)產(chǎn)生一定干擾。當(dāng)專用中繼器被部署在基站的視線內(nèi)，且專用跳站與基站使用定向天線時(shí)，跳站中繼引起的干擾很小，而如果用戶終端被用作跳站，跳站中繼引起的干擾將大于使用專用跳站時(shí)的干擾。然而，在人口密度很高的城區(qū)，可找到很多用戶終端充當(dāng)跳站，只要從中選擇傳播條件最佳的一個(gè)，就可以將干擾減為最小。
基站－專用跳站路徑的傳播損耗非常低，因此專用跳站能放置在任何地方。然而，因?yàn)樾^(qū)邊緣“單跳”路徑傳輸損耗非常大而且需要較高發(fā)送功率，所以當(dāng)專用跳站放置在小區(qū)邊緣時(shí)采用“雙跳”路徑傳輸具有明顯優(yōu)越性，因此，MRAC結(jié)構(gòu)中將中繼區(qū)域(“雙跳”區(qū)域)放在小區(qū)邊界處。為使用“雙跳”路徑減小移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送功率，臨時(shí)跳站(由另一個(gè)移動(dòng)臺(tái)充當(dāng))應(yīng)當(dāng)處于比該移動(dòng)臺(tái)更優(yōu)良的通信位置。
MRAC小區(qū)布局與蜂窩單元很相似。每個(gè)小區(qū)的中央部分是“單跳”占優(yōu)區(qū)域，小區(qū)邊緣部分是“雙跳”占優(yōu)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)存在很多跳站作為中繼站。“雙跳”區(qū)范圍(或“單跳”區(qū)半徑)的選擇根據(jù)“單跳”路徑和“雙跳”路徑的傳播損耗比值來確定。
當(dāng)移動(dòng)臺(tái)位于小區(qū)邊緣時(shí)，MRAC結(jié)構(gòu)可有效降低發(fā)送功率。由此，MRAC減小了蜂窩系統(tǒng)的干擾并增強(qiáng)了區(qū)域覆蓋性。這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)大小區(qū)半徑，部署較為靈活，相同系統(tǒng)容量下成本低于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)。

2.4 簇-蜂窩結(jié)構(gòu)
簇－蜂窩結(jié)構(gòu)是NTT DoCoMo公司提出的一種無線接入網(wǎng)（RAN）結(jié)構(gòu)，采用了簇內(nèi)多跳概念[5]。4G系統(tǒng)的RAN擬采用簇型結(jié)構(gòu)，分布式控制。圖1所示為簇－蜂窩無線接入網(wǎng)。圖中，環(huán)狀簇只是一個(gè)示例，其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能采用。這種結(jié)構(gòu)下，基站被聚合成一個(gè)簇并擁有一個(gè)連接到核心網(wǎng)的“簇頭”基站。簇內(nèi)的基站由一種局域網(wǎng)互相連接。無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)的功能被分配到每個(gè)基站，形成分布式基站控制。

(1)分布式基站控制
為減輕鏈路和信號處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)，大多數(shù)層1信號處理控制被分配到各個(gè)基站。
上行信號被多個(gè)基站(從基站)接收，然后被送至其中一個(gè)作為暫時(shí)代理處理上行信號的基站(主基站)處。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)，主基站的角色被傳遞到鄰近基站，從基站隨之變更。所以，與移動(dòng)臺(tái)通信的基站形成一種以主基站為代表的“虛擬基站”。如果接收到的層1信號僅在簇中傳遞，簇中的分集切換控制則被關(guān)閉。如果信號以IP包形式傳送且基站作為路由器工作，分集切換能獨(dú)立于簇而進(jìn)行。
下行分組信號從簇頭基站多發(fā)至簇中的其他基站。

(2)多跳無線連接
在3G RAN結(jié)構(gòu)中，每個(gè)基站都與無線網(wǎng)絡(luò)控制器直接相連，屬于“單跳”結(jié)構(gòu)。簇－蜂窩結(jié)構(gòu)采用基于簇型RAN結(jié)構(gòu)的多跳無線連接。這種結(jié)構(gòu)，不需要尋找直接連接基站與簇頭基站的視線內(nèi)無線路徑，形成了基站間的多跳連接，降低了系統(tǒng)的總發(fā)送功率。
簇－蜂窩結(jié)構(gòu)采用分布方式實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)控制，可以減少所需處理功率和控制信號。而且其構(gòu)造采用多跳無線連接，可以增大通路鏈路容量并降低系統(tǒng)成本。

3 非蜂窩結(jié)構(gòu)

3.1 Ad hoc技術(shù)
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)指的是由若干帶有無線收發(fā)信機(jī)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)無中心多跳的自組織對等式通信網(wǎng)絡(luò)，它采用分布式控制，網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有主機(jī)和路由器的功能。
在Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)中，采用了虛擬無線節(jié)點(diǎn)基站的概念。節(jié)點(diǎn)基站分為兩種，一種是核心節(jié)點(diǎn)基站，另一種是葉節(jié)點(diǎn)基站。核心節(jié)點(diǎn)基站與核心網(wǎng)相連，葉節(jié)點(diǎn)基站分布于無線接入網(wǎng)內(nèi)。葉節(jié)點(diǎn)基站通過與不同數(shù)量的核心節(jié)點(diǎn)基站連接來動(dòng)態(tài)保證用戶的接入帶寬[6]。
核心節(jié)點(diǎn)基站通過光纖與核心網(wǎng)連接，通過無線鏈路與葉節(jié)點(diǎn)基站連接。數(shù)據(jù)包在無線節(jié)點(diǎn)基站間的傳輸采用Ad hoc網(wǎng)的自組織多跳路由方式。為保證系統(tǒng)容量和熱點(diǎn)情況下的流量需求，節(jié)點(diǎn)基站采用了定向天線(多輸入多輸出結(jié)構(gòu))，能適應(yīng)動(dòng)態(tài)流量需求。
采用Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型可分為3層：終端分布層、節(jié)點(diǎn)分布層、網(wǎng)絡(luò)層。該結(jié)構(gòu)中，核心節(jié)點(diǎn)基站數(shù)量固定，而連接到核心節(jié)點(diǎn)基站的葉節(jié)點(diǎn)基站數(shù)量根據(jù)流量密度與熱點(diǎn)變化而相應(yīng)增減。根據(jù)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可任意增減節(jié)點(diǎn)的連接特性，葉節(jié)點(diǎn)基站被稱為虛擬節(jié)點(diǎn)基站。劃分核心與葉節(jié)點(diǎn)基站概念的做法可在熱點(diǎn)地區(qū)快速部署基站，自適應(yīng)地與原有網(wǎng)絡(luò)融合，可極大地減輕網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的負(fù)擔(dān)。
采用Ad hoc方式的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)繼承了Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點(diǎn)，可以不依賴預(yù)先存在的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，能快速展開，自適應(yīng)組網(wǎng)。各節(jié)點(diǎn)可在不進(jìn)行通知的情況下自由進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)和脫離網(wǎng)絡(luò)，能大大降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜度，因此部署簡單、迅速。此外該結(jié)構(gòu)能以較低的總發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)高速、大容量覆蓋。

3.2 分布無線通信系統(tǒng)
傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，而且由于無線鏈路速率相對有限，加上其接入網(wǎng)是樹型結(jié)構(gòu)，因而易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。針對這種局面，清華大學(xué)提出了分布無線通信系統(tǒng)(DWCS)概念[7]。在傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)中，小區(qū)縮小后移動(dòng)用戶切換頻率大大增加，給系統(tǒng)帶來沉重負(fù)擔(dān)，小區(qū)間干擾也急劇增大，導(dǎo)致系統(tǒng)容量無法有效提升。分布無線通信系統(tǒng)的基本原理是將蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平坦化，使分布無線通信系統(tǒng)的每個(gè)層面都是分布式的。

(1)分布式天線
DWCS結(jié)構(gòu)中使用高密度的分布式天線，天線與處理中心之間使用光纖連接，即用到RoF技術(shù)。系統(tǒng)在低移動(dòng)性場合使用最大比值傳輸(MRT)方案，而在高移動(dòng)性場合使用選擇性傳輸方案。

(2)分布式信號處理
分布式信號處理是DWCS最重要的部分。所有與無線接入有關(guān)的信號處理都包含在這一層面，包括調(diào)制/解調(diào)、信道編/解碼、聯(lián)合檢測、信道測量、媒體訪問控制、鏈路層控制(LLC)、無線鏈路控制(RLC)、無線網(wǎng)絡(luò)控制等。
信號處理由整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的眾多超高速處理器并行執(zhí)行，而且處理任務(wù)可在網(wǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)安排并分發(fā)給各個(gè)處理器。這種結(jié)構(gòu)是一種軟件無線電或叫網(wǎng)絡(luò)無線電，基于由高速網(wǎng)絡(luò)連接的可調(diào)配處理器陣列。因此，系統(tǒng)能方便地支持多重協(xié)議并能自由升級與擴(kuò)容。

(3)分布式高層控制
分布式高層控制可以由信號處理層一并實(shí)現(xiàn)。該層執(zhí)行所有的高層協(xié)議控制，包括信令、交換、移動(dòng)管理(接入核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān))。

(4)虛擬小區(qū)
DWCS中不再有傳統(tǒng)的小區(qū)概念存在，一般以虛擬小區(qū)概念取而代之。傳統(tǒng)小區(qū)以基站為中心，虛擬小區(qū)以移動(dòng)終端為中心。
虛擬小區(qū)是一組與移動(dòng)終端建立連接的天線。每個(gè)移動(dòng)終端都有自己的虛擬小區(qū)，而且隨著終端移動(dòng)或環(huán)境變化而改變。
虛擬小區(qū)只在信號處理時(shí)有用，不是一個(gè)真正的小區(qū)。處理層為每個(gè)移動(dòng)終端動(dòng)態(tài)地選擇虛擬小區(qū)，并進(jìn)行控制與優(yōu)化。

(5)虛擬基站
在分布無線通信系統(tǒng)中，信號處理功能被置于分布式處理網(wǎng)絡(luò)中。所以，為特定區(qū)域用戶處理信號的功能不再屬于某個(gè)處理器，而是形成虛擬基站(VBS)。VBS為用戶接觸到的天線組提供信號處理服務(wù)。
由于采用超高速分布式并行處理網(wǎng)絡(luò)，分布無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可伸縮，易于升級。與傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)相比，分布式無線通信系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于：無須頻繁切換，網(wǎng)絡(luò)健壯性強(qiáng)，易于支持多標(biāo)準(zhǔn)。

4 各種新結(jié)構(gòu)方案分析
本文提到的幾種方案都對傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)，按結(jié)構(gòu)變化程度可分為3種：

(1)蜂窩內(nèi)改進(jìn)
蜂窩內(nèi)改進(jìn)方案將蜂窩系統(tǒng)中的基站改為分布式天線結(jié)構(gòu)，以減小用戶終端發(fā)送功率并降低實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的比特成本。RoF技術(shù)、分布式接收站、多跳無線接入蜂窩這3種方案屬于小區(qū)內(nèi)改進(jìn)。這種改進(jìn)都用到同一個(gè)概念：小區(qū)內(nèi)“雙跳”；即移動(dòng)臺(tái)不在基站視線內(nèi)時(shí)，通過一個(gè)跳站(如遠(yuǎn)程天線單元、接收站)與基站建立連接。

(2)整體改進(jìn)
在整體改進(jìn)方案中，系統(tǒng)層次模型有所變化，例如將RNC功能分布到由局域網(wǎng)互連的基站中，相當(dāng)于傳統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)減少了一層。同時(shí)小區(qū)內(nèi)部可使用分布式基站的方式進(jìn)一步改進(jìn)。簇－蜂窩結(jié)構(gòu)屬于整體改進(jìn)。整體改進(jìn)用到了多跳無線連接概念，采用局部基站間的多跳方式。理論上其系統(tǒng)比特成本低于蜂窩內(nèi)改進(jìn)方案。

(3)采用非蜂窩結(jié)構(gòu)
在非蜂窩結(jié)構(gòu)方案中，無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)完全重新設(shè)計(jì)，摒棄了傳統(tǒng)的微小區(qū)結(jié)構(gòu)。Ad hoc結(jié)構(gòu)和分布無線通信系統(tǒng)采用了分布式處理思路，把系統(tǒng)分層模型徹底平坦化，以軟件無線電技術(shù)為核心。分布式結(jié)構(gòu)采用了全網(wǎng)多跳方式，即用戶終端與全I(xiàn)P核心網(wǎng)間的通信都是IP包的多跳傳輸過程。將來這種方案的系統(tǒng)比特成本有望大大低于蜂窩結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語
4G系統(tǒng)要求無線接入網(wǎng)成本低廉、部署靈活、易于支持多標(biāo)準(zhǔn)，并滿足高速率大容量的需求。傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)干擾受限的特性和集中、樹形的層次結(jié)構(gòu)很難滿足這些要求。因此，目前各國都在研究4G無線接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方案。
從特性對比看出，采用分布式處理/控制和多跳技術(shù)的無線接入網(wǎng)比傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)更符合4G系統(tǒng)的要求。雖然目前仍有許多難題有待解決，但是可以預(yù)計(jì)，隨著軟件無線電、MIMO和正交頻分復(fù)用等4G關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，采用分布式結(jié)構(gòu)和多跳技術(shù)將是4G無線接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

6 參考文獻(xiàn)
[1] 祁玉生,邵世祥. 現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)[M]. 北京:人民郵電出版社,1999.
[2] Hamed Ai-Raweshidy, Shozo Komaki. Radio over Fiber Technologies for Mobile Communications[M]. Boston: Artech House,2002.
[3] Fumiyuki Adachi. Wireless Past and Future—Evolving Mobile Communications Systems[J]. IEICE TRANS. Fundamentals, 2001, E84-A(1).
[4] Yamao Y, Otsu T, Fujiwara A. Multihop Radio Access Cellular Concept for Fourth-Generation Mobile Communications System[C]. 13th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2002,(1):59—63.
[5] Otsu T, Umeda N, Yamao Y. System Architecture for Mobile Communications Systems Beyond IMT-2000[C]. IEEE Global Telecommunications Conference, 2001,(1):25—29.
[6] Mihovska A, Wijting C, Prasad R. A Novel Flexible Technology for Intelligent Base Station Architecture Support for 4G Systems[J]. Wireless Personal Multimedia Communications, 2002,(2):27—30.
[7] Zhou Shidong, Zhao Ming, Xu Xibin. Distributed Wireless Communication System: A New Architecture for Future Public Wireless Access[J]. Communications Magazine, IEEE, 2003,41(3):108—113.