基于動態SNR門限的CoMP反饋開銷優化

劉 佳,郭愛煌

(同濟大學電子與信息工程學院,上海201804)

基于動態SNR門限的CoMP反饋開銷優化

劉 佳,郭愛煌

(同濟大學電子與信息工程學院,上海201804)

多點協作(CoMP)系統需要用戶反饋大量的信道信息,以滿足系統的性能增益,但系統的能耗會隨著反饋開銷的提升而增大。為此,設計基于動態SNR門限的反饋算法,從綠色無線系統的觀點出發,盡量降低系統的性能損失,并通過減少不必要的反饋信息,避免協作節點間不必要的交互信息,在系統性能和能耗之間取得較好平衡,提高系統的能量效率。仿真結果表明,與固定SNR門限反饋算法和不采用選擇性反饋的情況相比,該算法能在滿足系統性能要求的前提下,有效降低系統的反饋開銷,實現降低系統能耗的目標。

多點協作;能耗;反饋開銷;選擇性反饋;動態門限;平均反饋鏈路數量

1 概述

作為LTE-Advanced的關鍵技術之一,多點協作(Coordinated Multi-point,CoMP)技術是基于各協作基站對用戶數據信息和信道狀態信息(Channel State Information,CSI)不同程度的共享,通過小區間基站的協作將原本來自相鄰小區的干擾信息轉變為有用信息[1-2]。然而在CoMP系統中,用戶需要反饋大量的信道狀態信息,且節點間需進行大量的數據交流[3],這無疑對回程網絡的容量提出了更高的要求,增大了額外的數據傳輸量,造成了網絡能耗的進一步增加[4]。

國內外的研究表明,影響CoMP系統能耗的根本因素是基站協作傳輸帶來的額外信息交互[5]。系統的反饋方案不但直接影響到系統的反饋開銷,還與系統的回程開銷有密切聯系[6]。因為CoMP技術是基于相鄰小區基站對用戶數據信息和信道狀態信息CSI不同程度的共享來實現的,而下行CSI需要用戶反饋來實現[7]。

文獻[8]提出了選擇性反饋(selective feedback)的概念,選擇性反饋是指在CoMP系統中,當用戶與某基站的鏈路質量較差時,用戶不需要反饋該鏈路的下行信道狀態信息。這樣用戶只需要反饋質量較好的鏈路信息,從而在盡量減小CoMP性能損失的前提下,有效地減少反饋開銷。

目前關于CoMP反饋機制的研究大多是對系統性能的提升,而很少有對能耗的關注[9]。本文提出一種基于動態SNR門限的CoMP反饋算法,以有效降低系統能耗。

2 減小反饋開銷的優化設計

2.1 選擇性反饋系統模型

其中,hk=[hk1,hk2,…,hKB]T,表示第k個用戶與各個基站之間的鏈路;第2項表示來自其他用戶的干擾;nk表示第k個用戶接收到的高斯噪聲。

第k個用戶的SINR表示為:

假設用戶能夠獲得準確的下行信道狀態信息,其中就包括了hki,i=1,2,…,B。對于第k個用戶,鏈路hki的信噪比SNR的平均值可以表示為:

其中:

2.2 基于動態SNR門限的選擇性反饋方案

對于同一SNR門限值,當小區邊緣的平均SNR值變大時,系統的反饋開銷隨之增大。因為小區邊緣的平均SNR越高,說明小區邊緣的整體鏈路質量越好,需要反饋的鏈路總數也就越多,從而系統的反饋開銷越大。為了將反饋開銷控制在一定范圍之內,選擇性反饋算法的SNR門限值應該與小區邊緣的平均SNR值線性相關。當小區邊緣的平均SNR值較高時,預設門限值可以適當升高,反之,則適當降低。

據此,本文提出一種基于SNR動態門限的選擇性反饋算法。在該算法執行初始,小區邊緣每個用戶需要向基站反饋其所有鏈路的SNR值,eNodeB的調度器計算出平均SNR值,得出預設門限值γt=a(a為常數),然后發送給每個用戶。該反饋過程是周期性的。反饋算法如下:

算法 基于SNR動態門限的選擇性反饋算法

3 反饋開銷的定量分析

為了簡化起見,本文用CoMP系統中每個用戶反饋的鏈路數量的平均數來衡量反饋開銷的大小。假設N(t)表示用戶在時隙t內反饋的鏈路總數,則反饋開銷的大小表示為:

顯然,Nf(t)∈[0,B]。

反饋開銷的大小是與預設的SNR門限值有關的。根據上文提出的基于SNR固定預設門限的選擇性反饋算法,現在推導它們的具體數學關系。

根據對數正態陰影路徑損耗模型[8],用戶k與基站i之間的信道可以表示為:

其中,dki表示用戶k與基站i之間的距離;α表示路徑損耗指數;β是一個常數;γki表示對數正態陰影效果;Γki服從復高斯分布,表征快衰落信道;G(θ)表示基站天線的功率增益,與天線角度有關。小區邊緣的平均SNR與基站的發射功率、小區大小等因素有關[10]。在多小區場景下,由于不同的信道是不相關的,因此小區邊緣的總體SNR值隨著用戶的移動而變化[11]。假設(γ)表示小區邊緣每條鏈路的平均 SNR值的累積概率分布函數(CDF),它可以用對數正態分布來近似模擬[12],其表達式為:

erf(x)表示誤差函數,其表達式為:

如果N(t)=n,則意味著在BK個鏈路中有n個鏈路的SNR值超過了預設門限,而剩余的BK-n個鏈路的SNR值在門限之下。因此,N(t)服從二項分布,概率函數為:

因此,N(t)的期望值為:

式(6)可以寫為:

將式(8)代入式(12),整理得到:

分析式(13)可知,反饋開銷的大小是預設SNR門限值的單調遞減函數,即預設門限值γt越大,反饋開銷越小,但是這會給系統的性能帶來較大的損失。因此,在選擇γt的大小時,不能單一追求使Nf(t)達到最小值,而要考慮到反饋開銷對系統的性能的影響。

4 仿真結果與分析

4.1 仿真模型

仿真實驗采用的模型是傳統3個小區協作簇模型[3-6],如圖1所示。具體仿真參數如表1所示。

圖1 3個小區協作簇模型

表1 具體仿真參數

4.2 結果分析

在基于SNR門限值的選擇性反饋算法中,反饋開銷的大小與SNR門限值有關,它們的具體函數關系可以用式(13)來表示。從理論上分析,SNR門限值越大,反饋開銷越小,即用戶平均反饋鏈路數量越低。然而在實際應用中,SNR門限值的設定需要考慮到對性能帶來的損失。圖2展示了平均反饋鏈路數量與SNR門限值的關系。

圖2 用戶平均反饋鏈路數量與SNR門限值的關系

圖3展示了系統SNR分別等于-10 dB,0和10 dB的情況下,用戶平均反饋鏈路數量與系統SNR值的關系。從仿真結果可知,在SNR門限值不變的條件下,用戶平均反饋鏈路數量隨著系統SNR的增大而上升。

圖3 用戶平均反饋鏈路數量與系統SNR的關系

圖2和圖3的仿真結果表明,在設定SNR門限值的時候參考系統SNR的大小,從而使反饋開銷和回程開銷控制在一定范圍之內,避免其快速增長。

圖4綜合展示了用戶平均反饋鏈路數量與SNR門限值和系統SNR值的二元函數關系,并對比了動態SNR門限反饋算法與固定SNR門限反饋算法在減小開銷方面的性能結果。

在動態SNR門限反饋算法下,SNR門限值的設定需要參考系統SNR值的大小。在仿真實驗中,假設它們存在簡單的線性關系。

圖4給出了SNR門限值與系統SNR值的比值分別為1/2和1的條件下,用戶平均反饋鏈路數量與SNR門限值和系統SNR值的關系。分析仿真結果可知,動態SNR門限反饋算法能夠將反饋鏈路數量控制在一定范圍之內,防止其快速增長。

對比固定SNR門限反饋算法(SNR門限值= -10 dB)和動態SNR門限反饋算法(圖4中K=1/ 2和K=1對應的曲線)這3條曲線,可以得出如下2個結論:

(1)當系統SNR值變大時,動態SNR門限反饋算法能夠在固定SNR門限反饋算法的基礎上,控制住用戶平均反饋鏈路數量,從而防止系統反饋開銷和回程開銷的增大。

(2)SNR門限值與系統SNR的比值越大,動態SNR門限反饋算法在控制系統開銷方面表現越好。但是該比值不能設置得太大,因為這會給系統性能帶來嚴重損失。

圖4 動態SNR門限與固定SNR門限反饋算法的性能對比

5 結束語

在設計CoMP系統的反饋方案時,本文基于選擇性反饋的概念,提出了動態SNR門限反饋算法。仿真結果表明,該算法相比固定SNR門限反饋算法和不采用選擇性反饋的情形,都表現出了更好的性能結果。動態SNR門限反饋算法能夠將用戶平均反饋鏈路數量控制在一定范圍內,防止其快速增長,從而避免系統反饋開銷和回程開銷的增大。在實際場景下,系統SNR值是動態變化的,因而動態SNR門限反饋算法具有較強的實際意義,它能將系統開銷控制在一定范圍之內,而不受系統環境變化的影響。本文提出的動態SNR門限反饋算法雖然能將反饋開銷控制在一定范圍之內,但是其代價是計算量的增加,而且當小區邊緣的平均SNR值較高時,由于SNR門限值較高,對于某些鏈路質量較差的用戶是不公平的,這有待進一步的研究改進。

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編輯 任吉慧

Optimization of CoMP Feedback Overhead Based on Dynamic SNR Threshold

LIU Jia,GUO Ai-huang
(School of Electronics&Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to meet the system performance gain,CoMP system requires users to feedback a lot of the channel information.However,the energy consumption of the system also increases with the enhancement of feedback overhead. Feedback alogorithm based on dynamic SNR threshold is proposed in this paper,starting from the view of the green wireless system,achieves a good compromise between system performance and energy consumption under the premise of minimizing the performance loss to the system by reducing unnecessary feedback information,thereby reducing unnecessary cooperative interactive information between nodes,thus improve the energy efficiency of the system. Simulation results show that the proposed alogorithm can effectively reduce the feedback overhead of system compared with the fixed threshold SNR feedback alogorithm and situation which does not use selective feedback,under the system performance requirements.

Coordinated Multi-point(CoMP);energy consumption;feedback overhead;selective feedback;dynamic threshold;average feedback link number

1000-3428(2014)09-0092-04

A

TN911

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.019

上海市自然科學基金資助項目(12ZR1433900);中央高?；A研究基金資助項目(0800219162)。

劉 佳(1990-),男,碩士研究生,主研方向:寬帶無線通信技術;郭愛煌,教授。

2013-08-19

2013-10-29E-mail:2008liujia1990@163.com