一種提高頻譜效率的新型無線推送機(jī)制*

吳 明，李 慧，，王英赫，卜智勇，2

(1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所寬帶無線技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海200050;2.上海瀚訊無線技術(shù)有限公司，上海200335)

1 引言

近年來，隨著新型移動(dòng)設(shè)備的革命性發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模正以驚人速度增長(zhǎng)，移動(dòng)業(yè)務(wù)流量也在快速地增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2020年，無線通信系統(tǒng)需要支持超過當(dāng)今4G網(wǎng)絡(luò)1000倍的業(yè)務(wù)流量需求[1]。因此，在國內(nèi)外4G已經(jīng)開始商用的同時(shí)，為滿足未來發(fā)展需求、提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量的下一代移動(dòng)通信的研究也已然拉開序幕。

文獻(xiàn)[2]提出將大規(guī)模 MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)用于下一代無線通信系統(tǒng)。MIMO被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)無線通信標(biāo)準(zhǔn)高數(shù)據(jù)速率的基本技術(shù)之一，由多天線技術(shù)帶來的自由度使得高信噪比下的多流傳輸成為可能，而預(yù)編碼和分集等技術(shù)可以提高鏈路的魯棒性。文獻(xiàn)[3]提出靈活的頻譜管理以及D2D(Device－to－Device)和M2M(Machine－to－Machine)通信技術(shù)，靈活的頻譜管理可以提高資源利用率，主要有頻譜重整、認(rèn)知無線電等技術(shù)，而D2D和M2M是一種動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用戶終端之間以及基站之間可以互相通信，不同終端以及基站產(chǎn)生的業(yè)務(wù)可以合理地分配給接入點(diǎn)，不會(huì)造成擁塞問題。文獻(xiàn)[4]指出，下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將是一種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。許多新、舊無線技術(shù)將在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)被使用，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不再適用，因此該文為下一代無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了合理的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

上述文獻(xiàn)從不同技術(shù)角度考慮了下一代無線網(wǎng)絡(luò)的需求，然而它們均忽略了大量公共內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)發(fā)送的特點(diǎn)?？茖W(xué)測(cè)試和理論分析表明，互聯(lián)網(wǎng)已演化成主要服從冪率分布的無尺度網(wǎng)絡(luò)[5－6]，流量的80%屬于“一點(diǎn)對(duì)極多點(diǎn)”傳輸?shù)墓矁?nèi)容[7]，大量相同內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中冗余投遞，浪費(fèi)大量的帶寬資源。因此，本文提出基于網(wǎng)絡(luò)需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的推送機(jī)制。該方案的核心思想是將用戶之間的公共內(nèi)容通過“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的推送方式主動(dòng)發(fā)送給用戶，用戶自主接收，避免用戶通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式獲取，節(jié)省帶寬資源，提高頻譜效率。同時(shí)，考慮到蜂窩小區(qū)中各時(shí)段移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量分布不均衡，網(wǎng)絡(luò)存在閑時(shí)和忙時(shí)，為使方案不過多地影響用戶“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信性能，主要在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)占用部分帶寬資源進(jìn)行推送。

2 系統(tǒng)模型

本節(jié)主要介紹基本的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信系統(tǒng)模型和推送機(jī)制的“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”通信系統(tǒng)模型。首先，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置Table1 Parameter setting

2.1 “點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信系統(tǒng)模型

用戶的個(gè)性化內(nèi)容通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信獲取，其系統(tǒng)模型參考3GPP LTE R9標(biāo)準(zhǔn)[10]。資源分配的最小單位稱為資源塊(Resource Block，RB)。LTE系統(tǒng)采用鏈路自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，其下行調(diào)制技術(shù)采用QPSK、16QAM和64QAM。這三種調(diào)制方式對(duì)應(yīng)了29種調(diào)制編碼方式(MCS)承載等級(jí)以及相應(yīng)的每個(gè)資源塊可以支持的傳輸比特?cái)?shù)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶接收基站的信號(hào)干擾噪聲比(SINR)來決定該用戶的MCS承載等級(jí)。不同天線配置及模式下，SINR與MCS承載等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不同。本文參考文獻(xiàn)[11]給出中興提供的鏈路級(jí)仿真數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 下行鏈路SINR與MCS對(duì)應(yīng)關(guān)系表(2×1，MIMO分集)Table2 The relationship between downlink SINR and MCS(2 ×1，MIMO diversity)

由表2可知，每個(gè)資源塊上可以傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)和用戶的信噪比對(duì)應(yīng)，即 rk，n(t)=f(SINRk，n)。rk，n(t)表示用戶k在t時(shí)刻在資源塊n上能夠獲得的吞吐量，SINRk，n表示用戶k在資源塊n上接收到的信噪比。

本文參考LTE標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算資源塊個(gè)數(shù)時(shí)，使用總帶寬的10%作為保護(hù)帶寬，且下行鏈路功率資源采用平均分配的方式，即基站總功率平均分配在整個(gè)系統(tǒng)的所有RB資源上。為了在吞吐量和用戶公平性之間獲得較好的折衷，本文的資源分配采用比例公平調(diào)度算法[11－12]。

“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信的頻譜效率ηp為基站傳輸信息速率Rb與“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信占用帶寬Wp之比，即

2.2 推送機(jī)制的“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”通信系統(tǒng)模型

考慮到基站推送的內(nèi)容小區(qū)所有用戶都可能需要接收，為了滿足所有用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求，基站在推送公共內(nèi)容時(shí)，根據(jù)信道條件最差的用戶來選擇調(diào)制編碼方式[14]。調(diào)制編碼方式參考2.1節(jié)。因此，基站在t時(shí)刻在資源塊n上獲得的吞吐量為

用戶之間的公共內(nèi)容存在一定的重疊率，即有一部分相同的內(nèi)容被多個(gè)用戶重復(fù)瀏覽。本文用公共內(nèi)容平均重疊率α(0≤α≤1)來表征公共內(nèi)容的重疊程度。

定義1:小區(qū)中用戶數(shù)為K，每個(gè)用戶平均每天所需公共內(nèi)容為d(d≤m)。公共內(nèi)容按照被用戶瀏覽次數(shù)由高到低的順序排列分別為d1，d2，…，dn，對(duì)應(yīng)被瀏覽次數(shù)為 K1，K2，…Kn，其中 K≥K1≥K2≥…≥Kn≥2，則需基站推送的無重疊公共內(nèi)容D為D=d1+d2+…+dn+K·d－(K1·d1+… +Kn·dn)。定義公共內(nèi)容平均重疊率為

式中，0≤α≤1。那么

推送的頻譜效率ηm計(jì)算方法和ηp類似。但是推送的內(nèi)容被多個(gè)用戶接收，在信息速率上存在一個(gè)增益因子G:

因此，推送的頻譜效率計(jì)算方法為

式中，Rb為基站傳輸信息速率，Wm為推送占用的帶寬。

3 基于頻譜效率優(yōu)化的無線推送方案

本文推送機(jī)制的主要思想是在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)分配部分帶寬資源用于用戶公共內(nèi)容的推送，從而提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率以及用戶的體驗(yàn)性能。

3.1 蜂窩小區(qū)流量分布

文獻(xiàn)[15]中通過連續(xù)采集2012年國內(nèi)某城市蜂窩小區(qū)數(shù)據(jù)，得到蜂窩小區(qū)中業(yè)務(wù)流量以及總的活躍用戶數(shù)在一天中各時(shí)段的分布圖。本文仿真中，小區(qū)的流量分布及活躍用戶分布參考文獻(xiàn)[15]，且公共內(nèi)容流量和總到達(dá)流量分布相同。

3.2 推送方案

在蜂窩小區(qū)中，活躍用戶數(shù)較少且流量到達(dá)總量較少的時(shí)段稱為網(wǎng)絡(luò)閑時(shí);反之稱為網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)。結(jié)合文獻(xiàn)[15]中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2∶00～7∶59為網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)，8∶00之后為網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)。本文所述推送機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)占用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信部分帶寬進(jìn)行公共內(nèi)容推送，且先推送被瀏覽次數(shù)最多的內(nèi)容;在網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)，則不進(jìn)行推送。

在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)，基站能推送的總內(nèi)容量為M(單位 MB)，M= ∑n∫trB，n(t)d( t)。式中，t為推送時(shí)間，n為分配給推送的資源塊。假設(shè)在該時(shí)段內(nèi)推送的公共內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)被用戶瀏覽的內(nèi)容為有用內(nèi)容Mu:

式中，比例系數(shù)η表示網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)公共內(nèi)容流量與全時(shí)段總公共內(nèi)容流量之比。由于公共內(nèi)容流量分布和總到達(dá)流量分布相同，故可用網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)總流量Tb和全時(shí)段總流量T之比表示，即η=Tb/T。

4 仿真和分析

4.1 無線推送機(jī)制頻譜效率

仿真中，推送和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信帶寬分別為20 MHz，用戶數(shù)K為300，隨機(jī)分布在半徑為1 km的蜂窩小區(qū)內(nèi)。文獻(xiàn)[16]統(tǒng)計(jì)，2013年平均每個(gè)用戶每月需要流量600 MB，因此令用戶每天需要的內(nèi)容m為20 MB，且該20 MB平均重疊率在[0，1]變化?；窘邮盏剿杏脩舻牧髁空?qǐng)求后用2.1節(jié)中比例公平資源算法為用戶分配帶寬資源，資源分配算法的調(diào)度周期為1 ms[11]。在上述條件下，結(jié)合式(1)和(6)，推送和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信的頻譜效率隨用戶之間公共內(nèi)容的平均重疊率α的變化如圖1所示。

圖1 頻譜效率隨用戶公共內(nèi)容的重疊率的變化Fig.1 Spectrum efficiency in terms of different common content overlap rate

由圖1可以看出，用戶之間的公共內(nèi)容的重疊率越高，推送的頻譜效率越高;點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信頻譜效率基本不隨內(nèi)容重疊率變化。公共內(nèi)容重疊率α超過0.75后，推送的頻譜效率開始高于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信;α大于0.9后，推送的頻譜效率開始急劇增大，遠(yuǎn)大于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的頻譜效率。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中“流量的80%屬于‘一點(diǎn)對(duì)極多點(diǎn)’傳播的公共內(nèi)容”可以知道，公共內(nèi)容的重疊率較大，且推送過程中先推送重疊率最高的內(nèi)容，能夠保證推送的頻譜效率大于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信。若公共內(nèi)容的重疊率大于0.9，則推送機(jī)制的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信。

4.2 引入推送機(jī)制前后用戶QoE分析

由于5G網(wǎng)絡(luò)的容量需求為4G的1000倍，下面考慮用戶每天需要200 MB內(nèi)容時(shí)，引入推送機(jī)制前后小區(qū)一天中閑、忙時(shí)的QoE性能?？偭髁亢突钴S用戶數(shù)在各時(shí)段的分布分別如圖2和圖3所示[12]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]以及圖1的仿真結(jié)果，令用戶的公共內(nèi)容為總內(nèi)容量的80%，即d=0.8·m，該200 MB內(nèi)容的平均重疊率α為0.75。仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示，其中路徑損耗的設(shè)置參考文獻(xiàn)[11]，用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)，SINR值由仿真結(jié)果得到。

圖2 小區(qū)到達(dá)流量在一天中各時(shí)段的分布Fig.2 The distribution of a cellular cell’s traffic in different period of one day

圖3 活躍用戶數(shù)在一天中各時(shí)段的分布Fig.3 The distribution of active users in different period of one day

表3 仿真參數(shù)設(shè)置Table3 Simulation parameter setting

在某一時(shí)段，基站接收到該時(shí)段所有活躍用戶的流量請(qǐng)求后，使用2.1節(jié)中的比例公平調(diào)度算法為這些用戶統(tǒng)一分配資源塊，仿真可得出不同時(shí)段的數(shù)據(jù)速率以及傳輸完該時(shí)段數(shù)據(jù)的時(shí)延。用戶接收數(shù)據(jù)平均時(shí)延τ為該時(shí)段每個(gè)用戶“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接收數(shù)據(jù)時(shí)延τi之和與該時(shí)段活躍用戶數(shù)K之比，即用戶體驗(yàn)到的數(shù)據(jù)速率Req(i)為用戶獲取的總數(shù)據(jù)C( i)與“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接收數(shù)據(jù)時(shí)延τi之比，其中用戶獲取的總數(shù)據(jù)為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接收的數(shù)據(jù)Cp(i)與該時(shí)段瀏覽的公共內(nèi)容 Cm(i)之和，即某時(shí)段用戶體驗(yàn)到的平均數(shù)據(jù)速率在表3所示的仿真參數(shù)下，引入推送機(jī)制前后，一天中各時(shí)段用戶體驗(yàn)到的平均數(shù)據(jù)速率如圖4所示，基站“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸完各時(shí)段用戶數(shù)據(jù)所需的平均時(shí)延如圖5所示。

圖4 一天各時(shí)段用戶體驗(yàn)到的平均數(shù)據(jù)速率Fig.4 The average data rate that users experience on different period of one day

圖5 基站傳輸完各個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)所需的平均時(shí)延Fig.5 The average delay that base station needs to completely transmit data of each period

圖4 表明，只采用原有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模型時(shí)，用戶的平均速率在2∶00～7∶59時(shí)間段較高，為0.4～0.6 Mbit/s;8∶00之后，網(wǎng)絡(luò)開始逐漸進(jìn)入較忙狀態(tài)，用戶的平均速率則開始降低，在 0.2～0.4 Mbit/s范圍內(nèi)變化。引入推送機(jī)制后，在2∶00～7∶59時(shí)間段內(nèi)，由于推送占用了8 MHz帶寬，因此只有12 MHz帶寬用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使得該時(shí)段內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)速率下降，為0.28～0.4 Mbit/s;8∶00之后，用戶體驗(yàn)到的數(shù)據(jù)傳輸速率大幅上升，為1.2～2 Mbit/s，大約在9∶00時(shí)最高，達(dá)到2 Mbit/s。因?yàn)?∶00之后，用戶的數(shù)據(jù)需求一部分由20 MHz帶寬的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信滿足，另一部分則由已獲取的推送內(nèi)容滿足，使得用戶體驗(yàn)到的平均數(shù)據(jù)速率大大增加。

由圖5可知，只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，在2∶00～7∶59這個(gè)時(shí)間段，基站傳輸完每小時(shí)內(nèi)總需求數(shù)據(jù)的平均時(shí)延較小，約為4～15 min;8∶00之后，網(wǎng)絡(luò)變得繁忙，基站傳輸完該時(shí)段數(shù)據(jù)的平均時(shí)延增大，約為20～32 min;在23∶00時(shí)延最大。引入推送之后，在2∶00～7∶59時(shí)間段內(nèi)，“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信帶寬由原來的20 MHz減少為12 MHz，使得該時(shí)段內(nèi)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接收數(shù)據(jù)時(shí)延略微上升，平均增加1～2 min。而在8∶00之后，由于基站已將用戶關(guān)注的部分公共內(nèi)容推送給用戶，因此需要“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)減少，數(shù)據(jù)的平均時(shí)延也因此大幅下降。由圖5可知，8∶00之后的時(shí)延約為5 min，相比只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的20～32 min下降了75% ～84%。

由圖4和圖5可知，引入推送機(jī)制后，2∶00～7∶59時(shí)間段內(nèi)用戶體驗(yàn)性能沒有下降太多，而在8∶00之后，用戶體驗(yàn)性能得到大幅提高。

5 結(jié)束語

為了滿足未來網(wǎng)絡(luò)劇增的流量需求，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)存在閑、忙時(shí)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于頻譜效率優(yōu)化的無線推送機(jī)制。該機(jī)制與其他下一代無線通信技術(shù)最大不同在于考慮了大量公共內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)發(fā)送的特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明推送機(jī)制的頻譜效率隨著小區(qū)用戶之間公共內(nèi)容重疊度的提高而增大。此外，在網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)使用部分帶寬進(jìn)行推送，不會(huì)明顯降低網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)用戶的體驗(yàn)性能，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)用戶體驗(yàn)速率提高2～4倍，用戶接收完該時(shí)段數(shù)據(jù)所需時(shí)延下降75%～84%，大幅提高了網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)的用戶體驗(yàn)。研究過程中，在不影響推送機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能改變的總體趨勢(shì)的前提下，出于簡(jiǎn)便性考慮，本文采用固定的資源分配方式。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步引入自適應(yīng)分配機(jī)制。由研究結(jié)果可知，本文提出的無線推送機(jī)制在流量需求巨大的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中具有一定的應(yīng)用前景。

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