C-RAN 架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于分組調(diào)度的直接通信機(jī)制

劉占軍，陳玲瓏，沈 悅，呂宗琦，陳前斌

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶，400065)

0 引言

隨著我國4G(4thGeneration)牌照的發(fā)放，5G(5thGeneration)技術(shù)的研究已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為5G的技術(shù)特點(diǎn)為更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐容量、更多的用戶連接數(shù)、大數(shù)據(jù)處理以及用戶的隨時(shí)隨地接入［1－2］。而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)主要可以從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和接入方式2個(gè)方面進(jìn)行研究。

針對大的網(wǎng)絡(luò)容量、大數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)，中國移動(dòng)提出了集中式/協(xié)作式/云計(jì)算無線接入網(wǎng)(centralized，cooperative，cloudradio access network，CRAN)［3－5］。該網(wǎng)絡(luò)主要由分布式無線網(wǎng)絡(luò)、光傳輸網(wǎng)絡(luò)以及基帶資源處理池組成。分布式無線網(wǎng)絡(luò)中密集分布的無線遠(yuǎn)端單元(radio remote unit，RRU)由高帶寬、低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)連接至基帶資源處理池中的基帶處理單元(base band unit，BBU)。集中式基帶資源處理池能夠?qū)崿F(xiàn)基帶資源動(dòng)態(tài)共享，對不同小區(qū)之間的基帶資源進(jìn)行集中調(diào)度、控制。同時(shí)基帶資源處理池內(nèi)各個(gè)處理單元共享和交互移動(dòng)終端信息，并結(jié)合移動(dòng)交換中心(mobile switching center，MSC)及無線網(wǎng)絡(luò)控制器(radio network controller，RNC)集中管理網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)調(diào)度?；谠朴?jì)算的虛擬化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)C－RAN架構(gòu)系統(tǒng)資源和終端業(yè)務(wù)的最優(yōu)調(diào)度，從而提高系統(tǒng)資源利用率，更好地滿足不同終端業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)的需求。

針對接入方式，移動(dòng)終端直接通信(device to device，D2D)技術(shù)省去了網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)而使設(shè)備之間可以直接進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的蜂窩通信模式需要為上、下行鏈路分配資源，D2D模式只需要為直接通信鏈路分配資源，從而D2D可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率［6－7］。直接通信的關(guān)鍵技術(shù)包括 2 點(diǎn):D2D發(fā)現(xiàn)和D2D通信［8］。D2D發(fā)現(xiàn)是指終端如何搜索周邊的直接通信終端，目前針對該技術(shù)的研究成果包括文獻(xiàn)［9］研究網(wǎng)絡(luò)控制下D2D發(fā)現(xiàn)的使用案例以及直接通信在商業(yè)和公共安全方面的潛在需求，而文獻(xiàn)［10］則研究了D2D發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求以及解決方案;D2D通信建立機(jī)制是如何在直接通信終端之間建立連接，文獻(xiàn)［11］研究了D2D通信會(huì)話建立和管理的機(jī)制。

然而，目前尚沒有C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的直接通信的相關(guān)研究成果，針對這個(gè)問題進(jìn)行研究不僅能夠推動(dòng)C－RAN和D2D技術(shù)的發(fā)展，還符合5G技術(shù)發(fā)展的需求。因此，研究C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的D2D通信具有重要意義。本文提出了一種C－RAN架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)D2D通信的分組調(diào)度機(jī)制，該機(jī)制利用基帶資源處理池共享移動(dòng)終端信息的特性，直接根據(jù)用戶的空間位置信息為用戶選擇合適的通信方式并建立通信鏈路。

1 C-RAN架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)D2D通信的分組調(diào)度機(jī)制

C－RAN架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)D2D直接通信的分組調(diào)度機(jī)制包含2個(gè)部分:通信方式?jīng)Q策和通信鏈路建立。

1.1 通信方式?jīng)Q策

通信方式對策與流程如圖1所示。

1)初始化位置信息。在基于C－RAN架構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端定期地利用自身GPS(global positioning system)獲取自己的位置信息，然后，將獲取的位置信息發(fā)送至基帶資源處理池;基帶資源處理池接收系統(tǒng)中移動(dòng)終端發(fā)送的位置信息，并利用移動(dòng)終端的位置信息建立終端位置數(shù)據(jù)庫，以及根據(jù)移動(dòng)終端的位置信息更新終端位置數(shù)據(jù)庫中的移動(dòng)終端的位置信息，以便核心網(wǎng)中的MSC查詢系統(tǒng)中的終端位置信息。

2)RRU接收到來自主叫終端的呼叫請求信號，并將主叫終端的呼叫請求信號發(fā)送至基帶資源處理池;基帶資源處理池接收到主叫終端的呼叫請求信號后，讀取出主叫終端的呼叫請求信息并將該信息發(fā)送至核心網(wǎng)中的MSC;MSC接收到主叫終端的呼叫請求信息后，讀取主叫終端的移動(dòng)用戶識別碼(international mobile subscriber identity calling，IMSIc)，以及被叫終端的移動(dòng)用戶識別碼(international mobile subscriber identity incoming calling，IMSII)，并向終端位置數(shù)據(jù)庫查詢IMSIc，IMSII的位置信息。

3)MSC利用查詢到的主、被叫終端位置信息，計(jì)算主被叫終端之間的距離。然后，將主被叫終端之間的距離與系統(tǒng)設(shè)定的終端直接通信門限距離dth進(jìn)行比較。

4)如果主被叫終端之間的距離小于設(shè)定的終端直接通信門限距離dth，則MSC決定終端采用直接通信方式。否則，終端通過RRU中轉(zhuǎn)建立通信。

圖1 通信方式?jīng)Q策流程Fig.1 Decision of communication mode

1.2 D2D直接通信鏈路建立

MSC決定了終端的通信方式后，將終端的通信方式、分配的時(shí)頻資源、發(fā)送功率等信息封裝成調(diào)度指令。終端根據(jù)調(diào)度指令中的參數(shù)建立直接通信鏈路，其步驟如圖2所示。

圖2 C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下D2D直接通信建立過程Fig.2 Link establishment for D2D communication in C－RAN network

1)基帶資源池經(jīng)RRU向主被叫終端下發(fā)調(diào)度指令。

2)主叫終端讀取接收到的調(diào)度指令，獲取終端的通信方式，并根據(jù)調(diào)度指令中的終端發(fā)送功率和帶寬，設(shè)置發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率和帶寬，在調(diào)度指令中的發(fā)送時(shí)間內(nèi)向被叫終端發(fā)送建立連接請求消息。

3)被叫終端讀取調(diào)度指令，獲取終端的通信方式，在調(diào)度指令中的接收時(shí)間內(nèi)接收主叫終端發(fā)送的請求消息。如果被叫終端接收到主叫終端的請求建立消息，則根據(jù)調(diào)度指令，調(diào)整發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和帶寬，在發(fā)送時(shí)間內(nèi)向主叫終端發(fā)送請求響應(yīng)消息。

4)主叫終端根據(jù)調(diào)度指令中的接收時(shí)間，接收被叫終端的請求響應(yīng)消息。如果主叫終端接收到被叫終端的請求響應(yīng)消息，則認(rèn)為主被叫終端之間成功建立直接通信鏈路;否則認(rèn)為直接通信鏈路無法建立。

2 仿真及性能分析

2.1 仿真環(huán)境

本節(jié)根據(jù)上述分組調(diào)度機(jī)制，在MATLAB中仿真了C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的D2D直接通信。仿真采用的C－RAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，該通信網(wǎng)絡(luò)由37個(gè)蜂窩小區(qū)組成，各RRU分布在每個(gè)小區(qū)中心，采用全向天線。用戶隨機(jī)均勻分布在網(wǎng)絡(luò)中，分為D2D用戶和RRU轉(zhuǎn)發(fā)用戶，其中，‘*’表示D2D用戶;‘.’表示 RRU轉(zhuǎn)發(fā)用戶;‘☆’表示RRU。

圖3 80個(gè)用戶隨機(jī)均勻分布在網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)鋱DFig.3 Network topology with 80 users

仿真中，均勻分布在37個(gè)小區(qū)的用戶共享20 MHz的系統(tǒng)帶寬。該帶寬可最多支持25對RRU轉(zhuǎn)發(fā)用戶或者50對D2D用戶同時(shí)通信，其中，每個(gè)終端的最大傳輸功率為16.02 dBm。仿真中采用的傳播模型為自由空間傳播模型，只考慮路徑損耗和高斯白噪聲對終端的影響，載波頻率為800 MHz，進(jìn)而終端的接收功率只與設(shè)備之間的距離有關(guān)。仿真采用Infinite buffer業(yè)務(wù)模型，保證終端有足夠多的數(shù)據(jù)發(fā)送。其仿真主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters

2.2 性能分析

仿真過程中選取與最近RRU距離超過20 m且用戶之間的距離小于15 m的2個(gè)用戶作為一對D2D用戶。若有多個(gè)用戶滿足此條件，則隨機(jī)選取其中2個(gè)用戶即可，同時(shí)保證每個(gè)用戶只能與一個(gè)用戶通信。仿真中，采用RRU轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，系統(tǒng)為用戶到RRU的上行鏈路和RRU到用戶的下行鏈路分配資源塊(resource block，RB)，并計(jì)算該資源下的系統(tǒng)吞吐量;而采用直接通信方式時(shí)，系統(tǒng)只為直接通信鏈路分配RB，并計(jì)算該資源下的系統(tǒng)吞吐量。系統(tǒng)獲得的用戶連接數(shù)為系統(tǒng)中獲得RB的用戶數(shù)。D2D用戶同RRU轉(zhuǎn)發(fā)用戶使用相互正交的物理資源，由集中式基帶資源處理池統(tǒng)一調(diào)度，調(diào)度的最小單元為一個(gè)RB。RB調(diào)度規(guī)則為當(dāng)用戶數(shù)小于RB個(gè)數(shù)時(shí)，采用輪詢分配方式直至系統(tǒng)中的RB分配完畢;當(dāng)系統(tǒng)中的用戶數(shù)大于RB個(gè)數(shù)時(shí)，將采用D2D技術(shù)節(jié)約的RB分配給系統(tǒng)中未分配RB的用戶，且每個(gè)用戶分配的RB不超過一個(gè)。

本文比較了C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在采用直接通信模式前后，系統(tǒng)吞吐量和用戶連接數(shù)隨系統(tǒng)用戶密度的變化情況。后面所述直接通信模式即直接通信模式與RRU轉(zhuǎn)發(fā)模式共存的混合模式。

2.2.1 系統(tǒng)吞吐量

圖4為系統(tǒng)吞吐量圖。由圖4可知，系統(tǒng)吞吐量隨系統(tǒng)用戶密度增加而增加。當(dāng)系統(tǒng)中用戶密度較小時(shí)，系統(tǒng)采用直接通信與RRU轉(zhuǎn)發(fā)模式獲得的吞吐量基本相當(dāng)，這主要是因?yàn)橛脩艟鶆蚍植荚谡麄€(gè)系統(tǒng)中，大部分用戶依然以RRU轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行通信。當(dāng)用戶密度處于8.5～15.4(number/(103×m2))時(shí)，采用直接通信模式，系統(tǒng)吞吐量增加10.4%;而在整個(gè)用戶密度變化的區(qū)間上，系統(tǒng)采用直接通信模式，其吞吐量仍然能夠增加7.2%。這主要是因?yàn)?①直接通信用戶擁有更短的通信鏈路，在不考慮干擾的情況下，能夠擁有更好的SNR，因此，在相同帶寬的情況下，用戶采用直接通信能夠獲得更高的吞吐量;②隨著用戶密度增大，系統(tǒng)中滿足直接通信條件的用戶更多，系統(tǒng)將存在更多的通信鏈路。

2.2.2 用戶連接數(shù)

圖5為系統(tǒng)用戶連接數(shù)圖，由圖5可知，當(dāng)用戶密度較大時(shí)，系統(tǒng)采用直接通信能夠獲得更大的用戶連接數(shù)。當(dāng)用戶密度較小時(shí)，2種通信模式獲得相同的用戶連接數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)無線資源能夠滿足用戶接入需求。當(dāng)用戶密度處于8.5～15.4(number/(103×m2))時(shí)，系統(tǒng)采用直接通信模式，其用戶連接數(shù)能夠提高9.1%;而在整個(gè)用戶密度變化區(qū)間上，系統(tǒng)采用直接通信模式，其用戶連接數(shù)仍然提高了6.4%。這主要是因?yàn)楫?dāng)用戶密度增大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更多的直接通信用戶，此時(shí)系統(tǒng)將直接通信節(jié)約的RB分配給未獲得RB的用戶，進(jìn)而系統(tǒng)能夠同時(shí)支持更多的用戶進(jìn)行通信。

圖4 不同通信方式下，系統(tǒng)吞吐量隨用戶密度變化曲線Fig.4 Curve of system throughput changes along with user’s density in different communication modes

圖5 不同通信方式下，系統(tǒng)用戶連接數(shù)隨用戶密度變化曲線Fig.5 Curve of the number of user changes along with user’s density in different communication modes

3 結(jié)論

本文提出了一種在C－RAN架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)D2D通信的通信方式?jīng)Q策和鏈路建立機(jī)制。在該機(jī)制中，MSC利用主被叫終端位置信息，計(jì)算主被叫終端之間的距離，并與設(shè)定的門限值比較，從而確定終端的通信方式并建立通信鏈路。該機(jī)制充分利用了CRAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集中式處理特性。仿真結(jié)果表明，相對于RRU轉(zhuǎn)發(fā)通信，D2D通信能使C－RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量增加7.2%，同時(shí)用戶連接數(shù)提高6.4%。

本文的工作存在以下需要進(jìn)一步完善的地方:①計(jì)算復(fù)雜度較高。由于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于集中式處理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且一個(gè)云計(jì)算中心需負(fù)責(zé)較大一塊覆蓋區(qū)域中的較多用戶，而隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量和RRU數(shù)量的增加網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)復(fù)雜程度將快速增加，而對于技術(shù)所需要的計(jì)算復(fù)雜度也就隨之增加，如何降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，本文并沒有討論;②沒有考慮頻譜的分配問題。D2D應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的用戶設(shè)備(user equipment，UE)可能會(huì)出現(xiàn)直接通信的狀態(tài)，而RRU也可能會(huì)出現(xiàn)覆蓋區(qū)域有UE互相直接通信狀態(tài)和有UE與其他RRU覆蓋區(qū)域中的UE直接通信的狀態(tài)。而網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)狀態(tài)的增加必然會(huì)導(dǎo)致頻譜分配的改變，相關(guān)技術(shù)也是接下來所需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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