戴曉峰 邱建林 李 四

1(南通理工學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院 江蘇 南通 226002)2(南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 南通 226002)3(山東職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院 山東 濟南 250104)

0 引 言

隨著LTE通信技術(shù)日益呈現(xiàn)5G化趨勢，且各種新式設(shè)備由于采用了不同制式發(fā)射芯片而帶來的混構(gòu)特性，當前學(xué)者意識到需要將LTE數(shù)據(jù)基站進行一定的數(shù)據(jù)分區(qū)，以便能夠盡量降低LTE信號發(fā)射過程中存在的頻率漂移現(xiàn)象，且提升數(shù)據(jù)傳輸帶寬[1]。熱點研究主要集中于下面的幾個領(lǐng)域：1)距離閾值自適應(yīng)分割機制ATS(Adaptive Threshold Segmentation)[2]，該機制通過采取獲取不同子信道間的頻率矢量閾值，一旦獲取到數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，將通過權(quán)值遞歸方式優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸鏈路，從而降低頻率偏移，并提高數(shù)據(jù)吞吐容量。2)上傳-下載混合接入機制UDHA(Upload Download Hybrid Access Mechanism)[3]，該機制鑒于LTE技術(shù)中廣泛采取的OFDM數(shù)據(jù)傳輸模式，通過區(qū)域特征頻率的提取，將頻率相似的數(shù)據(jù)通過自適應(yīng)方式進行區(qū)域歸并，大大降低了不同頻率上傳子載波互相混疊現(xiàn)象的發(fā)生，且數(shù)據(jù)傳輸負載強度較低。3)載波質(zhì)量分層劃分機制CQHP機制(Carrier Quality Hierarchical Partitioning Mechanism)[4]，該機制使用投影矢量方式，將不同載波質(zhì)量以矢量投影方式進行交叉遞歸，提升了相同區(qū)域子載波的使用強度，增大了數(shù)據(jù)傳輸速率。然而當前機制僅能夠適應(yīng)LTE波形密度較低的情況，難以針對波形密度較高的實際數(shù)據(jù)傳輸場合進行數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸，且用戶使用過程中普遍出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，降低了LTE的用戶感官效果。

為此，本文提出了一種基于頻譜密度一體化擴容機制的LTE數(shù)據(jù)基站優(yōu)化傳輸算法，采用基站分區(qū)耦合的方式來構(gòu)建虛擬分區(qū)，解決耦合過程中存在的傳輸資源調(diào)度難題。同時，為改善數(shù)據(jù)上傳過程中存在的頻譜混疊現(xiàn)象，通過調(diào)度數(shù)據(jù)頻譜的方式，有效降低不同終端間存在的干涉現(xiàn)象，從而提高了單位基站的數(shù)據(jù)傳輸效率，且實現(xiàn)了虛擬分區(qū)整體數(shù)據(jù)上傳擴容。最后采取MATLAB仿真實驗環(huán)境進行了仿真實驗。

1 LTE數(shù)據(jù)傳輸及區(qū)域適應(yīng)模型

當前LTE數(shù)據(jù)上傳均采用區(qū)域基站模式，即不同的數(shù)據(jù)上傳終端均采用虛擬分區(qū)方式來同步進行數(shù)據(jù)上傳及下載過程[5]，見圖1。假定整個LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)具備多種制式信號混疊狀態(tài)的區(qū)域基站數(shù)量為M，數(shù)據(jù)上傳終端數(shù)量為N，且對于任意區(qū)域基站，其能夠提供并發(fā)數(shù)據(jù)的載波頻率為K個。此外，針對任意數(shù)據(jù)上傳終端，其數(shù)據(jù)上載過程均采用單一信道。

考慮到任意數(shù)據(jù)上傳終端n在完成數(shù)據(jù)上傳及下載過程中均需要通過多個不同頻率的區(qū)域基站進行數(shù)據(jù)中繼[6]，且令中繼基站矢量為W={Mn,Mn∈M}，同時并發(fā)上傳的用戶n1及n2所匹配的中繼基站矢量分別為En1={E1,E2,E3,E4}和En2={E1,E2,E3,E4}，則新增加的數(shù)據(jù)上傳終端n3進行數(shù)據(jù)服務(wù)選擇時將可同時選取用戶n1及n2所匹配的中繼基站矢量進行數(shù)據(jù)傳輸。

由于LTE數(shù)據(jù)均采用標準OFDM方式進行數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)射[6]，則數(shù)據(jù)上傳終端n3在任意時刻的信號F(n3)可采取下列形式進行獲?。?/p>

(1)

式中：Pm為數(shù)據(jù)上傳終端n3的數(shù)據(jù)編碼強度，F(xiàn)m為數(shù)據(jù)上傳終端n3在傳輸過程中的信道衰落強度，Hm為n3對應(yīng)的信道衰落特征矢量Hm=[H1,H2,…,Hm]，Gm表示基站m的信源編碼矢量特征值所對應(yīng)的列矢量，G表示信號發(fā)射強度增益。

據(jù)式(1)可得，n3在數(shù)據(jù)上傳中的信號預(yù)發(fā)射強度φ(n3)滿足：

(2)

由式(2)可知，數(shù)據(jù)上傳終端進行數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)射的強度主要與信道衰落特征矢量Hm相關(guān)，聯(lián)合香農(nóng)信道衰落準則[7]可知，該數(shù)據(jù)區(qū)域最大數(shù)據(jù)傳輸帶寬C需滿足：

min ln(φ(n3)+1)∮∑φ(n3)μ

(3)

(4)

式中：P為數(shù)據(jù)上傳終端的平均信號發(fā)射強度，μ表示信道衰落調(diào)節(jié)系數(shù)，可以通過該系數(shù)并結(jié)合編碼來進行數(shù)據(jù)發(fā)射強度衰落調(diào)節(jié)，‖·‖表示最大值獲取。

考慮到數(shù)據(jù)進行預(yù)傳輸過程中，單個數(shù)據(jù)上傳終端僅能同時獲取單個區(qū)域的一個鏈路進行數(shù)據(jù)上傳[8]，令λ為控制參數(shù)，且λ∈{0,1}，僅當區(qū)域鏈路確定時，控制系數(shù)才取1，則式(3)、式(4)對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬分配問題可變?yōu)椋?/p>

(5)

(6)

當整個網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸時，當且僅當式(5)、式(6)同時成立時，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能達到最優(yōu)。

2 LTE數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸算法

本文LTE數(shù)據(jù)基優(yōu)化傳輸算法見圖2，由圖可知本文算法實現(xiàn)步驟如下：① 頻譜密度一體化擴容；② 基于虛擬分區(qū)的容量擴容。通過頻譜密度一體化擴容步驟，可實現(xiàn)對射頻信號的預(yù)發(fā)射，且實現(xiàn)基站數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)發(fā)射終端的一一匹配，從而能夠使用高密度方式對射頻信號進行預(yù)發(fā)射處理；通過虛擬分區(qū)容量擴容，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射終端與虛擬區(qū)域間的優(yōu)化交互，改善因終端-區(qū)域交互困難而導(dǎo)致的信號接入過程中帶寬擴充受限難題，從而進一步提高用戶數(shù)據(jù)上傳過程中的體驗度。

圖2 本文算法流程圖

2.1 基于頻譜密度一體化擴容機制的數(shù)據(jù)傳輸

由圖2可知，LTE信號需要經(jīng)過抽樣、傳輸、采樣等過程，其數(shù)學(xué)解析形式可記作：

yn=Ad(tn)c[(1+η)(tn-τ)]×

cos[2π(fIF-fD)tn+φ0]+vn

(7)

式中：yn為經(jīng)過抽樣所獲取的LTE信號數(shù)學(xué)表達式；A為抽樣時刻LTE信號的功率強度；d(t)為可變電平，按概率分別取+1和-1兩種電文；c(t)為信道衰落強度，該衰落主要由信道噪聲干擾所致；η為信號多普勒頻移效應(yīng)中對c(t)的噪聲修正因素；fIF為信道子載波中心頻率；fD為信道子載波中心頻率偏移；φ0為調(diào)制信號的相位波動函數(shù)；vn為標準萊斯分布，其標準差為σv。

由于yn可以分割為同相分量in與正交分量qn疊加的形式，即：

yn=in+qn

(8)

in和qn的解析表達式如下：

(9)

(10)

另外，根據(jù)圖2可知，LTE信號在基站接收過程中均為所有序列的總和[9-10]，即in和qn分別是同向分量序列I以及正交分量序列Q的子元素，則I和Q的解析表達式可寫成如下的形式：

(11)

(12)

式中：N為采用頻率對應(yīng)的偏移周期。

結(jié)合式(7)、式(11)、式(12)可知：

(13)

通過式(7)可獲取區(qū)域基站在任意時刻存在的信號分布狀況，在數(shù)據(jù)上傳過程中，區(qū)域基站需要在射頻層采用帶通濾波方式對上傳數(shù)據(jù)進行流量清洗，見圖3。

這是由于信道噪聲為窄帶萊斯噪聲，因此信號能量主要集中在低通部分，采用帶通濾波方式即可實現(xiàn)對信號的強度提升，增強信道對數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑鲆妗Ｏ诺勒瓗R斯噪聲后的LTE信號表達式可記作：

yn= 0.5Ad(tn)Rc(Δτ)sinc[(ΔfD)Tc]×

exp{-j[2π(ΔfD)Tc]+φ0}+gn

(14)

式中：Rc(Δτ)為信道頻率偏移的自相關(guān)函數(shù)，sinc為辛格函數(shù)；Tc為低通濾波時間;gn為Tc內(nèi)的窄帶萊斯噪聲功率譜密度的抽樣。

2.2 基于虛擬分區(qū)的信號超帶寬傳輸

通過式(1)、式(2)可知，數(shù)據(jù)上傳終端進行數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸質(zhì)量主要與信道衰落特征矢量Hm相關(guān)，由于虛擬分區(qū)進行劃分過程需要將數(shù)據(jù)上傳終端對應(yīng)的頻率與區(qū)域基站頻率進行一一匹配，而匹配過程中容易因頻率漂移而導(dǎo)致嚴重的數(shù)據(jù)傳輸誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)帶寬擁塞現(xiàn)象，因此需要獲取最佳傳輸帶寬，并確定當前最優(yōu)上傳鏈路。因此，結(jié)合式(1)、式(2)與香農(nóng)定理，可得最佳傳輸帶寬Eτ′滿足：

(15)

所需要獲取的最佳數(shù)據(jù)傳輸鏈路數(shù)量L滿足：

(16)

依據(jù)式(15)與式(16)，可得參數(shù)μ的計算函數(shù)為：

(17)

將當前可提供數(shù)據(jù)傳輸帶寬的全部虛擬分區(qū)與式(16)進行匹配，從中篩選出剩余帶寬資源均大于Eτ′的虛擬分區(qū)即可，并按式(17)調(diào)整選擇參數(shù)，可篩選出能夠滿足數(shù)據(jù)上傳帶寬最佳的一批虛擬區(qū)域，見圖4。

圖4 虛擬分區(qū)過程

此外，由式(14)可知，數(shù)據(jù)上傳過程中，上傳帶寬與信源編碼矩陣也呈現(xiàn)相關(guān)特性，由于傳輸過程均采取生命周期傳輸機制，由式(15)、式(16)即可得到待上傳數(shù)據(jù)終端進行數(shù)據(jù)上傳時，最大網(wǎng)絡(luò)容量Cmax為：

(18)

式(18)與式(15)中參數(shù)相同。

由于LTE信號均采用預(yù)發(fā)射機制進行發(fā)射成型，成型方式按式(13)所示，不妨設(shè)形成矢量bm滿足下式：

(19)

按式(19)方式進行數(shù)據(jù)傳輸，即可實現(xiàn)最大信道傳輸容量下的數(shù)據(jù)傳輸。

3 仿真實驗

為驗證本文算法的有效性，采用MATLAB仿真實驗環(huán)境[10-12]對其進行測試，與當前經(jīng)常采用的高精度數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)節(jié)HPDO機制[13]，混沌頻率漂移消除優(yōu)化傳輸CFDE機制[14]進行仿真對比。其中，文獻[13]所提出的HPDO算法主要通過調(diào)控頻率漂移的方式增強LTE信道傳輸能力，此漂移過程是LTE信道快速編碼中達到信道噪聲抑制效果的經(jīng)典途徑之一，能夠顯著增強數(shù)據(jù)上傳過程中對諸如高混沌信道噪聲的有效抑制，實現(xiàn)傳輸鏈路的穩(wěn)定化，可以有效提高LTE數(shù)據(jù)傳輸性能，具有較好的代表性。文獻[14]提出的CFDE算法主要采用基于時移序列的一次重傳機制，該機制為LTE解決方案中常用的頻率消除機制，且利用LTE數(shù)據(jù)上傳過程歐氏距離最小特性，在傳輸周期內(nèi)對頻率漂移過程的能量自主可控，并采用混沌消除算法并結(jié)合簡單匹配方式對信道噪聲進行消噪，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳鏈路的穩(wěn)定化，提高數(shù)據(jù)上傳效率，具有較好的代表性與新穎性。因此，本文將文獻[13]的HPDO算法與文獻[14]的CFDE算法作為本次實驗的對照組。另外，信號均采用標準OFDM方式進行發(fā)射成型[15]，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)表

3.1 數(shù)據(jù)上傳帶寬對比

信道衰落設(shè)定為高衰落信道，LTE數(shù)據(jù)傳輸速率最大不超過10 240 kbit/s，由于頻率偏移對數(shù)據(jù)上傳影響較大，信道衰落頻率分別設(shè)置為4.096 MHz、2.048 MHz、1.024 MHz，仿真結(jié)果見圖5。由圖可知，信道衰落頻率不斷增加，本文算法的數(shù)據(jù)上傳帶寬始終具有較強的優(yōu)勢，且波動性要遠遠低于對照組算法。這是由于本文算法采取虛擬分區(qū)模式，可減少不同數(shù)據(jù)上傳終端并發(fā)上傳數(shù)據(jù)時對區(qū)域基站的占用，因而擁塞情況發(fā)生可能性較低。HPDO機制雖亦采取分區(qū)模式，然而該算法僅對信號強度較好的數(shù)據(jù)上傳終端進行優(yōu)化傳輸，難以實現(xiàn)對整個區(qū)域范圍內(nèi)的基站資源進行調(diào)度。CFDE機制僅采用簡單匹配模式，且信道接入過程中未采取濾波方式進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸帶寬易由信道衰落而出現(xiàn)受限效應(yīng)。因而本文算法數(shù)據(jù)上傳帶寬具有顯著的優(yōu)勢。

(a) 高衰落信道(衰落頻率4.096 MHz)

(b) 普通衰落信道(衰落頻率2.048 MHz)

(c) 低衰落信道(衰落頻率1.024 MHz)圖5 三種算法的數(shù)據(jù)上傳帶寬測試

3.2 數(shù)據(jù)帶寬波動峰值

信道衰落設(shè)定為低衰落信道、中衰落信道、高衰落信道，LTE數(shù)據(jù)傳輸速率最大不超過10 240 kbit/s，信道衰落頻率分別設(shè)置為4.096 MHz、2.048 MHz、1.024 MHz，仿真結(jié)果見圖6。由圖可知，本文算法數(shù)據(jù)帶寬波動峰值分布較為均勻，未出現(xiàn)顯著的陡峭的帶寬波動，特別是在該衰落信道環(huán)境下時該效應(yīng)更為明顯，見圖6(c)。這是由于本文基于虛擬分區(qū)方式進行了容量擴容，且在數(shù)據(jù)預(yù)傳輸過程中采取帶通濾波方式對窄帶萊斯噪聲進行過濾，因而能夠有效降低信道噪聲對數(shù)據(jù)帶寬波動峰值的助長助跌效應(yīng)。HPDO機制與CFDE機制均采用隨機匹配模式對數(shù)據(jù)上傳帶寬進行調(diào)控，雖然能夠通過基站匹配的方式對傳輸帶寬進行適應(yīng)，然而由于難以消除窄帶萊斯噪聲影響，導(dǎo)致傳輸過程中極易出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。

(a) 高衰落信道(衰落頻率4.096 MHz)

(b) 普通衰落信道(衰落頻率2.048 MHz)

(c) 低衰落信道(衰落頻率1.024 MHz)圖6 三種算法的數(shù)據(jù)帶寬波動測試

3.3 數(shù)據(jù)重傳輸次數(shù)

為便于比較數(shù)據(jù)重傳性能，節(jié)點總數(shù)分布設(shè)定為1 000,5 000,10 000，仿真結(jié)果見圖7。由圖可知，本文算法在三種不同節(jié)點密度下的數(shù)據(jù)重傳輸次數(shù)均遠遠低于對照組算法。這是由于本文采用基于虛擬分區(qū)機制的帶寬擴容方式，能夠有效地提高區(qū)域基站的帶寬傳輸質(zhì)量，因傳輸失誤而導(dǎo)致的誤碼現(xiàn)象發(fā)生頻率較低，從而降低了數(shù)據(jù)重傳輸次數(shù)。HPDO機制采取一次傳輸方式，當數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常時即重啟數(shù)據(jù)傳輸流程，而CFDE機制由于對傳輸帶寬擴容因素考慮不足，導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳輸現(xiàn)象的概率要高于本文算法，因而本文算法在數(shù)據(jù)重傳輸性能上具有顯著的優(yōu)勢。

(a) 節(jié)點1 000

(b) 節(jié)點5 000

(c) 節(jié)點10 000圖7 三種算法的數(shù)據(jù)重傳輸測試

4 結(jié) 語

為進一步提高當前5G通信技術(shù)中存在嚴重的數(shù)據(jù)傳輸頻譜混疊現(xiàn)象，以及信道窄帶萊斯噪聲干擾難以消除，且無法實現(xiàn)待傳輸終端與區(qū)域基站之間的平滑切換，提出了一種基于頻譜密度一體化擴容機制的LTE數(shù)據(jù)基站優(yōu)化傳輸算法。該算法采取高密度波形預(yù)發(fā)射流程，使用耦合方式將區(qū)域基站與待傳輸終端進行自適應(yīng)匹配，大大提高了區(qū)域基站對數(shù)據(jù)傳輸過程的適應(yīng)性能。通過虛擬分區(qū)容量擴充，在削弱了窄帶萊斯噪聲對數(shù)據(jù)傳輸過程影響的同時，提高信道傳輸容量，且在不同衰落信道條件下均具有一定的優(yōu)勢。

下一步，將通過射頻信號改善機制，引入具有較好抗信源噪聲的高密度星座圖發(fā)射算法，采取正交環(huán)噪聲過濾方式，進一步降低信道噪聲對算法吞吐性能的制約，提高本文算法對高密度區(qū)域基站的適應(yīng)性能。