CoMP系統低復雜度集中式調度算法研究*

劉琪琪,付 澍,吳 斌,馮 鋼

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川成都610054)

CoMP系統低復雜度集中式調度算法研究*

劉琪琪,付 澍,吳 斌,馮 鋼

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川成都610054)

在3GPP LTE-A網絡中,可以使用CoMP(多點協作)技術來提高邊緣用戶的性能。為了最大化全網邊緣用戶的總吞吐量,關鍵是要確定在每個PRB(物理資源塊)中同時被服務的用戶集合、每個被調度用戶所對應的協作基站、以及各基站的傳輸功率。基于每個邊緣用戶的RSRP(參考信號接收功率),提出一種低復雜度的集中式傳輸調度算法,針對每個PRB中被服務的邊緣用戶和相應的協作基站進行動態選擇,并通過仿真實驗驗證算法的性能增益。

多點協作 集中式傳輸調度 調度

0 引 言

此3GPP LTE-A(Long Term Evolution-Advance)的目標是實現高容量和高頻譜利用率的蜂窩移動通信,對未來寬帶無線通信與應用形成有效支撐。在LTE-A網絡中,同小區中不同用戶可通過OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技術來避免相互干擾,但邊緣用戶接收到的來自其關聯基站的信號相對較弱。同中心用戶相比,邊緣用戶受到相鄰小區的干擾強度也更大。

3GPP LTE-A網絡可以通過CoMP技術來提高邊緣用戶的性能。為了最大化邊緣用戶的總吞吐量,關鍵是要確定每個PRB(物理資源塊)中同時被服務的用戶集合、被調度用戶的協作基站、以及各基站的傳輸功率。文中以最大化吞吐量為目標,根據每個邊緣用戶的RSRP(參考信號接收功率),提出一種低復雜度的集中式傳輸調度算法。為了經歷較少時延,該算法在MAC層執行。根據調度結果,在每個基站的所有物理資源塊上采用注水算法得到各基站的功率分配方案。仿真實驗驗證了文中所提出的算法的性能增益。

1 傳輸調度方法

傳輸調度的目標是合理調度CBSs(Cooperative Base Stations)和被服務的邊緣用戶。每個邊緣用戶周期性地接收其周邊各個基站發射的參考信號,并通過參考信號強度RSRP來檢測信道質量。文中提出的調度算法即是基于RSRP。

考慮一種集中式傳輸調度算法(CTS,Centralized Transmission Scheduling)。CTS是基于圖論著色方法的一個迭代算法。假設每個基站知道當前已經確定的全局基站協作關系,其他的傳輸連接使用貪婪算法進行調度。CTS同時確定被服務的邊緣用戶及其相應的協作基站集合(CBS)。

現有的圖論著色技術并沒有考慮CoMP特性。定義基站和其所服務的邊緣用戶之間的無線傳輸連接為一條無線鏈路。在CoMP[1]場景中,如果某基站是一個邊緣用戶的CBS中的一個元素(即該基站是與邊緣用戶進行多點協作通信的基站之一),則相應的無線鏈路是信號鏈路。否則,基站到該邊緣用戶之間將存在一條干擾鏈路。因此,需要建立一種新的圖形化方案,將上述的CoMP特性考慮在內。

考慮圖1所示的圖G=(V,E,C)。E是所有有向邊的集合。V是所有頂點的集合,根據具體場景的不同可用于表示基站或者邊緣用戶。Vx→Vy表示從小區x中的基站x到小區y中被選擇的邊緣用戶的一條無線鏈路。例如,圖1中V1→V2表示從基站1到被選的小區2中的邊緣用戶(i表示第i個 PRB)的一條無線鏈路,其對應的RSRP值為2。又如,循環V2→V2表示從基站2到同一小區的另一個被選用戶的一條無線鏈路,其對應的RSRP值為4。注意到每條邊對應一個特定的被選中的邊緣用戶,因此,如果小區2中的邊緣用戶還沒有在調度過程中被確定的話,和可能代表不同的邊緣用戶。實際上,在同一小區里的所有邊緣用戶都是調度過程中候選的邊緣用戶,但根據算法其中只有一個邊緣用戶將被調度。C是所有顏色的集合。最初,每個頂點選擇不同的顏色,且所有的邊不著色。令表示和Vy顏色相同的頂點集合。如果小區y中的一個邊緣用戶最終被調度,表示服務于這個邊緣用戶的CBS。

圖1 基于CoMP的無線鏈路及RSRP圖形示例Fig.1 CoMP-based wireless networks coupled with RSRP graph model

對于一條特定邊Vx→Vy,首先研究如何尋找對應的被選邊緣用戶?？紤]從基站x到小區y中任意邊緣用戶s之間所有可能的無線鏈路。在式(1)中計算權重,其中i是PRB索引號,且是該無線鏈路所對應的RSRP值。

對于邊Vx→Vy,可以通過式(2)來選擇邊緣用戶:

式中,Uy是小區y中所有邊緣用戶的集合。選出邊緣用戶后,邊Vx→Vy的RSRP值即可被確定。

基于被選的邊緣用戶,考慮所有可能的無線鏈路,并以此為依據建立圖G=(V,E,C)。此時,一個未調度頂點Vy有多個邊緣用戶可供選擇,并且每條無線鏈路匹配與Vy相交的一條邊。之后,一旦小區y中的某個邊緣用戶最終被調度,所有邊的RSRP值將被更新。

第一步,構建一個N×N的矩陣W,其元素根據式(3)確定。

式中,表示CBS中的基站x服務于小區y中的邊緣用戶的權重。第二步,基于當前已經確定(被調度)的協作關系來尋找W中的最大值。該方法背后的物理含義是最大化邊緣比率,用戶的RSRP值與干擾加噪聲功率之和的公式如式(1)所示。

當矩陣W中最大的元素被確定后,刪除W中與基站x和y相關的行。如果x≠y,與小區x里的邊緣用戶相關的列也被刪除。這意味著基站x和y被調度為協作基站,服務于小區y中的邊緣用戶。同時,如果x≠y,小區x中的邊緣用戶將不再被其他任何基站服務。另外,代表無線鏈路的圖中,頂點Vx、Vy和邊Vx→Vy、Vy→Vy的顏色采用Vy的顏色進行更新。小區y中所有其他被選的邊緣用戶{?Vn?,n≠x}被刪除,并且圖中相關的RSRP值更新為

在上述圖著色[2-4]的基礎上,CTS可以找出頂點未著色的被選邊緣用戶的新集合,更新W中的剩余行和列。然后重復第二步來調度其他無線鏈路。當所有的基站均已被調度、或者W=0時算法收斂。在后一種情況下,那些未著色的頂點(即基站)的PRB將被分配給中心用戶進行無線傳輸。此時,已著色的圖代表了最終的調度結果,其中每個顏色對應一個CBS。

作為一個簡單的例子,圖1所對應的初始W為

式中,σ2為噪聲功率強度。假設σ2=1,則W23被挑選為最大的元素,意味著基站2和3協作來服務于邊緣用戶。當圖和矩陣W被更新之后,W變為W=[1/(2+σ2)2/σ2]。因此,W12被確定為最大的元素。從而,三個基站形成一個CBS來服務于小區2中的邊緣用戶。

2 仿真分析

仿真在MATALB2010上進行。CoMP系統由19個小區組成,頻率復用因子為1。所有的基站和邊緣用戶運行于單天線模式。小區半徑為0.5 km,100個用戶隨機分散到每個小區里,用戶的單小區信干噪比(SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)值按遞減順序排列,每個小區內SINR值排列最后5位的用戶被視為邊緣用戶。系統帶寬設定為B= 3 MHz,包含15個PRB。仿真中,CTS采用文中提出的動態CBS分集方式,與傳統的3個相鄰小區協作的靜態CBS分集方式進行比較。不同PRB上的功率分配方案考慮功率均分(EPA)和注水算法(WF)[5]兩種方式。

圖2給出了不同邊緣用戶數量下的動態和靜態CBS分集在不同的功率分配方案下的邊緣用戶吞吐量性能對比?？梢钥吹?文中所提出的CTS算法產生的動態CBS分集比靜態CBS分集[6-7]實現了更大的邊緣用戶吞吐量。

圖2 不同算法的邊緣用戶吞吐量-邊緣用戶數性能比較圖Fig.2 Comparison of edge-user throughput-number of edge user under different algorithms

3 結 語

針對LTE-A網絡中的CoMP技術,這里提出一種低復雜度的集中式傳輸調度算法CTS,采用一個統一的循環調度過程,在劃分協作基站集合的同時對所服務的邊緣用戶進行調度。與傳統的固定分集方法不同,所提算法中協作基站集合是動態分集的,

不同數量的基站可以形成一個協作基站集合。仿真實驗驗證了所提算法在提高邊緣用戶吞吐量方面的優良性能。

[1]李彬,宋高俊,曹紹龍.LTE-Advanced CoMP中自適應動態小區選擇方案[J].通信技術,2013,46(10): 95-99.

LI B.,SONG G.,CAO S L.Adaptive Dynamic Cell Selection Scheme in LTE-Advanced CoMP[J].Communication Technology,2013,2013,46(10):95-99.

[2]KARAMI E.Joint Optimization of Scheduling and Routing in Multicast Wireless and hoc Networks Using Soft Graph Coloring and Nonlinear Cubic Games[J].IEEE Trans.Vehicular Technology,2011,60(07):3350-3360.

[3]BAGCHI A.RASTANI K.A Graph-coloring Scheme for Scheduling Cell Transmissions and Its Photonic Implementation[J].IEEE Trans.Communications,1994,42 (234):2062-2070.

[4]HONG J.The Effect of Information on Scheduling Performance in Multi-hop Wireless Networks[J].IEEE Trans. Wireless Communications,2010,9(10):3238-3246.

[5]LING X,WU B,HO P H,et al.Fast Water-filling for Agile Power Allocation in Multi-channel Wireless Communications[J].IEEE Communications Letters,2012,16 (08):1212-1215.

[6]PAPADOGIANNIS A,GESBERT D,HARDOUIN E.A Dynamic Clustering Approach in Wireless Networks with Multi-cell Cooperative Processing[C]//IEEE ICC.Bei-Jing:IEEE Communications Society,2008:65-70.

[7]WEBER R,GARAVAGLIA A,SCHULIST M,et al.Self -organizing Adaptive Clustering for Cooperative Multipoint Transmission[C]//IEEE VTC.Budapest,Hungary:IEEE Vehicular Technology Society,2011:82-87.

劉琪琪(1989-),女,碩士研究生,主要研究方向為無線通信;

LIU Qi-qi(1989-),female,graduate student,majoring in wireless communication.

付 澍(1985-),男,博士研究生,主要研究方向為無線通信;

FU Shu(1985-),male,Ph.D.student,mainly working at wireless communication.

吳 斌(1972-),男,博士,教授,主要研究方向為無線通信與光通信。

WU Bin(1972-),male,Ph.D.,professor,mainly engaged in wireless communication and photo-communication.

馮 鋼(1964-),男,博士,教授,主要研究方向為通信網絡技術。

FENG Gang(1964-),male,Ph.D.,professor,principally working at communication network technology.

A Centralized Scheduling Algorithm for CoMP with Low Complexity

LIU Qi-qi,FU Shu,WU Bin,FENG Gang
(State Key Laboratory on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 610054,China)

In 3GPP LTE network,CoMP(Cooperative Multi-Point)is used to improve the performance of edge users.In order to maximize the total throughput of all-edge users in the network,it is critical to identify the set of edge user served at the same time in each PRB(Physical Resource Block)and the set of cooperative base-stations for each scheduled user,as well as the transmission power of each base-station. Based on the RSRP(Reference Signal Receiving Power)of each edge user,a centralized transmission scheduling algorithm with low complexity is proposed,thus to dynamically choose the edge users and cooperative base-stations in each PRB.Finally the simulation indicates the performance gain of the proposed algorithm.

CoMP;CTS;scheduling

TN91

A

1002-0802(2014)01-0046-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.009

國家自然科學基金項目(No.61071100,No.61271172)、高等學校博士學科點專項科研基金(No.20120185110025, No.20120185110030)和四川省基礎研究項目(No.2012JY0001)和四川省國際合作項目(No.2013HH0005)基金聯合資助。

Foundation Item：Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61071100,No.61271172),Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(No.20120185110025,No.2012018511003),Sichuan Fundation Project (No.2012JY0001)and Sichuan International Project(No.2013HH0005)。