1 蜂窩結構用于4G的缺陷
傳統蜂窩通信系統主要由交換網路子系統(NSS)、無線基站子系統(BSS)和移動臺(MS)三大部分組成。蜂窩系統使用小區分裂的方法來擴容，即通過增加基站數量把現有小區劃分為若干更小的小區[1]。
由于頻帶資源有限，傳統蜂窩系統采用頻率復用技術，從而產生小區間干擾；此外CDMA蜂窩系統由于地址碼間互相關性不理想，具有自干擾性。當小區半徑縮小時，干擾將隨之增強，嚴重制約了系統容量，同時基站密度也將急劇加大。若小區半徑減為原先的1/2，所需基站數將是原來的4倍，導致切換頻率大大增加，系統復雜度和成本呈指數級上升。
目前3G系統仍然采用蜂窩結構，能達到2 Mb/s的傳輸速率和較大系統容量，實現無縫覆蓋。4G系統的設計速率高達100 Mb/s以上，預計用戶數量也比3G系統高一個數量級。因此4G無線接入網若沿用傳統蜂窩結構，很難以合理的比特成本同時滿足高速/大容量與高覆蓋率的要求。所以，4G無線接入網必須對蜂窩結構進行改進或采用新的結構。

2 改進的蜂窩結構

2.1 光纖無線電技術
該技術將傳統基站集成的天線改為分布式結構，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的地方以減少盲區。
由于處理/控制功能都在基站端實現，遠程天線單元(RAU)只負責射頻信號的收發和光電轉換。遠程天線單元(RAU)包括天線、雙工器、放大器和光/電轉換收發器。光纖鏈路直接傳送模擬射頻信號以降低RAU的復雜度。
光纖無線電技術(RoF)技術具有如下優點：

(1)由于光纖是低損耗(1 550 nm時光損耗為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量，并在一根光纖上實現多個服務，從而加強天線布置的延伸性和靈活性[2]。

(2)天線結構從集中模式改為分布式，可有效均勻化下行發送功率并縮短移動臺到天線間的距離，從而減小上行發送功率。這樣系統可以采用大量成本低、體積小、射頻功率低的遠程天線單元提供大范圍的視線內通信，加大覆蓋范圍，提高頻譜效率和系統容量。系統部署由此變得簡單而且容易進行集中升級，使網絡規劃周期縮短。如果天線單元采用多輸入多輸出(MIMO)技術，可進一步加大系統容量和傳輸速率。
由于系統層次結構沒有變化，且實現比較簡單，RoF技術目前在歐洲已被用于UMTS系統中。

2.2 分布式接收站
為了降低蜂窩系統的小區間干擾，減小移動臺發射功率，一種分布式接收站概念被提出[3]。分布式接收站結構中基站由多個接收站和一個發送站構成。接收站處于發送站的視線內，只負責接收上行信號并中繼到發送站，發送站發送下行信號并作為處理/控制端。這樣移動臺與接收站間距離顯著縮短，移動臺的發射功率和硬件復雜度大大降低。考慮到系統成本，接收站與發送站間將使用無線鏈路連接。采用分布式接收站結構的系統以較低成本實現了較大容量，且部署簡單靈活、易于實現。

2.3 多跳無線接入蜂窩
寬帶CDMA通過寬帶擴頻與精確發送功率控制減輕瞬時衰落的影響。然而導致遠近問題的傳播損耗不受接入技術的影響，而且基站和移動臺發送功率的限制導致小區邊緣功率控制不夠理想，從而引起很多傳輸差錯。為此，文獻[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)，從而構成了移動臺—跳站—基站“雙跳”路徑。
跳站分為專用跳站和臨時跳站。專用跳站位于基站視線內，專門用于中繼信號。臨時跳站可由任何處于優良傳播條件下的移動臺充當。
移動臺有“單跳”和“雙跳”路徑模型：

(1)當傳播條件足以滿足通信需求(如速率、差錯率等)時移動臺直接訪問基站，稱為“單跳”路徑。

(2)當傳播損耗較高，移動臺選擇一個可用的跳站以低于“單跳”路徑的發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，移動臺能在特定傳輸速率下減小發送功率，或能以特定發送功率實現更高傳輸速率。利用“雙跳”路徑模型可減小移動臺帶來的干擾，并通過中繼傳輸加大小區半徑或區域覆蓋能力。
在“雙跳”模型中，跳站需要一些額外無線資源進行中繼傳輸，這會產生一定干擾。當專用中繼器被部署在基站的視線內，且專用跳站與基站使用定向天線時，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的干擾。然而，在人口密度很高的城區，可找到很多用戶終端充當跳站，只要從中選擇傳播條件最佳的一個，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，因為小區邊緣“單跳”路徑傳輸損耗非常大而且需要較高發送功率，所以當專用跳站放置在小區邊緣時采用“雙跳”路徑傳輸具有明顯優越性，因此，MRAC結構中將中繼區域(“雙跳”區域)放在小區邊界處。為使用“雙跳”路徑減小移動臺的發送功率，臨時跳站(由另一個移動臺充當)應當處于比該移動臺更優良的通信位置。
MRAC小區布局與蜂窩單元很相似。每個小區的中央部分是“單跳”占優區域，小區邊緣部分是“雙跳”占優區域，此區域內存在很多跳站作為中繼站。“雙跳”區范圍(或“單跳”區半徑)的選擇根據“單跳”路徑和“雙跳”路徑的傳播損耗比值來確定。
當移動臺位于小區邊緣時，MRAC結構可有效降低發送功率。由此，MRAC減小了蜂窩系統的干擾并增強了區域覆蓋性。這種結構可擴大小區半徑，部署較為靈活，相同系統容量下成本低于傳統蜂窩結構。

2.4 簇-蜂窩結構
簇－蜂窩結構是NTT DoCoMo公司提出的一種無線接入網（RAN）結構，采用了簇內多跳概念[5]。4G系統的RAN擬采用簇型結構，分布式控制。圖1所示為簇－蜂窩無線接入網。圖中，環狀簇只是一個示例，其他的拓撲結構也能采用。這種結構下，基站被聚合成一個簇并擁有一個連接到核心網的“簇頭”基站。簇內的基站由一種局域網互相連接。無線網絡控制器(RNC)的功能被分配到每個基站，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備的負擔，大多數層1信號處理控制被分配到各個基站。
上行信號被多個基站(從基站)接收，然后被送至其中一個作為暫時代理處理上行信號的基站(主基站)處。當移動臺移動，主基站的角色被傳遞到鄰近基站，從基站隨之變更。所以，與移動臺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，分集切換能獨立于簇而進行。
下行分組信號從簇頭基站多發至簇中的其他基站。

(2)多跳無線連接
在3G RAN結構中，每個基站都與無線網絡控制器直接相連，屬于“單跳”結構。簇－蜂窩結構采用基于簇型RAN結構的多跳無線連接。這種結構，不需要尋找直接連接基站與簇頭基站的視線內無線路徑，形成了基站間的多跳連接，降低了系統的總發送功率。
簇－蜂窩結構采用分布方式實現無線接入網控制，可以減少所需處理功率和控制信號。而且其構造采用多跳無線連接，可以增大通路鏈路容量并降低系統成本。

3 非蜂窩結構

3.1 Ad hoc技術
Ad hoc網絡指的是由若干帶有無線收發信機的節點構成的一個無中心多跳的自組織對等式通信網絡，它采用分布式控制，網中的節點同時具有主機和路由器的功能。
在Ad hoc方式的無線接入網中，采用了虛擬無線節點基站的概念。節點基站分為兩種，一種是核心節點基站，另一種是葉節點基站。核心節點基站與核心網相連，葉節點基站分布于無線接入網內。葉節點基站通過與不同數量的核心節點基站連接來動態保證用戶的接入帶寬[6]。
核心節點基站通過光纖與核心網連接，通過無線鏈路與葉節點基站連接。數據包在無線節點基站間的傳輸采用Ad hoc網的自組織多跳路由方式。為保證系統容量和熱點情況下的流量需求，節點基站采用了定向天線(多輸入多輸出結構)，能適應動態流量需求。
采用Ad hoc方式的無線接入網結構模型可分為3層：終端分布層、節點分布層、網絡層。該結構中，核心節點基站數量固定，而連接到核心節點基站的葉節點基站數量根據流量密度與熱點變化而相應增減。根據Ad hoc網絡可任意增減節點的連接特性，葉節點基站被稱為虛擬節點基站。劃分核心與葉節點基站概念的做法可在熱點地區快速部署基站，自適應地與原有網絡融合，可極大地減輕網絡規劃的負擔。
采用Ad hoc方式的無線接入網結構繼承了Ad hoc無線網絡的基本優點，可以不依賴預先存在的網絡基礎設施，能快速展開，自適應組網。各節點可在不進行通知的情況下自由進入網絡和脫離網絡，能大大降低網絡規劃的復雜度，因此部署簡單、迅速。此外該結構能以較低的總發射功率實現高速、大容量覆蓋。

3.2 分布無線通信系統
傳統蜂窩系統是干擾受限系統，而且由于無線鏈路速率相對有限，加上其接入網是樹型結構，因而易導致網絡擁塞。針對這種局面，清華大學提出了分布無線通信系統(DWCS)概念[7]。在傳統蜂窩結構中，小區縮小后移動用戶切換頻率大大增加，給系統帶來沉重負擔，小區間干擾也急劇增大，導致系統容量無法有效提升。分布無線通信系統的基本原理是將蜂窩系統結構平坦化，使分布無線通信系統的每個層面都是分布式的。

(1)分布式天線
DWCS結構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。系統在低移動性場合使用最大比值傳輸(MRT)方案，而在高移動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的信號處理都包含在這一層面，包括調制/解調、信道編/解碼、聯合檢測、信道測量、媒體訪問控制、鏈路層控制(LLC)、無線鏈路控制(RLC)、無線網絡控制等。
信號處理由整個服務區內的眾多超高速處理器并行執行，而且處理任務可在網內動態安排并分發給各個處理器。這種結構是一種軟件無線電或叫網絡無線電，基于由高速網絡連接的可調配處理器陣列。因此，系統能方便地支持多重協議并能自由升級與擴容。

(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現。該層執行所有的高層協議控制，包括信令、交換、移動管理(接入核心網的網關)。

(4)虛擬小區
DWCS中不再有傳統的小區概念存在，一般以虛擬小區概念取而代之。傳統小區以基站為中心，虛擬小區以移動終端為中心。
虛擬小區是一組與移動終端建立連接的天線。每個移動終端都有自己的虛擬小區，而且隨著終端移動或環境變化而改變。
虛擬小區只在信號處理時有用，不是一個真正的小區。處理層為每個移動終端動態地選擇虛擬小區，并進行控制與優化。

(5)虛擬基站
在分布無線通信系統中，信號處理功能被置于分布式處理網絡中。所以，為特定區域用戶處理信號的功能不再屬于某個處理器，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。
由于采用超高速分布式并行處理網絡，分布無線通信系統結構靈活，可伸縮，易于升級。與傳統蜂窩接入網相比，分布式無線通信系統的最大優勢在于：無須頻繁切換，網絡健壯性強，易于支持多標準。

4 各種新結構方案分析
本文提到的幾種方案都對傳統蜂窩接入網結構作了改進或重新設計，按結構變化程度可分為3種：

(1)蜂窩內改進
蜂窩內改進方案將蜂窩系統中的基站改為分布式天線結構，以減小用戶終端發送功率并降低實現系統容量的比特成本。RoF技術、分布式接收站、多跳無線接入蜂窩這3種方案屬于小區內改進。這種改進都用到同一個概念：小區內“雙跳”；即移動臺不在基站視線內時，通過一個跳站(如遠程天線單元、接收站)與基站建立連接。

(2)整體改進
在整體改進方案中，系統層次模型有所變化，例如將RNC功能分布到由局域網互連的基站中，相當于傳統樹型結構減少了一層。同時小區內部可使用分布式基站的方式進一步改進。簇－蜂窩結構屬于整體改進。整體改進用到了多跳無線連接概念，采用局部基站間的多跳方式。理論上其系統比特成本低于蜂窩內改進方案。

(3)采用非蜂窩結構
在非蜂窩結構方案中，無線接入網結構完全重新設計，摒棄了傳統的微小區結構。Ad hoc結構和分布無線通信系統采用了分布式處理思路，把系統分層模型徹底平坦化，以軟件無線電技術為核心。分布式結構采用了全網多跳方式，即用戶終端與全IP核心網間的通信都是IP包的多跳傳輸過程。將來這種方案的系統比特成本有望大大低于蜂窩結構。

5 結束語
4G系統要求無線接入網成本低廉、部署靈活、易于支持多標準，并滿足高速率大容量的需求。傳統蜂窩系統干擾受限的特性和集中、樹形的層次結構很難滿足這些要求。因此，目前各國都在研究4G無線接入網的結構方案。
從特性對比看出，采用分布式處理/控制和多跳技術的無線接入網比傳統蜂窩接入網更符合4G系統的要求。雖然目前仍有許多難題有待解決，但是可以預計，隨著軟件無線電、MIMO和正交頻分復用等4G關鍵技術的發展，采用分布式結構和多跳技術將是4G無線接入網的發展趨勢。

6 參考文獻
[1] 祁玉生,邵世祥. 現代移動通信系統[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.