邱仁建, 王曉湘, 唐明威, 張鴻濤

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京100083)

1 引言

組播廣播業(yè)務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service,MBMS)在Release 7～9中針對(duì)業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。是指一個(gè)數(shù)據(jù)源向多個(gè)用戶發(fā)送的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù),如移動(dòng)電視、無線廣播等,能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜資源的共享和靈活的無線資源調(diào)度,是下一代通信系統(tǒng)的重要業(yè)務(wù)。目前對(duì)于MBMS的研究都集中在單小區(qū)MBMS,單小區(qū)MBMS中小區(qū)邊緣用戶的信干噪比太差,通過多個(gè)小區(qū)基站同時(shí)發(fā)送信號(hào)可以解決這個(gè)問題,由此引出單頻網(wǎng)的概念。在單頻網(wǎng)中,處于不同地點(diǎn)的多個(gè)基站以相同的時(shí)頻資源發(fā)送同一業(yè)務(wù),單頻網(wǎng)內(nèi)的用戶通過有效合并來自多個(gè)基站的信號(hào)來提高信干噪比[1]。常規(guī)的循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)只需覆蓋單個(gè)小區(qū)的多徑時(shí)延擴(kuò)展即可,而在單頻網(wǎng)中,CP必須覆蓋多個(gè)小區(qū)信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展,因此需要更長(zhǎng)的CP來保證可靠接收。LTE設(shè)計(jì)了較長(zhǎng)的CP,從而保證用戶的可靠接收[1]。

目前關(guān)于單頻網(wǎng)的研究有很多。文獻(xiàn)[2-3]介紹的單頻網(wǎng)區(qū)域的配置情況,重點(diǎn)討論單頻網(wǎng)重疊區(qū)域和非重疊區(qū)域的資源分配問題。文獻(xiàn)[4-6]研究單頻網(wǎng)的資源分配算法,通過合理的資源分配算法,實(shí)現(xiàn)頻譜資源的重復(fù)利用。文獻(xiàn)[7-8]研究了協(xié)作通信技術(shù)在單頻網(wǎng)中的應(yīng)用。

這些研究都是基于單頻網(wǎng)區(qū)域已經(jīng)確定的前提下,在實(shí)際過程中,區(qū)域會(huì)隨著用戶的增加而變大。當(dāng)增大到一定范圍時(shí),部分基站間的傳輸時(shí)延可能會(huì)超過CP長(zhǎng)度,產(chǎn)生符號(hào)間干擾,當(dāng)單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾超過一定程度時(shí),單頻網(wǎng)的性能會(huì)顯著下降。

為了解決這個(gè)問題,提出基于最大傳輸時(shí)延差或者有效基站比例的單頻網(wǎng)拆分算法,將區(qū)域過大的單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子網(wǎng),減少單頻網(wǎng)內(nèi)的符號(hào)間干擾。以增加單頻網(wǎng)的數(shù)目,換取整體性能的提升。其中基于最大傳輸時(shí)延差的算法是只要單頻網(wǎng)內(nèi)存在符號(hào)間干擾就拆分單頻網(wǎng),而基于有效基站比例的算法是只有當(dāng)單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾超過某個(gè)閾值時(shí),才對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分,兩種算法都在單頻網(wǎng)數(shù)目和性能之間進(jìn)行折衷。通過仿真分析,基于有效基站比例的拆分算法能以較少的單頻網(wǎng)數(shù)目,保證單頻網(wǎng)的性能,且能針對(duì)不同的QoS需求,通過設(shè)置合理的有效基站比例門限值,實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)的有效拆分。

圖1 多播單頻網(wǎng)示意圖

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示,單頻網(wǎng)內(nèi)多播用戶通過合并不同基站發(fā)送的單頻網(wǎng)信號(hào)獲得較好的信干噪比。由于不同基站到達(dá)某一用戶的傳輸距離不同,因此信號(hào)到達(dá)該用戶的傳輸時(shí)延也不同,當(dāng)這個(gè)時(shí)延差在CP范圍內(nèi)時(shí),被看作是有用信號(hào),否則被視為干擾。當(dāng)干擾多到一定程度時(shí),單頻網(wǎng)的性能會(huì)顯著下降。

假設(shè)S是單頻網(wǎng)內(nèi)所有基站的集合,基站i到多播用戶k的距離是ri,k,用戶 k的服務(wù)小區(qū)基站j到k的距離是是光速。那么用戶k接收到的來自于基站i和基站j的信號(hào)的時(shí)延差為

用戶k將ti,j,k小于CP長(zhǎng)度的那部分信號(hào)視為有用信號(hào),其余部分視為干擾。因此,可以引入權(quán)重因子表示用戶接收到的基站的發(fā)送信號(hào)中可以作為有用信號(hào)合并的比例,

其中 TCP為CP長(zhǎng)度,Tu為有用信號(hào)幀的長(zhǎng)度。

假設(shè)N為單頻網(wǎng)內(nèi)小區(qū)數(shù),Pj表示基站j的發(fā)送功率,基站 j到用戶k的信道增益值Gj,k可表示為Gj,k=是復(fù)高斯隨機(jī)變量。Noise為噪聲,那么用戶 k接收到的單頻網(wǎng)內(nèi)所有基站發(fā)送的信號(hào)的信干噪比為

因此用戶能達(dá)到的速率為

其中B是系統(tǒng)帶寬,當(dāng)Rk大于目標(biāo)速率Rreq時(shí),認(rèn)為用戶k能夠正確接收多播數(shù)據(jù)。將單頻網(wǎng)內(nèi)能夠成功接收到多播數(shù)據(jù)的用戶比例定義為覆蓋率,它可以表示為

其中M為單頻網(wǎng)內(nèi)的多播用戶數(shù)目,因此該多播系統(tǒng)的吞吐量可表示為

由以上分析可以看出,系統(tǒng)的性能與單頻網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān),當(dāng)單頻網(wǎng)區(qū)域變大時(shí),對(duì)于單頻網(wǎng)內(nèi)某一用戶,距離用戶較遠(yuǎn)的基站發(fā)送的信號(hào)由于時(shí)延較大會(huì)增強(qiáng)其干擾信號(hào),用戶的信干噪比明顯降低。當(dāng)單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾超過一定程度時(shí),單頻網(wǎng)的性能會(huì)顯著下降。因此,對(duì)這樣的單頻網(wǎng)進(jìn)行有效地拆分,從而解決由于區(qū)域過大而性能下降的問題是必要的。由于拆分后單頻網(wǎng)數(shù)目越多,意味著需要更多的頻譜資源,所以在對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分時(shí)應(yīng)保證單頻網(wǎng)性能的前提下,盡可能的減少拆分后的子單頻網(wǎng)數(shù)目。

如果每個(gè)用戶向所有基站都反饋信道信息,就需要過多的上行反饋開銷,這對(duì)于實(shí)際多播系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。而且目前系統(tǒng)對(duì)單頻網(wǎng)的操作都是全開環(huán)的,因此為了滿足實(shí)際的應(yīng)用,對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,即以各基站為分析對(duì)象代替以具體的用戶為分析對(duì)象從而避免用戶的反饋,并提出了兩種開環(huán)單頻網(wǎng)拆分方法：基于基站最大傳輸時(shí)延差和基于有效基站比例。

3 單頻網(wǎng)拆分算法

3.1 算法1：基于基站最大傳輸時(shí)延差的拆分算法

由上面的分析可知,多播系統(tǒng)的性能與各基站傳輸時(shí)延有很大的關(guān)系,當(dāng)基站時(shí)延差大于CP長(zhǎng)度時(shí),會(huì)增強(qiáng)用戶的干擾信號(hào)。對(duì)于某個(gè)小區(qū)的任意一個(gè)用戶來說,來自于非服務(wù)小區(qū)基站的信號(hào)與服務(wù)小區(qū)基站信號(hào)的傳輸時(shí)延差小于這兩個(gè)基站間的距離與信號(hào)傳輸速度的比值。因此,為了避免用戶反饋,直接以各基站為分析對(duì)象并引入基站最大傳輸時(shí)延差 Tmax,

其中ri,j表示基站i、j的距離。當(dāng)Tmax大于CP長(zhǎng)度時(shí),說明單頻網(wǎng)內(nèi)存在符號(hào)間干擾,必須對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分。算法具體步驟如下：

(1)初始化目標(biāo)單頻網(wǎng) TSFN,令拆分單頻網(wǎng)序號(hào) t為1,令 TSFN為SFNt,表示第 t次拆分單頻網(wǎng)。拆分后子單頻網(wǎng)集合 RSFN為空,子單頻網(wǎng)序號(hào)n為0,子單頻網(wǎng)總數(shù) m為0;

(2)測(cè)試SFNt是否為空;

是,跳到步驟(4)。

否,下一步。

(3)拆分單頻網(wǎng)SFNt：將單頻網(wǎng)SFNt拆分為兩個(gè)子單頻網(wǎng)SFNt,1,SFNt,2;

①任取SFNt區(qū)域內(nèi)相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)小區(qū)中的一個(gè)小區(qū)組成SFNt,1,SFNt中其他所有小區(qū)組成SFNt,2。

②測(cè)試SFNt,2與SFNt,1是否存在相鄰小區(qū)。

否,跳到步驟⑤。

是,下一步。

③從SFNt,2中選擇所有與SFNt,1中小區(qū)相鄰的小區(qū)組成臨時(shí)小區(qū)集合SFNTmp1,令SFNTmp1中所有小區(qū)和SFNt,1中所有小區(qū)組成臨時(shí)小區(qū)集合SFNTmp2。

④測(cè)試SFNTmp2的基站最大傳輸時(shí)延差是否在CP范圍內(nèi)。

是,令SFNTmp2為SFNt,1,從SFNt,2中除去SFNTmp1包含的小區(qū),跳到步驟②。

否,下一步。

⑤完成一次拆分。子單頻網(wǎng)序號(hào) n加1,子單頻網(wǎng)總數(shù) m 加1。令SFNt,1為 Sn,將Sn并入RSFN 。令SFNt,2為新的目標(biāo)單頻網(wǎng) TSFN,拆分單頻網(wǎng)序號(hào)t加1,令 TSFN為SFNt,開始下一次拆分,跳到步驟(2)。

(4)結(jié)束,RSFN為拆分后的子單頻網(wǎng)集合。

3.2 算法2：基于有效基站比例的拆分算法

上述的算法雖然能夠明顯提高單頻網(wǎng)的性能,但由于拆分單頻網(wǎng)的門檻過低,使單頻網(wǎng)重新拆分的頻率和拆分后的子單頻網(wǎng)數(shù)目都很大,這樣也會(huì)造成一定的系統(tǒng)開銷。另外,當(dāng)單頻網(wǎng)內(nèi)存在少量的符號(hào)間干擾時(shí),單頻網(wǎng)的性能會(huì)受到一定的影響,但還是可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,只有單頻網(wǎng)內(nèi)干擾多到一定程度時(shí),單頻網(wǎng)內(nèi)的性能才會(huì)嚴(yán)重下降,從而無法實(shí)現(xiàn)有效的多播服務(wù)。假設(shè)其中RBSi為小區(qū)i中心處用戶達(dá)到的速率,當(dāng)RBSi大于目標(biāo)速率Rreq時(shí),設(shè)置有效基站標(biāo)志ρi=1;否則 ρi=0。為了獲得拆分頻率、拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目和多播性能的有效折中,引入有效基站比例這一概念,定義為

Yieldsfn表示單頻網(wǎng)內(nèi)有效基站數(shù)目與單頻網(wǎng)基站總數(shù)的比例,只有Y ieldsfn低于特定門限值,即單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾達(dá)到一定程度時(shí),才會(huì)對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分。具體的拆分步驟與算法1相同,只是將算法1中測(cè)試SFNTmp2的基站最大傳輸時(shí)延差是否在CP范圍內(nèi)改成測(cè)試SFNTmp2的有效基站比例是否超過門限值。

3.3 算法3：基于有效基站比例的修正算法

基于有效基站比例的單頻網(wǎng)拆分算法只有當(dāng)單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾導(dǎo)致單頻網(wǎng)性能顯著下降時(shí),才會(huì)拆分單頻網(wǎng),拆分的門檻較高,在保證單頻網(wǎng)性能的同時(shí),使拆分后子單頻網(wǎng)的數(shù)目相對(duì)較少。此外,可以通過設(shè)置不同的有效基站比例門限值,獲得不同的拆分效果,從而實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)的動(dòng)態(tài)拆分?；谏鲜鰞蓚€(gè)拆分依據(jù)的單頻網(wǎng)拆分算法都是基于單頻網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分,這可能會(huì)使拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目過多,造成過度拆分,從而影響算法性能。因此,可以基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)拆分后的子單頻網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行調(diào)整,將較小的子單頻網(wǎng)進(jìn)行合并,在保證單頻網(wǎng)性能的同時(shí),使拆分后的子單頻網(wǎng)數(shù)目盡量少。修正算法的前面步驟與算法2一樣,只是在拆分之后加入修正步驟,修正步驟如下：

(2)Sp與Sq是否存在相鄰小區(qū)。

否,跳到步驟(4)。

是,下一步。

(3)令Sp中所有小區(qū)與Sq中所有小區(qū)組成臨時(shí)小區(qū)集合SFNTmp3,測(cè)試SFNTmp3的基站最大傳輸時(shí)延差是否在CP范圍內(nèi)或有效基站比例是否超過門限值。

是,令SFNTmp3為Sp,從RSFN中除去Sq,將新的子單頻網(wǎng)拆入合適的位置保證所有子單頻網(wǎng)按小區(qū)數(shù)目升序排列。重新初始化p為1,q為2,跳到步驟(5)。

否,下一步。

(4)令q加1。若Sq為RSFN中最后一項(xiàng),令 p加1,q等于p加1。

(5)若Sp,Sq為RSFN中最后兩項(xiàng)或RSFN只剩下一個(gè)元素。

否,跳到步驟(2)。

是,結(jié)束。

4 仿真結(jié)果

對(duì)算法進(jìn)行性能仿真,假設(shè)單頻網(wǎng)每個(gè)小區(qū)的用戶為100戶,小區(qū)半徑R為1000m,基站發(fā)射功率為50W,系統(tǒng)帶寬B為5MHz,CP長(zhǎng)度 TCP為16.67μ s,有用信號(hào)幀的長(zhǎng)度 Tu為66.67μ s。單頻網(wǎng)拆分算法是將一個(gè)單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子單頻網(wǎng),屬于單頻網(wǎng)內(nèi)部的操作。在對(duì)單頻網(wǎng)拆分算法進(jìn)行性能分析時(shí),主要考慮單頻網(wǎng)內(nèi)部的影響,忽略單頻網(wǎng)間的作用,從單頻網(wǎng)的覆蓋率、吞吐量和拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目3個(gè)角度對(duì)拆分前后的單頻網(wǎng)性能進(jìn)行比較分析。

有效基站比例門限值對(duì)基于有效基站比例的單頻網(wǎng)拆分方法的影響如圖2、圖3和圖4所示。其中的曲線1為拆分前單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值;曲線2為基于有效基站比例,但不執(zhí)行步驟4的修正或調(diào)整操作的拆分后單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值;曲線3為基于有效基站比例,且執(zhí)行步驟4的修正或調(diào)整操作的拆分后單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值。從這3個(gè)圖可以看出：

(1)與拆分前相比,基于有效基站比例的拆分方法將單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子單頻網(wǎng)后,顯著提升了單頻網(wǎng)的吞吐量和覆蓋率。這是因?yàn)椴鸱趾蟮拿總€(gè)子單頻網(wǎng)區(qū)域較小,大大降低了符號(hào)間干擾,提高了單頻網(wǎng)的吞吐量和覆蓋率。

(2)有效基站比例門限值越高,拆分后的子單頻網(wǎng)的數(shù)目越多,其覆蓋率和吞吐量越高。是因?yàn)橛行Щ镜谋壤T限值越高,方法對(duì)符號(hào)間干擾的容忍度就越低,就越容易對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分,使拆分后的子單頻網(wǎng)越小,符號(hào)間干擾就越小,單頻網(wǎng)的覆蓋率和吞吐量越好。

(3)曲線2與曲線3的性能大致相同,曲線2拆分后單頻網(wǎng)的覆蓋率和吞吐量都比曲線3好,但曲線2的拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目更多。曲線3只是對(duì)曲線2的拆分結(jié)果進(jìn)行修正,消除曲線2因過度拆分而造成的影響,在對(duì)單頻網(wǎng)性能影響很小的前提下,減少了拆分后子單頻網(wǎng)的數(shù)目。

圖2 有效基站比例門限值對(duì)拆分后單頻網(wǎng)覆蓋率的影響示意圖

圖3 有效基站比例門限值對(duì)拆分后單頻網(wǎng)吞吐量的影響示意圖

單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目對(duì)不同拆分依據(jù)算法性能的影響如圖5、圖6、圖7所示,其中的曲線1為拆分前單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值;曲線2為基于最大傳輸時(shí)延差,但不執(zhí)行步驟4的修正或調(diào)整操作的拆分后單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值;曲線3為基于有效基站比例,但不執(zhí)行步驟4的修正或調(diào)整操作的拆分后單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值;曲線4為基于有效基站比例,且執(zhí)行步驟4的修正或調(diào)整操作的拆分后單頻網(wǎng)的相關(guān)數(shù)值。從這3個(gè)圖可以看出：

(1)隨著單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目的增加,單頻網(wǎng)的覆蓋率明顯下降,吞吐量增長(zhǎng)越來越小。而采用拆分算法拆分后單頻網(wǎng)的覆蓋率提升到95%以上,吞吐量也隨著單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)的增加成線性增長(zhǎng),拆分后子單頻網(wǎng)的數(shù)目也隨單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)的增加而增加。單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目越多,拆分后單頻網(wǎng)的性能改進(jìn)就越明顯。是因?yàn)殡S著單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目的增加,單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾越多,單頻網(wǎng)覆蓋率和吞吐量的增長(zhǎng)速度就越小,通過單頻網(wǎng)拆分算法,把單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子單頻網(wǎng),能夠明顯提高單頻網(wǎng)的性能。

(2)單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目越多,拆分后單頻網(wǎng)的覆蓋率和吞吐量變化并不大,只是拆分后子單頻網(wǎng)的數(shù)目有所增加,因?yàn)閱晤l網(wǎng)內(nèi)小區(qū)數(shù)目越多,單頻網(wǎng)內(nèi)部的符號(hào)間干擾越大,而通過拆分算法將單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子單頻網(wǎng),保證每個(gè)子單頻網(wǎng)的大小在一個(gè)合理范圍,這樣能夠減少符號(hào)間干擾,提高單頻網(wǎng)的性能,拆分后單頻網(wǎng)的大小只與拆分的依據(jù)相關(guān),單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)目越多,拆分后子單頻網(wǎng)的大小變化不大,只是增加了子單頻網(wǎng)的數(shù)目。

(3)曲線2、3、4的覆蓋率和吞吐量很接近,其中曲線2略好于曲線3,曲線3略好于曲線4,但性能的提升是以單頻網(wǎng)數(shù)目的增加為代價(jià)的,曲線2的子單頻網(wǎng)數(shù)目最多,曲線3次之,曲線4最少。這是由3種曲線不同的拆分依據(jù)決定的。曲線2是基于基站最大傳輸時(shí)延差進(jìn)行拆分的,只要單頻網(wǎng)內(nèi)存在符號(hào)間干擾,就進(jìn)行拆分,拆分后子單頻網(wǎng)較小,而曲線3和4是基于有效基站比例進(jìn)行拆分,只有單頻網(wǎng)內(nèi)符號(hào)間干擾多到一定程度時(shí),才會(huì)對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行拆分,拆分后單頻網(wǎng)較大,所以曲線2單頻網(wǎng)的性能較曲線3,曲線4好,單頻網(wǎng)數(shù)目也越多。

圖4 有效基站比例門限值拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目的影響

圖5 單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋率的影響

圖6 單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)對(duì)單頻網(wǎng)吞吐量的影響

圖7 單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)對(duì)拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目的影響

5 結(jié)束語

引入拆分單頻網(wǎng)的思想,將單頻網(wǎng)拆分為多個(gè)子單頻網(wǎng),以單頻網(wǎng)數(shù)目為代價(jià),提高單頻網(wǎng)的整體性能。分析了兩個(gè)單頻網(wǎng)拆分依據(jù),基于基站最大傳輸時(shí)延差的拆分算法能夠很好地提高單頻網(wǎng)性能,但拆分后子單頻網(wǎng)的數(shù)目過多,基于有效基站比例的拆分算法在保證單頻網(wǎng)性能的同時(shí),拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目較少,且可以通過設(shè)置不同的有效基站比例門限值,實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)的動(dòng)態(tài)拆分。當(dāng)單頻網(wǎng)小區(qū)數(shù)為20,有效基站比例門限值為0.8時(shí),在拆分后子單頻網(wǎng)數(shù)目為2的前提下,將單頻網(wǎng)覆蓋率從84%以下提高到95%以上,吞吐量提高20%,單頻網(wǎng)性能提升明顯。增加的單頻網(wǎng)數(shù)目可能意味著更多的頻譜資源,可以通過合理的資源分配算法減少增多的單頻網(wǎng)數(shù)目對(duì)頻譜資源的需求,有待進(jìn)一步研究。

[1]Magnus Eriksson.Dynamic single frequency networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2001,19(10)1905-1914.

[2]3GPP TS 36.211 v 8.3.0,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation[S],Available from www.3gpp.org.

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