协作多点通信系统中的切换机制

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。

3 支持协作多点通信的切换机制

3.1 系统模型
    基于3GPP LTE-Advanced系统标准化进程最新的CoMP系统模型，本文将重点分析频分双工系统中下行CoMP JP场景下切换时的信息交互及信令传输流程，因为在CoMP JP场景下对现有切换机制中信息交互及信令传输流程的修改是最为显著的。

    (1)服务小区
    服务小区向UE发送PDCCH的小区，在通信过程中，同时只有一个小区为UE的服务小区。

    (2)测量小区集合
    UE进行周期性的信道状态信息测量的小区集合，该小区集合由UE服务小区所在演进的基站(eNodeB)半静态配置。

    (3)协作小区集合
    协作小区集合(CCS)直接或间接参与向UE发送PDSCH的小区集合。

    (4)协作传输点集合
    协作传输点集合(CTP)直接参与向UE发送PDSCH的小区集合。

    这里我们采用CoMP系统分析时常用的系统模型，CCS由测量小区集合中选出，CTP由CCS中选出，如图2所示。

3.2 反馈及资源管理策略假设
    本文假设CoMP UE仅向服务小区进行反馈报告。JP时，资源分配与调度，以及传输参数可以由服务小区所属eNodeB单独决定，也可以由各协作小区通过协商共同决定。由于UE仅接收服务小区的PDCCH，上述信息必然要汇总于服务小区，因此，为了减小X2接口上信息交互开销以及产生的时延，本文假设资源分配与调度，以及传输参数均由服务小区所属eNodeB决定，并将必要的信息通过X2接口传输给各协作小区。

3.3 支持协作多点通信的切换流程
    如前述所说，我们除去现有切换过程中完整复杂的信息交互及信令传输，概述性的介绍支持协作多点通信中的切换流程。

    (1)切换流程的触发
    在LTE-Advanced系统的标准化进程中规定PDCCH仅由服务小区发送给UE，而每一个UE相同时刻只属于一个服务小区，而PDCCH用来向UE发送各种控制信令，必须保证PDCCH的通信质量。因此，当服务小区的导频信号强度(RSRP)下降到一定门限值以下而相邻小区中某一基站的RSRP上升到一定门限值以上时，即触发切换流程，无论UE是否处于CoMP模式，这与现有的切换流程触发模式基本相同。

    (2)CoMP模式下的切换流程
    根据CoMP JP的定义，当UE处于CoMP模式是，该UE对应于一个小区集合即CCS，CCS中所有小区均拥有UE的数据信息，每个时刻，UE动态的选择协作传输小区集合CTP，因此，在CoMP模式下，除了服务小区间切换，还需要为CCS以及CTP设计切换机制，即CCS以及CTP建立与更新过程。

    我们首先给出CCS的切换流程及必要的信息交互和信令传输，然后给出CTP的建立与更新过程。

    (3)CCS的切换流程
    我们称UE切换后所连接的服务小区为目标服务小区，切换前的CCS及其中的协作小区成为源CCS及源协作小区，切换后的CCS及协作小区称为目标CCS及目标协作小区，在此基础上给出CCS的切换流程如图3所示。

    第1步。目标服务小区所属eNodeB通过下行控制信道向UE发送测量命令，要求UE对测量小区集合中的小区的信道信息进行测量，包括RSRP、传播时延等，为了保证CCS的建立速度，提高CCS切换的成功性，不要求UE测量如信道矩阵H，CSI(信道状态信息)或信道质量信息(CQI)等详细的信道信息。要求UE测量传播时延是为了保证CCS中各小区到UE的有较小的传播时延差异，有利于联合传输时UE端的信号同步。

    第2步。UE根据第一步中的测量命令对测量小区集合中的小区进行测量并向目标服务小区上报相应测量结果。

    第3步。目标服务小区所属eNodeB根据UE上报的测量结果选定UE的候选目标CCS。候选目标CCS中的候选目标协作小区需要满足下面两个条件：

• 导频信号强度满足要求，可以按照RSRP大于某一特定门限或者MAX-N的方法选定N 个RSRP最大的小区组成候选目标CCS，其中具体的门限值以及N 的个数根据UE业务需求和系统负载情况进行半静态配置；
• 各目标协作小区(包括服务小区在内)到UE的传播时延差异较小，也可以按照上述设定门限值或选取MIN-N 的方法来选取候选目标协作小区。

    第4步。如果候选目标小区与目标服务小区属于同一个eNodeB，则到第6步，否则启动X2接口(X2接口为eNodeB间的通信接口)CCS建立进程，该进程包括：

• 目标服务小区所属eNodeB通过X2接口用户平面向候选协作小区所属eNodeB发送UE的数据信息。
• 目标服务小区所属eNodeB通过X2接口控制平面向候选协作小区所属eNodeB发送协作小区集合CCS建立请求信息，该请求包括以下信息：目标服务小区标志；目标候选协作小区标志；UE业务承载信息，与UE业务承载相关的信息，及E-RAB信息，该信息与服务小区切换时由源服务小区向目标服务小区发送的E-RAB信息相同；资源信息请求(CRI_Request)，用于目标服务小区请求候选目标协作小区报告小区内的资源使用信息，我们定义为CRI，该信息有利于根据各协作小区的资源使用情况更好地进行CoMP用户的资源分配，该请求包括协作小区CRI的报告周期，在CCS未更新时，协作小区将以该周期报告CRI；CoMP模式，用于标志请求的模式，包括JP/CS/CB等；UE信息，CoMP是基于用户的，因此需要共享UE相关信息。

    第5步：收到CCS建立请求信息的候选目标协作小区所属eNodeB通过X2接口控制平面向目标服务小区所属eNodeB发送CCS建立响应信息，该信息包括：

• 消息传递源小区标志。
• 消息传递目标小区标志。
• 资源信息请求(CRI)，候选目标协作小区根据CCS建立请求中配置的CRI报告周期向目标服务小区周期性报告本小区资源使用情况，当目标服务小区未收到CRI更新时，将一直使用当前CRI。
• 接受/拒绝，目标小区可以根据本小区的情况决定接受/或拒绝CCS建立请求，即是否参与CoMP。

    第6步：将未收到Reject信息的候选目标协作小区加入目标协作小区集合CCS，CCS切换完毕。
至此，CCS切换流程结束，同时启动CTP建立/更新流程。

    (4)CTP建立/更新流程
    CCS切换完毕后，需要进行CTP的建立/更新，CTP的建立/更新流程介绍如下：

    (a)CTP的建立
    第1步。目标服务小区通过下行控制信道要求UE对CCS内所有协作小区的信道状态信息进行测量。

    第2步。UE向目标服务小区反馈CCS内所有协作小区的信道状态信息，为了减小反馈开销，UE仅反馈长期的信道状态信息。

    第3步。目标服务小区根据UE反馈的测量以及CCS切换时各小区反馈的CRI信息(资源使用信息)选择UE的候选CTP，候选CTP内的小区需要同时满足信道质量的要求和小区负载的要求。

    第4步。目标服务小区要求UE测量候选CTP内小区的信道状态信息。

    第5步。UE将测量的short-term信道状态信息以及信道状态信息对应的频带反馈给目标服务小区。

    第6步：目标服务小区根据UE反馈的测量结果对UE进行资源调度并确定联合传输时使用的传输参数。

    第7步。目标服务小区通过X2接口控制平面向CTP内各小区发送CTP建立/更新信息，该信息包括：

• 目标服务小区标志。
• 传输点标志。
• 资源分配信息。分配给CoMP UE下行物理资源的相关信息，包括PRB的位置、数目等。
• 物理层传输参数。包括预编码矩阵标志/秩标志(PMI/RI)、调制编码方案、传输模式(单用户多入多出系统、多用户多入多出系统、开环/闭环、分集/复用等)、天线端口号、同步信息等。该传输参数要与资源分配信息相对应。
• UE信息。CoMP是基于用户的，因此需要共享UE相关信息。

    第8步。候选CTP内小区向目标服务小区返回CTP建立/更新信息响应，该响应包含响应小区标志以及接受/拒绝信息，小区可以根据自身情况选择拒绝参与CoMP。

    第9步。目标服务小区通过下行控制信道告知UE实际CTP，调度信息以及相应传输参数并开始CoMP数据传输。

    (b)CTP的取消
    当CTP需要进行更新时，需要进行CTP的取消，该进程由目标服务小区发起，目标服务小区向原CTP内小区发送CTP取消信息，该消息包含联合传输停止指示和资源释放命令。

    至此CTP建立/更新流程完毕。

4 结束语
    支持协作多点通信的切换策略，由于引入了“多点”，使得切换场景已经不是传统的一个小区切换到另一个小区的单小区切换，而是由多个小区切换到多个小区的小区集合切换。因此，切换时小区之间、小区与用户之间的信息交互与信令传输将更为复杂，设计有效的切换机制以减小协作多点通信场景下信息交互和信令传输开销，提高切换效率与成功率，这是保证协作多点通信性能的关键。

    本文分析了协作多点通信系统架构下的切换场景，并提出了一种支持协作多点通信的切换机制，指出了协作小区集合切换和协作传输点选择/更新所需的交互信息，同时给出了信息的交互步骤以及支持切换的信令传输流程，可以减少开销，提高协作多点通信系统切换的成功率。

5 参考文献
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收稿日期：2009-11-06

[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。

[关键词] 协作多点；切换；信息交互；信令传输

[Abstract] 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.

[Keywords] ccoordinated multi-point transmission/reception; handover; information exchange; signaling transmissionwireless network; joint radio resource management