基于多基站協(xié)作的多點(diǎn)傳輸在多播中的運(yùn)用

黃琦敏

摘要 在傳統(tǒng)無(wú)線多播系統(tǒng)中，為保證多播組所有用戶都能正確接收和解碼基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，基站只能以最差信道質(zhì)量用戶的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)，雖然保證了用戶間公平性，但降低了多播系統(tǒng)吞吐量。為提高系統(tǒng)吞吐量，在傳統(tǒng)的LTE多媒體多播系統(tǒng)中引入CoMP關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)選取多個(gè)小區(qū)形成CoMP協(xié)作集，CoMP 協(xié)作集小區(qū)在相同資源塊上同時(shí)為一個(gè)多播組內(nèi)用戶傳輸相同數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，在保證服務(wù)質(zhì)量的情況下，MCMPT方案使多播系統(tǒng)吞吐量得到顯著提高。

關(guān)鍵詞 LTE；多媒體多播系統(tǒng)；CoMP；吞吐量

DOIDOI：10.11907/rjdk.181115

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）009020804

英文標(biāo)題Application of Coordinated Multipoint Transmission in Multimedia Multicast Service

--副標(biāo)題

英文作者HUANG Qimin

英文作者單位（College of Telecommuniaction and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommuniaction，Nanjing 210003，China）

英文摘要Abstract：In the traditional wireless multicast system，in order to ensure that all users in multicast group can receive and decode data correctly，the base station can only choose the data rate of user in the poorest channel condition to transmit data.Although the fairness among all the users in the system is guaranteed，but the system throughput is low.In order to increase the system throughput，a new technique called CoMP is introduced to the traditional multimedia broadcast multicast service to solve this problem.Multiple base stations work together to transmit the same data to a multicast group at the same time in the same esource block.The simulation results show that the MCMPT scheme proposed in this paper makes the throughput of multicast system significantly improved.

英文關(guān)鍵詞Key Words：LTE；MBMS；CoMP；throughput

0引言

多播是將信息從一個(gè)數(shù)據(jù)源向多個(gè)用戶發(fā)送的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源利用率。隨著LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，在基于OFDM的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多播極為重要，多媒體多播系統(tǒng)（MultiMedia Broadcast Multicast Service，MBMS）可以極大簡(jiǎn)化多媒體接入方式，改善多媒體體驗(yàn)，如視頻會(huì)議、電視廣播等。傳統(tǒng)多播基于單基站場(chǎng)景，為了保證多播組內(nèi)所有用戶都能夠正確接收數(shù)據(jù)和解碼信息，基站只能選擇多播組中最差信道質(zhì)量用戶的傳輸速率發(fā)送信息。因此，研究多播系統(tǒng)調(diào)度和資源分配，提高多播系統(tǒng)邊緣用戶可達(dá)速率，是提高多播系統(tǒng)吞吐量和公平性的關(guān)鍵，目前已成為研究熱點(diǎn)。

根據(jù)自適應(yīng)機(jī)會(huì)多播調(diào)度方案，在每個(gè)TTI內(nèi)，基站不會(huì)選擇所有用戶一起發(fā)送數(shù)據(jù)，而是自適應(yīng)地選擇滿足一定條件的不固定的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該算法將調(diào)度周期設(shè)置成3個(gè)TTI，相對(duì)于傳統(tǒng)多播，雖然在一定程度上能夠提高系統(tǒng)吞吐量，但是不能保證用戶公平性[1]。

傳統(tǒng)IPF多播方案選擇多播組吞吐量最大的用戶速率作為BS可行速率，雖然可以提高系統(tǒng)吞吐量，卻極大犧牲多播組內(nèi)用戶公平性，可能使信道質(zhì)量差的邊緣用戶一直得不到BS服務(wù)[2]。

多點(diǎn)傳輸（CoMP）指處于不同地理位置的多個(gè)BS一起協(xié)作發(fā)送信息給終端，或者聯(lián)合接收終端發(fā)送的信息，當(dāng)協(xié)作小區(qū)發(fā)送相同信息給用戶時(shí)，由于傳輸鏈路之間具有相互獨(dú)立的特點(diǎn)，因此該方法有效提高了發(fā)送分集增益，從而可提高通信系統(tǒng)吞吐量和可靠性。聯(lián)合傳輸（JT）是一種CoMP類型，可以將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)，使多個(gè)小區(qū)的發(fā)送信號(hào)在空中合并被UE接收，由于UE接收信號(hào)增強(qiáng)，干擾信號(hào)降低，因而提高了UE的SINR接收率。

為了提高多播系統(tǒng)吞吐量，本文提出一種多播和CoMP三基站協(xié)作的多點(diǎn)傳輸方案（MulticastCoordinate Multiple Point Transmission，MCMPT）。3個(gè)BS同時(shí)發(fā)送相同信息給多播組內(nèi)用戶，相對(duì)于傳統(tǒng)單小區(qū)多播，新方案增強(qiáng)了邊緣用戶的接收信號(hào)，也相應(yīng)增大了邊緣用戶的SINR，因此BS使多播組傳輸數(shù)據(jù)可行速率顯著提高。

1系統(tǒng)模型

多點(diǎn)協(xié)作蜂窩系統(tǒng)模型如圖1所示，包含3個(gè)小區(qū)，分別是小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3，3個(gè)小區(qū)形成一個(gè)CoMP協(xié)作集S，集合的3個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)分別位于不同位置，聯(lián)合協(xié)作給同一個(gè)多播組內(nèi)用戶同時(shí)傳輸相同信息。其中小區(qū)1是多播組用戶所屬的服務(wù)小區(qū)，假設(shè)小區(qū)1中有G個(gè)多播組，資源塊個(gè)數(shù)為N，系統(tǒng)帶寬為B，Sg表示多播組g的用戶個(gè)數(shù)。

對(duì)于小區(qū)1中多播組g的用戶k，采用CoMP傳輸時(shí)，在第t個(gè)TTI接收到的信號(hào)可以表示為：

yg，k（t）=∑i∈SHi，g，k（t）Wi，g，k（t）Si，g，k（t）+∑jSHj，g，k（t）Wj，g，k（t）Sj，g，k（t）+N0（1）

其中式（1）右邊第一項(xiàng)表示服務(wù)基站和協(xié)作基站對(duì)多播組g中用戶k發(fā)送的信號(hào)，Hi，g，k（t）表示基站i對(duì)多播組g中用戶k的信道增益，Wi，g，k（t）表示預(yù)編碼矩陣，Si，g，k（t）表示基站i對(duì)多播組g中用戶k發(fā)送的信號(hào)；式（1）右邊第二項(xiàng)為其它基站對(duì)用戶k的干擾信號(hào)，N0表示高斯白噪聲。

協(xié)作集合的基站共享用戶信息，根據(jù)式（1），小區(qū)1中多播組g中用戶k的SINR表示為：

γSINR=∑i∈Spi|Hi，g，kWi，g，k|∑jSpj|Hj，g，kWj，g，k|+N0（2）

pi表示用戶k接收的協(xié)作集S中基站i的發(fā)送功率，pj表示用戶k接收的其它基站發(fā)送功率。

2MCMPT方案算法

傳統(tǒng)多播基于單小區(qū)場(chǎng)景，多播組中用戶接收的有用信號(hào)只來(lái)自于服務(wù)小區(qū)，其它小區(qū)信號(hào)都被視為干擾信號(hào)。MCMPT算法通過(guò)在多播中引入CoMP多點(diǎn)傳輸技術(shù)，選擇3個(gè)小區(qū)作為固定協(xié)作集合，其中一個(gè)作為服務(wù)小區(qū)，可以發(fā)送所有控制信息給本服務(wù)小區(qū)多播組用戶，其余兩個(gè)小區(qū)只有發(fā)送協(xié)助信息的作用，3個(gè)小區(qū)同時(shí)發(fā)送有用信息給服務(wù)小區(qū)內(nèi)多播組用戶，3個(gè)基站發(fā)送的信號(hào)在空中合并后被多播組內(nèi)用戶接收，使邊緣用戶接收信號(hào)質(zhì)量有效增強(qiáng)。

根據(jù)式（2），在第t個(gè)TTI中，多播組g中用戶k的請(qǐng)求速率表示為：

rg，k（t）=log2（1+γSINR）（3）

為了將單個(gè)子載波上的SINR映射到資源塊RB上的等效SINR中，有效SINR算法采用EESM模型，按照式（4）進(jìn)行映射：

SINReff=-β（1Nsub∑Nsubk=1e-SINRkβ）（4）

其中，Nsub表示子載波總數(shù)，β是尺度系數(shù)，用來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際和預(yù)測(cè)的誤塊率BLER之間的不匹配性。

為了保證多播組內(nèi)用戶公平性，選擇多播組中最差信道質(zhì)量用戶的請(qǐng)求速率作為基站傳輸數(shù)據(jù)的速率。第t個(gè)TTI中多播組g的可行速率可表示為：

rg（t）=argmink∈grg，k（t）（5）

相應(yīng)多播組g的吞吐量表示為：

Rg（t）=Sgrg（t）（6）

第t個(gè)TTI中多播組g的所有用戶在資源塊i的請(qǐng)求速率之和為：

Rg_sum=∑Sgk=1rg，k，i（t）（7）

第t個(gè)TTI中多播組g的吞吐量與多播組內(nèi)所有用戶請(qǐng)求速率之和的比值為：

φg（t）=Rg_sumRg（t）（8）

為了實(shí)現(xiàn)多播組之間的公平性，選擇多播組的吞吐量與多播組內(nèi)所有用戶請(qǐng)求速率之和的比值最大的多播組優(yōu)先進(jìn)行調(diào)度，因此，在第t個(gè)TTI中選擇的多播組為：

g（t）=argmax1

具體算法流程如下：

步驟1：在每個(gè)TTI內(nèi)，根據(jù)用戶接收到的3個(gè)協(xié)作小區(qū)的發(fā)送信號(hào)，由式（2）計(jì)算每個(gè)用戶的SINR，依據(jù)式（4）的EESM模型，計(jì)算每個(gè)用戶在每個(gè)資源塊的等效SINR，映射成相應(yīng)的CQI，根據(jù)CQI計(jì)算多播組g內(nèi)用戶k在資源塊i的請(qǐng)求速率rg，k，i（t），1≤g≤G，1≤k≤Sg，1≤i≤N。

步驟2：對(duì)于多播組g內(nèi)的Sg個(gè)用戶，在每一個(gè)資源塊RB上，根據(jù)式（6）計(jì)算多播組g在可行速率下的最大吞吐量Rg，i（t）。

步驟3：根據(jù)式（7），計(jì)算多播組g的所有用戶在資源塊i的請(qǐng)求速率之和Rg_sum。

步驟4：對(duì)所有的多播組，根據(jù)式（8），計(jì)算每一個(gè)多播組在每一個(gè)資源塊的權(quán)值，即多播組吞吐量與多播組內(nèi)所有用戶請(qǐng)求速率之和的比值φg，i（t）。

步驟5：針對(duì)步驟4計(jì)算的權(quán)值，根據(jù)式（9），計(jì)算在每個(gè)RB上優(yōu)先分配的多播組。

步驟6：更新資源塊集合，將已經(jīng)分配完成的資源塊從當(dāng)前資源塊集合中刪除，得到一個(gè)新的RB集合。

步驟7：重復(fù)步驟1-步驟6，直到所有使用CoMP多點(diǎn)傳輸?shù)馁Y源塊分配完畢。

3MCMPT算法的仿真與結(jié)果分析

為了詳細(xì)了解MCMPT方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響，更好地評(píng)估多播系統(tǒng)性能，利用仿真Matlab系統(tǒng)仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析仿真結(jié)果。

3.1系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)概述

系統(tǒng)仿真采用7小區(qū)模型，中心小區(qū)為服務(wù)小區(qū)，再選擇周圍小區(qū)中兩個(gè)相鄰的小區(qū)與中心小區(qū)組成協(xié)作集，其它小區(qū)為干擾小區(qū)，每個(gè)小區(qū)包含3個(gè)扇區(qū)，仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2仿真結(jié)果分析

圖2顯示了在不同多播調(diào)度算法下多播組平均吞吐量隨多播組內(nèi)用戶數(shù)變化的情況。為了降低仿真復(fù)雜度，設(shè)置每個(gè)扇區(qū)只有1個(gè)多播組，因此每個(gè)小區(qū)包含3個(gè)多播組，選擇服務(wù)小區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

隨著用戶數(shù)增加，傳統(tǒng)多播算法CMS、MPF、MCMPT的多播組吞吐量都在增加，其中MCMPT算法能夠提供最好性能。CMS算法使用最差信道質(zhì)量用戶的速率作為基站傳輸速率，而且基于單小區(qū)場(chǎng)景，用戶只能接收到服務(wù)小區(qū)的信號(hào)作為有用信號(hào)，因此多播組吞吐量最低；MPF算法也是基于單小區(qū)場(chǎng)景的算法，但根據(jù)多播組可行速率和用戶請(qǐng)求速率比值之和的最大值選擇多播組進(jìn)行調(diào)度，因此，吞吐量比CMS算法更高；MCMPT算法基于3個(gè)小區(qū)場(chǎng)景，用戶接收到的有用信號(hào)除了服務(wù)小區(qū)的信號(hào)外，還有另外兩個(gè)協(xié)作小區(qū)發(fā)送的信號(hào)，因?yàn)橐肓薈oMP技術(shù)，用戶接收的有用信號(hào)是在空中合并后從3個(gè)小區(qū)發(fā)送的的疊加信號(hào)，因此，用戶的SINR相對(duì)于另外兩種算法更高，基站可選擇的發(fā)送速率更大，在保證多播組內(nèi)用戶公平性的基礎(chǔ)上能夠得到更大吞吐量。

多播組邊緣用戶平均吞吐量與邊緣用戶數(shù)目的變化情況如圖3所示。從圖中可以看出，MCMPT算法的多播組邊緣用戶吞吐量明顯比傳統(tǒng)多播CMS以及MPF算法大，邊緣用戶數(shù)相同時(shí)，MCMPT算法的多播組邊緣用戶吞吐量是傳統(tǒng)多播CMS算法的3倍左右，因?yàn)镸CMPT算法接收的是3個(gè)協(xié)作基站發(fā)送的有用信號(hào)，用戶SINR明顯更大。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的MCMPT方案兼顧了用戶公平性和小區(qū)吞吐量，引入了CoMP多點(diǎn)協(xié)作機(jī)制，相對(duì)于傳統(tǒng)多播算法，極大地增強(qiáng)了邊緣用戶的SINR，在保證用戶公平性的基礎(chǔ)上，大幅提高了小區(qū)吞吐量。仿真分析結(jié)果證明了MCMPT算法的優(yōu)越性及可行性。為了保證多播組內(nèi)用戶公平性，MCMPT算法沒(méi)有采用最優(yōu)基站發(fā)送速率，犧牲了一部分吞吐量，因此還需進(jìn)一步探索和研究。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：江艷）