李慧芹 ,周文安 ,陳 思
(1.北京郵電大學(xué)ICN&SEC中心 北京100876;2.中興通訊股份有限公司 上海 201203)
在IMT-Advanced系統(tǒng)中,為了降低小區(qū)間干擾,提高系統(tǒng)平均吞吐量,尤其是小區(qū)邊緣用戶的吞吐量,LTE-A提出了CoMP技術(shù)。CoMP是指多個地理上相互分離的傳輸節(jié)點(diǎn)共享用戶的數(shù)據(jù)信息和信道信息,多個傳輸節(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)資源分配,規(guī)避干擾或者把干擾轉(zhuǎn)化為有用信息。
根據(jù)回程的特性,CoMP的評估可分為兩個階段:第一階段假定回程特性理想,即回程時延為0,并且回程容量無限大;第二階段則考慮實際中的非理想回程,即非零時延和有限容量對CoMP技術(shù)的影響[1]。CoMP最終要經(jīng)由第二階段的測評才走向?qū)嶋H應(yīng)用,第二階段的場景為在多個eNode B間協(xié)作的Inter-eNode B CoMP,需要通過X2接口進(jìn)行信道信息、數(shù)據(jù)信息的交互。為了盡可能減少回程時延以提升CoMP性能,可以提高回程技術(shù),如采用高容量的光纖連接協(xié)作節(jié)點(diǎn);更具有研究價值的方式是尋找一種可以簡化CoMP流程、減少時延的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
目前關(guān)于CoMP架構(gòu)的研究成果主要有兩種:集中控制的中心式CoMP和信令交互式類似Mesh網(wǎng)絡(luò)的分布式CoMP[2]。中心式CoMP需要引入集中控制節(jié)點(diǎn)CU(central unit,中心單元)匯集其覆蓋范圍內(nèi)的所有信息并進(jìn)行資源的統(tǒng)一分配和調(diào)度,其容易實現(xiàn)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇和同步以及資源分配,但無疑增加了CoMP時延,同時也存在CU的瓶頸問題。分布式CoMP由eNode B各自掌握其覆蓋范圍內(nèi)的信息,服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B經(jīng)由X2接口共享信息,協(xié)商資源分配策略,但其CoMP流程復(fù)雜,X2接口的容量和時延均很大。本文提出的CoMP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是在分布式組網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上增加了協(xié)作節(jié)點(diǎn)集中控制的功能,可以簡化CoMP流程,減少eNode B間的信息交互次數(shù),從而降低時延和容量。
為了實現(xiàn)CoMP技術(shù),必須解決協(xié)作節(jié)點(diǎn)的同步問題[3]。
(1)時鐘同步
參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)同步的前提。室外節(jié)點(diǎn)可以通過GPS獲得精確同步,室內(nèi)節(jié)點(diǎn)則可以通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 (如IEEE 1588v2)獲得同步。
(2)MAC 層同步
包含兩個方面:RI(resource information,資源信息)同步和調(diào)度同步。RI包含參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)和用戶兩方面的信息,CoMP技術(shù)需要服務(wù)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)共享節(jié)點(diǎn)資源信息和待調(diào)度用戶信息。節(jié)點(diǎn)的資源信息包括節(jié)點(diǎn)的頻率、帶寬、總的可用時頻資源單元數(shù)目以及可用于協(xié)作調(diào)度的最大資源數(shù)目等;待調(diào)度用戶的信息包括用戶ID、歸屬小區(qū)ID、用戶業(yè)務(wù)QoS、用戶緩存數(shù)據(jù)量大小、用戶與CoMP協(xié)作集內(nèi)所有小區(qū)的信道質(zhì)量信息等。在不同的調(diào)度方式和CoMP性能要求下,RI所包含的信息有所區(qū)別。在進(jìn)行調(diào)度之前,協(xié)作節(jié)點(diǎn)所擁有的RI必須同步,這是制定有效的協(xié)作方案的前提。調(diào)度同步是指服務(wù)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的同步調(diào)度決策,在相同的時頻資源上向UE發(fā)送數(shù)據(jù)。一個完整的CoMP調(diào)度決策包括:CoMP類別(JP、CS/CB)、CoMP傳輸節(jié)點(diǎn)、UE配對、每一個獨(dú)立鏈路的鏈路自適應(yīng)參數(shù)(預(yù)編碼矢量、MCS等)、資源分配信息。
(3)數(shù)據(jù)同步
協(xié)作節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)的同步以及傳輸過程中的數(shù)據(jù)同步。服務(wù)節(jié)點(diǎn)經(jīng)由S1接口從核心網(wǎng)獲得數(shù)據(jù);協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)S1接口獲得數(shù)據(jù),也可以通過服務(wù)節(jié)點(diǎn)由X2接口傳輸,其數(shù)據(jù)同步要求較為寬松,下行CoMP JP中,用戶接收多個協(xié)作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以獲得分集增益,要求經(jīng)過調(diào)制、預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)在傳輸過程中保持同步。
CoMP過程中要完成兩個任務(wù):協(xié)作集(參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)的集合)的確定和協(xié)作資源的分配。
協(xié)作集的確定有兩種方式:NS(network-specific,網(wǎng)絡(luò)確定)和 UES(UE-specific,用戶確定)[4]。NS 方案是預(yù)先把網(wǎng)絡(luò)中的各個小區(qū)劃分為不相交的協(xié)作集,一般由地理上毗鄰的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,該方案容易實現(xiàn),但是靈活性不足,系統(tǒng)性能提升空間較小。UES方案是用戶根據(jù)一定的準(zhǔn)則選擇為自己服務(wù)的協(xié)作集,這些準(zhǔn)則可以從RSRP、信號時延、協(xié)作節(jié)點(diǎn)負(fù)載等方面考慮[5,6],可以獲得較優(yōu)的系統(tǒng)性能,但會增加協(xié)作集選擇和資源分配的復(fù)雜度。
資源分配是在有效規(guī)避資源沖突的前提下,為中心用戶和邊緣用戶分配滿足其性能要求的時頻資源,同時盡可能提高資源的利用率。通常把整個資源劃分為為邊緣用戶服務(wù)的CoMP頻帶和為中心用戶服務(wù)的非CoMP頻帶。
由以上分析可知,CoMP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)同步資源信息、調(diào)度信息以及數(shù)據(jù)信息,同時不依賴于具體方案的信息交互框架和流程,支持不同的協(xié)作集選擇和資源分配方案。
為了保證協(xié)作節(jié)點(diǎn)的同步,完成節(jié)點(diǎn)選擇和資源分配,CoMP網(wǎng)絡(luò)需要與之對應(yīng)的功能實體。參考文獻(xiàn)[7]提出了CCE (coordination control entity,協(xié)作控制實體)和CoMP SGW(CoMP serving gateway,CoMP服務(wù)網(wǎng)關(guān))兩個邏輯上的概念。CCE用于資源聯(lián)合調(diào)度,為協(xié)作小區(qū)分配相同的無線資源;CoMP SGW負(fù)責(zé)多個eNodeB的CoMP數(shù)據(jù)同步傳輸。這兩個邏輯實體在不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中有不同的體現(xiàn)形式。
中心式和分布式以及本文提出的改進(jìn)型分布式3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以各自的方式滿足CoMP技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新要求。假定采用相同的協(xié)作集選擇方案和資源分配框架,分析3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的CoMP流程。
用戶確定協(xié)作集方案有較強(qiáng)的靈活性和較優(yōu)的性能,本文基于此方案為3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計CoMP流程,首先要解決資源分配沖突問題。本文架構(gòu)是基于CoMP JP設(shè)計的,因為CoMP JP的性能優(yōu)于CoMP CS/CB,且對原有系統(tǒng)流程的修改較大,對其的研究更具有參考性。
中心式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,CCE和CoMP SGW的功能由新增實體CU完成。CU位于接入網(wǎng)中,集中控制其覆蓋下所有 eNode B的資源和調(diào)度[2,8],可以獲得較優(yōu)的 CoMP性能,但是破壞了LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的扁平化結(jié)構(gòu)。CU與eNode B通過S1接口連接,若干個相鄰的eNode B匯集到一個CU,該CU經(jīng)由S1接口連接到核心網(wǎng)。CU在進(jìn)行局部資源調(diào)度時,相鄰CU控制邊緣處的UE資源分配可能出現(xiàn)沖突,可通過S1接口進(jìn)行交互,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。
CU集中控制所有的信息進(jìn)行中心式調(diào)度,選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行資源分配,資源信息、調(diào)度信息和數(shù)據(jù)信息的同步易于實現(xiàn),CoMP流程如圖2所示。假定為UE1進(jìn)行協(xié)作的是CU1下的兩個eNode B:eNode B1和eNode B2。
·CU集中控制其覆蓋范圍內(nèi)的資源,需要eNode B 1和eNode B 2周期性上報資源信息,包括頻率、帶寬、總的可用時頻資源、可用于協(xié)作調(diào)度的時頻資源、小區(qū)的負(fù)載狀況、待調(diào)度的UE的ID以及所屬服務(wù)小區(qū)的ID等。
·當(dāng)eNode B 1收到UE1的CoMP請求后,向其所屬CU1發(fā)送CoMP請求信息,包括請求CoMP的服務(wù)小區(qū)ID、UE的ID、UE業(yè)務(wù)承載信息、UE的信道測量報告。
·CU1收到eNode B 1的CoMP請求信息后,根據(jù)范圍內(nèi)所有eNode B的上報信息選擇最優(yōu)的協(xié)作eNode B,此處為 eNode B 1。
·CU1向eNode B 1發(fā)送CoMP指令,包括需要協(xié)作的eNode B的ID、需要服務(wù)的UE的ID、服務(wù)小區(qū)ID、UE業(yè)務(wù)承載信息。
·eNode B 1收到CoMP指令后給予響應(yīng),表示已獲知該協(xié)作事件。
·CU1制定資源分配方案,即選擇在哪一時頻資源上為UE1服務(wù),并把制定的方案傳輸給eNode B 1和eNode B 2執(zhí)行。
·SGW向CU 1發(fā)送UE的CoMP數(shù)據(jù),CU1進(jìn)行調(diào)制、聯(lián)合預(yù)編碼等數(shù)據(jù)處理后,把數(shù)據(jù)信息和同步信息發(fā)送給eNode B 1和eNode B 2。
·由相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)同時向UE1同步發(fā)送數(shù)據(jù)信息進(jìn)行CoMP JP。
由以上CoMP流程可知,中心式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的CU根據(jù)匯集的信息制定局部最優(yōu)的用戶確定的節(jié)點(diǎn)選擇方案和資源分配方案,進(jìn)行聯(lián)合資源調(diào)度和數(shù)據(jù)聯(lián)合預(yù)編碼,可以獲得較優(yōu)的CoMP性能,且易于進(jìn)行同步控制。但CU需要處理大量的信息,當(dāng)請求CoMP的UE數(shù)量很多時,瓶頸問題便凸顯出來,需要CU具有較強(qiáng)的性能;與此同時,增加了信息傳輸?shù)奶鴶?shù),加上信息處理時間,不可避免地增大了CoMP時延。
分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)沿用了LTE扁平化結(jié)構(gòu),eNode B間采用Peer-to-Peer的組織形式,每個eNode B均具有CCE和CoMP SGW的功能,自行處理其管轄范圍內(nèi)的資源分配和調(diào)度,并通過X2接口的信令交互達(dá)成一致并保持同步。其架構(gòu)如圖3所示。
CoMP協(xié)作集可由以下步驟確定。
·UE向服務(wù)eNode B反饋CoMP測量集 (支持RRM測量,在R8中已經(jīng)存在)中所有小區(qū)的RSRP,服務(wù)eNode B據(jù)此決定CoMP報告集并告知UE;
·UE測量CoMP報告集中所有小區(qū)的CSI,服務(wù)eNode B獲得反饋后,決定CoMP協(xié)作集。通過逐步縮小UE測量范圍、增強(qiáng)測量精度,確定了CoMP協(xié)作集。
為了保證CoMP過程中的同步并制定資源分配方案,協(xié)作的eNode B經(jīng)由X2接口進(jìn)行信令交互。CoMP流程如圖4所示,假定協(xié)作eNode B的數(shù)據(jù)經(jīng)由S1接口獲得。
·服務(wù)eNode B收到UE的CoMP請求后,向CoMP協(xié)作集中的候選協(xié)作eNode B發(fā)送CoMP請求信息,包括UE的ID、請求CoMP的服務(wù)小區(qū)ID、UE業(yè)務(wù)承載信息(與UE業(yè)務(wù)承載相關(guān)的信息和E-RAB信息)、小區(qū)資源信息請求、CoMP傳輸模式(如JP、CS/CB)、UE上下文等相關(guān)信息。
·收到CoMP請求信息后,候選協(xié)作eNode B向服務(wù)eNode B發(fā)送響應(yīng)信息,包括小區(qū)資源信息響應(yīng),即根據(jù)CoMP請求中配置的報告周期向服務(wù)eNode B周期性報告其資源使用情況;接受/拒絕信息,即根據(jù)自身情況決定是否參與本次CoMP。
·若候選協(xié)作eNode B接受本次CoMP請求,則服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B通過X2接口就資源分配、傳輸參數(shù)進(jìn)一步協(xié)商。服務(wù)eNode B根據(jù)UE反饋的測量結(jié)果對UE進(jìn)行資源調(diào)度,確定聯(lián)合傳輸參數(shù)并向協(xié)作eNode B傳遞下述信息:資源分配信息,即分配給CoMP UE下行物理資源的相關(guān)信息,包括PRB的位置、數(shù)目等;物理層傳輸參數(shù),包括預(yù)編碼矩陣標(biāo)志/秩標(biāo)志(PMI/RI)、調(diào)制編碼方案、傳輸模式(如單用戶多入多出系統(tǒng)、多用戶多入多出系統(tǒng)、開環(huán)/閉環(huán)、分集/復(fù)用等)、天線端口號、同步信息、與資源分配信息相對應(yīng)的傳輸參數(shù);UE上下文等相關(guān)信息。
·協(xié)作eNode B根據(jù)自身情況接受本次資源調(diào)度、傳輸參數(shù)方案,并給予響應(yīng)(也有可能存在資源分配沖突問題,需要進(jìn)一步協(xié)商)。
·SGW同時向服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B發(fā)送CoMP數(shù)據(jù)。
·服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B根據(jù)已協(xié)商好的方案進(jìn)行調(diào)制、編碼等數(shù)據(jù)處理。
·服務(wù)eNode B向協(xié)作eNode B發(fā)送同步信令,控制數(shù)據(jù)的同步傳輸。
·服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B向用戶同步發(fā)送數(shù)據(jù)。
由于沒有信息的匯集和集中處理,經(jīng)由X2接口進(jìn)行兩方面的協(xié)商:候選協(xié)作eNode B是否愿意協(xié)作、資源分配方案。由于候選協(xié)作eNode B自身負(fù)荷較大、存在資源沖突等原因,協(xié)商可能不止一次,從而增大了回程容量和時延,影響了CoMP性能。
本文提出的改進(jìn)型分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可通過一定程度的集中控制來減少分布式中的信息交互次數(shù)。S-GW增加了CoMP SGW功能,控制CoMP數(shù)據(jù)的同步,對協(xié)議棧有所修改。所有eNode B均有執(zhí)行CCE功能的能力。在進(jìn)行資源調(diào)度時,服務(wù)eNode B處于控制地位,收集候選協(xié)作eNode B的資源信息,制定調(diào)度決策傳給協(xié)作eNode B執(zhí)行而無需協(xié)商,eNode B間的控制方式由分布式中的Peer-to-Peer方式變成主從(master-slave)方式。
CoMP SGW增加同步協(xié)議SYNC進(jìn)行內(nèi)容同步和分組丟失檢測,同時也需要修改eNode B側(cè)的接入?yún)f(xié)議棧,修改后的協(xié)議棧設(shè)計如圖5所示。SYNC同步協(xié)議控制CoMP數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)経E側(cè),滿足CoMP JP時UE同步獲得多個協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的要求。
CoMP協(xié)作集的確定方法與分布式架構(gòu)相同。為了避免CoMP過程中協(xié)作eNode B收到不同的服務(wù)eNode B的調(diào)度指示而產(chǎn)生資源沖突,假定CoMP協(xié)作集不發(fā)生重疊,可以讓協(xié)作eNode B在同一時刻只由一個服務(wù)eNode B控制,或者通過劃分不同的頻段來區(qū)分不同的協(xié)作集。相應(yīng)的CoMP流程如圖6所示。
·收到UE的CoMP請求時,服務(wù)eNode B發(fā)送的CoMP請求信息只需要包括資源信息請求和配置的報告周期。
·協(xié)作eNode B向服務(wù)eNode B周期性反饋其資源信息使用情況,包括其包含的各節(jié)點(diǎn)的頻率、帶寬、總的可用時頻資源、可用于協(xié)作調(diào)度的資源等。
·服務(wù)eNode B制定調(diào)度方案并傳給協(xié)作eNode B。調(diào)度方案包括:調(diào)度的UE的ID、請求CoMP的服務(wù)小區(qū)ID、資源分配信息、物理層傳輸參數(shù)、調(diào)制編碼方案、CoMP傳輸模式、天線端口號、同步信息、與資源分配信息相對應(yīng)的傳輸參數(shù)。
·協(xié)作eNode B收到調(diào)度方案后,向服務(wù)eNode B發(fā)送一個調(diào)度響應(yīng),表示已獲知調(diào)度決策,保證調(diào)度的同步。
·CoMP SGW同時向服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B發(fā)送CoMP數(shù)據(jù)。
·服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B各自進(jìn)行調(diào)制、編碼等數(shù)據(jù)處理。
·CoMP SGW向服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B發(fā)送同步信令,在eNode B進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時即可發(fā)送,同步信令發(fā)送時間可計入eNode B數(shù)據(jù)處理時間,從而可忽略不計。
·服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B向用戶同步發(fā)送數(shù)據(jù)。
改進(jìn)型分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的CoMP流程與分布式類似,但是不需要協(xié)商,減少了不成功協(xié)商占用的回程容量和時延;數(shù)據(jù)的同步由CoMP SGW控制,可與eNode B數(shù)據(jù)處理并行,從而減少時延。但是服務(wù)eNode B的調(diào)度決策對于協(xié)作eNode B來說不一定是較優(yōu)的,會損害協(xié)作eNode B的效益,由于同一個eNode B可以兼?zhèn)浞?wù)eNode B和協(xié)作eNode B的角色,這樣整體來說每個eNode B的效益是公平的,但有可能使資源不能實現(xiàn)優(yōu)化配置。
3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能比較如下。
(1)對LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響
·中心式:增加了匯集點(diǎn)CU。
·分布式:不需要增加網(wǎng)元,eNode B需具有CCE和CoMP SGW的功能。
·改進(jìn)型分布式:不需要增加網(wǎng)元,eNode B需具有CCE功能,SGW增強(qiáng)為CoMP SGW,需要修改協(xié)議棧。
(2)調(diào)度的制定,同步的保證
·中心式:CU收集其覆蓋范圍內(nèi)的所有eNode B信息,進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度;控制協(xié)作eNode B的同步。
·分布式:eNode B自治,通過信令交互協(xié)商調(diào)度決策,保證節(jié)點(diǎn)同步。
·改進(jìn)型分布式:服務(wù)eNode B根據(jù)協(xié)作eNode B的資源信息制定調(diào)度決策,不需要協(xié)商;CoMP SGW保證協(xié)作CoMP數(shù)據(jù)的同步。
(3)CoMP 時延來源
·中心式:CU的路由時間、處理和計算時間。
·分布式:分布式協(xié)商的多次信令交互。
·改進(jìn)型分布式:服務(wù)eNode B和協(xié)作eNode B的信令交互,但次數(shù)少于分布式。
(4)回程容量來源
·中心式:CU覆蓋范圍內(nèi)所有eNode B資源信息的收集、調(diào)度結(jié)果的傳輸。
·分布式:多次信令交互所包含的資源信息、調(diào)度決策。
·改進(jìn)型分布式:與分布式相同,但交互次數(shù)和交互所攜帶的信息量少于分布式。
(5)總性能
·中心式:系統(tǒng)性能局部最優(yōu),但增加了成本和CoMP時延。
·分布式:信令交互次數(shù)以及每次交互的信息量較多,CoMP性能受限于X2接口的容量和時延。
·改進(jìn)型分布式:服務(wù)eNode B獲得少量信息進(jìn)行獨(dú)立決策,減少X2時延和容量。
由上述分析可知,改進(jìn)型分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)了服務(wù)eNode B的控制功能,從而簡化了中心式中CU的處理,減少了分布式中信息交互的次數(shù),由此簡化了CoMP流程,減少了回程容量和時延。
本文闡述了CoMP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)狀,分析了CoMP技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新要求以及CoMP要完成的任務(wù)。綜合中心式和分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),提出了改進(jìn)型分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3種架構(gòu)的比較結(jié)果表明,改進(jìn)型分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可簡化CoMP流程,降低時延,但是服務(wù)eNode B的獨(dú)立調(diào)度決策可能使資源不能得到較優(yōu)配置,降低了頻譜效率,如何在此架構(gòu)下提高資源利用率是未來研究的重點(diǎn)。
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