HetNet場景下基于時延的多基站協作傳輸方法

黃偉星

(東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)

HetNet場景下基于時延的多基站協作傳輸方法

黃偉星

(東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)

小基站的部署有效提高了無線網絡的覆蓋范圍和系統容量，多點協作傳輸(CoMP)技術被認為是一種減少基站間干擾的有效策略。提出了一種用于HetNet場景下基于時延的多基站協作傳輸方法。首先，利用各協作基站傳輸信號到用戶之間的時延差，據此計算時延補償因子，在基站端發送信號時進行頻域上的相位旋轉，實現時延補償;其次，依據基站間回程時延，選擇合適的協作基站，實現基站協作同步，并減少回程時延，降低時延對協作傳輸的影響。最后，在matlab平臺下對該方案進行仿真驗證，相比傳統方案該方案可降低干擾，提升邊緣用戶吞吐量和系統整體的吞吐量。

異構網絡；小基站；時延；協作多點傳輸

0 引言

異構網絡中存在小基站與宏站、小基站與小基站間的干擾問題［1］。協作多點傳輸(Coordinated Multiplepoint Transmission/reception，CoMP)技術［2－4］通過多基站協作傳輸來降低或消除信號間的相互干擾，提升邊緣用戶和系統整體的吞吐量。文獻［5］提出一種基于干擾強度確定協作簇的基站協作傳輸方法，但未考慮到基站間存在非理想回程。文獻［6］標準化用于支持Inter-eNB CoMP的信令。在此基礎上，文獻［7］開始研究了非理想回程下基站間CoMP的性能。進一步地，文獻［8］對分布式、集中式CoMP進行性能分析，在非理想回程下分布式CoMP更為適用。文獻［9］提出一種動態選擇回程的方式以實現基站協作傳輸，但復雜度較大。此外，當服務基站信號與協作基站信號存在傳輸時延差時，使得基站協作發射的信號會在移動終端產生額外的相互干擾，從而使通信鏈路質量明顯下降。前人工作均考慮單一問題(時延差/回程時延)的存在，本文結合上述2種時延問題提出一種基于時延的多基站協作傳輸方法。

1 系統模型及問題分析

宏站(Macro)和多個小基站(Small cell)構成典型的LTE-A異構網絡場景，如圖1所示。

圖1 Macro-Small cell異構場景

假設邊緣用戶i的服務基站為m，網絡中基站的個數為N(宏站和小基站)，采用協作傳輸時用戶接收信號的信干噪比表示為:

式中，Hj，i表示基站j的信道矩陣，C表示協作簇，Wj，i表示基站j的預編碼矩陣，sj表示基站j發送的數據矢量，N0表示噪聲。實際應用中，服務基站、各協作基站傳輸信號到達用戶側會存在時延差。此時采用協作傳輸對應的用戶接收信號表示為:

信號時域上的時延導致頻域上的相位偏移，即用戶接收的信號之間存在相位偏移，無法進行同相相加。當時延Δt較大時，協作基站傳輸的信號與服務基站的信號反相，信號疊加導致用戶接收信號質量惡化。

此外，考慮非理想回程，服務基站與協作基站存在回程時延，用戶反饋獲得的信道狀態信息(CSI)與傳輸該用戶數據時刻的CSI不匹配，記無時延信道H1=Hm，i，時延信道矩陣為H2，H1與H2的關系［10］可以表示為H2=ρ H1+ΔE，其中ΔE為H1和H2之間均值為0方差為ε2的高斯信道錯誤矩陣，ρ為H1和H2的相關系數，即ρ=J0(2πfdτ)。J0為0階貝塞爾函數，fd為多普勒頻偏，τ為時延。替換式(2):

由上述分析可知，回程時延對用戶接收信號的SINR和用戶吞吐量均有影響。

2 基于時延的多基站協作傳輸方法

基于以上分析，提出的一種用于HetNet場景下基于時延的多個基站協作傳輸方法，所述方法具體步驟如下:

第1步:用戶UEi(i=1，2，3…，M)測量各基站BSj(j=1，2，3…，K)在UEi處的參考信號接收功率(RSRP)的統計平均值，選擇最大值對應的基站作為用戶UEi的服務基站

服務基站將用戶列入其邊緣用戶集，并將相應的基站作為候選協作基站;否則，服務基站將用戶列入中心用戶集，無須協作傳輸。其中RSRPthreshold表示判定門限值。

第3步:服務基站與候選協作基站交互同步報文進行定時校準，t1時刻服務基站向候選協作基站發送同步報文，t2時刻候選協作基站收到報文，t3時刻候選協作基站發送附帶t2時刻信息的應答報文，t4時刻服務基站收到報文。依據:

服務基站計算服務基站和候選協作基站的回程時延樣本值delaysj(t)，并將結果保存在時延樣本表中。

第4步:服務基站依據:

計算時延樣本表中delaysj(t)的K個樣本統計平均值

第5步:服務基站依據:

確定是否與候選基站協作。其中NumberCoMP_BS為協作基站個數，τthreshold為時延門限值。若Number-CoMP_BS取值為0，則服務基站將對應邊緣用戶列入中心用戶集。

第6步:服務基站和協作基站向邊緣用戶發送導頻信號，用戶據此進行信道估計，得到用戶與兩基站的信道信息CQI以及兩基站信號到達用戶的時延差Δt。根據信號時域與頻域的變換關系，協作基站發送至用戶的信號相比服務基站存在相位偏移，需要補償以實現接收端同相相加。依據:

用戶依據時延計算相位補償因子，并將信道信息與所述因子反饋給服務基站。因而對應的時延補償矩陣為:

式中，ε為采樣間隔，k為子載波數，N為快速傅里葉變換點數，I為單位陣。

第7步:服務基站向協作基站發送協作請求，依據:

式中，Hm表示服務基站的信道矩陣，Hj表示協作基站的信道矩陣，Wm表示服務基站的預編碼矩陣，Wj表示協作基站的預編碼矩陣。協作基站在收到所述請求前調度其中心用戶。

第8步:依據

分別計算資源塊r上服務基站邊緣用戶集中的邊緣用戶、中心用戶集中的中心用戶和協作基站的中心用戶的調度優先級因子。其中τ表示時延值，T為調度周期，Ri(t)、Ti(t)為用戶速率及吞吐率。

則在資源塊r上為邊緣用戶UECoMP_s1執行協作傳輸。否則，服務基站和協作基站調度各自優先級最高的中心用戶UECenter_s2和UECenter_j1。所述用于發送給用戶的數據，各基站利用S1接口從高級網關獲得后進行傳輸。上述過程是在每個系統調度周期重復以上第1步到第9步。

3 仿真結果及分析

搭建TD-LTE/TD-LTE-A系統級仿真平臺［11］并在此平臺的基礎上驗證所提技術方案的性能。其中每個宏小區包含3個扇區，每個扇區中隨機部署十個小基站，用戶隨機分布在扇區中，采用比例公平調度算法。

誤碼率對比如圖2所示。由圖2可以看出本文提出的方法相比文獻［12］提出的傳統方法，用戶在接收數據時獲得額外的增益，誤碼率降低了0．5 dB左右。這是因為所提出的方法采用相位補償方法，服務基站向協作基站發送協作請求，所述請求包含了該相位補償因子信息，因而通過基站協作提高用戶接收信號質量，誤碼率得以降低，系統性能得以提高。

圖2 誤碼率對比曲線

邊緣用戶平均吞吐量分布曲線如圖3所示，可以看出吞吐量隨著時延的增加而減少。當時延較大時，CoMP技術無法對系統帶來性能增益。與傳統方法相比，本文提出的方法引入基站協作機制，在依據回程時延使得基站發送端對齊，實現協作同步傳輸。并減少基站交互產生的回程時延，使邊緣用戶平均吞吐量得到較大的提升。

圖3 邊緣用戶平均吞吐量分布曲線

扇區平均吞吐量如圖4所示，可以看出所提出的方法與傳統方法相比，扇區的平均吞吐量也有一定的提升，隨著時延的增大，扇區的平均吞吐量降低。由圖3和圖4可知，所提出的方法可以提升系統和邊緣用戶的吞吐量，尤其是針對邊緣用戶，該技術能為其帶來顯著的增益。此外也驗證了回程時延對系統性能產生影響。

圖4 扇區平均吞吐量分布曲線

4 結束語

提出一種用于HetNet場景下基于時延的多基站協作傳輸方法。系統級仿真表明，相比傳統方案本文提出的方法依據各協作基站與用戶傳輸信號的時延差以及基站間的回程時延，實現基站發送端協作同步，用戶接收端接收對齊，信號得到相位補償。進而減少基站間的干擾，提高用戶接收信號的質量，降低誤碼率，提升邊緣用戶和系統整體的吞吐量。

［1］Palanisamy P，Nirmala S．Downlink Interference Management in Femtocell Networks-A Comprehensive Study and Survey[J]．IEEE Wireless Communications，2013(2):747－754．

［2］Li Y，Yu H，Gao S．Performance of Dynamic CoMP Cell

［3］3rd Generation Partnership Project TS 36．300 V 11．7．0．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network［S］，2013．

［4］3rd Generation Partnership Project TR R1－112042．Text Proposal for Standard Impacts and Design Principles of CoMP in Rel－11［S］，2011．

［5］Liu J，Wang P，Zhang J．Backhaul Constraint-based Cooperative Interference Management for In-building Dense Femtocell Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2012:1－5．

［6］3rd Generation Partnership Project RP-132103．Inter-eNB CoMP for LTE[S]．Pusan，Korea，2013．

［7］3rd Generation Partnership Project TR 36．874．Coordinated Multi-point Operation for LTE with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［8］3rd Generation Partnership Project RP-135596．Simulation Results for Small Cell Scenarios with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［9］Bennis M，Saad W，Debbah M．On the Impact of Heterogeneous Backhauls on Coordinated Multipoint Transmission in Femtocell Networks［C］∥2012 IEEE International Conference，2012:5064－5069．

［10］Zhang J，AndrewsJ G，Heath R W．Block Diagonalization in the MIMO Broadcast Channel with Delayed CSIT［C］∥GLOBECOM'09 Proceedings of the 28th IEEE conference on Global telecommunications，2009:844－849．

［11］Ikuno J C，Wrulich M，Rupp M．System Level Simulation of LTE Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2010:1－5．

［12］3rd Generation Partnership Project RP-135049．Inter-eNB Signaling for Supporting CoMP with Non-ideal Backhaul［S］，2013． 164－174．

A Coordinated Multiple Base Stations Transmission Scheme Based on Latency in HetNet

HUANG Wei-xing
(National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University Nanjing Jiangsu 210096，China)

The coverage performance and capacity of wireless network can be effectively improved with the deployment of small cell．The coordinated multiple point transmission is regarded as an effective strategy to reduce the interference between small cells．This paper presents a coordinated multiple base stations transmission scheme based on latency in heterogeneous network．Firstly，according to different delays from cooperative base stations to users，the delay compensation of each user is realized by phase rotation of transmitted signals at the base station side in frequency domain．Secondly，according to the backhaul latency between base stations，the appropriate cooperative base station is selected and the synchronous collaboration is achieved．The backhaul latency is reduced and the affect of latency on cooperative transmission is reduced．Finally，the simulation is performed for this scheme under matlab，the results show that this scheme can reduce the interference and improve the throughput of edge users and the overall throughput of system，compared with the traditional scheme．

heterogeneous network;small cell;latency;coordinated multiple point transmission

TN929．5

A

1003－3114(2015)05－56－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.15

黃偉星．HetNet場景下基于時延的多基站協作傳輸方法［J］．無線電通信技術，2015，41(5):56－59．

2015－05－06

黃偉星(1990—)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向:異構網絡中協作多點傳輸技術。