陳 玲

(南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

一種LTE_A系統(tǒng)下COMP下行用戶調(diào)度算法

陳 玲

(南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

在LTE_A系統(tǒng)中，應用多種協(xié)調(diào)技術(shù)來減少小區(qū)間干擾，但對邊緣用戶性能提升有限。為此，需要應用關(guān)鍵技術(shù)COMP來解決邊緣用戶性能受限的問題。COMP下行用戶調(diào)度算法已經(jīng)成為當前的研究熱點?；谙到y(tǒng)研究，提出了一種改進的LTE_A系統(tǒng)下協(xié)作多點傳輸(COMP)的下行用戶調(diào)度算法，亦即基于干擾最小的調(diào)度算法，根據(jù)剩余用戶的調(diào)度因子來選擇用戶，確保被調(diào)度的用戶之間干擾較小并且自身信道增益較高,能獲得較大的吞吐量。該算法不僅將用戶之間的相關(guān)性最小和吞吐量最大的特點相結(jié)合，而且避免了大量的計算。仿真結(jié)果表明，所提出的算法與PF調(diào)度算法相比較在吞吐量和相關(guān)性上得到了進一步的優(yōu)化，系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

協(xié)作多點傳輸；基于干擾最小調(diào)度；相干性；吞吐量

0 引 言

在LTE_A系統(tǒng)中，雖然使用干擾隨機化、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)來減少小區(qū)間干擾，但對邊緣用戶性能提升有限。因此，提出用關(guān)鍵技術(shù)COMP[1-3]來解決邊緣用戶性能受限的問題。COMP通過小區(qū)間協(xié)作來避開干擾信號或是將干擾信號變?yōu)橛杏眯盘杹硖岣哂脩粜阅?，而用戶調(diào)度直接決定著系統(tǒng)性能，因此COMP中的用戶調(diào)度算法[4-6]已成為研究熱點之一。

在傳統(tǒng)的LTE單小區(qū)中，通常一個資源塊上最多只能調(diào)度2個用戶，資源利用率低[7-8]。在COMP中，涉及到多個小區(qū)，為了有效利用頻譜資源，可以在一個調(diào)度時隙上同時調(diào)度多個小區(qū)的多個用戶[9]。因此，在COMP用戶調(diào)度時，必須考慮多小區(qū)多用戶間的干擾[10-12]。不同的調(diào)度算法[13-15]具有不同的算法復雜度、公平性和吞吐量，因此主要討論COMP下行鏈路用戶基于信道干擾方面調(diào)度算法的改進。

文獻[16]研究了Co-SINR-BJ算法，該算法根據(jù)信道相關(guān)因子之和最小的準則來選擇配對用戶。算法計算復雜度高，在選擇主用戶時，要先計算所有用戶的SINR，然后根據(jù)SINR最大化來選擇。但是SINR的計算，不僅要考慮用戶自身的信道情況，還得考慮其他用戶對此用戶的干擾，因此計算復雜度高。

文獻[17]研究了基于弦距離的用戶調(diào)度算法，該算法每調(diào)度一個新用戶時，把用戶之間的相關(guān)性作為新調(diào)度準則的一部分，弦距離選用待調(diào)度用戶集中未被選中的單個用戶與選中用戶集信道的距離。盡可能將距離值相距最大的用戶作為下一個被調(diào)度的用戶。但是此算法每一次都要對已選用戶集構(gòu)成的聯(lián)合信道矩陣的行進行施密特正交化的理，隨著待處理用戶數(shù)目的增多，施密特正交化操作的矩陣會越來越龐大，緊接著帶來的影響便是運算復雜度的上升。

為此，提出了一種基于信道干擾最小的調(diào)度算法。根據(jù)剩余用戶的調(diào)度因子選擇用戶，確保被調(diào)度的用戶之間干擾較小和被選用戶自身信道增益較高,能獲得較大的吞吐量。該算法結(jié)合了用戶之間的相關(guān)性最小和吞吐量最大的優(yōu)點，而且避免了大量計算。仿真結(jié)果表明，算法在吞吐量和相關(guān)性上得到了進一步的優(yōu)化，性能更加優(yōu)越。

1 系統(tǒng)模型

COMP下行鏈路采用聯(lián)合傳輸，如圖1所示。

圖1 下行COMP協(xié)作場景

在聯(lián)合處理中若為非相干傳輸，UEk為小區(qū)k內(nèi)的用戶，UEk的接收信號為：

(1)

其中，Hik為小區(qū)i到用戶UEk的信道增益；wi為信道預編碼矩陣；si為小區(qū)i傳輸?shù)男盘?；n為高斯白噪聲。

UEk接收信號的信噪比為：

(2)

信道容量為：

(3)

2 基于信道干擾最小的調(diào)度算法

基于信道干擾最小的調(diào)度算法與COMP較有適用性的比例公平調(diào)度算法[16]相比較仿真部分。比例公平調(diào)度算法既考慮了系統(tǒng)吞吐量，又考慮了用戶間的速率公平性。PF算法在時刻t對滿足式(4)的用戶進行調(diào)度。

(4)

Tx(t)=

(5)

其中,Rx(t)表示用戶x在時刻t時的瞬時速率；Tx(t-1)表示用戶x在時刻t之前的平均吞吐量；Tx(t)的更新如式(5)。

由式(4)可知，調(diào)度概率正比于用戶的瞬時速率，反比于用戶近段時間內(nèi)接收的信息量。

不難發(fā)現(xiàn),PF調(diào)度算法在每次選擇新的調(diào)度用戶時都需要重新計算干擾和吞吐量,計算量較大;當UE數(shù)量增加時,計算量驟增。

基于信道干擾最小的調(diào)度算法在用戶集中選出吞吐量最大的用戶作為主用戶，根據(jù)備選用戶在已調(diào)度用戶投影矩陣上等效信道范數(shù)之和最大選為配對用戶，直到已調(diào)度的用戶集吞吐量不再增大停止。

下面首先對變量進行說明。

運用投影矩陣Yj將第j個UE到M個協(xié)作小區(qū)的信道映射到已被調(diào)度的UE集U信道的零空間上，Yj[18]定義如下：

(6)

其中，‖‖2表示向量2-范數(shù)。

由式(6)可得，第一個用戶的投影矩陣為單位矩陣。

定義UEk的調(diào)度因子為：

(7)

其中，Tk表示用戶k已獲得的平均吞吐量；qk中的分子項‖HkYj‖為用戶k的信道Hk在Yj上投影后的等效信道，‖HkYj‖越大，用戶k和前面已加入用戶集的j-1個用戶的相關(guān)性越差，對其干擾越小，同時用戶k自身的信道增益越大，期望的數(shù)據(jù)速率越高。

基于信道干擾最小的調(diào)度算法的調(diào)度因子為:

(8)

具體算法可以分為5個階段，分別如下：

(1)用戶向基站反饋其與所有協(xié)作小區(qū)間的CSI等信息，M個協(xié)作小區(qū)，用戶集初始化，即Ω={1,2,…,K}，U=?，?表示空集。

調(diào)度擁有最大信道增益的用戶加入調(diào)度用戶集,逐步將與已調(diào)度用戶空間相關(guān)性最低的用戶加入用戶集。具體說來,調(diào)度用戶集是以具有最大信道增益的UE進行初始化,因為這樣的用戶在單用戶情況下獲得了最大的吞吐量。接下來在每輪調(diào)度中，在待選用戶集合中將在己調(diào)度用戶信道的零空間上有最大調(diào)度因子的用戶加入調(diào)度用戶集，即保證了與已調(diào)度用戶的相干性最小和自身信道增益較高。由于不斷加入的用戶與已調(diào)度的用戶的干擾較小并且自身信道增益較高,因而聯(lián)合調(diào)度最后能獲得較大的吞吐量，避免了大量的計算。

3 仿 真

為了評估測試改進算法的吞吐量、公平性等性能，采用Matlab系統(tǒng)級仿真平臺進行模擬仿真。

3.1 系統(tǒng)級仿真概述

系統(tǒng)仿真采用3小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)有3個扇區(qū)。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 算法仿真分析

仿真將提出的算法和PF調(diào)度算法相比較，采取變量控制方法，除了調(diào)度算法外，仿真參數(shù)都一樣。

圖2顯示了兩種調(diào)度算法的用戶吞吐量。

圖2 3小區(qū)協(xié)作集的用戶吞吐量

由圖2可知，相比PF調(diào)度算法，改進算法的吞吐量較大，曲線也較平緩，但公平性較差。采用基于信道干擾最小的調(diào)度算法的用戶能獲得較大的吞吐量。

圖3比較了兩種調(diào)度算法的平均頻譜效率。

圖3 兩種算法平均頻譜效率對比

由圖3可知，不管累積分布函數(shù)的大小，基于信道干擾最小的調(diào)度算法平均頻譜效率比PF調(diào)度算法大。兩者之間的差距由小變大再變小。

圖4比較了兩種調(diào)度算法的SINR。

圖4 兩種算法的SINR對比

由圖4可知，基于信道干擾最小的調(diào)度算法剛開始的信噪比比PF算法小，隨著累計分布函數(shù)概率越高，改進算法的信噪比比PF算法大。

4 結(jié)束語

基于Co-SINR-BJ算法、基于弦距離的用戶調(diào)度算法的計算量較大，用戶之間的相關(guān)性無法達到最小。為了改進這些缺點，在LTE COMP下行系統(tǒng)中研究并提出了一種新型的基于干擾最小調(diào)度的方案。由仿真結(jié)果可見，此算法相比PF調(diào)度算法的優(yōu)點在于用戶之間有更小的相關(guān)性和更大的吞吐量，而且避免了大量計算，提高了系統(tǒng)整體性能。

[1] Fu S,Wu B,Wen H,et al.Transmission scheduling and game theoretical power allocation for interference coordination in CoMP[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(1):112-123.

[2] Zhang X,Sun Y,Chen X,et al.Distributed power allocation for coordinated multipoint transmissions in distributed antenna systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2013,12(5):2281-2291.

[3] Huang C J,Chung G H,Chung W H,et al.Efficient interference alignment aided transceiver design for LTE-A uplink coordinated multipoint systems[C]//IEEE 24th international symposium on personal,indoor and mobile radio communications:fundamentals and PHY track.[s.l.]:IEEE,2013:1436-1440.

[4] 劉邦輝.LTE-Advanced協(xié)作多點傳輸系統(tǒng)中下行用戶調(diào)度算法研究[D].南京:南京郵電大學,2011.

[5] 鄭 晶.基于LTE及LTE-Advanced系統(tǒng)的上行調(diào)度算法研究[D].西安:西安電子科技大學,2012.

[6] 任 敏.LTE-A中的小區(qū)選擇和用戶調(diào)度算法研究[D].西安:西安電子科技大學,2010.

[7] Alqahtani S A,Alhassany M.Comparing different LTE scheduling schemes[C]//IEEE 9th international conference on wireless communications and mobile computing.[s.l.]:IEEE,2013:264-269.

[8] Ghariani T,Jouaber B.Energy consumption evaluation for LTE scheduling algorithms[C]//IEEE international symposium on network computers and communications.[s.l.]:IEEE,2015:1-5.

[9] 趙海舜,馮旭超.一種下行LTE CoMP雙門限用戶劃分方法[J].無線電通信技術(shù),2015,41(2):76-78.

[10] Fu W,Ma L,Wang C,et al.The inter-cell interference suppression algorithm based on the JP-CoMP and performance simulation[C]//International conference on advanced information networking and applications workshops.[s.l.]:[s.n.],2013:528-533.

[11] Sun S,Gao Q,Peng Y,et al.Interference management through CoMP in 3GPP LTE-advanced networks[J].IEEE Wireless Communications,2013,20(1):59-66.

[12] Lagen S,Agustin A,Vidal J.Distributed inter-cluster interference management for CoMP-based cellular networks[C]//Globecom IEEE global communications conference.[s.l.]:IEEE,2013:4204-4209.

[13] Li X,Cui Q,Liu Y.An effective scheduling scheme for CoMP in heterogeneous scenario[C]//IEEE international symposium on personal indoor and mobile radio communications.[s.l.]:IEEE,2012:870-874.

[14] Zhang Yinxiang,Hu Pengxiang.A novel coordinated scheduling algorithm for uplink CoMP systems[C]//International conference on telecommunications.[s.l.]:[s.n.],2014:241-245.

[15] Yu Jia,Zhang Qinyu,Chen Peipei,et al.Dynamic joint transmission for downlink scheduling scheme in clustered CoMP cellular[C]//IEEE/CIC international conference on communications in China (ICCC):wireless networking and applications.[s.l.]:IEEE,2013:645-650.

[16] 黃 銳.LTE-A CoMP下行用戶調(diào)度算法研究[D].重慶:重慶郵電大學,2015.

[17] 姜秀梅.LTE-A系統(tǒng)中下行用戶調(diào)度算法研究[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[18] 張銀香.協(xié)作通信技術(shù)中的調(diào)度算法研究[D].北京:北京郵電大學,2015.

An Adaptive Algorithm for COMP Downlink User Scheduling in LTE_A System

CHEN Ling

(College of Telecommunications & Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

In LTE_A system,a variety of techniques are used to reduce the coordination of inter-cell interference,but it’s limited in improvement of the edge of users’ performance.Therefore,it needs key technologies COMP to solve the problem mentioned above.COMP downlink user scheduling has become one of research hot spot.Based on systematic study,an improved scheduling algorithm of downlink users has been proposed under Coordinated Multi-Point (COMP) in the LTE_A system,which means that based on minimum interference scheduling algorithm,the users have been chosen in accordance with remaining user scheduling factor to ensure that interference between scheduled users is small and the self-channel gain is high,getting a larger throughput.This algorithm not only combines the user correlation minimum with maximum throughput,but also avoids a lot of calculations.The simulation results show that the correlation and the throughput of algorithm have been further optimized and that the performance of the system is more superior.

COMP;minimum interference scheduling based;coherence;throughput

2016-04-07

2016-08-16

時間：2017-02-17

國家自然科學基金資助項目(61372125，61401234)；江蘇省科技支撐計劃(工業(yè))(BE2013019)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程(信息與通信工程)資助項目；南京郵電大學寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室開放研究基金資助課題(NYKL201108)

陳 玲(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為LTE_A下的協(xié)作多點傳輸。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1623.014.html

TP301.6

A

1673-629X(2017)03-0189-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.040