單頻網(wǎng)多小區(qū)半動態(tài)組網(wǎng)方法

盧文茜, 王曉湘, 張海波

（北京郵電大學泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室,北京 100876）

0 引言

3GPP在R6中提出了多播廣播多媒體服務（Multicast/Broadcast Multimedia Services,MBMS）的概念,由于它能傳輸同一多播內容給大量的用戶,節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源,引起了學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注。但是目前關于MBMS的研究都集中在單小區(qū)廣播上,而4G網(wǎng)絡又對MBMS提出了更高的要求,傳統(tǒng)的單小區(qū)傳輸已經(jīng)很難滿足這些需求,因此基于單頻網(wǎng)的多小區(qū)傳輸逐漸引起了大家的關注。

所謂單頻網(wǎng)（single frequency network,SFN）,即在一定的地理區(qū)域內若干部發(fā)射機同時在同一個頻段上發(fā)射相同的信號,以實現(xiàn)對該區(qū)域的可靠覆蓋。由于SFN能顯著提高系統(tǒng)頻譜效率,而且,UE在SFN內移動時無需任何切換,大大減少了信令的開銷[1]。因此對于頻率資源日趨緊張的今天,關于SFN在移動通信中應用的研究就顯得更有意義。

目前關于單頻網(wǎng)的研究有很多,但大多都集中對性能評估和資源分配的研究[2-4]。而對單頻網(wǎng)組網(wǎng)方法的研究卻非常少。在標準中初步使用的是基于運行和維護（operation and maintenance,O&M）配置的靜態(tài)SFN組網(wǎng)方法,該方法操作簡單,能夠顯著的降低SFN組網(wǎng)的復雜度,但是靈活性較差,并且無法對接入MBMS業(yè)務的用戶進行合理的分配。O&M方式的SFN區(qū)域為了覆蓋到那些難以覆蓋到的用戶位置需要把整個區(qū)域設置的非常大。這樣對于某些沒有MBMS業(yè)務接入的小區(qū)資源被空閑了,就不可避免的造成無線資源和傳輸資源的大量浪費。

動態(tài)SFN是在R2的最近幾次會議中提出,是對傳統(tǒng)的靜態(tài)SFN方法的一種改進。動態(tài)SFN根據(jù)系統(tǒng)中多播用戶的分布情況和運動軌跡動態(tài)的拆分或合并SFN區(qū)域,可以將空閑出來的那些小區(qū)用于其也業(yè)務,雖然可以時刻滿足用戶覆蓋,但動態(tài)SFN操作復雜,變化頻繁,因此需要過多的系統(tǒng)調度開銷。也不適用于實際的系統(tǒng)。

基于上述分析,提出了一種SFN半動態(tài)組網(wǎng)方案,該方案基于預設的門限值和用戶的移動性,判斷如何對單頻網(wǎng)進行擴展或收縮,使其在滿足SFN性能的同時,大大降低了重新組網(wǎng)頻率和組網(wǎng)方案的復雜度。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示,SFN區(qū)域包含3種小區(qū)。第1種小區(qū),在圖中用深色表示,同時傳輸數(shù)據(jù)和信令信息。第2種淺色小區(qū)僅傳輸數(shù)據(jù)信息。第3種白色小區(qū)則為預留小區(qū),不傳輸數(shù)據(jù)和信令信息,通常稱為保護小區(qū)[5]。單頻網(wǎng)中多播數(shù)據(jù)經(jīng)過核心網(wǎng),MBMS協(xié)調實體（MBMS Coordination Entity,MCE）,基站,最終傳給用戶。所有基站以相同的時頻資源同時傳輸同一組多播數(shù)據(jù),用戶對這些信號進行合并。其中MCE實現(xiàn)的是單頻網(wǎng)中基站間的資源分配功能。

圖1 SFN延展/收縮模型

當UE1從核心小區(qū) A移動到SFN邊界小區(qū)B時,為了滿足用戶服務的連續(xù)性,小區(qū)B的演進型移動基站（Evolved Node B,eNodeB）向MCE發(fā)送延展SFN請求,MCE判斷是否需要對SFN進行延展。若是,則相應進行SFN的延展操作,否則保持SFN覆蓋不變。

SFN收縮相對于SFN延展,操作相對簡單。邊界小區(qū)ENB定期向MCE發(fā)送計數(shù)結果,如果在有效周期時間段內此小區(qū)業(yè)務狀態(tài)低于某個指標,則執(zhí)行SFN收縮操作。如圖1（b）,標號為B的小區(qū)在一段時間內業(yè)務分布狀態(tài)低于某個門限值,所以執(zhí)行SFN收縮操作。此時B不再屬于SFN區(qū)域,且標號為 A的小區(qū)變?yōu)檫吔缧^(qū)[6]。

2 SFN多小區(qū)半動態(tài)組網(wǎng)

靜態(tài)組網(wǎng)方式雖然應用簡單,能夠顯著的降低SFN的復雜性,但是靈活性較差,并且無法對接入MBMS業(yè)務的用戶進行合理的分配,不可避免地造成無線資源和傳輸資源的浪費。動態(tài)組網(wǎng)方式可以時刻滿足用戶覆蓋,但是操作復雜頻繁,對資源的浪費亦不可避免。因此結合以上2種方法的優(yōu)缺點,提出了一種半動態(tài)組網(wǎng)方案,使其既具備良好的SFN性能,又能節(jié)約因頻繁切換網(wǎng)絡所需的系統(tǒng)資源,且流程相對簡單。

由于單頻網(wǎng)的最大優(yōu)點,就是相較于單小區(qū)廣播,它可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量,因此半動態(tài)組網(wǎng)的核心思想是,在網(wǎng)絡運行過程中,若有邊界小區(qū)的用戶分布因用戶移動而發(fā)生變化的情況出現(xiàn),系統(tǒng)判斷是否更新網(wǎng)絡拓撲結構,若單頻網(wǎng)邊界小區(qū)的吞吐量達不到預先設定的門限值時才執(zhí)行動態(tài)組網(wǎng)操作方式。由于對SFN進行延展和收縮的判斷條件和具體流程不同,下面分別對這2種情況進行介紹。

2.1 延展SFN

以單頻網(wǎng)方式實現(xiàn)多播廣播業(yè)務的傳輸,其性能主要體現(xiàn)在吞吐量上,所以以吞吐量作為指標判斷SFN性能。系統(tǒng)模型中提到,當UE1從核心小區(qū) A移動到SFN邊界小區(qū)B時,MCE需要判斷是否對單頻網(wǎng)進行延展。所以,提出通過吞吐量這個指標判斷是否進行SFN延展操作。

模型用公式表示如下:

其中,N是SFN中的小區(qū)個數(shù)。mi是單頻網(wǎng)內接收多播廣播業(yè)務i的終端數(shù)目,可以通過基于“pull”[7-8]的計數(shù)方法獲得。ri是編號為i的業(yè)務的數(shù)據(jù)速率。Tmin是預先設定的SFN小區(qū)平均吞吐量的門限值。如何選定 Tmin,是初始化要解決的問題。定義如下:

其中n為業(yè)務總數(shù)。為保證設定的吞吐量門限值在一個合理的范圍內,定義全部業(yè)務的最大平均吞吐量為Tmin的最大值。將此范圍以5%的間隔分隔開,得到20個 Tmin。

基于此模型,提出了復雜度較低的半動態(tài)組網(wǎng)方案。當有用戶移動到邊界小區(qū)時,用戶有離開SFN的趨勢,這樣用戶將有可能接收不到SFN提供的業(yè)務,導致業(yè)務的不連續(xù)。因此判斷,若將此邊界小區(qū)的所有相鄰小區(qū)（原本不屬于SFN）都并入SFN,新的SFN的平均吞吐量是否大于我們預先設定的門限值 Tmin。若能達到,則認為當將相鄰小區(qū)并入SFN后,多小區(qū)協(xié)作仍能體現(xiàn)出優(yōu)勢,因此應該進行SFN延展。否則,認為此時不能達到SFN性能,應維持SFN架構不變。這種延展方式可以在盡量保證用戶連續(xù)性的同時降低單/多小區(qū)模式切換的開銷。

綜上所述,半動態(tài)組網(wǎng)中延展SFN的流程如圖2所示。

基本步驟:

（1）初始化。根據(jù)SFN區(qū)域中所有基站掌握的用戶及業(yè)務信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）若某邊界小區(qū)發(fā)生用戶移動情況,該基站向MCE發(fā)出請求,詢問是否可以執(zhí)行SFN延展操作。令m′i表示添加相鄰N′個小區(qū)后業(yè)務 i的接收人數(shù)。當 ∑i∈A0m′iri＜Tmin?（N+N′）時,表示添加此N′個小區(qū)后,SFN不能滿足性能,則MCE駁回基站請求,算法結束。當 ∑i∈A0m′iri≥Tmin?（N+N′）時,表示若添加這些相鄰小區(qū),SFN仍能滿足性能,則MCE同意基站請求,執(zhí)行（3）。

（3）添加相鄰N′個小區(qū)進入SFN區(qū)域。

圖2 延展SFN流程圖

2.2 收縮SFN

邊界小區(qū)ENB定期向MCE發(fā)送計數(shù)結果,由于有用戶從邊界小區(qū)向核心小區(qū)移動,如果在有效周期時間段內此小區(qū)業(yè)務狀態(tài)低于某個指標,則執(zhí)行SFN收縮操作。

半動態(tài)組網(wǎng)流程:

基本步驟:

（1）初始化。根據(jù)SFN區(qū)域中所有基站掌握的用戶及業(yè)務信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）各個邊界小區(qū)基站,定期向MCE發(fā)送本小區(qū)吞吐量的計數(shù)結果。Trest表示經(jīng)過一定時間后,邊界小區(qū)剩余用戶的吞吐量。若 Trest≥G?Tmin（其中G為預先設定的一個比例閾值）,表示仍能滿足SFN性能,則操作結束。否則表示有效周期時間段內小區(qū)吞吐量低于預先設定的平均吞吐量門限值的固定比例,認為不能滿足SFN性能,執(zhí)行（3）。

（3）MCE將此邊界小區(qū)從原有SFN區(qū)域中剔除。

3 仿真結果

圖3 收縮SFN流程圖

從網(wǎng)絡配置變化頻率、吞吐量等角度比較了不同組網(wǎng)策略的性能。

假定單頻網(wǎng)內有20路多播廣播業(yè)務,數(shù)據(jù)速率可能是 16kbps、32kbps、64kbps、96kbps。設 SFN區(qū)域每個小區(qū)用戶數(shù)是20,非SFN區(qū)域每個小區(qū)用戶數(shù)是15,用戶移動服從泊松分布。小區(qū)半徑1km。

圖4表示的是預先設定的門限值占吞吐量比例不同的情況下,半動態(tài)組網(wǎng)方案延展SFN的概率?？梢钥吹?Tmin與吞吐量比值小于0.93時,延展SFN的概率為1,隨著吞吐量比例的增加,延展SFN的概率有所下降,當Tmin與吞吐量相等時,延展概率為0。這是因為,Tmin越小,將相鄰小區(qū)加入SFN后,吞吐量要求越容易滿足。而Tmin與原有吞吐量相同時,由于設定的非SFN小區(qū)的小區(qū)人數(shù)本來就小于SFN小區(qū)人數(shù),所以一般不能滿足門限值的要求,將相鄰小區(qū)加入SFN的概率為0。靜態(tài)組網(wǎng)改變網(wǎng)絡結構的概率為0,動態(tài)組網(wǎng)改變概率為100%,半動態(tài)組網(wǎng)在特定情況下可以將改變概率控制在一定數(shù)值。因此,總體說,半動態(tài)方案的調整概率比動態(tài)算法小得多,可見半動態(tài)方案的實施復雜度遠低于動態(tài)方案。

圖4 延展SFN的概率

圖5 3種組網(wǎng)方式吞吐量之比較

圖5縱軸表示系統(tǒng)達到的吞吐量與設定的 Tmin的比值。從圖5知,靜態(tài)組網(wǎng)的吞吐量大部分均在 Tmin以下,動態(tài)組網(wǎng)的吞吐量大部分均在 Tmin以上,而半動態(tài)組網(wǎng)的吞吐量在 Tmin上下浮動。雖然靜態(tài)方案不能保證Tmin要求,但實施復雜度最低,所以還是一種有用的機制。同時從圖中看出,動態(tài)SFN方案的吞吐量優(yōu)于半動態(tài)方案,但是變化頻率過快,不適用于實際系統(tǒng)。

圖6表示的是半動態(tài)方案中收縮SFN的概率?？梢?G值越大,此概率越大。因為G值越大,條件 Trest≥G?Tmin越不容易滿足,則此時收縮SFN的幾率將增大。隨著吞吐量比例的增大,5條曲線均有不同程度的增加。這是因為吞吐量比例越大,小區(qū)的剩余吞吐量越不容易滿足 Tmin要求,則收縮SFN的幾率增加。由圖6知,半動態(tài)組網(wǎng)方案中收縮SFN的調整概率亦不是很高,即單頻網(wǎng)更新網(wǎng)絡拓撲結構的頻率很低。

圖6 G取不同值時收縮SFN的概率

圖7 收縮SFN時靜態(tài)組網(wǎng)與半動態(tài)組網(wǎng)平均吞吐量之比較

圖7縱軸表示系統(tǒng)達到的吞吐量與設定的 Tmin的比值。從圖7知,無論靜態(tài)組網(wǎng)還是半動態(tài)組網(wǎng)均可以滿足吞吐量性能。這是由于設定的 Tmin小于初始化時整個系統(tǒng)的平均吞吐量。靜態(tài)組網(wǎng)的吞吐量一直不變,所以占Tmin的比例為一個固定數(shù)值。半動態(tài)組網(wǎng)由于適當更新網(wǎng)絡拓撲結構,所以吞吐量有所變化。圖中可以看出,當有用戶從邊界小區(qū)向核心小區(qū)移動后,半動態(tài)組網(wǎng)的平均吞吐量一般情況下優(yōu)于靜態(tài)組網(wǎng)。

4 結束語

研究了SFN網(wǎng)絡的組網(wǎng)問題。通過分析靜態(tài)組網(wǎng)和動態(tài)組網(wǎng)方案各自的弊端,提出了一種半動態(tài)組網(wǎng)方案。在延展SFN時,半動態(tài)組網(wǎng)方式相比靜態(tài)組網(wǎng),可以實現(xiàn)有效覆蓋,保證吞吐量和SFN性能;相比于動態(tài)組網(wǎng),更新網(wǎng)絡拓撲結構概率有所降低。收縮SFN時,半動態(tài)組網(wǎng)吞吐量高于靜態(tài)組網(wǎng),且更新網(wǎng)絡拓撲結構概率可控。方案達到了保證用戶移動性和連續(xù)性及SFN性能的很好的折中,且更新網(wǎng)絡拓撲結構的概率較小,更適合于實際系統(tǒng)的應用。

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