基于LTE-Advanced的協作通信系統模型分析與研究

張 梅，羅桂蘭

（大理學院數學與計算機學院，云南大理 671003）

在目前的信息化時代，人們對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率等方面的需求越來越大，而LTE-A〔1〕則作為滿足人們需求的產物成為了研究的熱點。眾所周知，通過MIMO〔2〕技術增加用戶終端的天線數量也可達到上述目的，但由于終端實現在尺寸、技術、造價、功耗、輻射等方面的局限性，使得實際操作困難。而協作通信技術〔3-4〕則可以通過協作節點之間的協作傳輸，擴大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點、提高系統性能，尤其是在一些不易架設體積較大基站的場合更為有利。協作通信不僅應用于LTE-A，其也在深空通信中得到廣泛關注，是一個很有前景的研究領域。

對于基于LTE-A的協作通信系統而言，協作中繼節點的部署給系統帶來了許多新的特性，如何針對協作通信的特點對LTE－A協作通信系統進行合理的建模就顯得尤為重要了。另外，協作通信系統還帶來了一系列新的參數配置，例如中繼站的數量、部署位置及發射功率等，將會對通信系統性能造成影響。如何選取合適的系統參數配置來優化協作通信系統的性能，對于實際通信系統的設計具有重要的意義。目前關于通信系統模型的研究，大部分都是關于傳統的MIMO系統模型。近年來，隨著Adhoc網絡、協作通信網絡、LTE-A網絡等研究工作的開展，人們開始研究LTE-A通信系統模型〔5〕。后來，人們也開始研究協作通信系統模型〔6-7〕，此時的通信系統模型由B2M（基站到移動）和M2M〔8〕（移動到移動）兩部分組成。但基于LTE-A的協作通信系統模型卻鮮少有人研究，而傳統的經典協作通信系統模型并不能滿足LTE-A系統對于帶寬和載頻的需求，因此，對基于LTE-A的協作通信系統模型進行分析和研究將有助于理解其傳輸性能。

本文基于3GPP〔9〕定義的Case3（郊區）場景，針對Rican衰落傳播環境，提出了基于LTE-A的協作通信系統模型，并從每小區中繼節點數量、中繼節點的部署、發射功率的配置等方面考慮分析并仿真了中繼站數量及其發射功率對系統模型性能的影響。

1 基于LTE-A的協作通信系統模型

本文對源-中繼（SR）、中繼-目的（RD）、源-目的（SD）三條鏈路均考慮擴展的空間信道模型（SCME）〔10〕。SCEM模型的建立即在特定時間內，認為信道狀態處于相對穩定，即除由子徑相位變化引起的快衰落和多普勒頻移外的其它隨機參量（功率、時延、子徑方向）不再改變。每條鏈路的信道模型可以表示為：

在該SCME模型中對于基站、中繼節點、目的節點（用戶）每對節點的天線之間的鏈路，用若干散射簇描述無線信道中的可分辨時延路徑，對于不可分辨時延子徑則用一些射線表征，最后在接收端疊加信號即可。為了方便分析，本文僅考慮基站、中繼節點、目標用戶的天線數均為2的基于LTE-Advanced的兩跳協作通信系統模型，如圖1所示。在本文中，中繼節點的發射天線與接收天線之間是采用AF（放大前傳）協同模式進行發送信號。

圖1 基于LTE-Advanced的兩跳協作通信系統模型

對于兩跳協作通信系統模型，在此，假設第一跳和第二跳的信道矩陣傳輸過程中的噪聲假設為零均值且方差為σ2的加性高斯白源節點發射的信號。YR和YD分別為中繼節點收到的信號經放大轉發后，目的節點所接收到的信號，表示如下：

考慮3GPP定義的Case3場景，該場景采用包含19個基站的網絡模型，站間距離（ISD）為1732 m，載頻為2.0 GHz，各基站均采用3扇區方向性天線。考慮到實際通信系統中，LTE-A系統對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率的要求，本文則采用協作通信技術，在基站的各小區內放置一定數量的中繼站來擴大覆蓋范圍、消除覆蓋盲點、提高系統性能。

中繼節點的位置也對協作通信系統的性能影響很大。因此，本文將盡量把中繼節點放置在小區邊緣，用以改善邊緣用戶的通信質量。另外，為最大程度避免中繼節點間相互干擾，所以節點之間將保持一定的距離。本著實際應用的要求，且為簡單起見，本論文僅考慮基站周圍每小區分配n(n≤4)個中繼站的情況，如圖2所示（分別考慮中繼節點數為1、2、3、4個時的情況）。

2 仿真結果與分析

眾所周知，中繼節點的位置部署在很大程度上影響著通信系統的性能。在本文中，仿真參數參照3GPP對基站、中繼站、用戶的參數配置，考慮天線配置為2×2×2的全向發射天線，中繼節點天線的高度為5 m，中繼站天線增益達5 dBi，且基站天線增益達14 dBi。基站天線的最大發射功率為46 dBm，中繼站天線的最大發射功率考慮為30 dBm和37 dBi兩種情形。

圖2 中繼節點的位置分布圖（數量分別為1、2、3、4）

本文仿真中，假設中繼節點均位于以各小區中心為圓心，15ISD為半徑的圓上（若每小區的中繼節點數量較多的情況下，為避免中繼站過于緊密相互干擾，一般會將其部署在半徑不同的兩個圓上，本文為簡化仿真，將不予討論此情形）。另外，我們也應該了解在不同情形下所需采用的中繼節點的發射功率大小。在何種情形下采用多少的中繼節點發射功率也是我們該清楚的。協作通信系統的基本性能通常可由該系統的統計特性來刻畫，因而，為了便于準確真實分析基于LTE-A的協作通信系統模型的基本性能，本節主要研究該協作通信系統模型在不同的條件下的用戶接入量、用戶接入鏈路信噪比的累積分布函數的特性。仿真中，假設目的節點（用戶）采用最大比合并，則用戶兩跳接入鏈路的信噪比為：

在3GPP定義的Case3場景下仿真可得到結果如圖3～5所示。

圖3 Case3場景下不同中繼節點數量時用戶接入比例

圖4 Case3用戶接入鏈路的信噪比隨中繼節點數量的變化情況

圖5 發射功率為30 dBm和37 dBm時的用戶信噪比累積分布函數

從圖3可看出，隨著每小區內部署的中繼節點數量的增加，用戶的接入比例也逐漸增加。

圖4表明：在Case3場景下，隨著小區內中繼節點數量的增加，越來越多的小區邊緣用戶接入鏈路，導致路徑損耗減少，因而，其接入鏈路的信噪比則隨之得到了改善。

圖5的仿真圖，是在Case3場景下，每小區有4個中繼節點的情形下仿真得到的在不同的發射功率（和）時系統性能的對比。從圖中可看出提高中繼節點的發射功率可以改善鏈路的信噪比。

3 結束語

本文針對LTE-Advanced（LTE-A）的高性能、協作通信在增大覆蓋范圍等方面的優勢、MIMO技術在移動終端實現的局限性等，提出了一種基于LTE-A并采用擴展的空間信道模型（SCME）法來描述的協作通信系統模型。在3GPP定義的Case3（郊區）場景、Rican衰落的傳播環境中，充分考慮了中繼數量、中繼位置、發射功率等參數，并對其相關統計特性進行了研究與仿真分析，因而也能更趨于實際環境。并且通過仿真表明，中繼節點數量的增加有助于增加邊緣用戶的覆蓋率，發射功率的提高有助于改善鏈路性能等。但目前，協作通信領域的研究仍是一個熱門且開放的問題，那么，如何正確優化中繼選擇策略和功率分配方案將是作者下一步將要研究的方向。

〔1〕吳梅,黃帆,桑林,等.協作式多點傳輸在LTE-Advanced系統中的應用〔J〕.移動通信，2010（10）：43-47.

〔2〕Wang Chengxiang.Cooperative MIMO channel models:A survey〔J〕.Communications Magazine,2010,48(2):80-87.

〔3〕Garg Juhi,Mehta Priyanka.A Review on Cooperative Communication Protocols in Wireless World〔J〕.International Journal of Wireless&Mobile Networks,2013,5(2):107-126.

〔4〕張忠培,魏寧,史治平,等.協同無線通信導論〔M〕.北京:電子工業出版社，2010:1-12.

〔5〕Yao Qi,Yuan Yi,Ghazal.Comparison of the statistical properties of the LTE-A and IMT-A channel models〔C〕//Wireless Communications and Networking Conference.2012:393-398.

〔6〕Cheng Xiang,Wang Chengxiang.Cooperative MIMO Channel Modeling and Multi-Link Spatial Correlation Properties〔J〕.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012,30(2):388-396.

〔7〕張梅,羅桂蘭.基于協作中繼的VMIMO通信信道建模研究〔J〕.大理學院學報，2012,11(10):12-16.

〔8〕Shen Dongya,Chen Jie,Zhang Mei,et al.A Novel Model of the Wideband MIMO Mobile-to-Mobile Systems〔C〕//2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.2010:1428-1431.

〔9〕TR 36.814,演進通用陸地無線接入（E-UTPA）;E-UTRA物理層方面的未來改進〔S〕.

〔10〕TR 25.996，用于多輸入多輸出（MIMO）仿真的空間信道模型〔S〕.