鮮永菊，賈 云，徐昌彪

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 40065)

在LTE－A中，頻譜復用系數(shù)為1，并且OFDM技術無法有效地消除小區(qū)間干擾(ICI)，所以小區(qū)間干擾抑制技術成為LTE－A中的重要技術之一。在LTE－A中小區(qū)間干擾抑制技術主要包括小區(qū)間干擾隨機化，小區(qū)間干擾消除，小區(qū)間干擾協(xié)調/回避等［1－2］，各種干擾抑制技術可以配合使用，以期獲得更好的效果。

多點協(xié)作傳輸技術(Coordinated Multipoint Transmission/Reception，CoMP)協(xié)作多個相鄰的基站或節(jié)點同時為一個小區(qū)邊緣的移動用戶提供服務，從而降低小區(qū)邊緣用戶之間的干擾，提高小區(qū)邊緣用戶的服務質量，成為LTE－A的關鍵技術之一［3］。SU－JP－CoMP 可以帶來邊緣用戶吞吐量的提升，但其代價是會造成系統(tǒng)平均頻譜效率的下降。其原因在于，SU－JP－CoMP用戶會同時占用主服務小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的相同的頻率資源，其接收信號為來自這兩個基站的疊加。由于用于邊緣用戶傳輸?shù)馁Y源增加，則相應的用于中心用戶傳輸?shù)馁Y源必然減少，因此，SUJP－CoMP是用小區(qū)中心用戶的性能損失來達到邊緣用戶的性能提升［4］。在3GPP相關提案中，普遍采用根據(jù)SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)確定CoMP用戶的準則，如果滿足SINR ＜δ(單位dB)，則該用戶為CoMP用戶，其中δ是一個預定義的門限值。另外一種確定CoMP用戶的方法是根據(jù)用戶的RSRP測量報告來判斷。

系統(tǒng)中并不是所有用戶都需要進行協(xié)作通信，必須在對邊緣用戶和對系統(tǒng)總的用戶的服務質量上達到一個折中，使一定條件下的一部分用戶使用CoMP，而另外一部分用戶不使用CoMP。如何衡量CoMP對系統(tǒng)性能的影響，以及如何確定CoMP的性能增益成為重要的問題。這方面的研究在現(xiàn)有的文獻中鮮有報道，本文主要就以上兩點進行分析，對原有的對稱式代價模型進行量化分析，并在此基礎上提出了一種新的代價模型——期望代價模型，并對兩種代價模型進行分析。

1 CoMP系統(tǒng)模型

典型的協(xié)作模型如圖1所示，假設有3個基站構成一個協(xié)作簇，分別為 CELL1，CELL2，CELL3，每個基站有 Nt根發(fā)射天線，每個小區(qū)內有K個用戶，每個用戶有Nr根接收天線，那么在CELL1中用UE1的接收信號可以表示為

式中:si為UE1接收到的來自i個基站的信號，Hi1為Nt×Nr維的基站i和UE1之間的信道增益矩陣，Wi為UE1與第i個基站間的預編碼矩陣，n為高斯白噪聲(AWGN)功率譜密度，N=B×n為高斯白噪聲功率。下行CoMP傳輸系統(tǒng)模型如圖2所示。如果用戶處于非COMP模式下，每個基站只為其自己的用戶提供服務，那么UE1的接收信干噪比(SINR1)可以表示為［5－6］

圖1 3小區(qū)CoMP協(xié)作模型

圖2 下行CoMP傳輸系統(tǒng)模型

如果用戶處于SU－JP－CoMP模式下，那么s1=s2=s3，此時用戶的接收信干噪比()可以表示為

2 CoMP系統(tǒng)協(xié)作吞吐量代價模型

2.1 對稱式代價模型

文獻［4］提出了對稱式吞吐量代價模型，該模型假設在協(xié)作小區(qū)CELL2和CELL3中與UE1位置對稱的點上都存在一個非CoMP用戶UE2和UE3，SINR2和SINR3分別表示UE2和UE3的信干噪比，那么，SINR2=SINR3=SINR1。為了量化該代價模型，在此定義協(xié)作吞吐量代價為非CoMP用戶UE2和UE3的吞吐量之和，即

那么吞吐量增益－損失比為

在此模型中，對協(xié)同資源代價的假定是建立在CoMP用戶占用的協(xié)作小區(qū)的頻譜與CoMP用戶占用的主服務小區(qū)的頻譜具有相同的信干噪比基礎上的，及假定協(xié)作小區(qū)的資源與該CoMP用戶具有相同頻譜利用率。但是在實際網絡中，將同一頻譜資源調度到小區(qū)內處于不同位置的用戶時，所產生的效益是不完全相同的，所以，該假設并沒有考慮該協(xié)作頻譜在系統(tǒng)中的實際效益，針對這一問題，提出期望式代價模型。

2.2 期望代價模型

在LTE－A系統(tǒng)中，將同一資源調度到距離基站不同位置的用戶將產生不同的頻譜效率，以仿真圖3為例，在基站中心附近，頻譜效率為6(bit·s－1·Hz－1)，而在小區(qū)邊緣，頻率效率降低至0.4(bit·s－1·Hz－1)，所以對于協(xié)同資源的吞吐量損失的衡量，需要計算其在整個小區(qū)內分布時的平均值，故在本模型中，將SU－CoMP－JP的協(xié)作吞吐量代價α*定義為將CoMP用戶所占用的協(xié)作基站的資源平均調度到該協(xié)作小區(qū)的單位面積上所產生的吞吐量之和的平均值。仍然采用三小區(qū)協(xié)作模型(如圖1所示)，那么此時協(xié)作吞吐量代價為

式中:k為正整數(shù)，反應協(xié)作吞吐量代價的計算精度，在仿真中可以模擬為小區(qū)內以單位面積均勻分布的用戶的總數(shù)目，k值越大，α*結果的精度越高(本文仿真中k=20)。此時，吞吐量增益－損失比為

該代價模型綜合考慮了采用CoMP模式后協(xié)同小區(qū)的吞吐量代價在整個協(xié)同小區(qū)內的期望值，該期望值更符合網絡的實際情況，更能準確地反應CoMP的實際代價，以下建立系統(tǒng)級仿真平臺，對以上兩種代價模型進行仿真模擬和比較。

3 系統(tǒng)仿真分析

建立基于LTE－A的系統(tǒng)級仿真平臺，系統(tǒng)共由7小區(qū)構成，采用Wrap－round模型［9］，具體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真主要參數(shù)設置

采用雙基站協(xié)作仿真協(xié)作吞吐量代價和吞吐量增益指數(shù)。模擬了MIMO－OFDM、調度算法等系統(tǒng)級功能，并添加了多點協(xié)作傳輸技術的實現(xiàn)。

圖3仿真了用戶處在小區(qū)不同位置時，CoMP和非CoMP下的SINR值，仿真結果表明在小區(qū)中心位置，CoMP帶來的信噪比增益非常有限，隨著用戶與主服務基站距離的不斷增加，采用CoMP所帶來的信噪比逐漸增加。在小區(qū)邊緣，采用CoMP比非CoMP可以產生5 dB左右的SINR增益。

圖3 SINR仿真曲線

圖4為協(xié)作吞吐量代價仿真，為了更具一般性，在此仿真中，以協(xié)作頻率效率代價，即協(xié)作吞吐量代價除以協(xié)作資源帶寬作為仿真參量。由該仿真可見，將協(xié)作資源調度到協(xié)作小區(qū)內不同地理位置的用戶時，產生的吞吐量各不相同。將同一頻譜資源調度給小區(qū)中心用戶產生的吞吐量遠大于將該頻譜資源調度給小區(qū)邊緣用戶。當用戶處于距離基站50 m的小區(qū)中心位置時，該頻率資源產生的吞吐量為6 Mbit/s，而當用戶處于距離基站500 m的小區(qū)邊緣位置時，該頻率資源產生的吞吐量僅為0.4 Mbit/s。在該仿真條件下，假設協(xié)作小區(qū)存在20個不同位置的單位面積內均勻分布的用戶，那么仿真可得到協(xié)作吞吐量代價的期望值為1.6 Mbit/s。

圖4 協(xié)作吞吐量代價仿真曲線

圖5仿真了單個用戶采用CoMP后的吞吐量增益，仿真結果表明，處于不同位置，用戶采用CoMP后產生的吞吐量增益不盡相同。小區(qū)中心用戶使用CoMP模式后產生的吞吐量增益非常有限，離主服務基站越遠的用戶，采用CoMP后產生的吞吐量增益越顯著。在小區(qū)邊緣，CoMP可以為邊緣用戶帶來約0.5 Mbit/s的吞吐量增益。

圖5 不同模式下吞吐量仿真曲線

圖6為吞吐量增益－損失比曲線，增益－損失比隨CoMP用戶與主服務基站距離的增加而逐漸增大，即越靠近小區(qū)邊緣的用戶，吞吐量增益越大，在500 m處的增益比約為0.32。

圖6 吞吐量增益－損失比仿真曲線

表2列出了位于不同位置時，CoMP用戶吞吐量增益－損失比。

表2 CoMP用戶吞吐量增益－損失比

4 小結

本文研究了SU－JP－CoMP下的協(xié)作代價，提出了期望代價模型，并建立LTE－A系統(tǒng)級仿真平臺，模擬了協(xié)作代價因子和吞吐量增益－損失比。仿真結果表明，相比中心用戶而言，對邊緣用戶采用CoMP服務能夠更大地增加用戶的服務質量和提高頻譜利用率。距離主服務基站越遠的用戶采用CoMP服務后，能夠得到越大的吞吐量增益－損失比。在本文的仿真環(huán)境中，該吞吐量增益－損失比的最大值可以達到0.32。該結論為CoMP技術的性能評估提供了更加合理的符合系統(tǒng)實際性能的依據(jù)，為更佳合理地劃分CoMP和非CoMP用戶提供理論依據(jù)。

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