C-RAN 網絡中CoMP 性能分析與優化*

蔡振浩，張勛勇

（上海思客琦自動化工程有限公司智能制造先進技術研究院，上海 201206）

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發展和4G 通信網絡的大規模普及與商用，這種市場需求牽引、技術發展驅動的典型模式強有力地推動了各標準化組織以及設備生產商對無線通信標準的持續演進與商業產品的研發生產。一方面，面對急劇膨脹的無線寬帶業務需求，移動運營商不斷增加空中接口帶寬和增加基站數量，而大量基站導致了高額能耗。另一方面，移動用戶的潮汐效應導致基站利用率低下。上述原因使得運營商的網絡OPEX 逐年增高[1]。針對該問題，文獻[2]提出了采用集中式的基帶處理池，由遠端無線射頻單元和天線組成的協作式無線網絡和基于開放平臺的實時云型基礎設施的無線接入網（Cloud Radio Access Network，C-RAN）構造一個低成本、高性能的綠色網絡架構，以極低的成本實現豐富的無線寬帶業務。

圖1給出了分布式RRH+集中式L1/L2/L3/O&M的C-RAN構架。集中化所有基站的數字信號處理單元，包括物理層基帶處理、高層協議處理、主控及時鐘等，通過高速光纖接口鏈接分布式的遠端射頻單元。RRH 僅負責模數/數模轉換后的射頻收發功能。這一架構的技術特點是集中了所有的數字基帶處理功能在BBU 中，易于升級與擴容，并能支持多標準，實現最大程度的資源共享，更方便支持多個基站間諸如CoMP 等的協作化信號處理?？梢钥闯?，C-RAN這種分布式接入、集中式處理的架構能夠充分應用多點協作技術處理增益。

3GPP Release11 協議提出的CoMP 技術重點包括[3]聯合發送/接收技術、多點選擇策略、協作調度、協作波束成形等方面[4-5]。而這一技術應用和推廣工作在Release12 協議中得到了進一步加強，成為近年來學者們廣泛研究的重點和熱點。綜上所述，本文主要針對C-RAN 的網絡架構討論該結構下的CoMP 處理增益，并指導最優的網絡規模和拓撲結構設計。

圖1 分布式RRH+集中式L1/L2/L3/O&M 的C-RAN 構架

1 TD-LTE 鏈路預算分析

1.1 基站發射功率

首先計算基站側的天線口有效全向輻射輻射 功 率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），解析式為[6]：

其中，Nant表示天線數目，取8 天線；Pant表示單天線的發射功率，LTE-A 中單根天線發射功率為5 W，各天線等功率發射；NPRB表示總帶寬頻域資源塊數目，表示業務所占頻域資源塊數目，令；GB表示發射天線增益，下行基站天線發射增益一般取18 dBi；Lf表示饋線損耗，這里取3 dB。于是，計算PEIRP有：

1.2 傳播損耗

Hata模型的PCS擴展是在參考Okumura 模型的基礎上改進的經驗公式，市區損耗的標準公式為[7]：

其中，fc為頻率，MHz；hte為發射有效天線高度；hre表示接收有效天線高度；d表示T-R 距離，km。a(hre)為有效移動天線修正因子，對于大城市為：

不妨假設發射有效天線高度hte=30 m，UE 接收有效天線高度hre=2 m，CM選擇3 dB；fc=2 600 MHz，計算得到：

至此，推導得到信道傳播損耗與距離的函數關系。

1.3 接收機靈敏度

接收靈敏度計算公式為：

其中，NF為UE 噪聲指數；熱噪聲電平KTB是指特定帶寬B下的熱噪聲電平；K等于波爾茲曼參數為1.381×10-23W/Hz/K；T表示絕對溫度，K；GI表示干擾裕量；接收分集增益GP在終端配置2天線下取3 dB；UE 噪聲指數取7 dB。于是，易得熱噪聲電平為：

接收機靈敏度為：

1.4 最大路徑損耗

最大路徑損耗為：

計算中取陰影衰弱裕量為10 dB，快衰落裕量為2 dB，穿透損耗取0 dB，人體損耗取0 dB。于是，聯立易得：

最終化簡得到傳輸路徑距離與UE 接收信噪比的解析關系為：

圖2 給出的是UE 側的接收信噪比與eNodeB距離的關系。

圖2 T-R 距離d 與UE 接收信噪比關系

2 C-RAN 多點協作增益分析

2.1 BCU CoMP 增益分析

考慮C-RAN 網絡是由如圖3 所示的三扇區模型擴展而成的，定義為基本協作單元（Basic Coordinated Unit，BCU）。其中，虛線圓圈區域定義為非CoMP 協作區域，可以認為是UE 距離eNodeB 距離較近，協作對UE 信噪比的提高有限；三角形區域是CoMP 協作區域，UE 通過多點協作能夠獲得較大的信噪比增益。圖4 中C-RAN 網絡由若干BCU 拓展而成。這里考慮UE 在網絡中的地理位置在全網服從均勻分布，C-RAN 網路內的UE可以通過CoMP 協作獲得增益。C-RAN 網絡之間無協作，因此處于邊緣的UE 無CoMP 增益。

圖3 面向CoMP 的基本協作單元

圖4 C-RAN 中基于多個BCU 的CoMP 協作規劃

令Pk為UE 接收到的第k個eNodeB 的信號功率，UE 接收到的各協作點的信號功率由計算得出，則CoMP 下UE 相干接收的解析式為：

圖5 給出了BCU 中的UE 接收到的CoMP 相對信噪比增益的3-D 圖?？梢钥闯?，UE 在中心地區雖然距離各cell 均很遠，但是獲得的CoMP 處理增益帶來的相對信噪比提升最明顯。因此，以相對信噪比增益值區分CoMP 和非CoMP 協作區域是一個較好的出發點。

圖5 BCU 中CoMP 相對信噪比增益3-D 立體圖

2.2 C-RAN 網絡規模設計

圖6 中分別以C-RAN 中的CoMP 增益3 dB、4 dB、5 dB 作為門限，評估C-RAN 網絡中的CoMP發生概率。其中，橫坐標是Cell 數目，表示網絡的規模；縱坐標表示C-RAN 網絡中可進行CoMP 協作的UE 占網絡中所有UE 的比率?？梢钥闯觯环矫骐S著設置的CoMP 信噪比門限的降低，C-RAN網絡中的CoMP 協作概率獲得提升；另一方面，隨著網絡規模的膨脹，CoMP 協作概率的增幅逐漸平緩。對于C-RAN 的網絡規模而言，網絡規模越大，所需互聯的BCU 越多，協作代價越為復雜，成本越高。因此，需要分析C-RAN 的網絡規模與CoMP增益的優化設計。

圖6 ISD=0.5 km 下C-RAN 的CoMP 概率與Cell 數目關系曲線

圖7 以站址間距ISD=0.5 km 為例，給出了Cell數目與歸一化的CoMP 概率的比例關系?？梢钥闯觯环矫鏆w一化的CoMP 概率隨著Cell 數目的增加不斷增大，當Cell 數為48 時，C-RAN 網絡能夠獲得61.2%的增益率；另一方面，隨著Cell 數目的增加，CoMP 發生概率的增幅愈來減緩，而隨著Cell 數增大到102，CoMP 發生概率僅增加到約71%。C-RAN中Cell 數目的增加無疑會增大網絡各方面的開銷，因此針對CoMP 發生概率為指標，以黃金分割比率為例，可以認為選擇C-RAN 中Cell 數為48 能獲得較好的網絡性能與網絡規模的平衡。

圖7 歸一化的C-RAN 的CoMP 概率與Cell 關系曲線（ISD=0.5 km）

3 結語

C-RAN 是一個基于開放平臺的低成本、高性能的解決方案。本文主要針對C-RAN 網絡中的CoMP 性能增益和C-RAN 網絡規劃設計進行分析。通過計算無線鏈路損耗，分析了JT 下的CoMP 理論增益，并通過定性分析CoMP 增益與C-RAN 網絡Cell 數的比例關系，給出了C-RAN 網絡規劃的設計建議。