劉 佳,郭愛(ài)煌

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海201804)

基于動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限的CoMP反饋開(kāi)銷(xiāo)優(yōu)化

劉 佳,郭愛(ài)煌

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海201804)

多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)系統(tǒng)需要用戶反饋大量的信道信息,以滿足系統(tǒng)的性能增益,但系統(tǒng)的能耗會(huì)隨著反饋開(kāi)銷(xiāo)的提升而增大。為此,設(shè)計(jì)基于動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限的反饋算法,從綠色無(wú)線系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),盡量降低系統(tǒng)的性能損失,并通過(guò)減少不必要的反饋信息,避免協(xié)作節(jié)點(diǎn)間不必要的交互信息,在系統(tǒng)性能和能耗之間取得較好平衡,提高系統(tǒng)的能量效率。仿真結(jié)果表明,與固定SNR門(mén)限反饋算法和不采用選擇性反饋的情況相比,該算法能在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下,有效降低系統(tǒng)的反饋開(kāi)銷(xiāo),實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的目標(biāo)。

多點(diǎn)協(xié)作;能耗;反饋開(kāi)銷(xiāo);選擇性反饋;動(dòng)態(tài)門(mén)限;平均反饋鏈路數(shù)量

1 概述

作為L(zhǎng)TE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一,多點(diǎn)協(xié)作(Coordinated Multi-point,CoMP)技術(shù)是基于各協(xié)作基站對(duì)用戶數(shù)據(jù)信息和信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)不同程度的共享,通過(guò)小區(qū)間基站的協(xié)作將原本來(lái)自相鄰小區(qū)的干擾信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯畔1-2]。然而在CoMP系統(tǒng)中,用戶需要反饋大量的信道狀態(tài)信息,且節(jié)點(diǎn)間需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交流[3],這無(wú)疑對(duì)回程網(wǎng)絡(luò)的容量提出了更高的要求,增大了額外的數(shù)據(jù)傳輸量,造成了網(wǎng)絡(luò)能耗的進(jìn)一步增加[4]。

國(guó)內(nèi)外的研究表明,影響CoMP系統(tǒng)能耗的根本因素是基站協(xié)作傳輸帶來(lái)的額外信息交互[5]。系統(tǒng)的反饋方案不但直接影響到系統(tǒng)的反饋開(kāi)銷(xiāo),還與系統(tǒng)的回程開(kāi)銷(xiāo)有密切聯(lián)系[6]。因?yàn)镃oMP技術(shù)是基于相鄰小區(qū)基站對(duì)用戶數(shù)據(jù)信息和信道狀態(tài)信息CSI不同程度的共享來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而下行CSI需要用戶反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。

文獻(xiàn)[8]提出了選擇性反饋(selective feedback)的概念,選擇性反饋是指在CoMP系統(tǒng)中,當(dāng)用戶與某基站的鏈路質(zhì)量較差時(shí),用戶不需要反饋該鏈路的下行信道狀態(tài)信息。這樣用戶只需要反饋質(zhì)量較好的鏈路信息,從而在盡量減小CoMP性能損失的前提下,有效地減少反饋開(kāi)銷(xiāo)。

目前關(guān)于CoMP反饋機(jī)制的研究大多是對(duì)系統(tǒng)性能的提升,而很少有對(duì)能耗的關(guān)注[9]。本文提出一種基于動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限的CoMP反饋算法,以有效降低系統(tǒng)能耗。

2 減小反饋開(kāi)銷(xiāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 選擇性反饋系統(tǒng)模型

其中,hk=[hk1,hk2,…,hKB]T,表示第k個(gè)用戶與各個(gè)基站之間的鏈路;第2項(xiàng)表示來(lái)自其他用戶的干擾;nk表示第k個(gè)用戶接收到的高斯噪聲。

第k個(gè)用戶的SINR表示為:

假設(shè)用戶能夠獲得準(zhǔn)確的下行信道狀態(tài)信息,其中就包括了hki,i=1,2,…,B。對(duì)于第k個(gè)用戶,鏈路hki的信噪比SNR的平均值可以表示為:

其中:

2.2 基于動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限的選擇性反饋方案

對(duì)于同一SNR門(mén)限值,當(dāng)小區(qū)邊緣的平均SNR值變大時(shí),系統(tǒng)的反饋開(kāi)銷(xiāo)隨之增大。因?yàn)樾^(qū)邊緣的平均SNR越高,說(shuō)明小區(qū)邊緣的整體鏈路質(zhì)量越好,需要反饋的鏈路總數(shù)也就越多,從而系統(tǒng)的反饋開(kāi)銷(xiāo)越大。為了將反饋開(kāi)銷(xiāo)控制在一定范圍之內(nèi),選擇性反饋算法的SNR門(mén)限值應(yīng)該與小區(qū)邊緣的平均SNR值線性相關(guān)。當(dāng)小區(qū)邊緣的平均SNR值較高時(shí),預(yù)設(shè)門(mén)限值可以適當(dāng)升高,反之,則適當(dāng)降低。

據(jù)此,本文提出一種基于SNR動(dòng)態(tài)門(mén)限的選擇性反饋算法。在該算法執(zhí)行初始,小區(qū)邊緣每個(gè)用戶需要向基站反饋其所有鏈路的SNR值,eNodeB的調(diào)度器計(jì)算出平均SNR值,得出預(yù)設(shè)門(mén)限值γt=a(a為常數(shù)),然后發(fā)送給每個(gè)用戶。該反饋過(guò)程是周期性的。反饋算法如下:

算法 基于SNR動(dòng)態(tài)門(mén)限的選擇性反饋算法

3 反饋開(kāi)銷(xiāo)的定量分析

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),本文用CoMP系統(tǒng)中每個(gè)用戶反饋的鏈路數(shù)量的平均數(shù)來(lái)衡量反饋開(kāi)銷(xiāo)的大小。假設(shè)N(t)表示用戶在時(shí)隙t內(nèi)反饋的鏈路總數(shù),則反饋開(kāi)銷(xiāo)的大小表示為:

顯然,Nf(t)∈[0,B]。

反饋開(kāi)銷(xiāo)的大小是與預(yù)設(shè)的SNR門(mén)限值有關(guān)的。根據(jù)上文提出的基于SNR固定預(yù)設(shè)門(mén)限的選擇性反饋算法,現(xiàn)在推導(dǎo)它們的具體數(shù)學(xué)關(guān)系。

根據(jù)對(duì)數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型[8],用戶k與基站i之間的信道可以表示為:

其中,dki表示用戶k與基站i之間的距離;α表示路徑損耗指數(shù);β是一個(gè)常數(shù);γki表示對(duì)數(shù)正態(tài)陰影效果;Γki服從復(fù)高斯分布,表征快衰落信道;G(θ)表示基站天線的功率增益,與天線角度有關(guān)。小區(qū)邊緣的平均SNR與基站的發(fā)射功率、小區(qū)大小等因素有關(guān)[10]。在多小區(qū)場(chǎng)景下,由于不同的信道是不相關(guān)的,因此小區(qū)邊緣的總體SNR值隨著用戶的移動(dòng)而變化[11]。假設(shè)(γ)表示小區(qū)邊緣每條鏈路的平均 SNR值的累積概率分布函數(shù)(CDF),它可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布來(lái)近似模擬[12],其表達(dá)式為:

erf(x)表示誤差函數(shù),其表達(dá)式為:

如果N(t)=n,則意味著在BK個(gè)鏈路中有n個(gè)鏈路的SNR值超過(guò)了預(yù)設(shè)門(mén)限,而剩余的BK-n個(gè)鏈路的SNR值在門(mén)限之下。因此,N(t)服從二項(xiàng)分布,概率函數(shù)為:

因此,N(t)的期望值為:

式(6)可以寫(xiě)為:

將式(8)代入式(12),整理得到:

分析式(13)可知,反饋開(kāi)銷(xiāo)的大小是預(yù)設(shè)SNR門(mén)限值的單調(diào)遞減函數(shù),即預(yù)設(shè)門(mén)限值γt越大,反饋開(kāi)銷(xiāo)越小,但是這會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)較大的損失。因此,在選擇γt的大小時(shí),不能單一追求使Nf(t)達(dá)到最小值,而要考慮到反饋開(kāi)銷(xiāo)對(duì)系統(tǒng)的性能的影響。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型

仿真實(shí)驗(yàn)采用的模型是傳統(tǒng)3個(gè)小區(qū)協(xié)作簇模型[3-6],如圖1所示。具體仿真參數(shù)如表1所示。

圖1 3個(gè)小區(qū)協(xié)作簇模型

表1 具體仿真參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

在基于SNR門(mén)限值的選擇性反饋算法中,反饋開(kāi)銷(xiāo)的大小與SNR門(mén)限值有關(guān),它們的具體函數(shù)關(guān)系可以用式(13)來(lái)表示。從理論上分析,SNR門(mén)限值越大,反饋開(kāi)銷(xiāo)越小,即用戶平均反饋鏈路數(shù)量越低。然而在實(shí)際應(yīng)用中,SNR門(mén)限值的設(shè)定需要考慮到對(duì)性能帶來(lái)的損失。圖2展示了平均反饋鏈路數(shù)量與SNR門(mén)限值的關(guān)系。

圖2 用戶平均反饋鏈路數(shù)量與SNR門(mén)限值的關(guān)系

圖3展示了系統(tǒng)SNR分別等于-10 dB,0和10 dB的情況下,用戶平均反饋鏈路數(shù)量與系統(tǒng)SNR值的關(guān)系。從仿真結(jié)果可知,在SNR門(mén)限值不變的條件下,用戶平均反饋鏈路數(shù)量隨著系統(tǒng)SNR的增大而上升。

圖3 用戶平均反饋鏈路數(shù)量與系統(tǒng)SNR的關(guān)系

圖2和圖3的仿真結(jié)果表明,在設(shè)定SNR門(mén)限值的時(shí)候參考系統(tǒng)SNR的大小,從而使反饋開(kāi)銷(xiāo)和回程開(kāi)銷(xiāo)控制在一定范圍之內(nèi),避免其快速增長(zhǎng)。

圖4綜合展示了用戶平均反饋鏈路數(shù)量與SNR門(mén)限值和系統(tǒng)SNR值的二元函數(shù)關(guān)系,并對(duì)比了動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法與固定SNR門(mén)限反饋算法在減小開(kāi)銷(xiāo)方面的性能結(jié)果。

在動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法下,SNR門(mén)限值的設(shè)定需要參考系統(tǒng)SNR值的大小。在仿真實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)它們存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖4給出了SNR門(mén)限值與系統(tǒng)SNR值的比值分別為1/2和1的條件下,用戶平均反饋鏈路數(shù)量與SNR門(mén)限值和系統(tǒng)SNR值的關(guān)系。分析仿真結(jié)果可知,動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法能夠?qū)⒎答佹溌窋?shù)量控制在一定范圍之內(nèi),防止其快速增長(zhǎng)。

對(duì)比固定SNR門(mén)限反饋算法(SNR門(mén)限值= -10 dB)和動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法(圖4中K=1/ 2和K=1對(duì)應(yīng)的曲線)這3條曲線,可以得出如下2個(gè)結(jié)論:

(1)當(dāng)系統(tǒng)SNR值變大時(shí),動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法能夠在固定SNR門(mén)限反饋算法的基礎(chǔ)上,控制住用戶平均反饋鏈路數(shù)量,從而防止系統(tǒng)反饋開(kāi)銷(xiāo)和回程開(kāi)銷(xiāo)的增大。

(2)SNR門(mén)限值與系統(tǒng)SNR的比值越大,動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法在控制系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)方面表現(xiàn)越好。但是該比值不能設(shè)置得太大,因?yàn)檫@會(huì)給系統(tǒng)性能帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

圖4 動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限與固定SNR門(mén)限反饋算法的性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)CoMP系統(tǒng)的反饋方案時(shí),本文基于選擇性反饋的概念,提出了動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法。仿真結(jié)果表明,該算法相比固定SNR門(mén)限反饋算法和不采用選擇性反饋的情形,都表現(xiàn)出了更好的性能結(jié)果。動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法能夠?qū)⒂脩羝骄答佹溌窋?shù)量控制在一定范圍內(nèi),防止其快速增長(zhǎng),從而避免系統(tǒng)反饋開(kāi)銷(xiāo)和回程開(kāi)銷(xiāo)的增大。在實(shí)際場(chǎng)景下,系統(tǒng)SNR值是動(dòng)態(tài)變化的,因而動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法具有較強(qiáng)的實(shí)際意義,它能將系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)控制在一定范圍之內(nèi),而不受系統(tǒng)環(huán)境變化的影響。本文提出的動(dòng)態(tài)SNR門(mén)限反饋算法雖然能將反饋開(kāi)銷(xiāo)控制在一定范圍之內(nèi),但是其代價(jià)是計(jì)算量的增加,而且當(dāng)小區(qū)邊緣的平均SNR值較高時(shí),由于SNR門(mén)限值較高,對(duì)于某些鏈路質(zhì)量較差的用戶是不公平的,這有待進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

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編輯 任吉慧

Optimization of CoMP Feedback Overhead Based on Dynamic SNR Threshold

LIU Jia,GUO Ai-huang
(School of Electronics&Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to meet the system performance gain,CoMP system requires users to feedback a lot of the channel information.However,the energy consumption of the system also increases with the enhancement of feedback overhead. Feedback alogorithm based on dynamic SNR threshold is proposed in this paper,starting from the view of the green wireless system,achieves a good compromise between system performance and energy consumption under the premise of minimizing the performance loss to the system by reducing unnecessary feedback information,thereby reducing unnecessary cooperative interactive information between nodes,thus improve the energy efficiency of the system. Simulation results show that the proposed alogorithm can effectively reduce the feedback overhead of system compared with the fixed threshold SNR feedback alogorithm and situation which does not use selective feedback,under the system performance requirements.

Coordinated Multi-point(CoMP);energy consumption;feedback overhead;selective feedback;dynamic threshold;average feedback link number

1000-3428(2014)09-0092-04

A

TN911

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.019

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1433900);中央高校基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(0800219162)。

劉 佳(1990-),男,碩士研究生,主研方向:寬帶無(wú)線通信技術(shù);郭愛(ài)煌,教授。

2013-08-19

2013-10-29E-mail:2008liujia1990@163.com