盧文茜, 王曉湘, 張海波

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876）

0 引言

3GPP在R6中提出了多播廣播多媒體服務(wù)（Multicast/Broadcast Multimedia Services,MBMS）的概念,由于它能傳輸同一多播內(nèi)容給大量的用戶,節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源,引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。但是目前關(guān)于MBMS的研究都集中在單小區(qū)廣播上,而4G網(wǎng)絡(luò)又對(duì)MBMS提出了更高的要求,傳統(tǒng)的單小區(qū)傳輸已經(jīng)很難滿足這些需求,因此基于單頻網(wǎng)的多小區(qū)傳輸逐漸引起了大家的關(guān)注。

所謂單頻網(wǎng)（single frequency network,SFN）,即在一定的地理區(qū)域內(nèi)若干部發(fā)射機(jī)同時(shí)在同一個(gè)頻段上發(fā)射相同的信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的可靠覆蓋。由于SFN能顯著提高系統(tǒng)頻譜效率,而且,UE在SFN內(nèi)移動(dòng)時(shí)無需任何切換,大大減少了信令的開銷[1]。因此對(duì)于頻率資源日趨緊張的今天,關(guān)于SFN在移動(dòng)通信中應(yīng)用的研究就顯得更有意義。

目前關(guān)于單頻網(wǎng)的研究有很多,但大多都集中對(duì)性能評(píng)估和資源分配的研究[2-4]。而對(duì)單頻網(wǎng)組網(wǎng)方法的研究卻非常少。在標(biāo)準(zhǔn)中初步使用的是基于運(yùn)行和維護(hù)（operation and maintenance,O&M）配置的靜態(tài)SFN組網(wǎng)方法,該方法操作簡(jiǎn)單,能夠顯著的降低SFN組網(wǎng)的復(fù)雜度,但是靈活性較差,并且無法對(duì)接入MBMS業(yè)務(wù)的用戶進(jìn)行合理的分配。O&M方式的SFN區(qū)域?yàn)榱烁采w到那些難以覆蓋到的用戶位置需要把整個(gè)區(qū)域設(shè)置的非常大。這樣對(duì)于某些沒有MBMS業(yè)務(wù)接入的小區(qū)資源被空閑了,就不可避免的造成無線資源和傳輸資源的大量浪費(fèi)。

動(dòng)態(tài)SFN是在R2的最近幾次會(huì)議中提出,是對(duì)傳統(tǒng)的靜態(tài)SFN方法的一種改進(jìn)。動(dòng)態(tài)SFN根據(jù)系統(tǒng)中多播用戶的分布情況和運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)的拆分或合并SFN區(qū)域,可以將空閑出來的那些小區(qū)用于其也業(yè)務(wù),雖然可以時(shí)刻滿足用戶覆蓋,但動(dòng)態(tài)SFN操作復(fù)雜,變化頻繁,因此需要過多的系統(tǒng)調(diào)度開銷。也不適用于實(shí)際的系統(tǒng)。

基于上述分析,提出了一種SFN半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案,該方案基于預(yù)設(shè)的門限值和用戶的移動(dòng)性,判斷如何對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展或收縮,使其在滿足SFN性能的同時(shí),大大降低了重新組網(wǎng)頻率和組網(wǎng)方案的復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示,SFN區(qū)域包含3種小區(qū)。第1種小區(qū),在圖中用深色表示,同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和信令信息。第2種淺色小區(qū)僅傳輸數(shù)據(jù)信息。第3種白色小區(qū)則為預(yù)留小區(qū),不傳輸數(shù)據(jù)和信令信息,通常稱為保護(hù)小區(qū)[5]。單頻網(wǎng)中多播數(shù)據(jù)經(jīng)過核心網(wǎng),MBMS協(xié)調(diào)實(shí)體（MBMS Coordination Entity,MCE）,基站,最終傳給用戶。所有基站以相同的時(shí)頻資源同時(shí)傳輸同一組多播數(shù)據(jù),用戶對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行合并。其中MCE實(shí)現(xiàn)的是單頻網(wǎng)中基站間的資源分配功能。

圖1 SFN延展/收縮模型

當(dāng)UE1從核心小區(qū) A移動(dòng)到SFN邊界小區(qū)B時(shí),為了滿足用戶服務(wù)的連續(xù)性,小區(qū)B的演進(jìn)型移動(dòng)基站（Evolved Node B,eNodeB）向MCE發(fā)送延展SFN請(qǐng)求,MCE判斷是否需要對(duì)SFN進(jìn)行延展。若是,則相應(yīng)進(jìn)行SFN的延展操作,否則保持SFN覆蓋不變。

SFN收縮相對(duì)于SFN延展,操作相對(duì)簡(jiǎn)單。邊界小區(qū)ENB定期向MCE發(fā)送計(jì)數(shù)結(jié)果,如果在有效周期時(shí)間段內(nèi)此小區(qū)業(yè)務(wù)狀態(tài)低于某個(gè)指標(biāo),則執(zhí)行SFN收縮操作。如圖1（b）,標(biāo)號(hào)為B的小區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)分布狀態(tài)低于某個(gè)門限值,所以執(zhí)行SFN收縮操作。此時(shí)B不再屬于SFN區(qū)域,且標(biāo)號(hào)為 A的小區(qū)變?yōu)檫吔缧^(qū)[6]。

2 SFN多小區(qū)半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)

靜態(tài)組網(wǎng)方式雖然應(yīng)用簡(jiǎn)單,能夠顯著的降低SFN的復(fù)雜性,但是靈活性較差,并且無法對(duì)接入MBMS業(yè)務(wù)的用戶進(jìn)行合理的分配,不可避免地造成無線資源和傳輸資源的浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方式可以時(shí)刻滿足用戶覆蓋,但是操作復(fù)雜頻繁,對(duì)資源的浪費(fèi)亦不可避免。因此結(jié)合以上2種方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案,使其既具備良好的SFN性能,又能節(jié)約因頻繁切換網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)資源,且流程相對(duì)簡(jiǎn)單。

由于單頻網(wǎng)的最大優(yōu)點(diǎn),就是相較于單小區(qū)廣播,它可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量,因此半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的核心思想是,在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中,若有邊界小區(qū)的用戶分布因用戶移動(dòng)而發(fā)生變化的情況出現(xiàn),系統(tǒng)判斷是否更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),若單頻網(wǎng)邊界小區(qū)的吞吐量達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的門限值時(shí)才執(zhí)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)操作方式。由于對(duì)SFN進(jìn)行延展和收縮的判斷條件和具體流程不同,下面分別對(duì)這2種情況進(jìn)行介紹。

2.1 延展SFN

以單頻網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)多播廣播業(yè)務(wù)的傳輸,其性能主要體現(xiàn)在吞吐量上,所以以吞吐量作為指標(biāo)判斷SFN性能。系統(tǒng)模型中提到,當(dāng)UE1從核心小區(qū) A移動(dòng)到SFN邊界小區(qū)B時(shí),MCE需要判斷是否對(duì)單頻網(wǎng)進(jìn)行延展。所以,提出通過吞吐量這個(gè)指標(biāo)判斷是否進(jìn)行SFN延展操作。

模型用公式表示如下:

其中,N是SFN中的小區(qū)個(gè)數(shù)。mi是單頻網(wǎng)內(nèi)接收多播廣播業(yè)務(wù)i的終端數(shù)目,可以通過基于“pull”[7-8]的計(jì)數(shù)方法獲得。ri是編號(hào)為i的業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率。Tmin是預(yù)先設(shè)定的SFN小區(qū)平均吞吐量的門限值。如何選定 Tmin,是初始化要解決的問題。定義如下:

其中n為業(yè)務(wù)總數(shù)。為保證設(shè)定的吞吐量門限值在一個(gè)合理的范圍內(nèi),定義全部業(yè)務(wù)的最大平均吞吐量為Tmin的最大值。將此范圍以5%的間隔分隔開,得到20個(gè) Tmin。

基于此模型,提出了復(fù)雜度較低的半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案。當(dāng)有用戶移動(dòng)到邊界小區(qū)時(shí),用戶有離開SFN的趨勢(shì),這樣用戶將有可能接收不到SFN提供的業(yè)務(wù),導(dǎo)致業(yè)務(wù)的不連續(xù)。因此判斷,若將此邊界小區(qū)的所有相鄰小區(qū)（原本不屬于SFN）都并入SFN,新的SFN的平均吞吐量是否大于我們預(yù)先設(shè)定的門限值 Tmin。若能達(dá)到,則認(rèn)為當(dāng)將相鄰小區(qū)并入SFN后,多小區(qū)協(xié)作仍能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),因此應(yīng)該進(jìn)行SFN延展。否則,認(rèn)為此時(shí)不能達(dá)到SFN性能,應(yīng)維持SFN架構(gòu)不變。這種延展方式可以在盡量保證用戶連續(xù)性的同時(shí)降低單/多小區(qū)模式切換的開銷。

綜上所述,半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中延展SFN的流程如圖2所示。

基本步驟:

（1）初始化。根據(jù)SFN區(qū)域中所有基站掌握的用戶及業(yè)務(wù)信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）若某邊界小區(qū)發(fā)生用戶移動(dòng)情況,該基站向MCE發(fā)出請(qǐng)求,詢問是否可以執(zhí)行SFN延展操作。令m′i表示添加相鄰N′個(gè)小區(qū)后業(yè)務(wù) i的接收人數(shù)。當(dāng) ∑i∈A0m′iri＜Tmin?（N+N′）時(shí),表示添加此N′個(gè)小區(qū)后,SFN不能滿足性能,則MCE駁回基站請(qǐng)求,算法結(jié)束。當(dāng) ∑i∈A0m′iri≥Tmin?（N+N′）時(shí),表示若添加這些相鄰小區(qū),SFN仍能滿足性能,則MCE同意基站請(qǐng)求,執(zhí)行（3）。

（3）添加相鄰N′個(gè)小區(qū)進(jìn)入SFN區(qū)域。

圖2 延展SFN流程圖

2.2 收縮SFN

邊界小區(qū)ENB定期向MCE發(fā)送計(jì)數(shù)結(jié)果,由于有用戶從邊界小區(qū)向核心小區(qū)移動(dòng),如果在有效周期時(shí)間段內(nèi)此小區(qū)業(yè)務(wù)狀態(tài)低于某個(gè)指標(biāo),則執(zhí)行SFN收縮操作。

半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)流程:

基本步驟:

（1）初始化。根據(jù)SFN區(qū)域中所有基站掌握的用戶及業(yè)務(wù)信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）各個(gè)邊界小區(qū)基站,定期向MCE發(fā)送本小區(qū)吞吐量的計(jì)數(shù)結(jié)果。Trest表示經(jīng)過一定時(shí)間后,邊界小區(qū)剩余用戶的吞吐量。若 Trest≥G?Tmin（其中G為預(yù)先設(shè)定的一個(gè)比例閾值）,表示仍能滿足SFN性能,則操作結(jié)束。否則表示有效周期時(shí)間段內(nèi)小區(qū)吞吐量低于預(yù)先設(shè)定的平均吞吐量門限值的固定比例,認(rèn)為不能滿足SFN性能,執(zhí)行（3）。

（3）MCE將此邊界小區(qū)從原有SFN區(qū)域中剔除。

3 仿真結(jié)果

圖3 收縮SFN流程圖

從網(wǎng)絡(luò)配置變化頻率、吞吐量等角度比較了不同組網(wǎng)策略的性能。

假定單頻網(wǎng)內(nèi)有20路多播廣播業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)速率可能是 16kbps、32kbps、64kbps、96kbps。設(shè) SFN區(qū)域每個(gè)小區(qū)用戶數(shù)是20,非SFN區(qū)域每個(gè)小區(qū)用戶數(shù)是15,用戶移動(dòng)服從泊松分布。小區(qū)半徑1km。

圖4表示的是預(yù)先設(shè)定的門限值占吞吐量比例不同的情況下,半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案延展SFN的概率?？梢钥吹?Tmin與吞吐量比值小于0.93時(shí),延展SFN的概率為1,隨著吞吐量比例的增加,延展SFN的概率有所下降,當(dāng)Tmin與吞吐量相等時(shí),延展概率為0。這是因?yàn)?Tmin越小,將相鄰小區(qū)加入SFN后,吞吐量要求越容易滿足。而Tmin與原有吞吐量相同時(shí),由于設(shè)定的非SFN小區(qū)的小區(qū)人數(shù)本來就小于SFN小區(qū)人數(shù),所以一般不能滿足門限值的要求,將相鄰小區(qū)加入SFN的概率為0。靜態(tài)組網(wǎng)改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的概率為0,動(dòng)態(tài)組網(wǎng)改變概率為100%,半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)在特定情況下可以將改變概率控制在一定數(shù)值。因此,總體說,半動(dòng)態(tài)方案的調(diào)整概率比動(dòng)態(tài)算法小得多,可見半動(dòng)態(tài)方案的實(shí)施復(fù)雜度遠(yuǎn)低于動(dòng)態(tài)方案。

圖4 延展SFN的概率

圖5 3種組網(wǎng)方式吞吐量之比較

圖5縱軸表示系統(tǒng)達(dá)到的吞吐量與設(shè)定的 Tmin的比值。從圖5知,靜態(tài)組網(wǎng)的吞吐量大部分均在 Tmin以下,動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的吞吐量大部分均在 Tmin以上,而半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的吞吐量在 Tmin上下浮動(dòng)。雖然靜態(tài)方案不能保證Tmin要求,但實(shí)施復(fù)雜度最低,所以還是一種有用的機(jī)制。同時(shí)從圖中看出,動(dòng)態(tài)SFN方案的吞吐量優(yōu)于半動(dòng)態(tài)方案,但是變化頻率過快,不適用于實(shí)際系統(tǒng)。

圖6表示的是半動(dòng)態(tài)方案中收縮SFN的概率。可見,G值越大,此概率越大。因?yàn)镚值越大,條件 Trest≥G?Tmin越不容易滿足,則此時(shí)收縮SFN的幾率將增大。隨著吞吐量比例的增大,5條曲線均有不同程度的增加。這是因?yàn)橥掏铝勘壤酱?小區(qū)的剩余吞吐量越不容易滿足 Tmin要求,則收縮SFN的幾率增加。由圖6知,半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案中收縮SFN的調(diào)整概率亦不是很高,即單頻網(wǎng)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率很低。

圖6 G取不同值時(shí)收縮SFN的概率

圖7 收縮SFN時(shí)靜態(tài)組網(wǎng)與半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)平均吞吐量之比較

圖7縱軸表示系統(tǒng)達(dá)到的吞吐量與設(shè)定的 Tmin的比值。從圖7知,無論靜態(tài)組網(wǎng)還是半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)均可以滿足吞吐量性能。這是由于設(shè)定的 Tmin小于初始化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的平均吞吐量。靜態(tài)組網(wǎng)的吞吐量一直不變,所以占Tmin的比例為一個(gè)固定數(shù)值。半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)由于適當(dāng)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以吞吐量有所變化。圖中可以看出,當(dāng)有用戶從邊界小區(qū)向核心小區(qū)移動(dòng)后,半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的平均吞吐量一般情況下優(yōu)于靜態(tài)組網(wǎng)。

4 結(jié)束語

研究了SFN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)問題。通過分析靜態(tài)組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案各自的弊端,提出了一種半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案。在延展SFN時(shí),半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方式相比靜態(tài)組網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)有效覆蓋,保證吞吐量和SFN性能;相比于動(dòng)態(tài)組網(wǎng),更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概率有所降低。收縮SFN時(shí),半動(dòng)態(tài)組網(wǎng)吞吐量高于靜態(tài)組網(wǎng),且更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概率可控。方案達(dá)到了保證用戶移動(dòng)性和連續(xù)性及SFN性能的很好的折中,且更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的概率較小,更適合于實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用。

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