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        LTE-A系統(tǒng)多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)研究

        2012-06-25 07:03:20陳耕雨余建國(guó)孫向濤
        電視技術(shù) 2012年9期
        關(guān)鍵詞:用戶系統(tǒng)

        陳耕雨,余建國(guó),孫向濤

        (1.北京北方烽火有限公司,北京 100085;2.武漢郵電科學(xué)研究院,湖北 武漢 430000)

        目前LTE-Advanced考慮的峰值速率(下行4×4天線,上行2×4天線)為下行1 Gbit/s,上行500 Mbit/s。以LTE的峰值頻譜效率,只要簡(jiǎn)單擴(kuò)充系統(tǒng)帶寬即可實(shí)現(xiàn)。和峰值速率、峰值頻譜效率相比,更有實(shí)際意義的指標(biāo)是提高小區(qū)平均頻譜效率及小區(qū)邊緣頻譜效率[1]。而多點(diǎn)協(xié)作傳輸(Coordinated Multiple Point Transmission,CoMP)正是為了滿足這種要求提出的。CoMP的首要問題便是協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇,邊緣用戶的CoMP收益很大程度上取決于合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。目前各類CoMP集合的劃分已經(jīng)確定下來[2],并提出了幾種協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇方案[3],但是其中對(duì)于最大協(xié)作數(shù)并沒有確定下來,考慮到過度的協(xié)作會(huì)造成系統(tǒng)開銷過大并導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,本文研究了預(yù)設(shè)差值門限的協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇方法,通過仿真不同預(yù)設(shè)差值門限下協(xié)作用戶的比例以及各協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的用戶概率分布,得到一個(gè)合理的最大協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)的正比公平(Proportional Fairness,PF)調(diào)度[4]在 CoMP 中的缺陷,提出了適用于CoMP系統(tǒng)的歸一化PF調(diào)度算法,最后通過仿真平均小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量,說明不同預(yù)設(shè)差值對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及歸一化PF在CoMP上的優(yōu)勢(shì)。

        根據(jù)用戶數(shù)據(jù)信息和信道狀態(tài)信息共享程度的不同,可以將多點(diǎn)協(xié)作傳輸分為聯(lián)合處理(Joint Processing,JP)和協(xié)作調(diào)度/波束賦形(Coordinated Scheduling/Beamforming,CS/CB)兩大類[2]。如圖1所示,可以看出多點(diǎn)協(xié)作在消除小區(qū)間干擾,提高邊緣用戶吞吐量方面有著有效的作用。本論文主要討論的是聯(lián)合處理的下行聯(lián)合傳輸,對(duì)于調(diào)度/波束賦形不于分析。

        圖1 傳統(tǒng)系統(tǒng)與兩種CoMP系統(tǒng)的區(qū)別

        1 協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇

        在CoMP系統(tǒng)中,引入了由CoMP協(xié)作節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)作集合、傳輸集合以及報(bào)告集合的概念。協(xié)作集合是由直接或者間接參與用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)作節(jié)點(diǎn)組成的集合。傳輸集合是由正在向用戶傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)組成的集合。對(duì)于聯(lián)合傳輸?shù)腃oMP來說傳輸集合即為協(xié)作集合。報(bào)告集指用戶需要向服務(wù)小區(qū)(Serving eNB)反饋報(bào)告集合中的節(jié)點(diǎn)到用戶的信道狀態(tài)[2]。這幾個(gè)集合的相互關(guān)系如圖2所示。因此,當(dāng)CoMP的協(xié)作集合沒有包含潛在的傳輸節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,用戶的CoMP收益就會(huì)受到限制。為了研究協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇對(duì)CoMP收益的影響,并且更加貼近實(shí)際,在這里采用基站側(cè)靜態(tài)配置用戶的報(bào)告集合,然后通過用戶的反饋,選擇每個(gè)用戶的協(xié)作集合[3]。

        圖2 各種CoMP集合之間的關(guān)系

        在系統(tǒng)初始化的時(shí)候,根據(jù)用戶所在的位置讀取默認(rèn)配置的CoMP報(bào)告集合,然后測(cè)量該用戶對(duì)應(yīng)集合中每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)。將測(cè)量到的用戶u的RSRP按照遞減的順序排列,即≥≥ …,其中把對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)作為該用戶的Serving eNB。當(dāng)?shù)趇個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地滿足

        則該協(xié)作節(jié)點(diǎn)被添加到此用戶的協(xié)作集合中。其中Thr為預(yù)設(shè)的差值門限。同時(shí)為了防止過度的協(xié)作給協(xié)作節(jié)點(diǎn)帶來過多的負(fù)擔(dān),同樣設(shè)置MAXnum為協(xié)作集合內(nèi)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目,當(dāng)協(xié)作集合內(nèi)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)達(dá)到此數(shù)目時(shí),將不再添加協(xié)作節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作集合中的協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于1時(shí),則稱這個(gè)用戶為CoMP用戶;否則這個(gè)用戶便為非CoMP用戶[5]。

        2 下行多用戶CoMP的系統(tǒng)模型

        在獲得了不同的協(xié)作集合后,便可以選擇協(xié)作集合內(nèi)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)的方式,在此不考慮這些協(xié)作節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)延。設(shè)每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)配置nT個(gè)發(fā)射天線,每個(gè)用戶配置nR個(gè)接收天線,每個(gè)協(xié)作集合中的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)為N,每個(gè)協(xié)作集合服務(wù)的用戶數(shù)為M,第m個(gè)用戶支持的獨(dú)立數(shù)據(jù)流為rm,其中1≤rm≤nR。那么每個(gè)協(xié)作集合和其對(duì)應(yīng)的用戶的聯(lián)合傳輸CoMP就形成了一個(gè)NnT×MnR的虛擬MIMO系統(tǒng),如圖3所示,其中每個(gè)用戶接收的流數(shù)不能大于其接收天線的數(shù)目,同時(shí)配對(duì)用戶組可以接收的流數(shù)總和不能大于協(xié)作集合中所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線數(shù)目。

        圖3 下行CoMP系統(tǒng)模型

        協(xié)作集合中第i個(gè)用戶的接收信號(hào)表示為

        式中:Xi為ri×1維矩陣,為用戶i的信號(hào)向量;Hi為nR×NnT維矩陣,Bi為NnT×ri維矩陣,為對(duì)應(yīng)協(xié)作集合到用戶的信道矩陣和預(yù)編碼矩陣;Ni為nR×1維矩陣,表示加性高斯白噪聲向量;等式右第2項(xiàng)為該協(xié)作集合中其他用戶的干擾,第3項(xiàng)為其他協(xié)作集合的干擾。

        為了抑制協(xié)作用戶之間的干擾,聯(lián)合傳輸?shù)南滦蠧oMP采用協(xié)作集合中的所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合預(yù)編碼的處理。為了處理方便,將式(2)整理為更緊湊的模式。在此定義所有用戶的收發(fā)向量為Y=[,…,]T,X=[,…,]T。全局信道矩陣為 H = [,,…,]T,全 局 與 編 碼 矩 陣 為 B = [,,…,]T,噪聲向量為 N=[,…]T。多用戶的CoMP系統(tǒng)模型可以表示為

        按照迫零算法可以得到全局預(yù)編碼矩陣為[6]

        式中:β是為了保證發(fā)射信號(hào)的總功率滿足基站的發(fā)射功率的要求,帶入式(3)得

        式中:E為單位矩陣。

        由此,可以發(fā)現(xiàn)完全消除了用戶間的干擾,并且也抑制了多流間干擾。在忽略掉這些后,用戶接收信號(hào)向量為

        由此可以估算出該用戶接收信號(hào)的信干噪比為

        3 調(diào)度機(jī)制分析

        考慮到系統(tǒng)的吞吐量和用戶之間的公平性,在這里采用正比公平算法,在這兩個(gè)相互對(duì)立的方面進(jìn)行折中。但是普通的PF調(diào)度算法,在這里也有一定的局限性。因?yàn)閰f(xié)作用戶同時(shí)享用了多個(gè)小區(qū)的頻譜資源,在一定程度上影響了整個(gè)小區(qū)的容量。為了降低這種影響,本文提出歸一化的PF調(diào)度算法。首先,通過PF調(diào)度算法得到每個(gè)用戶的調(diào)度因子,然后分別選出小區(qū)CoMP用戶的調(diào)度因子,用該CoMP用戶的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。歸一化后的調(diào)度因子可以表示為

        式中:(C/I)i(t)指第i個(gè)用戶在t時(shí)刻的載干比;n為其協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù);λi(t)指第i個(gè)用戶在以t為結(jié)尾的時(shí)間窗內(nèi)的吞吐量。在調(diào)度過程中,CoMP用戶便使用歸一化后的PF調(diào)度因子,來減小對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。

        由第一節(jié)所述的協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇方法可知,同一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)可能分屬不同的協(xié)作集合。為了合理安排協(xié)作節(jié)點(diǎn)所屬不同的協(xié)作集合、對(duì)應(yīng)的不同小區(qū)CoMP用戶和此協(xié)作節(jié)點(diǎn)的非CoMP用戶之間的調(diào)度關(guān)系,筆者將根據(jù)不同的用戶數(shù)和其調(diào)度因子將協(xié)作節(jié)點(diǎn)的傳輸頻段進(jìn)行劃分:一部分用于不同協(xié)作集合對(duì)其CoMP用戶進(jìn)行協(xié)作傳輸,一部分用于該節(jié)點(diǎn)的非CoMP用戶的獨(dú)立傳輸[7]。頻帶的劃分模型如圖4所示。

        圖4 頻譜劃分圖

        在頻帶劃分之前,先通過歸一化的PF調(diào)度算法,得到各用戶調(diào)度因子k。則該協(xié)作節(jié)點(diǎn)所屬的協(xié)作集合A所占傳輸頻段的比例由下式?jīng)Q定

        式中:i為協(xié)作集合A中所有協(xié)作用戶數(shù),j為協(xié)作集合A中所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)所服務(wù)的總用戶數(shù)。因此每個(gè)協(xié)作集合中所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)都有共同的頻段對(duì)其CoMP用戶進(jìn)行協(xié)作傳輸。同理可得該協(xié)作節(jié)點(diǎn)所屬的協(xié)作集合B所占的頻段,剩下的頻段則為此協(xié)作節(jié)點(diǎn)的非CoMP用戶頻段。

        對(duì)于每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立傳輸頻段,各節(jié)點(diǎn)各自對(duì)其非CoMP用戶進(jìn)行調(diào)度,其調(diào)度過程為L(zhǎng)TE傳統(tǒng)的調(diào)度過程不變,在此不再?gòu)?fù)述[8]。下面以協(xié)作集合A為例討論協(xié)作用戶的調(diào)度。設(shè)協(xié)作集合A中共有N個(gè)用戶,每次協(xié)同傳輸?shù)挠脩魯?shù)為M。通過歸一化的PF算法得到其調(diào)度因子,并按降序進(jìn)行排列。按照優(yōu)先級(jí)的順序依次選出和M個(gè)用戶,從后選出的M個(gè)用戶中拿出個(gè)用戶與之前選出的 M/2 個(gè)用戶進(jìn)行配對(duì),列出所有的可能性,依次用迫零算法計(jì)算它們的預(yù)編碼矩陣,通過MIMO的信道容量公式,以系統(tǒng)容量最大化為目標(biāo)選出最優(yōu)的協(xié)作用戶組,即為協(xié)作集合A協(xié)作用戶的調(diào)度結(jié)果。協(xié)作集合A中的協(xié)作節(jié)點(diǎn)便可以在共同的傳輸頻段內(nèi)對(duì)這個(gè)用戶組進(jìn)行預(yù)編碼協(xié)作傳輸。這種調(diào)度算法,既保證了優(yōu)先級(jí)的原則,又能夠在一定程度上提升系統(tǒng)和邊緣用戶的吞吐量。

        4 仿真及結(jié)果分析

        為了研究協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇對(duì)CoMP系統(tǒng)收益的影響,本節(jié)中以LTE系統(tǒng)下的MU-MIMO為參考,重點(diǎn)仿真了LTE-A中不同的差值門限Thr下CoMP用戶能夠選擇的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)和CoMP用戶的比例,通過分析數(shù)據(jù)得出1個(gè)合適的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)MAXnum。并在此基礎(chǔ)上仿真采用PF調(diào)度和歸一化PF調(diào)度的多用戶CoMP對(duì)應(yīng)的平均小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣用戶的吞吐量,通過對(duì)比分析便可得到歸一化PF在CoMP中的優(yōu)勢(shì)。本文使用LTE系統(tǒng)級(jí)的仿真平臺(tái),在原有的系統(tǒng)功能上加入了CoMP的功能,并進(jìn)行了一定的改進(jìn)和優(yōu)化。仿真的具體參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真具體參數(shù)

        首先,筆者仿真LTE-A中不同的差值門限Thr下CoMP用戶能夠選擇的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)和CoMP用戶的比例。在此設(shè)置協(xié)作集合內(nèi)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目MAXnum為10。圖5a給出了不同預(yù)設(shè)門限Thr下,不同用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作集合內(nèi)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的概率分布。從圖中可以看出,當(dāng)Thr=3 dB時(shí),只有2%的用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作集合中有3個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn),并且沒有UE的協(xié)作集合中有超過3個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)。當(dāng)Thr=7 dB時(shí),有7%的用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作集合中有3個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn),只有1.2%的用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作集合中有超過3個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)。因此,考慮到過多的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)造成的系統(tǒng)負(fù)擔(dān),設(shè)置協(xié)作集合內(nèi)最多的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)MAXnum為3,就能保證大多數(shù)用戶的潛在協(xié)作收益。圖5b給出了不同的Thr增大而不斷增加,Thr下CoMP用戶的比例。當(dāng)Thr=0 dB時(shí),用戶只有Serving eNB作為它的傳輸節(jié)點(diǎn),那么CoMP用戶的比例便為0。隨著Thr增大,更多的用戶有多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn),便成了CoMP用戶。從圖中可以看出,當(dāng)Thr=3 dB時(shí),有13%的用戶為CoMP用戶,隨著Thr=7 dB時(shí),CoMP用戶的數(shù)目增加到了28%。

        圖5 協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的概率分布圖和CoMP比例圖

        在得到了合適的最多協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)MAXnum后,通過仿真平均小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣用戶的吞吐量來比較PF調(diào)度算法和歸一化PF調(diào)度算法的性能。如圖6所示,當(dāng)采用PF調(diào)度算法時(shí),小區(qū)邊緣用戶的吞吐量隨著Thr增大而不斷增加,這是因?yàn)門hr增大時(shí),更多的用戶變成了CoMP用戶。當(dāng)Thr=7 dB時(shí),邊緣用戶的吞吐量增加了18%。但是同時(shí)小區(qū)的平均吞吐量有了一些下降,這是因?yàn)殡S著CoMP用戶的增加,更多的頻譜資源被用于協(xié)作傳輸,留給非CoMP用戶的頻譜資源變少,從而影響了整個(gè)小區(qū)的吞吐量。

        圖6 不同差值門限下的平均小區(qū)吞吐量和邊緣用戶吞吐量

        在采用了歸一化的PF調(diào)度算法后,小區(qū)邊緣用戶的吞吐量隨著Thr增大而不斷增加,但是當(dāng)超過3 dB時(shí),收益則會(huì)緩慢下降。這是因?yàn)殡m然Thr增大使得CoMP用戶增加,可是由于后增加的CoMP用戶對(duì)應(yīng)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)的參考信號(hào)接收功率差值較大,其多點(diǎn)協(xié)作的收益是有限的,并且歸一化后PF調(diào)度因子下降較快,使得邊緣用戶的吞吐量略有下降。但是采用這種算法后,小區(qū)的平均吞吐量不再下降而且略微有一定的提升,只有在Thr很大的時(shí)候才有一定的下降,說明歸一化的PF調(diào)度算法在抑制平均小區(qū)吞吐量的下降上有著良好的作用。

        5 小結(jié)

        本文在LTE-A系統(tǒng)上對(duì)多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)進(jìn)行建模,并在系統(tǒng)仿真平臺(tái)上進(jìn)行了評(píng)估。首先重點(diǎn)仿真分析了不同的差值門限下CoMP用戶的比例以及協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,得到了合理的最大協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù),既保證了潛在的CoMP收益,又不會(huì)造成系統(tǒng)的過多負(fù)擔(dān)。針對(duì)PF調(diào)度算法在CoMP中會(huì)導(dǎo)致平均小區(qū)吞吐量大幅下降的缺陷,提出適用于CoMP的歸一化PF調(diào)度算法,在保證邊緣用戶性能提升的同時(shí),抑制了CoMP帶來的平均小區(qū)吞吐量的下降。并通過仿真平均小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量說明了歸一化PF調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的應(yīng)用中,可以根據(jù)情況來選擇合適的預(yù)設(shè)差值以及調(diào)度算法。雖然CoMP因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的時(shí)候還有很多現(xiàn)實(shí)的問題,導(dǎo)致遲遲沒有標(biāo)準(zhǔn)化,但是由于其在提升邊緣用戶吞吐量上有著顯著的作用,隨著以后用戶對(duì)于高速數(shù)據(jù)要求的增加,CoMP技術(shù)會(huì)得到更多的關(guān)注和發(fā)展。

        [1]3GPP REV-080003,Views for the LTE-advanced requirements[S].2009.

        [2]3GPP TR 36.814,F(xiàn)urther advancements for E-UTRA physical layer aspects[S].2009.

        [3]3GPP.CoMP cell set configuration[EB/OL].[2011-10-10].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_66/docs/R2-093075.zip.

        [4]王映民,孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

        [5]3GPP.Selection threshold and maximum size of CoMP cooperating set[EB/OL].[2011-10-10].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_58/Docs/R1-093572.zip.

        [6]張健,劉元安,謝剛,等.多用戶MIMO下行系統(tǒng)迭代迫零預(yù)編碼[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(4):104-108.

        [7]3GPP.Further discussion of frequency plan scheme on CoMP-SU-MIMO[EB/OL].[2011-10-10].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_56b/Docs/R1-091415.zip.

        [8]3GPP.Views of schemes for CoMP[EB/OL].[2011-10-10].http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_63b/Docs/R1-110551.zip.

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