HetNet中基于上行CoMP的動態(tài)多小區(qū)接入算法

李翔明，秦 爽，馮 鋼

（電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，四川成都611731）

0 引言

協(xié)同多點傳輸/接收（Coordinated Multi-point Transmission and Reception，CoMP）對提升小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)傳輸性能具有十分重要的作用。3GPP在CoMP R11項目中正式啟動了針對CoMP技術(shù)在HetNet中應(yīng)用的研究[1，2]。目前已有的研究工作[3－5]主要關(guān)注的是如何利用CoMP機制來改善HetNet中小區(qū)邊緣用戶的下行傳輸性能，而怎樣采用CoMP機制來提高小區(qū)邊緣用戶的上行傳輸性能，還少有研究者關(guān)注。

在非異構(gòu)LTE網(wǎng)絡(luò)中，研究表明采用CoMP機制能有效地改善小區(qū)邊緣用戶的上行傳輸性能[6－8]。但在HetNet中，低功率小型基站的引入，使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得十分復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中存在多個重疊覆蓋的區(qū)域，產(chǎn)生了多個新的小區(qū)邊緣區(qū)域。小區(qū)邊緣用戶在采取CoMP機制進行上行傳輸時，可選的協(xié)作基站數(shù)量和類型也大大增多。同時，由于產(chǎn)生了多個新的微小區(qū)，移動用戶在不同小區(qū)間的切換也更加頻繁。因此，在HetNet中，移動用戶如何在復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，合理地選擇合適的基站參與協(xié)作，采用CoMP機制來提高上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽且粋€值得深入研究的問題。

1 系統(tǒng)模型及問題描述

1.1 系統(tǒng)模型

一個典型的HetNet場景如圖1所示，一個宏小區(qū)中存在多個小型基站。HetNet中的小型基站類型有多種，包括微基站（Micro）、微微基站（Pico）、家庭基站（Femto）和RRH（Remote Radio Head）等。不失一般性，本文用RRH來表示HetNet中的低功率小型站點。RRH通過光纖與宏基站相連，擁有自己的物理小區(qū)ID，并且發(fā)送自己的同步信號和參考信號等，接入該RRH小區(qū)的用戶直接從RRH處接收到調(diào)度信令和反饋信息，并且發(fā)送上行控制信息和反饋信息給RRH。在上行鏈路中，當(dāng)采用CoMP機制來支持用戶的數(shù)據(jù)傳輸時，一個用戶能夠同時被一個主服務(wù)小區(qū)和多個協(xié)作小區(qū)服務(wù)。

圖1 HetNet網(wǎng)絡(luò)

1.2 邊緣用戶定義

一般情況下，有2種方法來定義邊緣用戶，一種是根據(jù)用戶接收到的信號功率，這種方法被大家廣泛接受，并在很多提案中使用[9];另一種是根據(jù)用戶所在的地理位置來決定[10]。但在異構(gòu)環(huán)境中，RRH的引入實際上對原來的LTE網(wǎng)絡(luò)起到了小區(qū)分裂的作用，提供了新的小區(qū)覆蓋區(qū)域，地理位置上就增加了新的小區(qū)邊緣，而且RRH的加入也會影響到用戶的接收信號功率，原有的邊緣用戶判定方法將不再適用[4]。綜合考慮用戶所處位置的實際鏈路衰落和環(huán)境噪聲兩方面對用戶接收信號的影響，選取用戶接收的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）來判定是否為邊緣用戶，當(dāng)用戶接收到主服務(wù)小區(qū)的SINR小于某一門限值SINRth時，被認為是小區(qū)邊緣用戶。

根據(jù)文獻[4]，在實際的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)邊緣的用戶約占用戶總數(shù)的10%。通過仿真發(fā)現(xiàn)，如果用戶隨機均勻分布在小區(qū)中，當(dāng)宏小區(qū)SINRth=0dB，RRH小區(qū)SINRth=－15dB時滿足這一條件。因此在本文的研究中，分別將宏小區(qū)和RRH小區(qū)的SINRth設(shè)置為0dB和－15dB。

2 上行CoMP的動態(tài)多小區(qū)接入算法

針對CoMP協(xié)作小區(qū)選擇的研究，目前在3GPP RAN1中主要有動態(tài)、靜態(tài)以及半靜態(tài)3種選擇策略[11，12]。在HetNet中，低功率基站的部署將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲變得更加復(fù)雜，移動用戶面臨更加復(fù)雜的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，考慮采用動態(tài)的CoMP協(xié)作小區(qū)選擇策略，根據(jù)用戶所處環(huán)境的實際信道條件動態(tài)地選擇協(xié)作小區(qū)參與上行CoMP傳輸，提出了基于上行CoMP的動態(tài)多小區(qū)接入算法（Uplink CoMP Dynamic cell Selection，UCDS）。

對某一用戶來說，該用戶到基站i的上行鏈路信干噪比用SINRi表示，如果滿足條件SINRi＞SINRcomp_th，則選擇該基站作為協(xié)作基站，其中SINRcomp_th為協(xié)作門限。在LTE標準中規(guī)定傳輸?shù)腂LER（Block Error Ratio，誤塊率）不得低于0.1，SINRcomp_th是保證用戶到基站的上行傳輸鏈路滿足最低BLER的最小SINR。根據(jù)鏈路級仿真結(jié)果得到滿足BLER限制條件的最小SINR值約為－7dB，因此，選擇SINRcomp_th的值為－7dB。

在一個時隙中UCDS算法步驟為:

IfSINRr＜0dB %接收SINR小于設(shè)定門限值，為邊緣用戶

For b=1:Nb%計算用戶到周邊基站的上行傳輸SINR

End %將基站加入CoMP小區(qū)集

End

End

End

僅列出宏小區(qū)用戶的情況，RRH小區(qū)用戶的算法步驟與宏小區(qū)類似。其中，SINRr表示用戶接收的信干噪比;PN表示用戶接收到的所有基站和RRH的功率總和;Pn表示熱噪聲功率;Pr表示用戶接收到的主服務(wù)小區(qū)功率。SINR為LTE－A中上行傳輸信干噪比[14]，其中M為基站的接收天線數(shù)目。R為基站分配給用戶的上行傳輸PRB集合，由基站對用戶的調(diào)度信息決定;NPRB為一個PRB上的噪聲功率;Sm（r）為用戶接入的基站b在PRB r上對用戶的接收信號功率。

3 基于二次判決的CoMP小區(qū)選擇算法

在HetNet中，采用CoMP機制來支持上行數(shù)據(jù)傳輸，每個參與協(xié)作的基站都需要為用戶的上行傳輸保留需要的資源，并進行必要的控制信息交互。如果參與協(xié)作的基站數(shù)越多，則CoMP傳輸消耗的系統(tǒng)資源越多，算法實現(xiàn)的復(fù)雜度越高。

因此，為了減少系統(tǒng)中的資源消耗，降低算法實現(xiàn)的復(fù)雜度，考慮在協(xié)作小區(qū)動態(tài)選擇策略的基礎(chǔ)上，進一步加入二次判決機制，提出了基于二次判決的CoMP協(xié)作小區(qū)選擇算法（Double Judgement based CoMP cell Selection，DJCS）。當(dāng)協(xié)作小區(qū)集中某個基站接收到的參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）遠低于其它RSRP時，該基站就不再參與到對邊緣用戶的協(xié)作處理，從而在盡量保證用戶傳輸性能的條件下，減少參與協(xié)作的基站數(shù)量。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2條鏈路的RSRP相差10倍以上時，采用CoMP傳輸機制和直接選取質(zhì)量較好的鏈路進行傳輸，獲得的數(shù)據(jù)傳輸性能相近。因此，在文中如果協(xié)作小區(qū)集中某個基站的RSRP低于其他基站10倍以上，則該基站退出協(xié)作小區(qū)集。

根據(jù)上述分析，DJCS算法在一個時隙中的具體工作步驟如下:

①根據(jù)用戶所在位置接收的SINR判定是否為邊緣用戶，如果是，則進行②，否則用戶進行非CoMP上行數(shù)據(jù)傳輸;

②計算邊緣用戶到周邊基站的上行傳輸SINR;

③根據(jù)計算出的上行傳輸SINR是否大于CoMP判決門限SINRcomp_th來確定邊緣用戶的協(xié)作小區(qū)集;

④比較協(xié)作小區(qū)集中各基站接收到的RSRP，當(dāng)其中某個基站的低于其他基站10倍時，該基站退出協(xié)作小區(qū)集;

⑤更新后的協(xié)作小區(qū)集中的基站對邊緣用戶上行數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理。

4 仿真結(jié)果

考慮在一個由7個宏小區(qū)組成的HetNet場景中進行仿真驗證，其中每個宏小區(qū)分為3個扇區(qū)，在每個扇區(qū)中部署一個RRH，網(wǎng)絡(luò)場景如圖1所示。研究證明在LTE－A網(wǎng)絡(luò)中將小型站點均勻放置在宏小區(qū)半徑的2/3處，將能防止過強的相鄰小區(qū)干擾[15]。因此，仿真中將RRH均勻地部署到宏小區(qū)半徑的2/3處，宏基站和RRH的發(fā)射功率分別為46dBm和30dBm，宏小區(qū)和RRH小區(qū)的用戶數(shù)分別為10和5，仿真初始時刻用戶隨機分布在小區(qū)中，并在仿真開始后，在小區(qū)內(nèi)以3km/h的速度隨機移動。

4.1 UCDS和DJCS的邊緣用戶吞吐率評估

為了驗證HetNet中邊緣用戶采用UCDS和DJCS算法對數(shù)據(jù)傳輸性能的影響，比較了這2種算法與不采用CoMP的傳輸機制帶來的邊緣用戶平均吞吐率差異，如圖2所示。

圖2 邊緣用戶平均吞吐率比較

從圖2中可以看到，在相同的用戶發(fā)送功率下，通過小區(qū)協(xié)作，邊緣用戶的平均吞吐率獲得了較大的提升。DJCS與UCDS相比，邊緣用戶平均吞吐率差距并不明顯，這表明，DJCS算法在減少參與協(xié)作基站數(shù)量的同時，能有效地保障用戶的數(shù)據(jù)傳輸性能。

4.2 UCDS算法下的邊緣用戶能效評估

上行CoMP傳輸使邊緣用戶以較低的發(fā)射功率獲得了較好的傳輸性能，這說明用戶在獲得較高吞吐率的同時還獲得一定的能效增益。定義邊緣用戶的能量效率為用戶消耗單位能量所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可以表示為:

式中，R表示邊緣用戶的平均吞吐率，Pe表示終端能耗。在上行傳輸中，終端發(fā)射功率Ptx占了終端上行能耗的大部分，它與Pe之間的關(guān)系為:Pe=η×Ptx，η表示終端上行能耗與上行發(fā)射功率的比值。η是一個固定值，與功率放大器的放大系數(shù)等硬件因素有關(guān)系。

不同的用戶發(fā)送功率下，使用UCDS算法和非CoMP傳輸機制對用戶能效的影響如圖3所示。可以看到，UCDS算法能夠有效提升終端用戶的傳輸能效。

圖3 邊緣用戶能效比較

4.3 DJCS算法下的系統(tǒng)能耗評估

為了驗證DJCS算法在系統(tǒng)資源消耗方面對UCDS算法的改進，我們通過仿真比較了2種算法下，小區(qū)邊緣用戶的平均吞吐率差異和基站端能耗差異。

定義DJCS算法在基站端的能耗為:

式中，Etotal_RB為基站進行數(shù)據(jù)處理時分配給所有用戶的RB總和，Ucomp_RB為基站參與邊緣用戶的協(xié)作處理時，分配給邊緣用戶的RB數(shù)。當(dāng)不參與協(xié)作時，基站被調(diào)度的RB數(shù)減少，能耗降低。

DJCS與UCDS相比，小區(qū)邊緣用戶平均吞吐率損失的比例和基站端能耗節(jié)約的比例如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，DJCS算法以較小的用戶傳輸性能損失，獲得了較高的基站端能耗節(jié)約。

圖4 DJCS算法下邊緣用戶吞吐率損失和基站能耗節(jié)約

5 結(jié)束語

分析了HetNet中上行CoMP對小區(qū)邊緣用戶傳輸性能的影響，設(shè)計了基于上行CoMP的動態(tài)多小區(qū)選擇算法，證明了在HetNet中，采用CoMP機制能有效地提高小區(qū)邊緣用戶的上行數(shù)據(jù)傳輸性能。在此基礎(chǔ)上，為了降低系統(tǒng)的資源消耗和小區(qū)協(xié)作的復(fù)雜度，進一步提出了基于二次判決的CoMP協(xié)作小區(qū)選擇算法，該算法通過二次判決將部分基站從CoMP協(xié)作小區(qū)集中排除，減少參與協(xié)作的基站數(shù)。該算法能夠以較小的小區(qū)邊緣用戶的傳輸性能犧牲，獲得較大的基站端能耗節(jié)約。

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