基于LTE單頻網拆分算法的研究

邱仁建, 王曉湘, 唐明威, 張鴻濤

(北京郵電大學信息與通信工程學院,北京100083)

1 引言

組播廣播業務(Multimedia Broadcast Multicast Service,MBMS)在Release 7～9中針對業務需求和系統架構進行了改進。是指一個數據源向多個用戶發送的點對多點業務,如移動電視、無線廣播等,能夠實現頻譜資源的共享和靈活的無線資源調度,是下一代通信系統的重要業務。目前對于MBMS的研究都集中在單小區MBMS,單小區MBMS中小區邊緣用戶的信干噪比太差,通過多個小區基站同時發送信號可以解決這個問題,由此引出單頻網的概念。在單頻網中,處于不同地點的多個基站以相同的時頻資源發送同一業務,單頻網內的用戶通過有效合并來自多個基站的信號來提高信干噪比[1]。常規的循環前綴(Cyclic Prefix,CP)只需覆蓋單個小區的多徑時延擴展即可,而在單頻網中,CP必須覆蓋多個小區信號的時延擴展,因此需要更長的CP來保證可靠接收。LTE設計了較長的CP,從而保證用戶的可靠接收[1]。

目前關于單頻網的研究有很多。文獻[2-3]介紹的單頻網區域的配置情況,重點討論單頻網重疊區域和非重疊區域的資源分配問題。文獻[4-6]研究單頻網的資源分配算法,通過合理的資源分配算法,實現頻譜資源的重復利用。文獻[7-8]研究了協作通信技術在單頻網中的應用。

這些研究都是基于單頻網區域已經確定的前提下,在實際過程中,區域會隨著用戶的增加而變大。當增大到一定范圍時,部分基站間的傳輸時延可能會超過CP長度,產生符號間干擾,當單頻網內符號間干擾超過一定程度時,單頻網的性能會顯著下降。

為了解決這個問題,提出基于最大傳輸時延差或者有效基站比例的單頻網拆分算法,將區域過大的單頻網拆分為多個子網,減少單頻網內的符號間干擾。以增加單頻網的數目,換取整體性能的提升。其中基于最大傳輸時延差的算法是只要單頻網內存在符號間干擾就拆分單頻網,而基于有效基站比例的算法是只有當單頻網內符號間干擾超過某個閾值時,才對單頻網進行拆分,兩種算法都在單頻網數目和性能之間進行折衷。通過仿真分析,基于有效基站比例的拆分算法能以較少的單頻網數目,保證單頻網的性能,且能針對不同的QoS需求,通過設置合理的有效基站比例門限值,實現單頻網的有效拆分。

圖1 多播單頻網示意圖

2 系統模型

如圖1所示,單頻網內多播用戶通過合并不同基站發送的單頻網信號獲得較好的信干噪比。由于不同基站到達某一用戶的傳輸距離不同,因此信號到達該用戶的傳輸時延也不同,當這個時延差在CP范圍內時,被看作是有用信號,否則被視為干擾。當干擾多到一定程度時,單頻網的性能會顯著下降。

假設S是單頻網內所有基站的集合,基站i到多播用戶k的距離是ri,k,用戶 k的服務小區基站j到k的距離是是光速。那么用戶k接收到的來自于基站i和基站j的信號的時延差為

用戶k將ti,j,k小于CP長度的那部分信號視為有用信號,其余部分視為干擾。因此,可以引入權重因子表示用戶接收到的基站的發送信號中可以作為有用信號合并的比例,

其中 TCP為CP長度,Tu為有用信號幀的長度。

假設N為單頻網內小區數,Pj表示基站j的發送功率,基站 j到用戶k的信道增益值Gj,k可表示為Gj,k=是復高斯隨機變量。Noise為噪聲,那么用戶 k接收到的單頻網內所有基站發送的信號的信干噪比為

因此用戶能達到的速率為

其中B是系統帶寬,當Rk大于目標速率Rreq時,認為用戶k能夠正確接收多播數據。將單頻網內能夠成功接收到多播數據的用戶比例定義為覆蓋率,它可以表示為

其中M為單頻網內的多播用戶數目,因此該多播系統的吞吐量可表示為

由以上分析可以看出,系統的性能與單頻網的拓撲結構密切相關,當單頻網區域變大時,對于單頻網內某一用戶,距離用戶較遠的基站發送的信號由于時延較大會增強其干擾信號,用戶的信干噪比明顯降低。當單頻網內符號間干擾超過一定程度時,單頻網的性能會顯著下降。因此,對這樣的單頻網進行有效地拆分,從而解決由于區域過大而性能下降的問題是必要的。由于拆分后單頻網數目越多,意味著需要更多的頻譜資源,所以在對單頻網進行拆分時應保證單頻網性能的前提下,盡可能的減少拆分后的子單頻網數目。

如果每個用戶向所有基站都反饋信道信息,就需要過多的上行反饋開銷,這對于實際多播系統是不現實的。而且目前系統對單頻網的操作都是全開環的,因此為了滿足實際的應用,對系統模型進行了簡化,即以各基站為分析對象代替以具體的用戶為分析對象從而避免用戶的反饋,并提出了兩種開環單頻網拆分方法：基于基站最大傳輸時延差和基于有效基站比例。

3 單頻網拆分算法

3.1 算法1：基于基站最大傳輸時延差的拆分算法

由上面的分析可知,多播系統的性能與各基站傳輸時延有很大的關系,當基站時延差大于CP長度時,會增強用戶的干擾信號。對于某個小區的任意一個用戶來說,來自于非服務小區基站的信號與服務小區基站信號的傳輸時延差小于這兩個基站間的距離與信號傳輸速度的比值。因此,為了避免用戶反饋,直接以各基站為分析對象并引入基站最大傳輸時延差 Tmax,

其中ri,j表示基站i、j的距離。當Tmax大于CP長度時,說明單頻網內存在符號間干擾,必須對單頻網進行拆分。算法具體步驟如下：

(1)初始化目標單頻網 TSFN,令拆分單頻網序號 t為1,令 TSFN為SFNt,表示第 t次拆分單頻網。拆分后子單頻網集合 RSFN為空,子單頻網序號n為0,子單頻網總數 m為0;

(2)測試SFNt是否為空;

是,跳到步驟(4)。

否,下一步。

(3)拆分單頻網SFNt：將單頻網SFNt拆分為兩個子單頻網SFNt,1,SFNt,2;

①任取SFNt區域內相距最遠的兩個小區中的一個小區組成SFNt,1,SFNt中其他所有小區組成SFNt,2。

②測試SFNt,2與SFNt,1是否存在相鄰小區。

否,跳到步驟⑤。

是,下一步。

③從SFNt,2中選擇所有與SFNt,1中小區相鄰的小區組成臨時小區集合SFNTmp1,令SFNTmp1中所有小區和SFNt,1中所有小區組成臨時小區集合SFNTmp2。

④測試SFNTmp2的基站最大傳輸時延差是否在CP范圍內。

是,令SFNTmp2為SFNt,1,從SFNt,2中除去SFNTmp1包含的小區,跳到步驟②。

否,下一步。

⑤完成一次拆分。子單頻網序號 n加1,子單頻網總數 m 加1。令SFNt,1為 Sn,將Sn并入RSFN 。令SFNt,2為新的目標單頻網 TSFN,拆分單頻網序號t加1,令 TSFN為SFNt,開始下一次拆分,跳到步驟(2)。

(4)結束,RSFN為拆分后的子單頻網集合。

3.2 算法2：基于有效基站比例的拆分算法

上述的算法雖然能夠明顯提高單頻網的性能,但由于拆分單頻網的門檻過低,使單頻網重新拆分的頻率和拆分后的子單頻網數目都很大,這樣也會造成一定的系統開銷。另外,當單頻網內存在少量的符號間干擾時,單頻網的性能會受到一定的影響,但還是可以滿足實際應用的需求,只有單頻網內干擾多到一定程度時,單頻網內的性能才會嚴重下降,從而無法實現有效的多播服務。假設其中RBSi為小區i中心處用戶達到的速率,當RBSi大于目標速率Rreq時,設置有效基站標志ρi=1;否則 ρi=0。為了獲得拆分頻率、拆分后子單頻網數目和多播性能的有效折中,引入有效基站比例這一概念,定義為

Yieldsfn表示單頻網內有效基站數目與單頻網基站總數的比例,只有Y ieldsfn低于特定門限值,即單頻網內符號間干擾達到一定程度時,才會對單頻網進行拆分。具體的拆分步驟與算法1相同,只是將算法1中測試SFNTmp2的基站最大傳輸時延差是否在CP范圍內改成測試SFNTmp2的有效基站比例是否超過門限值。

3.3 算法3：基于有效基站比例的修正算法

基于有效基站比例的單頻網拆分算法只有當單頻網內符號間干擾導致單頻網性能顯著下降時,才會拆分單頻網,拆分的門檻較高,在保證單頻網性能的同時,使拆分后子單頻網的數目相對較少。此外,可以通過設置不同的有效基站比例門限值,獲得不同的拆分效果,從而實現單頻網的動態拆分。基于上述兩個拆分依據的單頻網拆分算法都是基于單頻網的拓撲結構進行拆分,這可能會使拆分后子單頻網數目過多,造成過度拆分,從而影響算法性能。因此,可以基于拓撲結構對拆分后的子單頻網區域進行調整,將較小的子單頻網進行合并,在保證單頻網性能的同時,使拆分后的子單頻網數目盡量少。修正算法的前面步驟與算法2一樣,只是在拆分之后加入修正步驟,修正步驟如下：

(2)Sp與Sq是否存在相鄰小區。

否,跳到步驟(4)。

是,下一步。

(3)令Sp中所有小區與Sq中所有小區組成臨時小區集合SFNTmp3,測試SFNTmp3的基站最大傳輸時延差是否在CP范圍內或有效基站比例是否超過門限值。

是,令SFNTmp3為Sp,從RSFN中除去Sq,將新的子單頻網拆入合適的位置保證所有子單頻網按小區數目升序排列。重新初始化p為1,q為2,跳到步驟(5)。

否,下一步。

(4)令q加1。若Sq為RSFN中最后一項,令 p加1,q等于p加1。

(5)若Sp,Sq為RSFN中最后兩項或RSFN只剩下一個元素。

否,跳到步驟(2)。

是,結束。

4 仿真結果

對算法進行性能仿真,假設單頻網每個小區的用戶為100戶,小區半徑R為1000m,基站發射功率為50W,系統帶寬B為5MHz,CP長度 TCP為16.67μ s,有用信號幀的長度 Tu為66.67μ s。單頻網拆分算法是將一個單頻網拆分為多個子單頻網,屬于單頻網內部的操作。在對單頻網拆分算法進行性能分析時,主要考慮單頻網內部的影響,忽略單頻網間的作用,從單頻網的覆蓋率、吞吐量和拆分后子單頻網數目3個角度對拆分前后的單頻網性能進行比較分析。

有效基站比例門限值對基于有效基站比例的單頻網拆分方法的影響如圖2、圖3和圖4所示。其中的曲線1為拆分前單頻網的相關數值;曲線2為基于有效基站比例,但不執行步驟4的修正或調整操作的拆分后單頻網的相關數值;曲線3為基于有效基站比例,且執行步驟4的修正或調整操作的拆分后單頻網的相關數值。從這3個圖可以看出：

(1)與拆分前相比,基于有效基站比例的拆分方法將單頻網拆分為多個子單頻網后,顯著提升了單頻網的吞吐量和覆蓋率。這是因為拆分后的每個子單頻網區域較小,大大降低了符號間干擾,提高了單頻網的吞吐量和覆蓋率。

(2)有效基站比例門限值越高,拆分后的子單頻網的數目越多,其覆蓋率和吞吐量越高。是因為有效基站的比例門限值越高,方法對符號間干擾的容忍度就越低,就越容易對單頻網進行拆分,使拆分后的子單頻網越小,符號間干擾就越小,單頻網的覆蓋率和吞吐量越好。

(3)曲線2與曲線3的性能大致相同,曲線2拆分后單頻網的覆蓋率和吞吐量都比曲線3好,但曲線2的拆分后子單頻網數目更多。曲線3只是對曲線2的拆分結果進行修正,消除曲線2因過度拆分而造成的影響,在對單頻網性能影響很小的前提下,減少了拆分后子單頻網的數目。

圖2 有效基站比例門限值對拆分后單頻網覆蓋率的影響示意圖

圖3 有效基站比例門限值對拆分后單頻網吞吐量的影響示意圖

單頻網小區數目對不同拆分依據算法性能的影響如圖5、圖6、圖7所示,其中的曲線1為拆分前單頻網的相關數值;曲線2為基于最大傳輸時延差,但不執行步驟4的修正或調整操作的拆分后單頻網的相關數值;曲線3為基于有效基站比例,但不執行步驟4的修正或調整操作的拆分后單頻網的相關數值;曲線4為基于有效基站比例,且執行步驟4的修正或調整操作的拆分后單頻網的相關數值。從這3個圖可以看出：

(1)隨著單頻網小區數目的增加,單頻網的覆蓋率明顯下降,吞吐量增長越來越小。而采用拆分算法拆分后單頻網的覆蓋率提升到95%以上,吞吐量也隨著單頻網小區數的增加成線性增長,拆分后子單頻網的數目也隨單頻網小區數的增加而增加。單頻網小區數目越多,拆分后單頻網的性能改進就越明顯。是因為隨著單頻網小區數目的增加,單頻網內符號間干擾越多,單頻網覆蓋率和吞吐量的增長速度就越小,通過單頻網拆分算法,把單頻網拆分為多個子單頻網,能夠明顯提高單頻網的性能。

(2)單頻網小區數目越多,拆分后單頻網的覆蓋率和吞吐量變化并不大,只是拆分后子單頻網的數目有所增加,因為單頻網內小區數目越多,單頻網內部的符號間干擾越大,而通過拆分算法將單頻網拆分為多個子單頻網,保證每個子單頻網的大小在一個合理范圍,這樣能夠減少符號間干擾,提高單頻網的性能,拆分后單頻網的大小只與拆分的依據相關,單頻網小區數目越多,拆分后子單頻網的大小變化不大,只是增加了子單頻網的數目。

(3)曲線2、3、4的覆蓋率和吞吐量很接近,其中曲線2略好于曲線3,曲線3略好于曲線4,但性能的提升是以單頻網數目的增加為代價的,曲線2的子單頻網數目最多,曲線3次之,曲線4最少。這是由3種曲線不同的拆分依據決定的。曲線2是基于基站最大傳輸時延差進行拆分的,只要單頻網內存在符號間干擾,就進行拆分,拆分后子單頻網較小,而曲線3和4是基于有效基站比例進行拆分,只有單頻網內符號間干擾多到一定程度時,才會對單頻網進行拆分,拆分后單頻網較大,所以曲線2單頻網的性能較曲線3,曲線4好,單頻網數目也越多。

圖4 有效基站比例門限值拆分后子單頻網數目的影響

圖5 單頻網小區數對單頻網覆蓋率的影響

圖6 單頻網小區數對單頻網吞吐量的影響

圖7 單頻網小區數對拆分后子單頻網數目的影響

5 結束語

引入拆分單頻網的思想,將單頻網拆分為多個子單頻網,以單頻網數目為代價,提高單頻網的整體性能。分析了兩個單頻網拆分依據,基于基站最大傳輸時延差的拆分算法能夠很好地提高單頻網性能,但拆分后子單頻網的數目過多,基于有效基站比例的拆分算法在保證單頻網性能的同時,拆分后子單頻網數目較少,且可以通過設置不同的有效基站比例門限值,實現單頻網的動態拆分。當單頻網小區數為20,有效基站比例門限值為0.8時,在拆分后子單頻網數目為2的前提下,將單頻網覆蓋率從84%以下提高到95%以上,吞吐量提高20%,單頻網性能提升明顯。增加的單頻網數目可能意味著更多的頻譜資源,可以通過合理的資源分配算法減少增多的單頻網數目對頻譜資源的需求,有待進一步研究。

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