一種5G分布式聯(lián)合傳輸策略研究

蘇樹盟 趙珂 羅俊華

【摘? 要】在5G超密集網(wǎng)絡(luò)UDN部署的低功率節(jié)點覆蓋下，小區(qū)覆蓋重疊嚴(yán)重導(dǎo)致了小區(qū)間存在較大的同層干擾，由用戶話務(wù)在時間和空間上分布不均勻而產(chǎn)生的小區(qū)負載不均衡造成了小區(qū)網(wǎng)絡(luò)資源的嚴(yán)重浪費，小區(qū)用戶體驗大幅度降低。基于5G網(wǎng)絡(luò)和TDD-CoMP技術(shù)的新特征，構(gòu)建了一種以用戶為中心的5G分布式聯(lián)合傳輸模型，對模型中的干擾、功耗以及速率解決方案進行了分析，最后得出一種可有效降低系統(tǒng)能耗，提升用戶整體的速率的5G分布式聯(lián)合傳輸策略研究方案。

【關(guān)鍵詞】5G;超密集網(wǎng)絡(luò);TDD-CoMP;聯(lián)合傳輸

Under the coverage of low-power nodes deployed in 5G ultra-dense networks （UDN）， the overlapping of cell coverage severely leads to the co-tier interference. The cell load imbalance caused by the uneven temporal-spatial distribution of user traffic results in the serious waste of cell network resources， and thus the cell user experience is greatly reduced. Based on the new features of 5G network and TDD-CoMP technology， this paper establishes a user-centric 5G distributed joint transmission model， and analyzes the interference， power consumption and rate solutions in the model. Finally， a 5G distributed joint transmission strategy research solution is proposed to effectively reduce system energy consumption and increase the overall rate of users.

5G; Ultra-Dense Network; TDD-CoMP; joint transmission

0? ?引言

隨著5G移動通信時代的到來，5G移動通信的系統(tǒng)容量需求、用戶體驗速率需求將持續(xù)性增長，有限的無線通信頻譜資源成為了通信技術(shù)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題，現(xiàn)網(wǎng)5G系統(tǒng)采用FR1頻段（410 MHz—7 125 MHz）與FR2頻段（24 250 MHz—52 600 MHz），并且與多種已有的不同網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)[1]，其應(yīng)用場景、優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)類型更加多樣化。未來的5G網(wǎng)絡(luò)體系將越來越龐大，網(wǎng)絡(luò)部署、運營和維護的開銷隨之大幅度增加，因此未來5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署必須靈活，易于維護。超密集組網(wǎng)（UDN， Ultra-Dense Network）網(wǎng)絡(luò)部署是5G組網(wǎng)的重要特征，小區(qū)協(xié)作對原有網(wǎng)絡(luò)改動較小，在5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署中，密集的低功率傳輸節(jié)點帶來了較大的同層干擾，多點協(xié)作于基站（gNB）間的同層覆蓋傳輸中，小區(qū)間的時分雙工多點協(xié)作傳輸技術(shù)（TDD-CoMP， Time-Division Duplex Coordinated Multiple Point）有效地降低了小區(qū)間的同層干擾，同時由于小區(qū)內(nèi)的用戶在時間和空間上分布不均勻造成小區(qū)負載不均衡，并且產(chǎn)生了嚴(yán)重的頻譜資源浪費，5G小區(qū)協(xié)作技術(shù)很好地解決了這個問題，在現(xiàn)網(wǎng)中采用綜合性的小區(qū)協(xié)作方案，能有效提高系統(tǒng)效能，本文基于分布式聯(lián)合傳輸，針對協(xié)作的波束賦形策略與協(xié)作的功率分配策略探究小區(qū)的容量與速率，提出了一種低干擾、高速率、高容量的5G分布式聯(lián)合傳輸策略。

1? ?UDN場景下的5G小區(qū)協(xié)作技術(shù)

CoMP技術(shù)大致分為兩類：協(xié)作調(diào)度/協(xié)作波束賦形（CS/CB， Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming）和聯(lián)合處理（JP， Joint Processing）[2]，協(xié)作調(diào)度與協(xié)作波束成型的示意圖見圖1：

在協(xié)作調(diào)度/協(xié)作波束賦形中，協(xié)作基站之間交互信道狀態(tài)信息（CSI， Channel State Information）以及調(diào)度信息對用戶進行協(xié)作傳輸。對單個協(xié)作用戶來說，用戶的服務(wù)基站傳遞業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，協(xié)作集中的多個基站共同決定相關(guān)的調(diào)度決策和天線的波束賦形策略。因此，通過CS/CB技術(shù)以犧牲部分頻率選擇性增益為代價可以大幅度避免用戶受到來自服務(wù)基站外的協(xié)作基站的干擾，保障精準(zhǔn)的鏈路適配。

在協(xié)作多點傳輸聯(lián)合處理中，協(xié)作的多個基站之間既要交互信道狀態(tài)信息以及調(diào)度信息，又要交互所服務(wù)的用戶的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)后續(xù)處理協(xié)作的方式的不同，聯(lián)合處理技術(shù)又分為兩種：聯(lián)合傳輸（JT， Joint Transmission）和動態(tài)節(jié)點選擇/動態(tài)節(jié)點靜默（DPS/DPB， Dynamic Point Selecting/Dynamic Point Blanking），聯(lián)合處理的示意圖見圖2：

圖2（a）的JT方式，同一時間段將會有協(xié)作集中的多個基站來為同一個用戶提供服務(wù)[3]，該用戶從多個傳輸點接收到強度相近、時延較小的信號。這種方式雖然可以顯著提高用戶的吞吐量，但是小區(qū)整體頻譜效率相對較低。而在圖2（b）圖的DPS/DPB中，對于單個協(xié)作用戶而言，同一時刻只有集中協(xié)作的一個基站為其服務(wù)。其他的非服務(wù)協(xié)作基站通過靜默相應(yīng)的資源來減小對該用戶的干擾[4]。DPS可以與DPB結(jié)合，CoMP測量集中一個小區(qū)為用戶傳送數(shù)據(jù)，其他的小區(qū)都在相同資源塊上配置零功率。CoMP需要大量的反饋開銷。在TDD系統(tǒng)中，利用上行鏈路和下行鏈路之間的互易性，可以減少系統(tǒng)開銷。因此，通道互惠將在TDD-CoMP發(fā)揮重要作用。

2? ?5G分布式聯(lián)合傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

2.1? 模型介紹

JP技術(shù)在大幅度提高系統(tǒng)頻譜效率的同時伴隨著極大的回程反饋鏈路負載，在下行鏈路JP方案中主要有集中式和分布式JP。分布式聯(lián)合處理傳輸技術(shù)沒有高度集中的協(xié)作中心控制單元每個基站負責(zé)不同的子帶，協(xié)作的多個基站間通過超低延遲信令接口Xn[5]交互含信道狀態(tài)信息CSI在內(nèi)的控制信息以及調(diào)度好的用戶數(shù)據(jù)。模型架構(gòu)如圖3所示。

2.2? 模型策略

在5G小區(qū)協(xié)作波束賦形（CB）中，波束規(guī)劃一般采用廣播波束和業(yè)務(wù)波束兩種方式。Massive MIMO靜態(tài)配置的廣播波束將發(fā)射能量集中成區(qū)域較窄的波束聚焦于用戶，UE通過TDD系統(tǒng)的上行信道探測參考信號估算向基站反饋測量報告信息，基站根據(jù)用戶報告確定實現(xiàn)用戶接入最佳發(fā)射波束，在不同場景采用合理的廣播波束的方式可以提高小區(qū)各方向上的覆蓋能力。Massive MIMO根據(jù)用戶信道環(huán)境動態(tài)配置的實時業(yè)務(wù)波束有效地提高了用戶業(yè)務(wù)感知，是網(wǎng)絡(luò)商用階段網(wǎng)絡(luò)覆蓋及容量增益的重要體現(xiàn)。文獻[6]聚焦于不同用戶的波束寬度較窄、波束間的重疊較小，雖然用戶接收到信號達到低干擾效果，但是CB系統(tǒng)必須采用復(fù)雜度較高的算法來定位聚焦用戶，文獻[7]提出了一種區(qū)別于低頻純數(shù)字編碼的新型Massive MIMO混合預(yù)編碼方案及波束賦形管理策略。協(xié)作傳輸?shù)亩鄠€發(fā)送基站位置不同，造成基站間存在傳輸時延差，用戶接受信號產(chǎn)生等效的多徑時延，為了能夠準(zhǔn)確高效解調(diào)數(shù)據(jù)需要進行傳輸同步，然而NR調(diào)度周期低于0.5 ms并且現(xiàn)網(wǎng)Xn接口無法滿足傳輸要求，在FR1與FR2混合組網(wǎng)中，可在Xn口的CSI中定期更新本地小區(qū)合作集群構(gòu)建信息，構(gòu)建成功后基站收到統(tǒng)一的合作集群用戶數(shù)據(jù)信息。為了減小由于時間延遲而導(dǎo)致的兩基站CSI之間的差異，文獻[8]提出一種TDD上行信道線性插值改進的多點協(xié)作傳輸?shù)男诺拦烙嫞沟没鹃g的傳輸時延差降低了一個單位級。

基于混合預(yù)編碼的波束設(shè)計與波束應(yīng)用及信道估計，現(xiàn)提出一種基于Massive MIMO的5G小區(qū)協(xié)作波束賦形向量估計。用戶接收協(xié)作小區(qū)Massive MIMO信道反饋為：

其中h為用戶在協(xié)作5G小區(qū)下Massive MIMO天線陣元網(wǎng)絡(luò)信道混合預(yù)編碼矩陣，h只與用戶的位置和天線陣元有關(guān)，當(dāng)陣元調(diào)相網(wǎng)絡(luò)固定，用戶位置固定在協(xié)作小區(qū)的某一點時，h是不變的。V用于產(chǎn)生均衡信道H的CSI，其中V的歐幾里得范數(shù)||V||2得1，考慮3個基站重疊部分用戶的信干比表示為：

其中wi為基站i發(fā)送到用戶的波束賦形向量，si為基站i發(fā)送到用戶的數(shù)據(jù)流功率，σ表示方差為σ的加性高斯白噪聲。各基站間的波束賦形向量具有獨立性，與其它協(xié)作基站無關(guān)，故此時對wi策略進行估計：

UDN一般部署于5G小區(qū)UMi場景，網(wǎng)絡(luò)中密集分布大量的低功率傳輸節(jié)點gNB，UDN的網(wǎng)絡(luò)部署近距離基站間將產(chǎn)生嚴(yán)重的覆蓋重疊，造成嚴(yán)重的干擾以及資源浪費。為了高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，保障網(wǎng)絡(luò)性能，小區(qū)容量規(guī)劃的目標(biāo)是應(yīng)對小區(qū)話務(wù)量峰值的傳輸要求，即在保障性能前提下部署盡可能多的終端，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載不均勻或是部分小區(qū)負載較低時，會有大量基站的資源及能量得不到有效應(yīng)用，造成嚴(yán)重的浪費，文獻[4]基于DPS/DPB技術(shù)提出了基于業(yè)務(wù)時延特性的基站休眠的節(jié)能研究，節(jié)點間進行協(xié)作傳輸提高了系統(tǒng)的頻譜利用率同時帶來了資源分配的問題，文獻[9]提出了一種通過節(jié)點間合作基站聯(lián)合傳輸?shù)男^(qū)功率分配策略，且基于小區(qū)負載感知的CoMP（CLA-CoMP）方案采用的基于用戶關(guān)聯(lián)的后檢概率功率分配（P2UPA）策略性能最佳，本文基于分布式聯(lián)合傳輸下的波束賦形策略，考慮同樣的3個協(xié)作小區(qū)功率分配矩陣為：

5G超密集網(wǎng)絡(luò)中部署了大量的小小區(qū)基站，用戶在覆蓋范圍內(nèi)在受到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)宏站的跨層干擾的同時受到小小區(qū)重疊帶來的嚴(yán)重的同層干擾，以下行基站為中心的CoMP，協(xié)作簇是預(yù)先定義并且是固定不變的，相較于這種傳統(tǒng)的傳輸方案，以用戶為中心的CoMP，用戶可以動態(tài)選擇自己的優(yōu)化協(xié)作簇而達到更好性能。在5G中，以基站為中心的CoMP和以用戶為中心的CoMP被結(jié)合起來，更好地適應(yīng)用戶干擾達到最佳的性能[10]。經(jīng)過上下行功率控制的增強，用戶根據(jù)自身接收到的信號質(zhì)量估計出信號中的干擾信號N并且推導(dǎo)出低系統(tǒng)開銷的CSI信息反饋給gNB。

當(dāng)小區(qū)負荷超出單站規(guī)劃容量時，需要對小區(qū)進行擴容，保證小區(qū)下的用戶體驗[11]。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，用戶數(shù)量過多時小區(qū)負荷就會超出單站可規(guī)劃容量的極限，小區(qū)進行優(yōu)化后，擴容效果不顯著時往往采用新建基站的方式進行室內(nèi)擴容和室外擴容[11]，但在5G網(wǎng)絡(luò)中，因小區(qū)容量較大、小區(qū)間中心距離較小等特點，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)小區(qū)容量不易飽和，整體規(guī)劃后的5G小區(qū)間不采用傳統(tǒng)4G擴容方案，此時的5G小區(qū)覆蓋重疊區(qū)域較大，為了高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，保障網(wǎng)絡(luò)性能，小區(qū)容量規(guī)劃應(yīng)基于特定場景靈活部署[12]，5G小區(qū)協(xié)作傳輸在有效降低干擾的同時體現(xiàn)出了合作集群優(yōu)越的擴容效果。

在進行波束賦形策略估計和小區(qū)功率分配后以及小區(qū)間干擾調(diào)節(jié)后，在協(xié)作小區(qū)間的用戶信干比為：

從提高小區(qū)速率的角度，協(xié)作傳輸既包含本地小區(qū)邊緣用戶，也包含非本地小區(qū)邊緣的鄰小區(qū)用戶，本地小區(qū)用戶過多時也同樣需要小區(qū)協(xié)作傳輸來提升速率，用戶在小區(qū)傳輸帶寬W配置下的速率為：

從圖4仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)用戶量較少，用戶接收信號的信噪比需求增加時，基站的總功率增長幅度較小，并且處于一個較低的水平;當(dāng)用戶數(shù)較多，用戶接收信號的信噪比需求增加時，基站的總功率增長幅度較大，并且處于一個較高的水平。同一SINR值下，總功率的增長遠沒有隨著用戶數(shù)的增多而達到線性增長水平，表明了本文提出的功率分配策略有效降低了基站的能耗。

將本文提出聯(lián)合傳輸策略與CLA-CoMP以及傳統(tǒng)的CoMP技術(shù)做比較探究其優(yōu)越性，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5仿真曲線可以看出，采用小區(qū)協(xié)作技術(shù)后，隨著小區(qū)發(fā)射功率的增加，用戶速率提升越明顯，并且當(dāng)小區(qū)發(fā)射功率一定時，本文提出的協(xié)作傳輸方案的用戶速率明顯高于CLA-CoMP以及傳統(tǒng)的CoMP技術(shù)，根據(jù)曲線的走勢，可知在用戶需求較高基站發(fā)射功率較大時效果更加明顯。

4? ?結(jié)束語

本文基于小區(qū)協(xié)作技術(shù)的典型方案及方式，先探究了小區(qū)協(xié)作的波束賦形策略，在功率分配策略方面采用了CLA-CoMP系統(tǒng)探究的P2UPA功率分配策略，最后對以用戶為中心小區(qū)協(xié)作與傳統(tǒng)的小區(qū)協(xié)作方式進行比較，并且得出較小開銷的、用戶速率與容量得以折中保障的以用戶為中心的5G分布式聯(lián)合傳輸策略。5G協(xié)作傳輸跨區(qū)服務(wù)用戶，為滿足用戶不同業(yè)務(wù)需求，小區(qū)間的協(xié)作傳輸策略也更加靈活有所偏重，現(xiàn)網(wǎng)的建網(wǎng)優(yōu)化策略模板不再單一，因此在此基礎(chǔ)上探究更加具有偏重的協(xié)作小區(qū)協(xié)作具有深遠的意義。最后，本文對策略進行了仿真分析，得出了本文方案估計的波束賦形策略以及功率分配策略更加有效地降低了系統(tǒng)能耗，提升了用戶整體速率的結(jié)論。

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