黃偉星

(東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

HetNet場(chǎng)景下基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法

黃偉星

(東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

小基站的部署有效提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，多點(diǎn)協(xié)作傳輸(CoMP)技術(shù)被認(rèn)為是一種減少基站間干擾的有效策略。提出了一種用于HetNet場(chǎng)景下基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法。首先，利用各協(xié)作基站傳輸信號(hào)到用戶之間的時(shí)延差，據(jù)此計(jì)算時(shí)延補(bǔ)償因子，在基站端發(fā)送信號(hào)時(shí)進(jìn)行頻域上的相位旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)延補(bǔ)償;其次，依據(jù)基站間回程時(shí)延，選擇合適的協(xié)作基站，實(shí)現(xiàn)基站協(xié)作同步，并減少回程時(shí)延，降低時(shí)延對(duì)協(xié)作傳輸?shù)挠绊?。最后，在matlab平臺(tái)下對(duì)該方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，相比傳統(tǒng)方案該方案可降低干擾，提升邊緣用戶吞吐量和系統(tǒng)整體的吞吐量。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；小基站；時(shí)延；協(xié)作多點(diǎn)傳輸

0 引言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在小基站與宏站、小基站與小基站間的干擾問(wèn)題［1］。協(xié)作多點(diǎn)傳輸(Coordinated Multiplepoint Transmission/reception，CoMP)技術(shù)［2－4］通過(guò)多基站協(xié)作傳輸來(lái)降低或消除信號(hào)間的相互干擾，提升邊緣用戶和系統(tǒng)整體的吞吐量。文獻(xiàn)［5］提出一種基于干擾強(qiáng)度確定協(xié)作簇的基站協(xié)作傳輸方法，但未考慮到基站間存在非理想回程。文獻(xiàn)［6］標(biāo)準(zhǔn)化用于支持Inter-eNB CoMP的信令。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［7］開(kāi)始研究了非理想回程下基站間CoMP的性能。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)［8］對(duì)分布式、集中式CoMP進(jìn)行性能分析，在非理想回程下分布式CoMP更為適用。文獻(xiàn)［9］提出一種動(dòng)態(tài)選擇回程的方式以實(shí)現(xiàn)基站協(xié)作傳輸，但復(fù)雜度較大。此外，當(dāng)服務(wù)基站信號(hào)與協(xié)作基站信號(hào)存在傳輸時(shí)延差時(shí)，使得基站協(xié)作發(fā)射的信號(hào)會(huì)在移動(dòng)終端產(chǎn)生額外的相互干擾，從而使通信鏈路質(zhì)量明顯下降。前人工作均考慮單一問(wèn)題(時(shí)延差/回程時(shí)延)的存在，本文結(jié)合上述2種時(shí)延問(wèn)題提出一種基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法。

1 系統(tǒng)模型及問(wèn)題分析

宏站(Macro)和多個(gè)小基站(Small cell)構(gòu)成典型的LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，如圖1所示。

圖1 Macro-Small cell異構(gòu)場(chǎng)景

假設(shè)邊緣用戶i的服務(wù)基站為m，網(wǎng)絡(luò)中基站的個(gè)數(shù)為N(宏站和小基站)，采用協(xié)作傳輸時(shí)用戶接收信號(hào)的信干噪比表示為:

式中，Hj，i表示基站j的信道矩陣，C表示協(xié)作簇，Wj，i表示基站j的預(yù)編碼矩陣，sj表示基站j發(fā)送的數(shù)據(jù)矢量，N0表示噪聲。實(shí)際應(yīng)用中，服務(wù)基站、各協(xié)作基站傳輸信號(hào)到達(dá)用戶側(cè)會(huì)存在時(shí)延差。此時(shí)采用協(xié)作傳輸對(duì)應(yīng)的用戶接收信號(hào)表示為:

信號(hào)時(shí)域上的時(shí)延導(dǎo)致頻域上的相位偏移，即用戶接收的信號(hào)之間存在相位偏移，無(wú)法進(jìn)行同相相加。當(dāng)時(shí)延Δt較大時(shí)，協(xié)作基站傳輸?shù)男盘?hào)與服務(wù)基站的信號(hào)反相，信號(hào)疊加導(dǎo)致用戶接收信號(hào)質(zhì)量惡化。

此外，考慮非理想回程，服務(wù)基站與協(xié)作基站存在回程時(shí)延，用戶反饋獲得的信道狀態(tài)信息(CSI)與傳輸該用戶數(shù)據(jù)時(shí)刻的CSI不匹配，記無(wú)時(shí)延信道H1=Hm，i，時(shí)延信道矩陣為H2，H1與H2的關(guān)系［10］可以表示為H2=ρ H1+ΔE，其中ΔE為H1和H2之間均值為0方差為ε2的高斯信道錯(cuò)誤矩陣，ρ為H1和H2的相關(guān)系數(shù)，即ρ=J0(2πfdτ)。J0為0階貝塞爾函數(shù)，fd為多普勒頻偏，τ為時(shí)延。替換式(2):

由上述分析可知，回程時(shí)延對(duì)用戶接收信號(hào)的SINR和用戶吞吐量均有影響。

2 基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法

基于以上分析，提出的一種用于HetNet場(chǎng)景下基于時(shí)延的多個(gè)基站協(xié)作傳輸方法，所述方法具體步驟如下:

第1步:用戶UEi(i=1，2，3…，M)測(cè)量各基站BSj(j=1，2，3…，K)在UEi處的參考信號(hào)接收功率(RSRP)的統(tǒng)計(jì)平均值，選擇最大值對(duì)應(yīng)的基站作為用戶UEi的服務(wù)基站

服務(wù)基站將用戶列入其邊緣用戶集，并將相應(yīng)的基站作為候選協(xié)作基站;否則，服務(wù)基站將用戶列入中心用戶集，無(wú)須協(xié)作傳輸。其中RSRPthreshold表示判定門(mén)限值。

第3步:服務(wù)基站與候選協(xié)作基站交互同步報(bào)文進(jìn)行定時(shí)校準(zhǔn)，t1時(shí)刻服務(wù)基站向候選協(xié)作基站發(fā)送同步報(bào)文，t2時(shí)刻候選協(xié)作基站收到報(bào)文，t3時(shí)刻候選協(xié)作基站發(fā)送附帶t2時(shí)刻信息的應(yīng)答報(bào)文，t4時(shí)刻服務(wù)基站收到報(bào)文。依據(jù):

服務(wù)基站計(jì)算服務(wù)基站和候選協(xié)作基站的回程時(shí)延樣本值delaysj(t)，并將結(jié)果保存在時(shí)延樣本表中。

第4步:服務(wù)基站依據(jù):

計(jì)算時(shí)延樣本表中delaysj(t)的K個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)平均值

第5步:服務(wù)基站依據(jù):

確定是否與候選基站協(xié)作。其中NumberCoMP_BS為協(xié)作基站個(gè)數(shù)，τthreshold為時(shí)延門(mén)限值。若Number-CoMP_BS取值為0，則服務(wù)基站將對(duì)應(yīng)邊緣用戶列入中心用戶集。

第6步:服務(wù)基站和協(xié)作基站向邊緣用戶發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，用戶據(jù)此進(jìn)行信道估計(jì)，得到用戶與兩基站的信道信息CQI以及兩基站信號(hào)到達(dá)用戶的時(shí)延差Δt。根據(jù)信號(hào)時(shí)域與頻域的變換關(guān)系，協(xié)作基站發(fā)送至用戶的信號(hào)相比服務(wù)基站存在相位偏移，需要補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)接收端同相相加。依據(jù):

用戶依據(jù)時(shí)延計(jì)算相位補(bǔ)償因子，并將信道信息與所述因子反饋給服務(wù)基站。因而對(duì)應(yīng)的時(shí)延補(bǔ)償矩陣為:

式中，ε為采樣間隔，k為子載波數(shù)，N為快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，I為單位陣。

第7步:服務(wù)基站向協(xié)作基站發(fā)送協(xié)作請(qǐng)求，依據(jù):

式中，Hm表示服務(wù)基站的信道矩陣，Hj表示協(xié)作基站的信道矩陣，Wm表示服務(wù)基站的預(yù)編碼矩陣，Wj表示協(xié)作基站的預(yù)編碼矩陣。協(xié)作基站在收到所述請(qǐng)求前調(diào)度其中心用戶。

第8步:依據(jù)

分別計(jì)算資源塊r上服務(wù)基站邊緣用戶集中的邊緣用戶、中心用戶集中的中心用戶和協(xié)作基站的中心用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)因子。其中τ表示時(shí)延值，T為調(diào)度周期，Ri(t)、Ti(t)為用戶速率及吞吐率。

則在資源塊r上為邊緣用戶UECoMP_s1執(zhí)行協(xié)作傳輸。否則，服務(wù)基站和協(xié)作基站調(diào)度各自優(yōu)先級(jí)最高的中心用戶UECenter_s2和UECenter_j1。所述用于發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)，各基站利用S1接口從高級(jí)網(wǎng)關(guān)獲得后進(jìn)行傳輸。上述過(guò)程是在每個(gè)系統(tǒng)調(diào)度周期重復(fù)以上第1步到第9步。

3 仿真結(jié)果及分析

搭建TD-LTE/TD-LTE-A系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)［11］并在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證所提技術(shù)方案的性能。其中每個(gè)宏小區(qū)包含3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)中隨機(jī)部署十個(gè)小基站，用戶隨機(jī)分布在扇區(qū)中，采用比例公平調(diào)度算法。

誤碼率對(duì)比如圖2所示。由圖2可以看出本文提出的方法相比文獻(xiàn)［12］提出的傳統(tǒng)方法，用戶在接收數(shù)據(jù)時(shí)獲得額外的增益，誤碼率降低了0．5 dB左右。這是因?yàn)樗岢龅姆椒ú捎孟辔谎a(bǔ)償方法，服務(wù)基站向協(xié)作基站發(fā)送協(xié)作請(qǐng)求，所述請(qǐng)求包含了該相位補(bǔ)償因子信息，因而通過(guò)基站協(xié)作提高用戶接收信號(hào)質(zhì)量，誤碼率得以降低，系統(tǒng)性能得以提高。

圖2 誤碼率對(duì)比曲線

邊緣用戶平均吞吐量分布曲線如圖3所示，可以看出吞吐量隨著時(shí)延的增加而減少。當(dāng)時(shí)延較大時(shí)，CoMP技術(shù)無(wú)法對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)性能增益。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方法引入基站協(xié)作機(jī)制，在依據(jù)回程時(shí)延使得基站發(fā)送端對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)協(xié)作同步傳輸。并減少基站交互產(chǎn)生的回程時(shí)延，使邊緣用戶平均吞吐量得到較大的提升。

圖3 邊緣用戶平均吞吐量分布曲線

扇區(qū)平均吞吐量如圖4所示，可以看出所提出的方法與傳統(tǒng)方法相比，扇區(qū)的平均吞吐量也有一定的提升，隨著時(shí)延的增大，扇區(qū)的平均吞吐量降低。由圖3和圖4可知，所提出的方法可以提升系統(tǒng)和邊緣用戶的吞吐量，尤其是針對(duì)邊緣用戶，該技術(shù)能為其帶來(lái)顯著的增益。此外也驗(yàn)證了回程時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。

圖4 扇區(qū)平均吞吐量分布曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種用于HetNet場(chǎng)景下基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法。系統(tǒng)級(jí)仿真表明，相比傳統(tǒng)方案本文提出的方法依據(jù)各協(xié)作基站與用戶傳輸信號(hào)的時(shí)延差以及基站間的回程時(shí)延，實(shí)現(xiàn)基站發(fā)送端協(xié)作同步，用戶接收端接收對(duì)齊，信號(hào)得到相位補(bǔ)償。進(jìn)而減少基站間的干擾，提高用戶接收信號(hào)的質(zhì)量，降低誤碼率，提升邊緣用戶和系統(tǒng)整體的吞吐量。

［1］Palanisamy P，Nirmala S．Downlink Interference Management in Femtocell Networks-A Comprehensive Study and Survey[J]．IEEE Wireless Communications，2013(2):747－754．

［2］Li Y，Yu H，Gao S．Performance of Dynamic CoMP Cell

［3］3rd Generation Partnership Project TS 36．300 V 11．7．0．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network［S］，2013．

［4］3rd Generation Partnership Project TR R1－112042．Text Proposal for Standard Impacts and Design Principles of CoMP in Rel－11［S］，2011．

［5］Liu J，Wang P，Zhang J．Backhaul Constraint-based Cooperative Interference Management for In-building Dense Femtocell Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2012:1－5．

［6］3rd Generation Partnership Project RP-132103．Inter-eNB CoMP for LTE[S]．Pusan，Korea，2013．

［7］3rd Generation Partnership Project TR 36．874．Coordinated Multi-point Operation for LTE with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［8］3rd Generation Partnership Project RP-135596．Simulation Results for Small Cell Scenarios with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［9］Bennis M，Saad W，Debbah M．On the Impact of Heterogeneous Backhauls on Coordinated Multipoint Transmission in Femtocell Networks［C］∥2012 IEEE International Conference，2012:5064－5069．

［10］Zhang J，AndrewsJ G，Heath R W．Block Diagonalization in the MIMO Broadcast Channel with Delayed CSIT［C］∥GLOBECOM'09 Proceedings of the 28th IEEE conference on Global telecommunications，2009:844－849．

［11］Ikuno J C，Wrulich M，Rupp M．System Level Simulation of LTE Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2010:1－5．

［12］3rd Generation Partnership Project RP-135049．Inter-eNB Signaling for Supporting CoMP with Non-ideal Backhaul［S］，2013． 164－174．

A Coordinated Multiple Base Stations Transmission Scheme Based on Latency in HetNet

HUANG Wei-xing
(National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University Nanjing Jiangsu 210096，China)

The coverage performance and capacity of wireless network can be effectively improved with the deployment of small cell．The coordinated multiple point transmission is regarded as an effective strategy to reduce the interference between small cells．This paper presents a coordinated multiple base stations transmission scheme based on latency in heterogeneous network．Firstly，according to different delays from cooperative base stations to users，the delay compensation of each user is realized by phase rotation of transmitted signals at the base station side in frequency domain．Secondly，according to the backhaul latency between base stations，the appropriate cooperative base station is selected and the synchronous collaboration is achieved．The backhaul latency is reduced and the affect of latency on cooperative transmission is reduced．Finally，the simulation is performed for this scheme under matlab，the results show that this scheme can reduce the interference and improve the throughput of edge users and the overall throughput of system，compared with the traditional scheme．

heterogeneous network;small cell;latency;coordinated multiple point transmission

TN929．5

A

1003－3114(2015)05－56－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.15

黃偉星．HetNet場(chǎng)景下基于時(shí)延的多基站協(xié)作傳輸方法［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41(5):56－59．

2015－05－06

黃偉星(1990—)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向:異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)。