LTE－Advanced中SU－JP－CoMP的協(xié)作代價(jià)分析

鮮永菊，賈 云，徐昌彪

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 40065)

在LTE－A中，頻譜復(fù)用系數(shù)為1，并且OFDM技術(shù)無法有效地消除小區(qū)間干擾(ICI)，所以小區(qū)間干擾抑制技術(shù)成為LTE－A中的重要技術(shù)之一。在LTE－A中小區(qū)間干擾抑制技術(shù)主要包括小區(qū)間干擾隨機(jī)化，小區(qū)間干擾消除，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)/回避等［1－2］，各種干擾抑制技術(shù)可以配合使用，以期獲得更好的效果。

多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)(Coordinated Multipoint Transmission/Reception，CoMP)協(xié)作多個(gè)相鄰的基站或節(jié)點(diǎn)同時(shí)為一個(gè)小區(qū)邊緣的移動用戶提供服務(wù)，從而降低小區(qū)邊緣用戶之間的干擾，提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量，成為LTE－A的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。SU－JP－CoMP 可以帶來邊緣用戶吞吐量的提升，但其代價(jià)是會造成系統(tǒng)平均頻譜效率的下降。其原因在于，SU－JP－CoMP用戶會同時(shí)占用主服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)的相同的頻率資源，其接收信號為來自這兩個(gè)基站的疊加。由于用于邊緣用戶傳輸?shù)馁Y源增加，則相應(yīng)的用于中心用戶傳輸?shù)馁Y源必然減少，因此，SUJP－CoMP是用小區(qū)中心用戶的性能損失來達(dá)到邊緣用戶的性能提升［4］。在3GPP相關(guān)提案中，普遍采用根據(jù)SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)確定CoMP用戶的準(zhǔn)則，如果滿足SINR ＜δ(單位dB)，則該用戶為CoMP用戶，其中δ是一個(gè)預(yù)定義的門限值。另外一種確定CoMP用戶的方法是根據(jù)用戶的RSRP測量報(bào)告來判斷。

系統(tǒng)中并不是所有用戶都需要進(jìn)行協(xié)作通信，必須在對邊緣用戶和對系統(tǒng)總的用戶的服務(wù)質(zhì)量上達(dá)到一個(gè)折中，使一定條件下的一部分用戶使用CoMP，而另外一部分用戶不使用CoMP。如何衡量CoMP對系統(tǒng)性能的影響，以及如何確定CoMP的性能增益成為重要的問題。這方面的研究在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道，本文主要就以上兩點(diǎn)進(jìn)行分析，對原有的對稱式代價(jià)模型進(jìn)行量化分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的代價(jià)模型——期望代價(jià)模型，并對兩種代價(jià)模型進(jìn)行分析。

1 CoMP系統(tǒng)模型

典型的協(xié)作模型如圖1所示，假設(shè)有3個(gè)基站構(gòu)成一個(gè)協(xié)作簇，分別為 CELL1，CELL2，CELL3，每個(gè)基站有 Nt根發(fā)射天線，每個(gè)小區(qū)內(nèi)有K個(gè)用戶，每個(gè)用戶有Nr根接收天線，那么在CELL1中用UE1的接收信號可以表示為

式中:si為UE1接收到的來自i個(gè)基站的信號，Hi1為Nt×Nr維的基站i和UE1之間的信道增益矩陣，Wi為UE1與第i個(gè)基站間的預(yù)編碼矩陣，n為高斯白噪聲(AWGN)功率譜密度，N=B×n為高斯白噪聲功率。下行CoMP傳輸系統(tǒng)模型如圖2所示。如果用戶處于非COMP模式下，每個(gè)基站只為其自己的用戶提供服務(wù)，那么UE1的接收信干噪比(SINR1)可以表示為［5－6］

圖1 3小區(qū)CoMP協(xié)作模型

圖2 下行CoMP傳輸系統(tǒng)模型

如果用戶處于SU－JP－CoMP模式下，那么s1=s2=s3，此時(shí)用戶的接收信干噪比()可以表示為

2 CoMP系統(tǒng)協(xié)作吞吐量代價(jià)模型

2.1 對稱式代價(jià)模型

文獻(xiàn)［4］提出了對稱式吞吐量代價(jià)模型，該模型假設(shè)在協(xié)作小區(qū)CELL2和CELL3中與UE1位置對稱的點(diǎn)上都存在一個(gè)非CoMP用戶UE2和UE3，SINR2和SINR3分別表示UE2和UE3的信干噪比，那么，SINR2=SINR3=SINR1。為了量化該代價(jià)模型，在此定義協(xié)作吞吐量代價(jià)為非CoMP用戶UE2和UE3的吞吐量之和，即

那么吞吐量增益－損失比為

在此模型中，對協(xié)同資源代價(jià)的假定是建立在CoMP用戶占用的協(xié)作小區(qū)的頻譜與CoMP用戶占用的主服務(wù)小區(qū)的頻譜具有相同的信干噪比基礎(chǔ)上的，及假定協(xié)作小區(qū)的資源與該CoMP用戶具有相同頻譜利用率。但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，將同一頻譜資源調(diào)度到小區(qū)內(nèi)處于不同位置的用戶時(shí)，所產(chǎn)生的效益是不完全相同的，所以，該假設(shè)并沒有考慮該協(xié)作頻譜在系統(tǒng)中的實(shí)際效益，針對這一問題，提出期望式代價(jià)模型。

2.2 期望代價(jià)模型

在LTE－A系統(tǒng)中，將同一資源調(diào)度到距離基站不同位置的用戶將產(chǎn)生不同的頻譜效率，以仿真圖3為例，在基站中心附近，頻譜效率為6(bit·s－1·Hz－1)，而在小區(qū)邊緣，頻率效率降低至0.4(bit·s－1·Hz－1)，所以對于協(xié)同資源的吞吐量損失的衡量，需要計(jì)算其在整個(gè)小區(qū)內(nèi)分布時(shí)的平均值，故在本模型中，將SU－CoMP－JP的協(xié)作吞吐量代價(jià)α*定義為將CoMP用戶所占用的協(xié)作基站的資源平均調(diào)度到該協(xié)作小區(qū)的單位面積上所產(chǎn)生的吞吐量之和的平均值。仍然采用三小區(qū)協(xié)作模型(如圖1所示)，那么此時(shí)協(xié)作吞吐量代價(jià)為

式中:k為正整數(shù)，反應(yīng)協(xié)作吞吐量代價(jià)的計(jì)算精度，在仿真中可以模擬為小區(qū)內(nèi)以單位面積均勻分布的用戶的總數(shù)目，k值越大，α*結(jié)果的精度越高(本文仿真中k=20)。此時(shí)，吞吐量增益－損失比為

該代價(jià)模型綜合考慮了采用CoMP模式后協(xié)同小區(qū)的吞吐量代價(jià)在整個(gè)協(xié)同小區(qū)內(nèi)的期望值，該期望值更符合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)CoMP的實(shí)際代價(jià)，以下建立系統(tǒng)級仿真平臺，對以上兩種代價(jià)模型進(jìn)行仿真模擬和比較。

3 系統(tǒng)仿真分析

建立基于LTE－A的系統(tǒng)級仿真平臺，系統(tǒng)共由7小區(qū)構(gòu)成，采用Wrap－round模型［9］，具體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真主要參數(shù)設(shè)置

采用雙基站協(xié)作仿真協(xié)作吞吐量代價(jià)和吞吐量增益指數(shù)。模擬了MIMO－OFDM、調(diào)度算法等系統(tǒng)級功能，并添加了多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖3仿真了用戶處在小區(qū)不同位置時(shí)，CoMP和非CoMP下的SINR值，仿真結(jié)果表明在小區(qū)中心位置，CoMP帶來的信噪比增益非常有限，隨著用戶與主服務(wù)基站距離的不斷增加，采用CoMP所帶來的信噪比逐漸增加。在小區(qū)邊緣，采用CoMP比非CoMP可以產(chǎn)生5 dB左右的SINR增益。

圖3 SINR仿真曲線

圖4為協(xié)作吞吐量代價(jià)仿真，為了更具一般性，在此仿真中，以協(xié)作頻率效率代價(jià)，即協(xié)作吞吐量代價(jià)除以協(xié)作資源帶寬作為仿真參量。由該仿真可見，將協(xié)作資源調(diào)度到協(xié)作小區(qū)內(nèi)不同地理位置的用戶時(shí)，產(chǎn)生的吞吐量各不相同。將同一頻譜資源調(diào)度給小區(qū)中心用戶產(chǎn)生的吞吐量遠(yuǎn)大于將該頻譜資源調(diào)度給小區(qū)邊緣用戶。當(dāng)用戶處于距離基站50 m的小區(qū)中心位置時(shí)，該頻率資源產(chǎn)生的吞吐量為6 Mbit/s，而當(dāng)用戶處于距離基站500 m的小區(qū)邊緣位置時(shí)，該頻率資源產(chǎn)生的吞吐量僅為0.4 Mbit/s。在該仿真條件下，假設(shè)協(xié)作小區(qū)存在20個(gè)不同位置的單位面積內(nèi)均勻分布的用戶，那么仿真可得到協(xié)作吞吐量代價(jià)的期望值為1.6 Mbit/s。

圖4 協(xié)作吞吐量代價(jià)仿真曲線

圖5仿真了單個(gè)用戶采用CoMP后的吞吐量增益，仿真結(jié)果表明，處于不同位置，用戶采用CoMP后產(chǎn)生的吞吐量增益不盡相同。小區(qū)中心用戶使用CoMP模式后產(chǎn)生的吞吐量增益非常有限，離主服務(wù)基站越遠(yuǎn)的用戶，采用CoMP后產(chǎn)生的吞吐量增益越顯著。在小區(qū)邊緣，CoMP可以為邊緣用戶帶來約0.5 Mbit/s的吞吐量增益。

圖5 不同模式下吞吐量仿真曲線

圖6為吞吐量增益－損失比曲線，增益－損失比隨CoMP用戶與主服務(wù)基站距離的增加而逐漸增大，即越靠近小區(qū)邊緣的用戶，吞吐量增益越大，在500 m處的增益比約為0.32。

圖6 吞吐量增益－損失比仿真曲線

表2列出了位于不同位置時(shí)，CoMP用戶吞吐量增益－損失比。

表2 CoMP用戶吞吐量增益－損失比

4 小結(jié)

本文研究了SU－JP－CoMP下的協(xié)作代價(jià)，提出了期望代價(jià)模型，并建立LTE－A系統(tǒng)級仿真平臺，模擬了協(xié)作代價(jià)因子和吞吐量增益－損失比。仿真結(jié)果表明，相比中心用戶而言，對邊緣用戶采用CoMP服務(wù)能夠更大地增加用戶的服務(wù)質(zhì)量和提高頻譜利用率。距離主服務(wù)基站越遠(yuǎn)的用戶采用CoMP服務(wù)后，能夠得到越大的吞吐量增益－損失比。在本文的仿真環(huán)境中，該吞吐量增益－損失比的最大值可以達(dá)到0.32。該結(jié)論為CoMP技術(shù)的性能評估提供了更加合理的符合系統(tǒng)實(shí)際性能的依據(jù)，為更佳合理地劃分CoMP和非CoMP用戶提供理論依據(jù)。

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