全雙工蜂窩網絡的調度算法研究*

2019-03-05 08:56:22劉會衡李玲玲

通信技術 2019年2期

張軍，劉會衡，李玲玲

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽 441053）

0 引言

全雙工通信技術作為第五代移動通信技術的候選技術之一，受到了學術界和工業界的廣泛關注。全雙工通信技術使得通信節點能夠在相同的頻率資源上同時發送和接收信號。采用天線域、模擬域和數字域的自干擾消除技術后，全雙工通信系統能將自干擾信號降低到接近噪聲功率水平，從而達到約2倍于單雙工系統的通信速率[1-2]。然而，在蜂窩通信系統中，受全雙工實現復雜度限制，基站端可以優先配置全雙工通信技術，用戶設備（User Equipment，UE）端可在網絡發展后期配置全雙工通信技術。因此，全雙工網絡中存在半雙工UE和全雙工UE混合與基站通信的場景[3-4]。為實現全雙工帶來的容量增益，還需設計合理的調度算法。文獻[5]考慮了全雙工和半雙工節點混合組網的情景，根據網絡的干擾變化狀況設計了基站在全雙工和半雙工中靈活適變算法，分析了網絡容量與節點雙工模式之間的關系。文獻[6]利用隨機幾何模型分析了全雙工異構網絡在不同雙工模式下的網絡容量，研究了不同干擾協調策略對網絡容量的影響。然而，上述文獻都沒有考慮全雙工和半雙工UE共存的混合雙工模式下的調度問題。本文針對混合雙工模式下的調度問題分析各雙工模式的速率，提出了兩種調度算法，改善了蜂窩吞吐率。

1 系統模型

系統模型為基站使用全雙工通信技術的蜂窩通信系統。假定基站位于小區中心，覆蓋范圍為半徑為R的圓形區域，與KU個上行用戶和KD個下行用戶通信。該通信系統采用OFDM技術，將系統帶寬劃分為N個子信道，每個子信道經歷頻率平坦衰落，子信道間的衰落獨立不相關。基站和用戶的發射功率記為PB和PU。為了簡化分析，本文考慮基站和用戶在各自子信道上平均分配發射功率?；竞陀脩舻娜p工干擾消除增益分別假定為CBSI和CSUI。

在全雙工蜂窩網絡中，UE受設備體積和制造成本的限制，不一定全部具有全雙工通信能力，如圖1所示。

圖1 全雙工蜂窩系統模型

本文根據基站和用戶的雙工能力，考慮兩種通信模式。

（1）FD-HD模式

該模式假定基站使用全雙工通信方式與兩個半雙工的UE（一個上行UE和一個下行UE）通信。該模式中，上行UE通信鏈路主要受基站自干擾的影響，下行UE通信鏈路主要受UE間干擾（inter-user interference，IUI）。

（2）FD-FD模式

該模式假定基站在每個子信道上與同一個UE進行上下行通信。該模式要求基站和FD UE同時具備全雙工收發模塊，在上行（下行）通信鏈路中均受到自干擾的影響。

2 速率分析

分析上述兩種通信模式速率，提出獲得全雙工增益的調度算法。

2.1 FD-HD模式

該模式下，基站在每個子信道上與兩個半雙工UE通信?；窘邮丈闲蠻E信號時，主要受到自身發射下行信號的殘留干擾；下行UE的接收信號主要受到IUI的干擾。假定在子信道n以FD-HD進行通信的下行UE和上行UE分別為k和l，則下行UE在該子信道上的速率為：

其中，HULl,n和CBSI分別為上行UE的信道系數和自干擾消除增益。下行UE和上行UE所獲得吞吐量為所有分配子信道的速率之和，分別為：

其中，Φk和Φl為下行UE和上行UE所分配的子信道集合。上下行UE的速率分別為：

為了衡量全雙工通信系統的速率增益，本文將對比全雙工通信系統的速率與半雙工通信系統的速率。該對比系統為半雙工時分復用（HD Time Division Duplex，HD TDD）系統，采用上下行對稱的時隙配比（即LTE中TDD配置1）。因此，該HD TDD系統在子信道n上的速率為：

引理1：FD-HD模式要在半雙工模式獲得全雙工增益，必須滿足：

證明：FD-HD模式要獲得全雙工增益，必須滿足：

采用全雙工通信技術的蜂窩系統通常具有較高的信噪比，因此有log21+SINR≈log2SINR，代入式（9）得：

由于log函數為單調遞增函數，可得：

該系統為干擾受限系統，可以忽略噪聲項，整理可得式（8），證明完畢。

引理1表明，FD-HD模式要獲得全雙工增益，要求IUI干擾不能超過某個值，而該值與上下行UE的信道系數、基站和UE的發射功率和基站的自干擾消除能力相關。因此，FD-HD模式下，基站應該根據UE的信道系數和自干擾消除能力合理進行調度，可以得到如下調度準則。

UE Pairing調度準則：FD-HD模式下，基站在每個子信道上選擇UE間干擾信道的信道系數HIUIl,n最小的一對上下行UE。

2.2 FD-FD模式

在FD-FD模式中，基站和UE均使用全雙工通信技術。受各自發射機信號殘留干擾的影響，全雙工用戶l的上下行速率分別為：

若Φl為用戶l所分配子信道集合，則該用戶速率為：

引理2：FD-FD模式要獲得全雙工增益，必須滿足：

證明：FD-FD模式要獲得全雙工增益，必須滿足下式：

其中，RnHD為式（7）所示半雙工系統的速率。在高信噪比條件下，作近似log21+SINR≈log2SINR，得：

忽略噪聲項可得式（15），證明結束。

引理2表明，FD-FD模式要獲得全雙工增益，要求基站和UE的自干擾消除能力大于與用戶信道系數相關的值。顯然，UE的信道條件越好，越容易滿足此條件。因此，本文提出FD-FD模式中使用如下調度準則。

MCI調度準則：為了使得FD-FD模式獲得最大的全雙工增益，基站應該在每個子信道上調度信道系數最小的UE。

3 仿真結果與分析

為了驗證在FD-HD和FD-FD模式下所提UE Pairing和MCI調度算法的性能，本文根據LTE系統評估方案進行仿真驗證，仿真參數如表1所示[7]。仿真中標記全雙工通信模式分別為FD-HD和 FD-FD，全雙工通信模式上行鏈路和下行鏈路分別記為FD-HD UL和FD-FD DL，半雙工通信模式為HD，基站默認采用輪詢（RR）調度方法。

表1 仿真參數

圖2為自干擾消除增益為110 dB時，采用FD-HD模式的蜂窩吞吐量。可以看出，FD-HD模式相比于HD模式的增益遠低于2倍，約為24%。原因在于FD-HD模式中存在不可消除的IUI，降低了下行通信鏈路的信噪比?？梢钥闯觯現D-HD下行通信鏈路相比于HD系統略有損失，約為96%。而FD-HD上行通信鏈路所遭受的自干擾較低，從而獲得了約61%的速率提升。

圖2 FD-HD模式下蜂窩速率

圖3為自干擾消除增益為110 dB時，基站使用UE Pairing調度方案所達到的吞吐量。從圖3可以看出，UE Pairing調度方案顯著提高了下行UE的通信速率，約為使用輪詢調度方案的1.46倍，這是由于UE Pairing調度方案減少了IUI。從圖3還可以看出，UE Pairing調度方案顯著提高了FD-HD模式下的基站吞吐量，提升了約54%。然而，由于IUI干擾仍然存在且不可消除，UE Pairing調度方案的吞吐量仍然達不到半雙工通信模式的2倍。

圖3 FD-HD模式下UE Pairing方案的蜂窩速率

圖4給出了自干擾消除增益為110 dB時，FD-FD模式所獲得的蜂窩吞吐量。從圖4可以看出，FD-FD模式的吞吐量相比于半雙工系統有顯著提升，約為78%。這是由于FD-FD模式在自干擾消除增益為110 dB時的殘留干擾較小。其中，FD-FD UL鏈路的速率增益為61%，FD-FD DL鏈路的速率增益為92%。這是由于基站的發射功率大于UE的發射功率，基站的發射信號經過自干擾消除后的殘留干擾較強，降低了上行鏈路的信噪比，因而下行鏈路的頻譜效率高于上行鏈路。

圖4 FD-FD模式下的蜂窩速率

圖5給出了自干擾消除增益為110 dB時，FD-FD模式下采用MCI調度方式的吞吐量。從圖5 可以看出，MCI調度方法能夠獲得接近2倍的吞吐量，約為95%的速率增益，其中FD-FD UL吞吐量增益為93%，FD-FD DL吞吐量增益約為96%。這是由于MCI調度方法優先調度信道條件較好的UE，顯著減少了殘留干擾的影響，提升了頻譜效率。