一種無線異構網絡中的分步協作基站分簇方法*

韓東升，袁華璐，丁莎莎，余 萍

（1.華北電力大學電子與通信工程系，河北保定　071003；2.中國南方電網有限公司超高壓輸電公司，廣州　510620）

一種無線異構網絡中的分步協作基站分簇方法*

韓東升**1，袁華璐2，丁莎莎1，余 萍1

（1.華北電力大學電子與通信工程系，河北保定071003；2.中國南方電網有限公司超高壓輸電公司，廣州510620）

為抑制小區(qū)間干擾提高系統性能，基于異構網絡提出了一種分步基站分簇方法。該方法首先依據期望用戶受到的除主服務基站之外的其余基站的信號干擾強度，確定待分簇基站集合；然后根據期望用戶接收到待選集合中各個基站的信號強度，確定最終參與協作的基站集合。分步基站分簇方法通過縮小用戶選擇范圍，同時綜合考慮用戶所在小區(qū)的信號強度和周圍基站的干擾信號強度進行協作基站分簇。仿真結果表明：相對于現有功率最大法和閾值法，基于分步的基站分簇方法具有更高的用戶端傳輸速率，更好地提升了系統性能。

異構網絡；協作多點傳輸；分簇；分步；傳輸速率

1　引　言

異構網絡（Heterogeneous Network，HN）和協作多點（Coordinated Multiple Points，CoMP）傳輸技術能明顯改善小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。異構網是一種分層的網絡結構［1］。CoMP把分散在不同地理位置的傳輸點，通過光纖連接來進行多小區(qū)信號的協同傳輸和接收［2］。多個站點協作需要共享和反饋大量的用戶數據信息、信道狀態(tài)信息，這會造成X2接口開銷過大。基站分簇是一種實現多站點協作傳輸的有效方法。

目前，靜態(tài)基站分簇主要是基于地理位置的遠近和所承載的業(yè)務類型的相似程度進行分簇，在網絡規(guī)劃初期完成協作簇的規(guī)模劃定，這種分簇方法簡單，但是實時性差［3-6］。動態(tài)分簇方法［7-10］通過用戶端反饋信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）到基站控制器來進行協作分析，選擇CSI好的基站進行協作，這種分簇方法實時性好，但是計算量大。文獻［11］中提出了一種距離最近的基站分簇方案，是在基站類型相同的同構網絡結構下分析的，而同構組網形式不能很好地適應目前異構網的分層結構，同時該方案中沒有考慮干擾基站對形成的簇結構的影響。文獻［12］通過設置路徑損耗門限值來進行協作基站的選擇，但是路徑損耗并不能完整反映傳輸環(huán)境對接收端信號強度的影響，在信號傳輸過程中，大尺度衰落和小尺度衰落會共同影響接收端信號強度?；趯ΜF有分簇方法特點的分析，考慮到同構組網分簇模型的局限性和傳輸環(huán)境的影響，本文在異構網絡的組網結構下，同時考慮無線環(huán)境中大尺度衰落和小尺度衰落對接收端信號強度的影響，提出了分步協作基站分簇方法。該方法以最大化接收端傳輸速率為目標，通過分步選擇得到最終的協作基站集合；同時考慮了相鄰基站的信號強度以及周圍干擾信號強度，并且縮小了用戶選擇的范圍。仿真結果表明該方法優(yōu)于現有距離最近法［12］和閾值法中的基站分簇方法。

2　系統模型

考慮一個無線異構網絡系統，系統中每個宏基站形成一個小區(qū)，系統中共有B個宏基站。每個小區(qū)的邊緣和熱點區(qū)域有多個隨機分布的微小區(qū)，用戶隨機分布在某個微小區(qū)中［1］。圖1為系統下行傳輸的場景。

圖1　傳輸場景示意圖Fig.1 Transmission scenario

在圖1所示的傳輸場景中，微用戶1不僅接收到所在微基站發(fā)送信號，還受到宏基站的干擾?，F考慮一個下行異構多基站場景∶假設在小區(qū)m中心有一宏基站m，覆蓋區(qū)域是半徑R的圓形區(qū)域，該宏基站的發(fā)送信號功率為PM，在該小區(qū)隨機分布L個微基站，第m小區(qū)中第i個微基站記為Lmi，微基站的發(fā)送信號功率記PN，這些微基站覆蓋半徑為rpico。

在小區(qū)m中隨機分布K個用戶，小區(qū)m中第i個微小區(qū)的邊緣用戶j記為Kmij。宏基站有MT根發(fā)送天線，微基站配備MF根天線，用戶有MR根接收天線?；就ㄟ^無線廣播信道向用戶傳輸信息，那么，用戶Kmij接收信號強度為

所以，用戶Kmij接收信號的信干噪比（Signal Interference Noise Ratio，SINR）為

分析式（3），提高邊緣用戶的信號速率可以增加帶寬B，或者提高接收端信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）。但是頻率資源十分匱乏，一般都是通過提高接收端信干噪比來提升傳輸速率。多基站協作傳輸就是通過把干擾基站變?yōu)榭梢詤f作的基站傳輸有用信號，進而多個基站共同為用戶端傳輸有效信號，提高接收端信號的有效功率，同時降低干擾來實現傳輸速率的提升。這說明系統中除主基站之外的基站信號強度和產生的干擾大小都會影響接收端傳輸速率?；谝陨戏治?，本文提出一種分步的基站分簇方法。

3　分步協作基站分簇方法

協作分簇是根據預先設置的分簇方法，找到滿足條件的基站進行協作，分析式（2）和式（3），協作后用戶Kmij的協作數據速率Rc-p為

式中∶Pmij表示用戶Kmij接收到的有效信號強度；PRmij表示用戶Kmij受到非協作簇外的基站產生的干擾信號強度功率；PX表示得到的協作基站的信號強度；PZ表示用戶接收到噪聲功率。

令期望用戶所處小區(qū)的基站Lmi作為其主服務基站。分步協作基站分簇方法是通過確定協作集合的方式，找到可以協作的A個基站，這A個滿足分簇方法的基站和用戶的主服務基站共同為用戶傳輸數據。圖2所示為協作分簇的傳輸模型。

圖2　基站分簇傳輸過程Fig.2 The base station clustering transfer process

假設用戶1的主基站為基站1。在圖2中，最窄折線鏈路為服務基站的有效信號傳輸鏈路，直線鏈路為其余基站的干擾信號鏈路。協作傳輸過程中，用戶端需反饋信道狀態(tài)信息到基站控制器，基站控制器根據協作方法通知相應的基站進行協作，虛線框中表示基站簇1，里面的基站共同為用戶傳輸有效信號。在本文中進行微站的協作基站分簇，所以，在圖2中用戶端反饋信息所到的基站控制器為宏站中結構單元，宏站通過毫米波技術［13］與微站之間進行協作信令的傳輸，通知相應的微站協作為用戶服務。在協作基站選擇過程中，用集合BL表示小區(qū)內所有微基站集合；用B1c-p表示待選協作基站集合，Bc-p表示最終協作基站集合。初始狀態(tài)，BL=｛1，2，…，L｝，Bc-p=B1c-p=?。分步協作基站分簇步驟如下∶

第一步 分析用戶Kmij的主服務基站Lmi和其余基站分別進行協作得到協作簇后，非簇中基站對協作簇的干擾情況，選出干擾值最小的基站集合，并將基站編號存入待選協作基站集合B1c-p。

（1）考慮到用戶Kmij的主基站Lmi以廣播形式發(fā)送數據，為消除多用戶干擾，信號首先在基站端進行預編碼。因此，主基站發(fā)送信號形式為

式（7）表示了微基站Lmi向小區(qū)中其他用戶發(fā)送的數據信號也經過信道hmij到達用戶Kmij。其中∶smij，s1，…，s（K-1）分別表示用戶j，1，…，K-1的請求數據流；wmij，w1，…，w（K-1）表示相應用戶j，1，…，K-1的預編碼矩陣。

本文用信干噪比表示用戶的主服務基站和每個非主服務基站協作形成的協作簇受到的干擾大小，因此用戶的主服務基站和每個非主服務基站進行協作傳輸時，期望用戶受到的信干噪比集合為

p表示非Lmi基站；Hmij表示用戶終端接收主服務基站Lmi發(fā)送信息的信道矩陣；Lmv表示除主服務基站Lmi以及非主服務基站Lmp以外的第v個微基站；Wmij表示針對用戶終端Kmij設計的預編碼矩陣；Wmpj表示針對用戶終端Kmpj設計的預編碼矩陣；Hmvj表示基站Lmv和用戶終端Kmij之間的信道矩陣。式（9）表示除去主服務基站之外的每個基站和主基站協作時受到的剩余基站的干擾情況。

（2）對計算得到的信干噪比大小進行排序，得出由大到小排列的干擾集合∶

相應的基站編號集合∶

此時，從集合Gg-r中選出信干噪比較大的ec個基站，并將它們的編號存入集合B1c-p，得待選集合。

此時待選基站集和為

第二步 分析用戶Kmij接收到待選基站集合B1c-p中的基站信號強度大小，最終選出A個可以協作的基站，并將編號存入最終協作集合Bc-p。

（1）由于無線傳輸環(huán)境復雜，大尺度衰落和小尺度衰落都會造成基站發(fā)送信號強度發(fā)生衰減。因此，考慮衰落對期望用戶接收信號強度的影響，計算期望用戶接收到來自初始待選集合B1c-p中的發(fā)送信號強度，并將強度值存入集合pq-d，那么，

式中∶pq-dp表示用戶終端Kmij接收到非主服務基站Lmp的信號強度；ec表示得到的待選基站集合中待選基站的個數；Wmpj表示針對用戶Kmpj設計的預編碼矩陣；Hmpj表示基站Lmp和用戶終端Kmij之間的信道矩陣。

（2）對得到的信號強度進行排序，得出由大到小排列的信號強度集合∶c

相應的基站編號為

從集合Bq-h中選出A個信號強度最大的基站存入集合Bc-p，那么，最終得出的有A個基站的可以參與協作的基站集合∶

由式（6）可得協作后的接收端信干噪比為Scp=［Pmij+（Pf1+…+PfA）］·

本文提出的分步基站分簇方法是通過縮小用戶的選擇范圍，令用戶在縮小范圍后的集合中選擇最終的協作基站，而在已有的基于全局的基站分簇方法中，需要用戶實時在系統中，進行協作基站選擇，計算復雜度高，并且實時的計算復雜度較高，而相比于基于全局的協作基站分簇方法，本文方法具有更低的復雜度。用戶首先根據長期CSI確定待選集合范圍后，在較長的時間內，只要在待選集合中選擇最終的協作基站即可。

4　仿真分析

假設宏基站處于坐標系（0，0）位置，覆蓋半徑為600 m的圓形區(qū)域，微基站隨機分布在該小區(qū)的邊緣區(qū)域，形成多個微小區(qū)，用戶隨機分布在微小區(qū)中。根據3GPP關于異構網絡部署和規(guī)范［14-15］，設置仿真參數如表1所示。在表1中，dh為宏基站和用戶之間的距離，單位km；dw為微基站和用戶之間的距離，單位km。

表1　仿真參數設置Tab.1 Simulation parameter settings

在MATLAB仿真平臺進行仿真驗證。不失一般性，設置A=2，即找到除主服務基站之外的兩個基站進行基站分簇為邊緣用戶共同傳輸數據。對協作后接收端傳輸速率Rc-p隨信噪比變化情況進行性能分析，如圖3所示。

圖3　不同分簇方法下的傳輸速率變化曲線Fig.3 The transmission rate curve under different clustering methods

圖3是設置宏基站發(fā)送天線數MT=2、微基站天線數MF=1、微基站個數L=10時，比較現有接收功率最大法、閾值法和本文提出的分步法得出的接收端協作傳輸速率的變化曲線。從圖3的曲線變化可以看出本文提出的分步法得到的接收端傳輸速率較高?，F有接收功率最大法是用戶的主服務基站和接收到相鄰基站中信號強度最大的基站之間協作，但是沒考慮周圍基站的干擾影響。閾值法是通過設置接收信號強度閾值來選擇高于該閾值的基站進行協作，當從L個微基站中選出的可以協作的基站時，選擇出的滿足條件的基站協作后傳輸速率小于分步法得到的協作傳輸速率，這是由于閾值法選擇出的基站個數對接收端傳輸速率造成的影響，因此也使得閾值法和功率最大法得到的接收端協作傳輸速率較小。由圖3的仿真曲線的變化趨勢可以看出∶當信噪比為15 dB左右時，本文方法的Rc-p基本達到最大，以后的變化趨于穩(wěn)定變化，即使再提高信噪比，接收端傳輸速率也不會有明顯變化；而另兩種方法是在信噪比為10 dB時Rc-p達到最大，以后趨于穩(wěn)定變化。本文方法得到的協作傳輸速率最大值約為0.58 b·s-1·Hz-1，其余兩種方法得到的Rc-p大約為0.4 b·s-1·Hz-1和0.32 b·s-1·Hz-1，雖然協作傳輸速率較早趨于穩(wěn)定，但最大協作傳輸速率Rc-p都小于0.58 b·s-1·Hz-1。所以，由圖3可以得出在信噪比小于15 dB時，分步法得到的傳輸速率隨著信噪比的提高會顯著增加。

目前，采用多天線傳輸技術能顯著提升信道容量。圖4中描述了基站天線數改變后3種方法對應的傳輸速率變化情況。

圖4　改變發(fā)送天線數后傳輸速率變化曲線Fig.4 The transmission rate curve in different transmitting antenna numbers

圖4中表示的是當基站多天線發(fā)送，即宏基站發(fā)送天線數MT=8、微基站發(fā)送天線數MF=2時，得到不同分簇方法下的接收端傳輸速率變化曲線。從圖4中曲線變化趨勢可以得出分步法得到的協作傳輸速率最大，系統性能最好。比較圖3中傳輸速率變化情況，在該設置場景下，3種方法得出的Rc-p達到最大并趨于穩(wěn)定變化時的信噪比與圖3中的變化趨勢相同，其信噪比分別為10 dB和15 dB時Rc-p有最大值并在以后趨于穩(wěn)定變化。但是，在相同信噪比值下，3種方法對應的Rc-p都小于圖3中對應的協作速率，其中分步法中最大協作傳輸速率Rc-p約為0.46 b·s-1·Hz-1；最大功率法和閾值法得到的Rc-p約為0.24 b·s-1·Hz-1和0.23 b·s-1·Hz-1，并且后兩種方法得到的協作傳輸速率曲線之間的差距變小。比較圖3中的情況，傳輸速率都變小主要是由于天線數增多，每根天線等功率發(fā)送后，非協作集合中的基站發(fā)送的干擾信號功率增加，并且增加的總和大于有效信號功率增加總和，使得信干噪比Scp降低，接收端協作速率Rc-p變小。由圖3和圖4可以得出以下結論∶基站端發(fā)送天線的個數影響協作后傳輸速率，并且隨著天線數增多，Rc-p變小。

基站個數會影響最終選擇的可以協作的基站情況。圖5是通過改變系統中基站個數得到的3種方法對應的傳輸速率變化情況。

圖5　改變基站數后的傳輸速率變化曲線Fig.5 The transmission rate curve in different numbers of base stations

圖5是在宏基站發(fā)送天線數MT=2、微基站發(fā)送天線數MF=1時，系統中基站個數分別為L=15和L=20時3種分簇方法對應的協作傳輸速率變化曲線。從圖5中可以看出∶L=15，ec=5時，得到的協作傳輸速率Rc-p最大；但是當L增加，待選基站個數ec增加時，協作速率降低。這是由于基站個數增加，在選擇出可以協作的基站A后，剩余基站產生的干擾增加，致使信干噪比Scp減小，所以協作速率降低。閾值法速率曲線位于L=15和L=20時的分步法速率曲線之間，并且閾值法得到的協作速率值也是隨著L的增加而減小的，同時說明閾值法在基站個數較多時比分步法有優(yōu)勢。從曲線的變化趨勢可以看出當信噪比大于等于10 dB時3種方法的協作傳輸速率Rc-p逐漸趨于穩(wěn)定。由圖3和圖5可知∶系統中的基站個數影響協作后傳輸速率的大?。徊⑶耶斚到y中基站的個數較少時，本文提出的方法性能比較好。

由于基站個數會影響接收端傳輸速率，分步法需要進行兩次協作基站的選擇，所以，圖6分析待選集合B1c-p中基站個數ec的值改變后對協作傳輸速率的影響。

圖6　改變待選基站個數后傳輸速率變化Fig.6 The transmission rate after changing the number of ec

圖6是在系統中基站個數L=10時，改變待選集合中基站個數ec后得到的協作傳輸速率變化曲線。從仿真曲線中可以看出待選集合中基站個數ec=7時的速率曲線高于ec=4時的速率曲線。這是由于待選集合中基站個數越多，可以選擇的機會越大，那么能夠選擇的滿足條件的可協作基站概率變大。由此可見待選集合的大小影響選擇出的可協作基站的協作傳輸速率。

5　結束語

協作傳輸技術能改善小區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣用戶的傳輸速率。分步法以目標邊緣用戶為研究對象，以最大化接收端傳輸速率為目標，綜合考慮主服務基站和其余基站的信號強度以及干擾大小。仿真結果表明∶隨著基站的發(fā)送天線個數增加，非協作簇中的干擾信號功率增加，使得接收端傳輸速率是降低的；而當系統中待選協作基站個數較少時，分步法獲得的用戶端傳輸速率高于現有方法，有較好的系統性能，因此，在實際中基站較少時進行基站協作具有一定的指導意義。本文是基于信號強度進行分步分簇的，但是對于簇之間重疊的情況需要進一步研究。

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韓東升（1980—），男，黑龍江人，2012年于北京交通大學獲博士學位，現為華北電力大學電子與通信工程系副教授，主要研究方向為無線通信新技術；

HAN Dongsheng was born in Heilongjiang Province，in 1980.He received the Ph.D.degree from Beijing Jiaotong University in 2012.He is now an associate professor.His research concerns the new technology for wireless communication.

Email∶handongsheng@ncepu.edu.cn

袁華璐（1980—），男，山東煙臺人，2003于華北電力大學獲學士學位，主要研究方向為電力通信系統；

YUAN Hualu was born in Yantai，Shandong Province，in 1980.He received the B.S.degree from North China Electric Power University in 2003.His research concerns electric power communication system.

丁莎莎（1989—）女，河北衡水人，碩士研究生，主要研究方向為異構無線網絡通信；

DING Shasha was born in Hengshui，Hebei Province，in 1989.She is now a graduate student.Her research concerns the heterogeneous wireless network communication.

Email∶dss12158@163.com

余 萍（1963—）女，浙江人，副教授，主要研究方向為無線通信、信息處理。

YU Ping was born in Zhejiang Province，in 1963.She is now an associate professor.Her research concerns wireless communication and information processing.

A Fractional Step Clustering Method for Wireless Heterogeneous Networks

HAN Dongsheng1，YUAN Hualu2，DING Shasha1，YU Ping1
（1.School of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Ultra-high Voltage Transmission Branch of China Southern Power Grid，Guangzhou 510620，China）

∶In order to suppress inter-cell interference and improve system performance，a new method of fractional step base station clustering is proposed for heterogeneous networks.This method firstly determines the collection for clustering base station according to the signal interference to the desired user from the base stations except the main service stations.Then，according to the signal intensity of each base station in the collection of the desired user received，it determines the final participate collection of the collaborative base station.By reducing the user's selection range，the fractional step clustering method considers the signal intensity and the interference signal intensity in cooperative base station clustering.Compared with the existing power maximum method and the threshold method，the fractional clustering method has a higher user transmission rate and better improves the system performance.

∶heterogeneous network；coordinated multi-point transmission；clustering；fractional step method；transmission rate

The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（No.61302106）；The Natural Science Foundation of Hebei Province（F2014502029）；Fundamental Research Funds for the Central Universities（2016MS98）；Research on Monitoring Communication System for High Voltage Transmission Lines Based on Mesh（CGY01XT0303140411）

TN929.5

A

1001-893X（2016）05-0531-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.010

韓東升，袁華璐，丁莎莎，等.一種無線異構網絡中的分步協作基站分簇方法［J］.電訊技術，2016，56（5）∶531-537.［HAN Dongsheng，YUAN Hualu，DING Shasha，et al.A fractional step clustering method for wireless heterogeneous networks［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶531-537.］

2015-09-01；

2015-12-15Received date：2015-09-01；Revised date：2015-12-15

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（61302106）；河北省自然科學基金資助項目（F2014502029）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（2016MS98）；基于無線MESH的高壓輸電線路監(jiān)測數據通信傳輸系統研究與應用（CGY01XT0303140411）

**通信作者：handongsheng@ncepu.edu.cnCorresponding author：handongsheng@ncepu.edu.cn