超密集網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)特征的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究

陳國，蔡鳳恩，成蕾，高月紅（北京郵電大學(xué)無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

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超密集網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)特征的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究

陳國，蔡鳳恩，成蕾，高月紅
（北京郵電大學(xué)無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

摘要本文以業(yè)務(wù)特征為著眼點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種適用于超密集網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)——大規(guī)模CoMP（協(xié)作多點(diǎn)傳輸)、ON/OFF（動(dòng)態(tài)小區(qū)開關(guān)）機(jī)制。通過對(duì)3種典型業(yè)務(wù)的分析與建模，并基于3種業(yè)務(wù)對(duì)兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明在特定的業(yè)務(wù)模型下，兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)均能有效地降低系統(tǒng)干擾，提升系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞超密集網(wǎng)絡(luò)；業(yè)務(wù)模型；干擾協(xié)調(diào)；大規(guī)模CoMP；小區(qū)開關(guān)機(jī)制

1　引言

在信息時(shí)代，用戶可以隨時(shí)進(jìn)行信息分享、社交互動(dòng)，如何高效地讓用戶享受各種移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)成為了通信行業(yè)棘手的問題。毫無疑問，隨著網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的不斷發(fā)展，移動(dòng)和無線流量必將呈現(xiàn)爆發(fā)性增長的趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)在這一浪潮下卻顯得無能為力，因此諸如NTT、Verizon這樣的國際主流運(yùn)營商不約而同的限制了用戶的使用流量，大大降低了用戶的體驗(yàn)。在這一背景下，3GPP提出構(gòu)建超密集網(wǎng)絡(luò)[1]（Ultra Dense Network）以應(yīng)對(duì)這一潮流。

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，宏基站與Small cell異構(gòu)組網(wǎng)，即工作在不同頻段，可以有效地進(jìn)行重疊覆蓋。宏基站以高發(fā)射功率進(jìn)行覆蓋保障，密集部署的Small cell以低發(fā)射功率承擔(dān)熱點(diǎn)區(qū)域的主要流量。相比于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)：站點(diǎn)部署便捷以及組網(wǎng)靈活；建網(wǎng)成本以及維護(hù)開銷相對(duì)低廉；可針對(duì)性的加強(qiáng)覆蓋；頻譜利用率能得到有效提升[2]。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，用戶與基站之間距離大大縮短，使得用戶接入效率大幅提高，網(wǎng)絡(luò)可靠性得到了保證，用戶體驗(yàn)大為改善。然而由于大量同頻小區(qū)的距離過近，使得小區(qū)間干擾情況異常嚴(yán)重，尤其是處于小區(qū)邊緣的用戶，性能衰減不容樂觀。為此，針對(duì)超密集部署網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的研究十分必要和緊迫。另外，由于超密集網(wǎng)絡(luò)中用戶同樣密集分布，而不同的用戶有不同的業(yè)務(wù)需求，因此業(yè)務(wù)多樣性給干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的設(shè)計(jì)帶來的壓力也不容小覷。

2　系統(tǒng)建模

2.1超密集場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在對(duì)超密集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)，本文采用了R12中定義的2a場(chǎng)景[3]，在2a場(chǎng)景中，Small cell部署密度為1個(gè)扇區(qū)內(nèi)可以部署1、2、4或7個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)部署4或10個(gè)Small cell，每個(gè)Small cell服務(wù)兩個(gè)UE。宏小區(qū)半徑為500 m，根據(jù)R12的標(biāo)準(zhǔn)中最大的密度達(dá)到平均1 km2部署550個(gè)Small cell。超密集組網(wǎng)將會(huì)達(dá)到1 km2部署1 000個(gè)Small cell以上的密度[4]。本文中構(gòu)造的超密集場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　超密集場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2業(yè)務(wù)模型

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶超密集分布，而不同用戶具有不同的業(yè)務(wù)需求，這就造成了超密集網(wǎng)絡(luò)中豐富的業(yè)務(wù)多樣性。而每種業(yè)務(wù)具有不同的特征，如分組大小，間隔分布，持續(xù)時(shí)間等等。本文主要對(duì)Full Buffer、FTP、Video 3種典型的業(yè)務(wù)模型進(jìn)行建模并應(yīng)用到仿真中檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。

Full Buffer業(yè)務(wù)模型也被稱作滿隊(duì)列模型，每個(gè)數(shù)據(jù)源的隊(duì)列中都有無限多的數(shù)據(jù)量在傳輸緩沖區(qū)中等待傳輸，無論用戶何時(shí)被調(diào)度到，均有足夠的數(shù)據(jù)等待傳輸；FTP3模型數(shù)據(jù)分組的到達(dá)率服從指數(shù)分布，每個(gè)用戶的資源讀取時(shí)間服從泊松分布，數(shù)據(jù)分組的大小有0.5 Mbyte和2 Mbyte兩種選擇；對(duì)Video數(shù)據(jù)分組特征進(jìn)行抽象，業(yè)務(wù)模型可以由三個(gè)參數(shù)描述，分別為請(qǐng)求媒體文件分組大?。ǚ恼龖B(tài)分布）、媒體文件分組大小（服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布）、請(qǐng)求分組到達(dá)間隔（服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布）。

3　干擾協(xié)調(diào)方案

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于宏基站和Small cell異頻部署，Small cell間共享相同的頻帶資源，因此宏基站和Small cell之間的干擾可以忽略不計(jì)而只考慮Small cell之間的干擾。下文將對(duì)超密集場(chǎng)景下的大規(guī)模CoMP技術(shù)以及Small cell ON/OFF機(jī)制這兩種干擾協(xié)調(diào)方案進(jìn)行討論。

3.1大規(guī)模CoMP技術(shù)

在傳統(tǒng)的多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)中，受限于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站部署較稀疏的特點(diǎn)，CoMP協(xié)作集中基站的個(gè)數(shù)一般為兩個(gè)，最多只能有三個(gè)基站同時(shí)參與協(xié)作調(diào)度[5]。但在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于Small cell部署密集（每平方千米可達(dá)近兩千個(gè)），可以考慮增加CoMP協(xié)作集中基站（Small cell）個(gè)數(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。因此本文將CoMP協(xié)作集中基站個(gè)數(shù)上限設(shè)置為7個(gè)，進(jìn)行大規(guī)模CoMP仿真。大規(guī)模CoMP基本過程描述如下。

邊緣用戶判定：用戶計(jì)算接收到的有用信號(hào)功率以及干擾信號(hào)功率，當(dāng)有用信號(hào)功率/干擾信號(hào)功率小于閾值A(chǔ)，將該用戶判定為邊緣用戶，對(duì)于非邊緣用戶，不參與CoMP。

CoMP協(xié)作集中基站確定：邊緣用戶按一定周期檢測(cè)其接收到的來自Small cell的信號(hào)強(qiáng)度，并將信號(hào)強(qiáng)度由大至小依次排序，選取最強(qiáng)信號(hào)發(fā)射基站作為主服務(wù)基站，將主服務(wù)基站功率與其他基站功率依次進(jìn)行比較，當(dāng)滿足P_主/P_SC（i）小于閾值B時(shí)（閾值B預(yù)先設(shè)定），將Small cell（i）納入該用戶的CoMP協(xié)作集中，直到CoMP協(xié)作集中基站個(gè)數(shù)滿7個(gè)為止。其中i的取值為1，2，3，4，5，6。

聯(lián)合傳輸：CoMP協(xié)作集確定后，將協(xié)作集中的基站對(duì)用戶進(jìn)行聯(lián)合傳輸。

3.2Small Cell ON/OFF機(jī)制

基于動(dòng)態(tài)小區(qū)開關(guān)機(jī)制的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，即Small cell ON/OFF機(jī)制。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于Small cell部署密集，并非所有Small cell一直處于工作狀態(tài)，通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻關(guān)閉不工作的Small cell，不僅能降低系統(tǒng)干擾，更能有效的節(jié)約能源。根據(jù)開關(guān)機(jī)制的不同可將Small cell ON/OFF分為基于用戶接入以及基于業(yè)務(wù)到達(dá)[6]?；谟脩艚尤氲腛N/OFF機(jī)制基本思想為當(dāng)有用戶接入某個(gè)Small cell時(shí)，該Small cell開啟，否則關(guān)閉該Small cell。在超密集場(chǎng)景中，由于Small cell數(shù)量巨大，極有可能出現(xiàn)Small cell個(gè)數(shù)多于用戶數(shù)的情況，這時(shí)某些基站將在某些時(shí)刻沒有服務(wù)用戶，也即此時(shí)基站的用戶激活集內(nèi)檢測(cè)不到任何用戶，此時(shí)關(guān)閉該基站。在不考慮用戶移動(dòng)性的情況下，后續(xù)傳輸過程已經(jīng)關(guān)閉的基站將保持關(guān)閉狀態(tài)，這種基于用戶接入的ON/OFF機(jī)制也稱為半靜態(tài)機(jī)制?；跇I(yè)務(wù)到達(dá)的ON/OFF機(jī)制為動(dòng)態(tài)機(jī)制，要求業(yè)務(wù)分組之間有一定的到達(dá)間隔。其基本原理為在每個(gè)仿真時(shí)隙檢測(cè)Small cell用戶激活集，當(dāng)激活集內(nèi)任意用戶向Small cell請(qǐng)求傳輸業(yè)務(wù)分組時(shí)，開啟該Small cell，否則若激活集內(nèi)沒有用戶數(shù)據(jù)分組需要傳輸，則關(guān)閉該Small cell。理想情況下不考慮開啟以及關(guān)閉小基站的時(shí)延和信令開銷。

4　仿真結(jié)果及分析

本文涉及到的仿真均采用TD-LTE系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，仿真參數(shù)配置如表1所示。

4.1大規(guī)模CoMP的仿真

在研究大規(guī)模CoMP技術(shù)時(shí)，對(duì) Full Buffer、Video業(yè)務(wù)模型分別進(jìn)行了仿真，并分別統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)所有用戶以及邊緣用戶、中心用戶的平均吞吐量，仿真結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2及圖3可知，在Full Buffer業(yè)務(wù)模型（仿真時(shí)長為1000個(gè)時(shí)隙，分組大小為100 kbyte）以及Video業(yè)務(wù)模型下，相比于沒有進(jìn)行CoMP的系統(tǒng)，使用大規(guī)模CoMP技術(shù)大大提高了系統(tǒng)用戶（尤其是邊緣用戶）的吞吐量，而為之付出的代價(jià)是犧牲了少部分中心用戶的吞吐量。

4.2ON/OFF機(jī)制的仿真

由于ON/OFF機(jī)制的特殊性，需要分組之間有一定的到達(dá)間隔。因此仿真時(shí)選取FTP模型、Video模型?；谟脩艚尤牒蜆I(yè)務(wù)到達(dá)的ON/OFF機(jī)制仿真結(jié)果分別如圖4、5所示。

表1　仿真平臺(tái)參數(shù)配置表

圖2　大規(guī)模CoMP對(duì)用戶吞吐量的改善

圖3　大規(guī)模CoMP對(duì)用戶吞吐量的改善

圖4　基于用戶接入ON/OFF機(jī)制對(duì)用戶吞吐量的改善

由圖4可以看出，基于用戶接入ON/OFF機(jī)制雖然對(duì)用戶吞吐量有一定改善，但改善并不明顯，在到達(dá)率為1的FTP業(yè)務(wù)下平均吞吐量增益為6%，而在Video業(yè)務(wù)模型下這一增益只有4%。此外，當(dāng)考慮用戶的移動(dòng)性時(shí)，需要對(duì)已經(jīng)關(guān)閉的基站重新開啟，勢(shì)必會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來更大的開銷。

在圖5中，當(dāng)FTP到達(dá)率選取的值為10，此時(shí)ON/OFF機(jī)制對(duì)系統(tǒng)性能的改善十分有限，僅為1%，這是因?yàn)楫?dāng)λ取值為10時(shí)，屬于業(yè)務(wù)高負(fù)載情況，此時(shí)業(yè)務(wù)分組之間的平均間隔為100 ms，即需要以100 ms為平均周期頻繁地開/關(guān)Small cell。由于Small cell關(guān)閉時(shí)間過于短暫，因此為系統(tǒng)降低的干擾很有限，性能增益不高；當(dāng)降低到達(dá)率，λ取值為1時(shí)，由于業(yè)務(wù)分組之間到達(dá)間隔加大，基于業(yè)務(wù)到達(dá)的ON/OFF機(jī)制使Small cell有較長的休眠時(shí)間（約為1 s），故大大降低了系統(tǒng)的干擾，提升了系統(tǒng)性能；由于Video模型中，業(yè)務(wù)分組之間的到達(dá)間隔服從0～1 s之間的隨機(jī)分布，因此ON/OFF機(jī)制可以發(fā)揮較大的作用。

圖5　基于業(yè)務(wù)到達(dá)ON/OFF機(jī)制對(duì)用戶吞吐量的改善

通過比較圖4及圖5所得結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)到達(dá)ON/OFF機(jī)制性能優(yōu)于基于用戶接入ON/OFF機(jī)制，因?yàn)樵跇I(yè)務(wù)分組具有一定到達(dá)間隔的情況下，在某些時(shí)刻即便基站有用戶接入也未必會(huì)有數(shù)據(jù)分組需要被調(diào)度，反之若有數(shù)據(jù)分組需要傳輸則一定有用戶接入。因此基于業(yè)務(wù)到達(dá)的ON/OFF機(jī)制將使基站關(guān)閉更長時(shí)間，這樣該基站對(duì)相鄰基站的干擾程度便有所下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量性能得到提升。

5　結(jié)束語

本文以超密集網(wǎng)絡(luò)為研究背景，設(shè)計(jì)了兩種適用于超密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)——大規(guī)模CoMP及Small cell ON/OFF機(jī)制，并以三種典型的業(yè)務(wù)為著眼點(diǎn)對(duì)兩種干擾協(xié)調(diào)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真，仿真結(jié)果表明，在特定的業(yè)務(wù)模型下，兩種機(jī)制均能有效地降低系統(tǒng)干擾，提升用戶吞吐量，針對(duì)上述兩種干擾協(xié)調(diào)機(jī)制的改進(jìn)將在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。

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Study on the interference coordination technology based on the traffic characteristics in ultra dense network

CHEN Guo, CAI Feng-en, CHENG Lei, GAO Yue-hong
(Wireless Theories and Technologies (WT&T) Lab, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

AbstractThis paper focused on the characteristic of traffi c model, designed two kinds of interference coordination technology apply to ultra dense network——large scale CoMP and dynamic cell ON/OFF algorithm.Through the analysis and modeling of three kinds of typical traffi c model, the simulations are fulfi lled on two types of interference coordination technology based on four kinds of traffi c models.The simulation results validate that both interference coordination technologies can decrease the inter-cell interference, promote system performance with the specifi c traffi c model.

KeywordsUDN; traffi c model; interference coordination; large scale CoMP; small cell ON/OFF

收稿日期：2015-11-04

中圖分類號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1008-5599（2016）03-0075-04