LTE－A下行CoMP反饋開銷減小方案

李發(fā)均

(重慶郵電大學(xué)，重慶400065)

近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高，從2G，3G到即將全面商用的LTE技術(shù)，新的技術(shù)層出不窮。為了滿足未來(lái)幾年內(nèi)無(wú)線通信市場(chǎng)的更高需求和更多應(yīng)用，3GPP提出了LTE的演進(jìn)技術(shù)——LTE－Advanced。LTE－A保持了對(duì)LTE較好的后向兼容性，同時(shí)提出了幾點(diǎn)新的關(guān)鍵技術(shù)，CoMP(Coordinated Multiple Points)協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)就是其中之一［1］。

CoMP技術(shù)通過(guò)幾個(gè)相鄰小區(qū)間的信息交互，進(jìn)行協(xié)調(diào)或者聯(lián)合處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)干擾協(xié)調(diào)、降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)頻譜效率。要實(shí)現(xiàn)CoMP技術(shù)，需要用戶將全部的信道信息反饋給主服務(wù)基站，并通過(guò)主服務(wù)基站與協(xié)作基站共同協(xié)作才能完成。系統(tǒng)的性能很大程度上依賴于用戶反饋信息的準(zhǔn)確性，但如果將全部信道信息反饋需要耗費(fèi)大量無(wú)線資源。因此，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的反饋技術(shù)進(jìn)行分析，指出了現(xiàn)有的反饋技術(shù)的不足，并提出了自己的改進(jìn)方案。通過(guò)引入傳輸損耗，更加精確地確定SNR值，并采用對(duì)反饋所涉及的物理資源塊進(jìn)行分簇的方法，減小用戶的反饋開銷，確保eNodeB接收到準(zhǔn)確的反饋信息的同時(shí)，提升系統(tǒng)性能。

1 CoMP技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 CoMP定義及分類

CoMP是指通過(guò)地理位置上獨(dú)立的幾個(gè)傳輸點(diǎn)共同協(xié)作，提升小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)性能的技術(shù)。根據(jù)基站間是否共享用戶數(shù)據(jù)信息［2］，可將下行 CoMP技術(shù)分為以下兩類:

1)協(xié)作調(diào)度/波束賦形技術(shù):傳給用戶的數(shù)據(jù)信息只能由該用戶的主服務(wù)基站進(jìn)行發(fā)送，而調(diào)度決策和波束賦形由協(xié)作集合的多個(gè)基站(也稱協(xié)作簇)共同完成，該方式下，只需要在協(xié)作簇內(nèi)共享信道信息，而不共享用戶數(shù)據(jù)信息。

2)聯(lián)合處理技術(shù):協(xié)作簇對(duì)特定用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，提高接收信號(hào)的質(zhì)量或消除基站間的干擾。該方式下協(xié)作簇內(nèi)的基站間可共享用戶的數(shù)據(jù)信息和信道信息。

1.2 現(xiàn)有反饋方案

現(xiàn)有的反饋方案中，在減小反饋開銷方面通常采取以下兩種方法:有限反饋和反饋壓縮。有限反饋是在反饋過(guò)程中，只反饋部分信道狀態(tài)信息達(dá)到減小反饋開銷的目的。反饋壓縮是通過(guò)一定的壓縮技術(shù)，將反饋信息有效壓縮從而減小反饋量?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中提到過(guò)一種壓縮技術(shù)，即通過(guò)對(duì)資源塊分簇，將滿足條件的資源塊以簇為單位予以反饋，基站根據(jù)反饋信息再進(jìn)行資源分配［3－4］。

根據(jù)現(xiàn)有方案建模如圖1所示:

圖1 現(xiàn)有方案建模

圖1 中 H0i、H1i、H2i分別對(duì)應(yīng)為 eNodeB1、eNodeB2、eNodeB3到用戶UEi間的信道矩陣;為了便于計(jì)算，此模型中假設(shè)所有基站的發(fā)送功率相同。在通信過(guò)程中，主服務(wù)基站eNodeB1向用戶i發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，用戶i根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)完成信道估計(jì)。在信道估計(jì)過(guò)程中獲取信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息用SNR量化得來(lái)［5］。計(jì)算每個(gè)物理資源塊的SNR公式如下:

其中，i=1，2，3…為第 i個(gè)資源塊;Hi為信道矩陣;Pi為預(yù)編碼矩陣;E為發(fā)送信號(hào)功率;N為加性噪聲功率。

最后對(duì)下行鏈路的物理資源塊進(jìn)行分簇，將相鄰的四個(gè)資源塊分為一簇，計(jì)算它的平均SNR。如下所示:

其中，i=1，2，3…，這樣用戶端就按照簇的形式SNR映射到信道質(zhì)量指示CQI，并將信道質(zhì)量指示信息反饋給基站端，基站端根據(jù)信息進(jìn)行調(diào)度。

針對(duì)上述方案存在以下不足:在系統(tǒng)通信過(guò)程中忽略了無(wú)線信道的衰落特性，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到地形、障礙物等的影響，從而導(dǎo)致信號(hào)的能量減小。對(duì)信噪比的計(jì)算不夠精確。并且上述方案在資源塊分簇時(shí)采用固定分簇法，將相鄰四個(gè)物理資源塊分為一簇，因?yàn)橄到y(tǒng)帶寬的不同，資源塊數(shù)也會(huì)有所不同，固定分簇法靈活性不足，因此本文對(duì)該方案進(jìn)行了改進(jìn)。

2 反饋方案設(shè)計(jì)

根據(jù)信號(hào)衰落特性，信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)受到地形、障礙物等的影響。而無(wú)線信道的衰落影響主要分為兩類:大尺度衰落和小尺度衰落。本次方案主要針對(duì)小區(qū)邊緣用戶設(shè)計(jì)，故只考慮大尺度衰落的影響。由于用戶接收到的信號(hào)隨著到基站的距離增加而逐漸衰減，因此基于對(duì)數(shù)距離路徑衰減規(guī)律被廣泛采用，具體路徑損耗公式如下:

其中，d0為參考距離，在室內(nèi)環(huán)境典型值取為1 m，室外環(huán)境取為100 m或1 km;n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗距離增長(zhǎng)的速率，n在不同環(huán)境下的取值不同。根據(jù)本次環(huán)境取值 n=2.6，d0=1 km，PL(d0)=30.18，d 為用戶到基站距離，單位為km。則整個(gè)路徑損耗如下:

結(jié)合公式(1)，用戶估計(jì)得到的實(shí)際SNR如下:

物理資源塊分簇，針對(duì)上述的固定分簇方式的不足，本文采用更加靈活的方式進(jìn)行分簇。首先引入兩個(gè)參數(shù):簇大小值K、用戶反饋的資源塊簇個(gè)數(shù)M。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 資源塊分簇配置表

根據(jù)表1分簇方式，分簇后得到的簇個(gè)數(shù):

式(6)中［*］為向上取整，Nt為物理資源塊個(gè)數(shù)。分簇后，則第i簇的平均SNR值可得:

根據(jù)公式(1)可得到:

其中，i取值范圍0≤i≤Mt;H為信道矩陣;P為預(yù)編碼矩陣;E為信號(hào)發(fā)送功率;PL為傳輸損耗;N為加性高斯白噪聲功率。

用戶計(jì)算出每簇資源塊的平均SNR值之后，根據(jù)表1所示的M值，選擇最好的M個(gè)物理資源塊簇，依據(jù)如圖2所示的SNR－CQI映射圖得到相應(yīng)的CQI值。

圖2 SNR－CQI映射關(guān)系圖

用戶通過(guò)上行信道將4比特的CQI值反饋給基站，基站根據(jù)CQI值參考如下所示表2選取相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行操作［6］。

表2 4 bits CQI表格

3 系統(tǒng)吞吐量及反饋量

首先計(jì)算在全反饋下的系統(tǒng)吞吐量，在全反饋方式下，用戶需要反饋每個(gè)物理資源塊的信道狀態(tài)信息，因此可得第u個(gè)用戶的吞吐量為:

式(9)中Nt為物理資源塊個(gè)數(shù)，B為系統(tǒng)帶寬。SNR(i)為第i個(gè)物理資源塊的信噪比。因此整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量為:

其中U為用戶總數(shù)。

全反饋時(shí)，系統(tǒng)的反饋量則為:

式(11)中Nt為物理資源塊個(gè)數(shù)，U為用戶總數(shù)，Cbit為CQI比特?cái)?shù)，大小為4。

而本次反饋方案中，經(jīng)過(guò)分簇后，第u個(gè)用戶的吞吐量為:

整個(gè)系統(tǒng)吞吐量為:

本次有限反饋中，系統(tǒng)的反饋量為:

其中M為用戶反饋的資源塊簇個(gè)數(shù)，U為用戶總數(shù)，Cbit為CQI比特?cái)?shù)，大小為4，L為資源塊簇位置的比特?cái)?shù)，L=為向上取整。

結(jié)合全反饋和本次的反饋方案，通過(guò)仿真對(duì)比，本方案雖然吞吐量會(huì)有所降低，但在反饋開銷方面能有效地減少。對(duì)整體性能提升有很大幫助。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先簡(jiǎn)單介紹了協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)CoMP，介紹了現(xiàn)有的一些反饋機(jī)制。再針對(duì)現(xiàn)有的反饋方案進(jìn)行分析，指出了其中的不足，并對(duì)其進(jìn)行了有效地改進(jìn)。該方案主要先引入傳輸損耗的影響，對(duì)信噪比SNR的計(jì)算更加精確。然后根據(jù)系統(tǒng)帶寬對(duì)物理資源塊進(jìn)行分簇，并通過(guò)篩選，選擇滿足條件的物理資源塊簇進(jìn)行反饋，雖然在系統(tǒng)吞吐量上有所損失，但能大幅度地降低系統(tǒng)反饋量。

［1］沈嘉，索土強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］林崇圣.LTE－Advanced系統(tǒng)多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)研究［G］.Featrues技術(shù)專題，2010:38－40.

［3］華為技術(shù)有限公司.LTE－Adcanced關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展［OL］.［2010 －11－12］.電信技術(shù)網(wǎng) http://www.cww.net.cn/3G/html/2010/11/12/201011121035579015_4.htm.2010.

［4］3GPP TSG RAN1，TR36.814.Further Advancements for E － UTRA Physical Layer Aspects［Z］.ver1.0.0，2009.

［5］3GPP TSG R1 － 092585.Analysis of Feedback Mechanisms for CoMP.InterDigital［Z］.Los Angeles，USA，2009.

［6］3GPP TS 36.213 v11.4.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E－UTRA)，Physical Layer Procedures(Release 11)［Z］.2013.