張 梅，羅桂蘭

（大理學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，云南大理 671003）

在目前的信息化時代，人們對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率等方面的需求越來越大，而LTE-A〔1〕則作為滿足人們需求的產(chǎn)物成為了研究的熱點(diǎn)。眾所周知，通過MIMO〔2〕技術(shù)增加用戶終端的天線數(shù)量也可達(dá)到上述目的，但由于終端實(shí)現(xiàn)在尺寸、技術(shù)、造價、功耗、輻射等方面的局限性，使得實(shí)際操作困難。而協(xié)作通信技術(shù)〔3-4〕則可以通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作傳輸，擴(kuò)大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點(diǎn)、提高系統(tǒng)性能，尤其是在一些不易架設(shè)體積較大基站的場合更為有利。協(xié)作通信不僅應(yīng)用于LTE-A，其也在深空通信中得到廣泛關(guān)注，是一個很有前景的研究領(lǐng)域。

對于基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)而言，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的部署給系統(tǒng)帶來了許多新的特性，如何針對協(xié)作通信的特點(diǎn)對LTE－A協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行合理的建模就顯得尤為重要了。另外，協(xié)作通信系統(tǒng)還帶來了一系列新的參數(shù)配置，例如中繼站的數(shù)量、部署位置及發(fā)射功率等，將會對通信系統(tǒng)性能造成影響。如何選取合適的系統(tǒng)參數(shù)配置來優(yōu)化協(xié)作通信系統(tǒng)的性能，對于實(shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的意義。目前關(guān)于通信系統(tǒng)模型的研究，大部分都是關(guān)于傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)模型。近年來，隨著Adhoc網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)、LTE-A網(wǎng)絡(luò)等研究工作的開展，人們開始研究LTE-A通信系統(tǒng)模型〔5〕。后來，人們也開始研究協(xié)作通信系統(tǒng)模型〔6-7〕，此時的通信系統(tǒng)模型由B2M（基站到移動）和M2M〔8〕（移動到移動）兩部分組成。但基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)模型卻鮮少有人研究，而傳統(tǒng)的經(jīng)典協(xié)作通信系統(tǒng)模型并不能滿足LTE-A系統(tǒng)對于帶寬和載頻的需求，因此，對基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)模型進(jìn)行分析和研究將有助于理解其傳輸性能。

本文基于3GPP〔9〕定義的Case3（郊區(qū)）場景，針對Rican衰落傳播環(huán)境，提出了基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)模型，并從每小區(qū)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量、中繼節(jié)點(diǎn)的部署、發(fā)射功率的配置等方面考慮分析并仿真了中繼站數(shù)量及其發(fā)射功率對系統(tǒng)模型性能的影響。

1 基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)模型

本文對源-中繼（SR）、中繼-目的（RD）、源-目的（SD）三條鏈路均考慮擴(kuò)展的空間信道模型（SCME）〔10〕。SCEM模型的建立即在特定時間內(nèi)，認(rèn)為信道狀態(tài)處于相對穩(wěn)定，即除由子徑相位變化引起的快衰落和多普勒頻移外的其它隨機(jī)參量（功率、時延、子徑方向）不再改變。每條鏈路的信道模型可以表示為：

在該SCME模型中對于基站、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)（用戶）每對節(jié)點(diǎn)的天線之間的鏈路，用若干散射簇描述無線信道中的可分辨時延路徑，對于不可分辨時延子徑則用一些射線表征，最后在接收端疊加信號即可。為了方便分析，本文僅考慮基站、中繼節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)用戶的天線數(shù)均為2的基于LTE-Advanced的兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)模型，如圖1所示。在本文中，中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線與接收天線之間是采用AF（放大前傳）協(xié)同模式進(jìn)行發(fā)送信號。

圖1 基于LTE-Advanced的兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)模型

對于兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)模型，在此，假設(shè)第一跳和第二跳的信道矩陣傳輸過程中的噪聲假設(shè)為零均值且方差為σ2的加性高斯白源節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號。YR和YD分別為中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)發(fā)后，目的節(jié)點(diǎn)所接收到的信號，表示如下：

考慮3GPP定義的Case3場景，該場景采用包含19個基站的網(wǎng)絡(luò)模型，站間距離（ISD）為1732 m，載頻為2.0 GHz，各基站均采用3扇區(qū)方向性天線。考慮到實(shí)際通信系統(tǒng)中，LTE-A系統(tǒng)對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率的要求，本文則采用協(xié)作通信技術(shù)，在基站的各小區(qū)內(nèi)放置一定數(shù)量的中繼站來擴(kuò)大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點(diǎn)、提高系統(tǒng)性能。

中繼節(jié)點(diǎn)的位置也對協(xié)作通信系統(tǒng)的性能影響很大。因此，本文將盡量把中繼節(jié)點(diǎn)放置在小區(qū)邊緣，用以改善邊緣用戶的通信質(zhì)量。另外，為最大程度避免中繼節(jié)點(diǎn)間相互干擾，所以節(jié)點(diǎn)之間將保持一定的距離。本著實(shí)際應(yīng)用的要求，且為簡單起見，本論文僅考慮基站周圍每小區(qū)分配n(n≤4)個中繼站的情況，如圖2所示（分別考慮中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為1、2、3、4個時的情況）。

2 仿真結(jié)果與分析

眾所周知，中繼節(jié)點(diǎn)的位置部署在很大程度上影響著通信系統(tǒng)的性能。在本文中，仿真參數(shù)參照3GPP對基站、中繼站、用戶的參數(shù)配置，考慮天線配置為2×2×2的全向發(fā)射天線，中繼節(jié)點(diǎn)天線的高度為5 m，中繼站天線增益達(dá)5 dBi，且基站天線增益達(dá)14 dBi?；咎炀€的最大發(fā)射功率為46 dBm，中繼站天線的最大發(fā)射功率考慮為30 dBm和37 dBi兩種情形。

圖2 中繼節(jié)點(diǎn)的位置分布圖（數(shù)量分別為1、2、3、4）

本文仿真中，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)均位于以各小區(qū)中心為圓心，15ISD為半徑的圓上（若每小區(qū)的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下，為避免中繼站過于緊密相互干擾，一般會將其部署在半徑不同的兩個圓上，本文為簡化仿真，將不予討論此情形）。另外，我們也應(yīng)該了解在不同情形下所需采用的中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率大小。在何種情形下采用多少的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率也是我們該清楚的。協(xié)作通信系統(tǒng)的基本性能通常可由該系統(tǒng)的統(tǒng)計特性來刻畫，因而，為了便于準(zhǔn)確真實(shí)分析基于LTE-A的協(xié)作通信系統(tǒng)模型的基本性能，本節(jié)主要研究該協(xié)作通信系統(tǒng)模型在不同的條件下的用戶接入量、用戶接入鏈路信噪比的累積分布函數(shù)的特性。仿真中，假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)（用戶）采用最大比合并，則用戶兩跳接入鏈路的信噪比為：

在3GPP定義的Case3場景下仿真可得到結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 Case3場景下不同中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量時用戶接入比例

圖4 Case3用戶接入鏈路的信噪比隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化情況

圖5 發(fā)射功率為30 dBm和37 dBm時的用戶信噪比累積分布函數(shù)

從圖3可看出，隨著每小區(qū)內(nèi)部署的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，用戶的接入比例也逐漸增加。

圖4表明：在Case3場景下，隨著小區(qū)內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，越來越多的小區(qū)邊緣用戶接入鏈路，導(dǎo)致路徑損耗減少，因而，其接入鏈路的信噪比則隨之得到了改善。

圖5的仿真圖，是在Case3場景下，每小區(qū)有4個中繼節(jié)點(diǎn)的情形下仿真得到的在不同的發(fā)射功率（和）時系統(tǒng)性能的對比。從圖中可看出提高中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可以改善鏈路的信噪比。

3 結(jié)束語

本文針對LTE-Advanced（LTE-A）的高性能、協(xié)作通信在增大覆蓋范圍等方面的優(yōu)勢、MIMO技術(shù)在移動終端實(shí)現(xiàn)的局限性等，提出了一種基于LTE-A并采用擴(kuò)展的空間信道模型（SCME）法來描述的協(xié)作通信系統(tǒng)模型。在3GPP定義的Case3（郊區(qū)）場景、Rican衰落的傳播環(huán)境中，充分考慮了中繼數(shù)量、中繼位置、發(fā)射功率等參數(shù)，并對其相關(guān)統(tǒng)計特性進(jìn)行了研究與仿真分析，因而也能更趨于實(shí)際環(huán)境。并且通過仿真表明，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加有助于增加邊緣用戶的覆蓋率，發(fā)射功率的提高有助于改善鏈路性能等。但目前，協(xié)作通信領(lǐng)域的研究仍是一個熱門且開放的問題，那么，如何正確優(yōu)化中繼選擇策略和功率分配方案將是作者下一步將要研究的方向。

〔1〕吳梅,黃帆,桑林,等.協(xié)作式多點(diǎn)傳輸在LTE-Advanced系統(tǒng)中的應(yīng)用〔J〕.移動通信，2010（10）：43-47.

〔2〕Wang Chengxiang.Cooperative MIMO channel models:A survey〔J〕.Communications Magazine,2010,48(2):80-87.

〔3〕Garg Juhi,Mehta Priyanka.A Review on Cooperative Communication Protocols in Wireless World〔J〕.International Journal of Wireless&Mobile Networks,2013,5(2):107-126.

〔4〕張忠培,魏寧,史治平,等.協(xié)同無線通信導(dǎo)論〔M〕.北京:電子工業(yè)出版社，2010:1-12.

〔5〕Yao Qi,Yuan Yi,Ghazal.Comparison of the statistical properties of the LTE-A and IMT-A channel models〔C〕//Wireless Communications and Networking Conference.2012:393-398.

〔6〕Cheng Xiang,Wang Chengxiang.Cooperative MIMO Channel Modeling and Multi-Link Spatial Correlation Properties〔J〕.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012,30(2):388-396.

〔7〕張梅,羅桂蘭.基于協(xié)作中繼的VMIMO通信信道建模研究〔J〕.大理學(xué)院學(xué)報，2012,11(10):12-16.

〔8〕Shen Dongya,Chen Jie,Zhang Mei,et al.A Novel Model of the Wideband MIMO Mobile-to-Mobile Systems〔C〕//2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.2010:1428-1431.

〔9〕TR 36.814,演進(jìn)通用陸地?zé)o線接入（E-UTPA）;E-UTRA物理層方面的未來改進(jìn)〔S〕.

〔10〕TR 25.996，用于多輸入多輸出（MIMO）仿真的空間信道模型〔S〕.