王一丹 冀保峰,* 韓瑽琤(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 河南 洛陽 4703)(中科院大氣物理所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 0009)

0 引 言

近年來，人們對(duì)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)，當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)已難以滿足千兆水平的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量[1]。為了滿足無線通信中業(yè)務(wù)量大幅度增加的需求(即2020年的數(shù)據(jù)速率與2010年相比要提升1 000倍[2])，5G系統(tǒng)的研究迫在眉睫。其中大規(guī)模多輸入多輸出MIMO(Multiple Input and Multiple Output)天線技術(shù)可使頻譜效率提高10至20倍[3]，而融合毫米波通信技術(shù)的蜂窩網(wǎng)可提供超過100 MHz的頻率帶寬。然而大規(guī)模MIMO和毫米波通信技術(shù)會(huì)大大降低蜂窩覆蓋面積。因此，超密集網(wǎng)絡(luò)UDNs(Ultra Dense Networks)為該問題的解決提供了有效方案，而超密集網(wǎng)絡(luò)的多層覆蓋使得有線回程的部署成本劇增，且超密集多小區(qū)間的干擾加劇。因此超密集網(wǎng)絡(luò)的回程傳輸和干擾管理成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠有效共享網(wǎng)絡(luò)資源，使得密集異構(gòu)覆蓋場(chǎng)景成為5G系統(tǒng)的主流場(chǎng)景之一[4]。因此為了實(shí)現(xiàn)千兆(Mbit/s)每秒的無線傳輸速率，聯(lián)合中繼、小小區(qū)等節(jié)點(diǎn)部署的UDN架構(gòu)即為超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。通過利用更小和更多的特定小區(qū)，該網(wǎng)絡(luò)可更有效地滿足用戶需求，并提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量[5-9]。

圖1 典型的超密集網(wǎng)絡(luò)

目前，超密集網(wǎng)絡(luò)回程方案的研究受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[10]中，Coldrey等提出高頻微波回程是非視距NLOS(Non Line of Sight)環(huán)境下超密集小小區(qū)回程鏈路的可行的解決方案，并基于仿真和測(cè)量結(jié)果得出無線回程方案是超密集網(wǎng)絡(luò)的正確選擇。在此基礎(chǔ)上，Ge等[11]在兩種典型UDN回程場(chǎng)景下的不同頻帶對(duì)回程網(wǎng)絡(luò)能效的影響進(jìn)行了分析，表明分布式解決方案比集中式解決方案更有優(yōu)勢(shì)且適合未來的5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但諸多方案需要宏基站MBS(Macrocell Base Station)或特定SBS進(jìn)行信源到目的端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，該方案在傳輸過程中存在較大的路徑損耗，易導(dǎo)致誤碼率增大。而且，當(dāng)兩個(gè)用戶距離較近時(shí)，用戶間可通過藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)直接通信；而當(dāng)兩個(gè)用戶距離較遠(yuǎn)時(shí)，不能直接通信。使用設(shè)備到設(shè)備D2D(device-to-device)的通信功能是可以通信的，就是允許兩個(gè)相近的設(shè)備在沒有基站(BS)涉及或受限于BS的情況下在許可的蜂窩帶寬中彼此通信。這顯然是與傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)的戲劇性偏離[12]。

因此本文為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低系統(tǒng)誤碼率，提出UDN中D2D通信的新協(xié)議設(shè)計(jì)。所提的方案與現(xiàn)有用戶間通信技術(shù)相比其優(yōu)點(diǎn)包括：與現(xiàn)有超高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)兼容的前提下(如IEEE 802.11AJ/AC)，當(dāng)存在較多基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)密集覆蓋時(shí)，用戶間可通過多跳中繼來實(shí)現(xiàn)通信而不需MBS的轉(zhuǎn)發(fā)，從而使信源到目的端的數(shù)據(jù)傳輸更高效，該方案尤其適用于無法關(guān)聯(lián)到宏基站的情況。

由于未來通信系統(tǒng)超高速率的要求，使得小區(qū)之間距離較近，且用戶間的通信通常采用毫米波頻段，從而可大幅度地提升用戶間的通信速率。IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)是第五代Wi-Fi協(xié)議，文獻(xiàn)介紹了該標(biāo)準(zhǔn)中新引入的多用戶MIMO及傳輸機(jī)會(huì)(TXOP，Transmission Opportunity)共享等傳輸機(jī)制[13-14]，文獻(xiàn)[15]又進(jìn)一步比較了該技術(shù)下的動(dòng)靜態(tài)帶寬接入機(jī)制，結(jié)果表明超密集網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制的性能要優(yōu)于靜態(tài)帶寬機(jī)制。本文所研究的新一代通信技術(shù)為IEEE 802.11aj，即根據(jù)中國的毫米波頻段而制定的下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[16]對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)下的45 GHz信道的分布和性能進(jìn)行了介紹，從中可知引入毫米波機(jī)制的無線局域網(wǎng)，其系統(tǒng)容量等性能得以大幅度提升。本文研究了用戶間通信方案的毫米波動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制，并對(duì)其性能與傳統(tǒng)Wi-Fi進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比和分析。

1 系統(tǒng)模型

在UDN場(chǎng)景中采用大規(guī)模MIMO和毫米波通信技術(shù)是未來5G網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)之一。本文首先介紹兩種UDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來分析5G無線回程網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

1.1 集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。假設(shè)一個(gè)MBS位于宏小區(qū)的中央，SBS均勻分布在宏小區(qū)中，且SBS具有相同的傳輸功率和覆蓋面積。從圖2可以看到，小小區(qū)的業(yè)務(wù)量通過毫米波通信鏈路傳送到MBS，然后在MBS中聚合的回程業(yè)務(wù)量通過光纖到小區(qū)(FTTC)鏈路被轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)絡(luò)。S1和X2這兩個(gè)邏輯接口在集中式架構(gòu)中用于轉(zhuǎn)發(fā)回程業(yè)務(wù)量。S1可看作是從先行網(wǎng)關(guān)到MBS用戶數(shù)據(jù)的一根饋線，先行網(wǎng)關(guān)是核心網(wǎng)絡(luò)的入口。X2使交互信息能夠在小小區(qū)之間交換。

圖2 無線回程網(wǎng)絡(luò)的集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。與圖2的集中式架構(gòu)相比，沒有MBS去收集來自小小區(qū)的所有回程業(yè)務(wù)量，回程業(yè)務(wù)量被傳送到特定的SBS。假設(shè)圖3所有的SBS均勻分布在給定區(qū)域中，SBS的回程業(yè)務(wù)量通過使用毫米波通信傳送到相鄰的SBS。來自相鄰SBS的所有回程業(yè)務(wù)量會(huì)被合作轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)特定的SBS，該特定的SBS通過FTTC鏈路連接到核心網(wǎng)絡(luò)，其中S1和X2的功能在分布式和集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中是相同的。

圖3 無線回程網(wǎng)絡(luò)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 UDN中D2D通信的高效傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

UDN的集中式和分布式解決方案可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離回程傳輸，且用戶間的信息傳輸需通過MBS或特定的SBS轉(zhuǎn)發(fā)，這將大幅度降低系統(tǒng)吞吐量。尤其當(dāng)重疊覆蓋的密集小小區(qū)增多時(shí)，高頻傳輸?shù)暮撩撞ㄍㄐ胖袛喔怕蕰?huì)急劇增大。因此，為了解決該問題，本文提出了用戶設(shè)備間通信的增強(qiáng)方案。采用所提方案進(jìn)行傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量無需宏基站或特定小小區(qū)基站轉(zhuǎn)發(fā)給核心網(wǎng)絡(luò)，可直接從信源用戶通過多跳中繼傳輸至目的用戶。

所提方案通過對(duì)接入點(diǎn)AP(Access Point)的信標(biāo)幀和用戶的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求等幀中的能力元素進(jìn)行修改，在兼容現(xiàn)有無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實(shí)現(xiàn)UDN中多個(gè)基本服務(wù)BSS(Basic Service Set)集覆蓋的用戶間多跳傳輸方法，提高了用戶的服務(wù)質(zhì)量。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：UDN中定義IEEE 802.11ac中管理幀的子類型，即定義其信標(biāo)幀中的信息元素字段中的甚高吞吐量VHT(Very High Throughput)能力元素的預(yù)留字段B30-B31中的B30或B31作為用戶設(shè)備間是否具有直接通信能力的標(biāo)記，編碼“1”為具備該能力，編碼“0”則不具備該能力。IEEE 802.11ac中信標(biāo)幀的能力元素結(jié)構(gòu)如圖4所示，B0-B31共32個(gè)比特位，其中B0-B29的比特位是IEEE 802.11ac已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的字段。本方案在兼容已有協(xié)議的前提下，對(duì)預(yù)留比特位B30-B31賦予“直接通信”能力標(biāo)示，可有效實(shí)現(xiàn)UDN中D2D的直接通信。圖4為每個(gè)字段下的數(shù)字表示所占的比特位數(shù)目，例如B0-B1標(biāo)示的“最大MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU(MAC Protocol Data Unit)長度”包含B0和B1共2個(gè)比特位。

圖4 802.11ac中信標(biāo)幀的能力元素結(jié)構(gòu)

當(dāng)信源設(shè)備A和目的設(shè)備B之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，兩用戶設(shè)備間有多個(gè)BSS，用戶間的D2D通信采用如下方法：

發(fā)送設(shè)備A通過其所關(guān)聯(lián)的接入點(diǎn)AP發(fā)送的信標(biāo)幀來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并向所關(guān)聯(lián)的AP發(fā)送含有目標(biāo)設(shè)備B地址信息的數(shù)據(jù)，其中信標(biāo)幀中包含指示D2D直接通信能力的比特信息，即識(shí)別B30或B31的比特位，用戶的關(guān)聯(lián)幀也包含具備該能力的VHT能力元素。

AP收到該數(shù)據(jù)后，將其所在BSS存儲(chǔ)的用戶地址信息與接收數(shù)據(jù)中目標(biāo)用戶B的地址信息進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)用戶B；如果匹配失敗，則攜帶發(fā)送用戶A數(shù)據(jù)的AP將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其周圍具有直接通信能力的AP，用上述的地址匹配方法繼續(xù)進(jìn)行匹配。

在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)，如果匹配成功，匹配成功的AP逐級(jí)向上一級(jí)AP回傳結(jié)束通信的指令，直至反饋給發(fā)送用戶A；接收到結(jié)束通信指令的AP向其他其已發(fā)送數(shù)據(jù)的下一級(jí)AP發(fā)送結(jié)束通信的指令，直至所有攜帶上述數(shù)據(jù)的AP都結(jié)束通信；如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)一直沒有匹配成功，則逐級(jí)向上一級(jí)AP反饋匹配失敗的信息，直至反饋給發(fā)送用戶A，并丟棄匹配失敗的數(shù)據(jù)。

接入站點(diǎn)AP同時(shí)接收到多個(gè)AP發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，按設(shè)定的順序依次進(jìn)行地址匹配。

按照本方案所提方法可以大大減小切換開銷，同時(shí)由于路徑損耗比較小，因此所產(chǎn)生的誤碼率也隨之降低。

3 毫米波通信的增強(qiáng)方案

本文所提的UDN中D2D通信的高效傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)可適用于IEEE 802.11ac協(xié)議和IEEE 802.11aj協(xié)議等無線局域網(wǎng)協(xié)議。近年研究的IEEE 802.11ac協(xié)議的動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制吞吐量性能要遠(yuǎn)優(yōu)于靜態(tài)帶寬機(jī)制。本文重點(diǎn)考慮在所提方案中引入IEEE 802.11aj毫米波動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)Wi-Fi等Sub-6 GHz頻帶傳輸?shù)男阅苓M(jìn)行比較和分析。

IEEE 802.11aj任務(wù)組的主要任務(wù)是根據(jù)中國的毫米波頻段制定下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文所提方法需用IEEE 802.11aj協(xié)議進(jìn)行通信。IEEE 802.11aj標(biāo)準(zhǔn)分為60 GHz與45 GHz兩個(gè)頻段，60 GHz頻段標(biāo)準(zhǔn)要求與已存在標(biāo)準(zhǔn)后向兼容，而45 GHz頻段上不存在已有設(shè)備，因此不需要考慮兼容性問題。

為滿足寬帶無線接入系統(tǒng)頻率使用需求，中國開放了42.3～47.0 GHz和47.2～48.4 GHz頻段用于發(fā)展本國寬帶無線接入，支持540 MHz和1 080 MHz信道帶寬[17]。圖5和圖6所示分別為這兩種信道的頻譜分配。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制與靜態(tài)帶寬機(jī)制相比，可同時(shí)使用主信道和次信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更好地利用了信道。但也存在著缺陷，例如當(dāng)主信道繁忙時(shí)，次信道不可用。因此在毫米波動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制中，由于45 GHz頻段不需要考慮設(shè)備的前向兼容性，可以在主信道繁忙時(shí)，將數(shù)據(jù)接入次信道進(jìn)行傳輸。從而可大幅度提高頻譜利用率。

圖5 IEEE 802.11aj 540 MHz信道l

圖6 IEEE 802.11aj 1 080 MHz信道

4 仿真結(jié)果分析

本節(jié)將通過MATLAB軟件環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所提方法與已有方法的性能差異，突出了所提方案的優(yōu)勢(shì)。

4.1 UDN中D2D通信的優(yōu)勢(shì)

分布式解決方案已經(jīng)在一定程度上能改善了通信質(zhì)量，但仍存在轉(zhuǎn)發(fā)開銷的問題。本文提出UDN中D2D通信的新方法，能解決轉(zhuǎn)發(fā)開銷的問題，降低誤碼率，進(jìn)一步提高通信質(zhì)量。

本節(jié)采用最小均方誤差MMSE(Minimum Mean Square Error)預(yù)編碼方法，對(duì)所提方案與集中式方案和分布式方案進(jìn)行仿真比較。仿真頻段為45 GHz毫米波頻段，波長為λ=6.7 mm，采用瑞利信道模型，散射體數(shù)Sk=12，子陣列天線單元間距d=0.5λ[18]。假設(shè)傳播路徑的到達(dá)角和離開角服從[0,2π)的均勻分布。

圖7和圖8給出了所提方案與采用現(xiàn)有回程解決方案通信的誤碼率和吞吐量的比較。圖中橫坐標(biāo)SNR表示信噪比，縱坐標(biāo)BER表示誤碼率，Throughput表示吞吐量。

圖7 所提方案與集中式方案和分布式方案的誤碼率的比較

圖8 所提方案與集中式方案和分布式方案的吞吐量的比較

從圖中可以看出，采用毫米波頻段通信時(shí)，所提方案的誤碼率和吞吐量明顯優(yōu)于集中式方案和分布式方案。雖然分布式方案優(yōu)于集中式方案，但仍然與所提方案有差距。這是由于在用戶間直接通信時(shí)，不需要MBS或特定的SBS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，降低了中間基站的負(fù)載，路徑損耗降低，因此傳輸過程中錯(cuò)傳或漏傳的概率降低，通信的網(wǎng)絡(luò)吞吐量也得到提高。

4.2 毫米波動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制的優(yōu)勢(shì)

采用45 GHz毫米波頻段進(jìn)行通信時(shí)，需要考慮帶寬接入機(jī)制，不同的帶寬接入機(jī)制對(duì)信道的吞吐量和能效都有一定影響。圖9和圖10為所提毫米波動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制的吞吐量和能效的比較圖。設(shè)置仿真參數(shù)如下：幀長度為10 000 B，空閑功率和發(fā)送功率分別設(shè)為20 MW和100 MW，仿真次數(shù)為3 000。圖中物理數(shù)據(jù)速率標(biāo)識(shí)值代表物理層數(shù)據(jù)速率抽樣從小到大抽取8組數(shù)據(jù)。

從圖中可以看出，當(dāng)物理層數(shù)據(jù)速率增加時(shí)，信道吞吐量和能量效率也呈增加趨勢(shì)，而且毫米波動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制的吞吐量和能量效率都優(yōu)于傳統(tǒng)帶寬接入機(jī)制。

圖9 毫米波動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制的吞吐量的比較

圖10 毫米波動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制的能量效率的比較

5 結(jié) 語

5G網(wǎng)絡(luò)有望于實(shí)現(xiàn)無線業(yè)務(wù)量的快速增長，其中毫米波通信和UDN技術(shù)可以使5G網(wǎng)絡(luò)達(dá)到千兆傳輸速率。本文設(shè)置兩種典型的UDN場(chǎng)景對(duì)已有的無線回程解決方案進(jìn)行分析，提出了UDN中D2D通信高效傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)。此通信方案在已有方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低誤碼率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，使數(shù)據(jù)傳輸更高效。本文的最后考慮在所提方案中使用毫米波通信機(jī)制，并提出其動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制，進(jìn)一步改善通信的服務(wù)質(zhì)量。

仿真結(jié)果表明采用毫米波頻段通信時(shí)，所提的UDN中高效傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)方法與集中式方案和分布式方案相比，誤碼率更小、吞吐量更高。毫米波動(dòng)態(tài)帶寬接入機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制相比，其吞吐量和能效也有所改善。然而，在這篇文章中，所提方法沒有考慮UDN中的干擾問題，可以作為未來研究的主題。

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