一種改進(jìn)的DL－CoMP－MU有限反饋方案

趙 鑫，王軍選，丁淑雯

(西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安 710061)

近年來，隨著蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，CoMP已成為提高小區(qū)邊緣用戶性能，降低小區(qū)間干擾，提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。但要實(shí)現(xiàn)下行多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)(DL－CoMP)操作，需服務(wù)基站(Serving eNode B)獲得協(xié)作集合內(nèi)所有用戶與協(xié)作點(diǎn)間的信道信息，即需要用戶設(shè)備UE將全部信道狀態(tài)信息(Channel Statement Information，CSI)反饋給服務(wù)基站。但反饋全部信道CSI不僅產(chǎn)生較大的反饋開銷，而且占用大量的上行鏈路資源，同時(shí)引起信道損耗和系統(tǒng)性能的降低，在一定程度上限制了CoMP技術(shù)的使用。

目前國內(nèi)外許多公司針對(duì)DL－CoMP－MU有限反饋系統(tǒng)中隱式反饋機(jī)制，提出了系統(tǒng)容量和反饋壓縮量折中的方案。文獻(xiàn)［1～2］提到一種壓縮反饋技術(shù)，利用Clustered方法劃分物理資源塊，將相鄰4個(gè)物理資源塊分為一個(gè)簇，以簇作為反饋CSI的反饋單元，從而減小反饋開銷。文獻(xiàn)［3］為了提高UE反饋信息的精確度，便于服務(wù)基站對(duì)用戶的調(diào)度，在壓縮反饋的基礎(chǔ)上，提出了動(dòng)態(tài)克隆牛分簇的思想。但并未考慮在預(yù)設(shè)SNR門限的情況下，當(dāng)測(cè)得物理資源塊SNR小于用戶預(yù)設(shè)的SNR門限值時(shí)，設(shè)置該物理資源塊SNR=0，產(chǎn)生反饋中斷對(duì)系統(tǒng)影響?？紤]公平性和對(duì)系統(tǒng)容量的影響，文獻(xiàn)［4］在DL－CoMP－MU的隱性反饋機(jī)制下，采用單條鏈路SNR值代替CQI信息的方案降低信道信息的反饋量，但忽略了對(duì)反饋信息的壓縮，同時(shí)也沒有考慮到UE中斷情況，導(dǎo)致頻譜利用率較低。文獻(xiàn)［5］提出了針對(duì)反饋中斷的門限動(dòng)態(tài)判決方案，提高了頻譜利用率，且采用反饋壓縮技術(shù)，減小了反饋開銷。但基于地理位置的協(xié)作用戶劃分方式，沒有充分考慮公平性和對(duì)系統(tǒng)容量的影響。

本文在DL－CoMP－MU的隱性反饋機(jī)制下，利用信噪比SNR值代替CQI信息的方案，同時(shí)采用基于幾何因子(Geometry Factor)的協(xié)作用戶選擇方式，結(jié)合靜態(tài)協(xié)作方式選擇協(xié)作集合，搭建完成DL－CoMPMU有限反饋系統(tǒng)仿真平臺(tái)，為將來設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)反饋量和提高頻譜利用率的反饋開銷方案提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 有限反饋方案原理和設(shè)計(jì)模型

1.1 有限反饋方案原理

LTE－Advanced系統(tǒng)中有限反饋技術(shù)，指UE反饋部分信道CQI給eNodeB，eNode B根據(jù)反饋的CQI對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度，已成為CoMP減小反饋開銷的主要技術(shù)之一［3，6－7］。

DL－CoMP－MU相當(dāng)于構(gòu)成了多用戶多小區(qū)的虛擬MIMO系統(tǒng)，信道參數(shù)的反饋個(gè)數(shù)增加了，在有限的反饋速率的情況下，若不增加反饋開銷，必然會(huì)影響反饋信息的準(zhǔn)確性。所以，高效有限反饋目的是通過有限的反饋量實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，并不是對(duì)信道的重建。

DL－CoMP－MU系統(tǒng)中，為降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的頻譜利用率，文獻(xiàn)［5］在以eNode B為中心，半徑為500 m的正6邊形的小區(qū)中，距離基站300 m范圍內(nèi)的用戶為中心用戶，在300～500 m范圍區(qū)域的用戶為邊緣用戶。這種基于地理位置劃分方式雖然簡(jiǎn)單，但沒有考慮劃分結(jié)果的公平性和對(duì)系統(tǒng)容量的影響。針對(duì)以上不足，本文采用基于幾何因子的協(xié)作用戶選擇算法。

幾何因子Gsic作為下行鏈路的主要參數(shù)之一，可以反映移動(dòng)臺(tái)和基站之間距離的遠(yuǎn)近。單小區(qū)服務(wù)模式下，Gsic定義為用戶接收來自服務(wù)小區(qū)的功率與來自其他小區(qū)干擾功率和噪聲功率之和的比值，表示為

其中，Sk表示UEk對(duì)應(yīng)的服務(wù)小區(qū)的信號(hào)功率表示來自非服務(wù)小區(qū)的干擾信號(hào)功率之和;N為加性高斯白噪聲功率。

若UEk處于CoMP模式下，將接收到協(xié)作集合中多個(gè)協(xié)作點(diǎn)的有用信號(hào)，假設(shè)協(xié)作集合CS有M個(gè)eNodeB參與協(xié)作傳輸，則多用戶協(xié)作模式下用戶的幾何因子可表示為

選擇邊緣用戶時(shí)，可采用GCoMP－CS和Gsic的比值作為選擇的標(biāo)準(zhǔn)，如式(3)所示

當(dāng)UEk的αk系數(shù)大于某一給定值時(shí)，設(shè)UEk為邊緣用戶。反之，為中心用戶。根據(jù)降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和減小反饋開銷的原則，本文采用靜態(tài)協(xié)作選擇，即在蜂窩網(wǎng)中，邊緣用戶選擇距離其地理位置最近的3個(gè)eNode B提供服務(wù)，如圖1所示。

圖1 選擇協(xié)作集合

由于無線通信系統(tǒng)中傳播路徑的復(fù)雜性，無線信道穩(wěn)定性差，所以傳播損耗成為影響通信質(zhì)量的主要因素之一［8－10］。通常，將無線信道分為:大尺度衰落和小尺度衰落。

大尺度衰落包括:陰影衰落和路徑損耗兩部分。陰影衰落值一般在密集城區(qū)、城區(qū)、郊區(qū)等都是8 dB，農(nóng)村7 dB;本文取值為8 dB。

根據(jù)LTE微城市LOS傳輸環(huán)境主要參數(shù)［11］，本文的路徑損耗模型為

式中，Pathloss表示衰落值，單位dB;d是UE與eNode B之間的距離，單位km。

在LTE－A系統(tǒng)下，根據(jù)目前的 CQI反饋定義［10］，反饋CQI值要比反饋傳輸點(diǎn)結(jié)構(gòu)(Transmission Points Configuration for CoMP，TPCC)更為困難，若用戶反饋3個(gè)單小區(qū)CoMP下的CQI值和TPCC結(jié)構(gòu)，服務(wù)基站可以通過反饋信息計(jì)算出其余的CQI值，在一定程度上能減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，但在這種方式下，用戶需計(jì)算3個(gè)CQI值，工作量較大［12］。若用估計(jì)的SINR值來代替CQI值反饋，服務(wù)基站通過單條鏈路的SINR值就能夠計(jì)算出所有的CQI值，能有效降低反饋信道的壓力。但對(duì)于協(xié)作小區(qū)數(shù)目多，資源塊數(shù)量大的情況下，反饋量的減少不明顯。所以通過SINR和SNR的換算關(guān)系，將SINR信息轉(zhuǎn)換成單鏈路SNR信息進(jìn)行反饋，進(jìn)一步減小反饋開銷。

在DL－CoMP－MU鏈路中，eNodeB根據(jù)一定的時(shí)間間隔將導(dǎo)頻信息傳輸給UE，UE根據(jù)導(dǎo)頻信息對(duì)M個(gè)下行鏈路物理資源塊進(jìn)行測(cè)量，則UEk第m個(gè)物理資源塊上的瞬時(shí)狀態(tài)信息SNR表示為

式中，m=1，2，…，M;Hk，m為 UEk第 m 個(gè)物理資源塊上瑞利信道的信道增益;ωk，m為UEk第m個(gè)物理資源塊上的預(yù)編碼矩陣;E為平均發(fā)射功率;N為加性高斯白噪聲功率;Pathlossk表示UEk的路徑損耗。

由式(5)可推出，在文中，UE1第i條鏈路的第m個(gè)物理資源塊上的瞬時(shí)狀態(tài)信息SNRi表示為

式中，Hi，m表示UE1在鏈路i第m個(gè)物理資源塊上瑞利信道的信道增益;ωi，m表示UE1在鏈路i上第m個(gè)物理資源塊上的預(yù)編碼矩陣;Pathloss表示UE1在第i條鏈路上的路徑損耗。

1.2 有限反饋方案設(shè)計(jì)模型

本文建立的系統(tǒng)模型包括3個(gè)協(xié)作集合［13］:eNode B0，eNode B1和eNode B2，這3個(gè)小區(qū)的基站之間進(jìn)行協(xié)作傳輸可得到7種不同的TPCC結(jié)構(gòu)，且對(duì)應(yīng)不同的CQI值。

(1)單個(gè)小區(qū) CoMP傳輸?shù)?CQI值:TPCC1，TPCC2和TPCC3的CQI值。

(2)兩個(gè)小區(qū) CoMP傳輸?shù)?CQI值:TPCC4，TPCC5和TPCC6的CQI值。

(3)3個(gè)小區(qū) CoMP傳輸?shù)?CQI值:TPCC7的CQI值。

表1 TPCC可能的結(jié)構(gòu)

在CoMP－SU－MIMO場(chǎng)景中，從上述的7種TPCC結(jié)構(gòu)可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的工作機(jī)制是:當(dāng)主服務(wù)小區(qū)B0中的主服務(wù)基站eNB0將第m個(gè)物理資源塊分配給用戶UE1，而UE1不能滿足QOS要求時(shí)，則eNB0通過X2接口向協(xié)作小區(qū)B1和B2發(fā)送協(xié)作請(qǐng)求，協(xié)作基站eNB1和eNB2分別接收到eNB0發(fā)送的協(xié)作請(qǐng)求后，判斷與主服務(wù)小區(qū)相同頻率的物理資源塊是否有空閑，若該物理資源塊空閑，則eNB1和/或eNB2向eNB0發(fā)送確認(rèn)(ACK)信息，表示同意參與協(xié)作傳輸;若該物理資源塊非空閑，則發(fā)送否定(NACK)信息，表示不同意參與協(xié)作傳輸;eNB0在收到協(xié)作小區(qū)發(fā)回的ACK信息后，向參與協(xié)作傳輸?shù)膮f(xié)作小區(qū)基站發(fā)送需要給用戶UE1傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，最后主服務(wù)基站eNB0和參與協(xié)作傳輸?shù)膮f(xié)作基站聯(lián)合為用戶UE1傳輸信息。

其中在判斷頻率資源塊的占用情況時(shí)，可采用匹配濾波器法。其是一種最優(yōu)的信號(hào)檢測(cè)法，因其能夠在短時(shí)間里獲得高處理增益，同時(shí)在輸出端能使信號(hào)的信噪比達(dá)到最大。但使用匹配濾波器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)必須知道被檢測(cè)的主用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，比如調(diào)制方式、脈沖波形、數(shù)據(jù)包格式等。然后根據(jù)判斷情況選擇反饋哪種結(jié)構(gòu)下的SNRi值;最后，基站可根據(jù)單條鏈路的SNRi值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的7種TPCC結(jié)構(gòu)下的CQI值。

式中，SINR1是用戶到主服務(wù)小區(qū)的信干噪比;SINR1、SINR2分別是用戶到兩個(gè)協(xié)作小區(qū)的信干噪比。

計(jì)算其余相應(yīng)的TPCC結(jié)構(gòu)下的SINRi的值為

式中，SINR4、SINR5和SINR6是一個(gè)主服務(wù)小區(qū)和一個(gè)協(xié)作小區(qū)協(xié)同為用戶UE1服務(wù)的信干噪比;SINR7是3個(gè)基站協(xié)同為UE1提供服務(wù)時(shí)的信干噪比。

2 算法及仿真

仿真環(huán)境參考 LTE －A 的架構(gòu)［14－15］，具體參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表

同時(shí)采用地理位置相鄰的3基站組成協(xié)作集合，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡嫒鐖D1所示，由3個(gè)6邊形小區(qū)組成，分別是 eNode B0、eNode B1、eNode B2。圖中圓圈區(qū)域，即3個(gè)小區(qū)的邊緣交界處，是本文仿真的協(xié)作區(qū)域(Cooperation Region)，△表示基站 eNode Bi(i=0，1，2)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 同幾何因子下邊緣用戶平均吞吐量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)仿真可知，當(dāng)α=0.2時(shí)，選擇的用戶均勻分布。隨著α的值由0.2增加到3.0，要求協(xié)作模式的幾何因子大于單小區(qū)服務(wù)模式，此時(shí)用戶的分布將逐漸向3個(gè)小區(qū)的邊界處靠近。圖2給出了假設(shè)eNode B0為服務(wù)小區(qū)α取不同值時(shí)，100個(gè)小區(qū)邊緣用戶分別在單小區(qū)服務(wù)模式(Single－Cell，SiC)，CoMP全反饋模式(Full－CoMP，F(xiàn)－CoMP)，CoMP有限反饋模式(Limit－CoMP，L－CoMP)下的平均吞吐量仿真圖。當(dāng)α=0.2時(shí)，處于單小區(qū)服務(wù)模式下，隨著α增大，越來越多的用戶分布在小區(qū)邊緣時(shí)，用戶接收到的小區(qū)間干擾會(huì)隨之增大，造成了平均吞吐量的下降，影響了系統(tǒng)性能。當(dāng)隨著α持續(xù)增大時(shí)，用戶分布趨于小區(qū)的邊緣，在CoMP模式下小區(qū)邊緣用戶的吞吐量顯著增加，在α=3.0時(shí)，單小區(qū)傳輸模式和CoMP模式相比，平均吞吐量增加了1倍，且F－CoMP和LCoMP的平均吞吐量的數(shù)據(jù)差距較小，可看出當(dāng)邊緣用戶數(shù)目一定時(shí)，設(shè)計(jì)的有限反饋方案并未造成過大的性能損失。

另外，本方案采用的邊緣用戶劃分方式是從用戶的SINR角度考慮，將單基站服務(wù)模式下SINR低的用戶選擇為邊緣用戶，為了具體比較兩種方案對(duì)小區(qū)性能的影響。仿真中分別使用本方案和文獻(xiàn)［7］的邊緣用戶選擇方法，對(duì)服務(wù)小區(qū)的用戶進(jìn)行判別，考慮用戶數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在仿真中循環(huán)10次，每次在服務(wù)小區(qū)中隨機(jī)添加10位新用戶，統(tǒng)計(jì)小區(qū)用戶的平均吞吐量，仿真如圖3所示。其中，中心用戶由單基站提供服務(wù)。

圖3 兩種方案中用戶數(shù)目和平均吞吐量統(tǒng)計(jì)圖

如圖3所示，隨著用戶數(shù)目的增加，小區(qū)平均吞吐量呈現(xiàn)起伏變化，沒有持續(xù)增長，這是由于添加的新用戶隨機(jī)分布，若兩種方案均判別為邊緣用戶，則采用協(xié)作傳輸模式后，對(duì)小區(qū)的性能改善效果顯著，平均吞吐量會(huì)有所增加;若均判斷為中心用戶，則新用戶在單基站服務(wù)模式下對(duì)小區(qū)性能的改善不明顯，甚至部分新用戶分布接近判決門限時(shí)，還會(huì)影響小區(qū)性能的改善。且當(dāng)用戶數(shù)目較少時(shí)，本方案小區(qū)的平均吞吐量與文獻(xiàn)［7］相比差別不大甚至相同，這是由于在小區(qū)用戶數(shù)目較少時(shí)，兩種方案判斷的邊緣用戶可能是相同;但是隨著小區(qū)用戶數(shù)目的增加，本方案選擇的邊緣用戶數(shù)量會(huì)大于文獻(xiàn)［7］的邊緣用戶數(shù)量，這樣就獲得了更大的平均吞吐量，進(jìn)一步改善了有限反饋系統(tǒng)對(duì)小區(qū)性能的影響。

3 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有DL－CoMP－MU方案中邊緣用戶選擇方式和SNR門限設(shè)置進(jìn)行了改進(jìn)，搭建了有限反饋系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的平均吞吐量性能進(jìn)行了仿真研究，改進(jìn)的有限反饋方案較之原有的方案，可獲得更多的系統(tǒng)性能增益，不僅顯著提高了邊緣小區(qū)用戶的吞吐量，還一定程度上提升了小區(qū)用戶平均吞吐量;與全反饋方案相比，在損失少量系統(tǒng)吞吐量即保證系統(tǒng)性能的前提下，為今后對(duì)減小系統(tǒng)反饋開銷方案研究提供了參考。

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