TD LTE-A系統(tǒng)下的中繼規(guī)劃技術(shù)

郝　龍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所 通信部,陜西 西安　710068)

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TD LTE-A系統(tǒng)下的中繼規(guī)劃技術(shù)

郝龍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所 通信部,陜西 西安710068)

摘要LTE-A通過使用中繼技術(shù)達(dá)到提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量、拓展小區(qū)覆蓋和提升小區(qū)頻譜效率等效果。文中針對(duì)中繼在小區(qū)中配置和使用的問題,在TD LTE-A系統(tǒng)下提出了一種中繼規(guī)劃方案。結(jié)合中繼位置選擇和中繼服務(wù)基站選擇兩種方法得到中繼規(guī)劃方法;考慮兩跳中繼場(chǎng)景下的鏈路信干燥比,并得到最優(yōu)頻率效率的中繼選擇算法;結(jié)合兩者得到中繼規(guī)劃方案并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示,采用了中繼規(guī)劃方案的回溯鏈路的信干燥比得到平均約2 dB的提升,且使小區(qū)吞吐量提升了約13%。

關(guān)鍵詞TD LTE-A;中繼規(guī)劃;中繼選擇

隨著用戶對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量需求的增加,LTE已無(wú)法滿足未來(lái)潛在的速率及服務(wù)質(zhì)量的需求[1]。因此,LTE的演進(jìn)方案,即LTE-A的研究在國(guó)內(nèi)外正加速進(jìn)行。

LTE-A相對(duì)于LTE主要增加了中繼、載波聚合以及多天線拓展技術(shù)。其中,中繼技術(shù)用來(lái)提升邊緣用戶吞吐量或拓展小區(qū)覆蓋;載波聚合在相同的帶寬情況下能更好地復(fù)用小區(qū)頻率資源,使得LTE的下行峰值理論速率從300 Mbit·s-1提升到3 Gbit·s-1;多天線拓展技術(shù)能在LTE MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過MU-MIMO以及增加基站天線最終達(dá)到8×8的矩陣配置,大幅提升了小區(qū)的頻譜效率。

同LTE一樣,LTE-A也分為TDD與FDD兩種制式。相比于FDD,TDD在時(shí)隙配置上更為靈活,也因此在頻率規(guī)劃上更具優(yōu)勢(shì)。由于我國(guó)人口眾多且密集,使用非對(duì)稱頻譜資源的TDD制式更符合實(shí)際商用。因此,包括華為中興等公司均致力于研究完善TDD制式的LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)使得我國(guó)在通信領(lǐng)域上能獨(dú)立自主,為我國(guó)帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)利益。

目前3GPP將中繼類型[2]分為Type I和Type II兩種。其中,Type I中繼的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案已被采納可應(yīng)用于商用,因此對(duì)于Type I型的中繼研究更為廣泛。對(duì)采用了中繼技術(shù)之后系統(tǒng)性能的研究方面,有針對(duì)AF和DF中繼性能的比較[3],也有主要考察了Type I型中繼的性能[4]。

在中繼規(guī)劃方面,之前的研究工作主要集中在AF中繼在鏈路級(jí)仿真中的規(guī)劃問題,例如使用考慮直線鏈路場(chǎng)景中多跳中繼的最優(yōu)位置性能[5]。在DF中繼規(guī)劃方面,有考察中繼提升頻譜效率[6]的研究,也有綜合SINR性能分析的文獻(xiàn)[7]。

本文研究的是TDD制式的LTE-A系統(tǒng)下針對(duì)于兩跳DF中繼(即TypeI型)的一種中繼規(guī)劃技術(shù)。通過合理配置小區(qū)內(nèi)中繼的位置配合最優(yōu)中繼選擇算法達(dá)到小區(qū)吞吐量最優(yōu)化。

1中繼規(guī)劃方法

一般而言,中繼均是規(guī)劃在預(yù)定的位置且連接到與之距離最近的基站[8]。中繼規(guī)劃策略可分為中繼位置選擇[9](LS)和與中繼連接的基站選擇[10](CS)。采用LS能避免中繼位置的隨機(jī)布置,中繼的位置可從一些可選的區(qū)域集合中得到。如圖1所示,中繼A具有3種不同陰影衰落的中繼候選位置,LS考慮其到服務(wù)基站的鏈路特性之后選擇最優(yōu)化中繼鏈路質(zhì)量的位置。

圖1　應(yīng)用場(chǎng)景中由建筑物帶來(lái)的損耗示意圖

在一些潛在的中繼位置上,中繼到干擾基站的陰影衰落可能較差,此時(shí)LS能提供的性能改善就無(wú)法體現(xiàn)。CS能使中繼可以選擇鄰區(qū)的基站作為服務(wù)基站而不是選擇陰影衰落較差的最近基站。即中繼選擇具有最優(yōu)接收信號(hào)的基站進(jìn)行傳輸而不是總選擇最近的基站。

上述的兩個(gè)站點(diǎn)規(guī)劃策略可建模如下:

位置選擇LS:在位置選擇中假定中繼在小區(qū)I中具有M個(gè)候選位置,通過SINR的方式選擇最優(yōu)的位置。在每個(gè)位置假定中繼通過預(yù)先定義的基站單獨(dú)進(jìn)行服務(wù),則選定區(qū)域的SINR形式可表示為

(1)

其中,γm,i表示中繼在第i個(gè)小區(qū)第m個(gè)位置的SINR,中繼位置的確定應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段。

小區(qū)選擇CS:對(duì)于特定的中繼位置,中繼通過K次迭代選擇出最佳的基站BS作為服務(wù)基站。即若采用小區(qū)選擇,第m個(gè)中繼候選位置的SINR可得到為

(2)

因乒乓效應(yīng)的存在[11],小區(qū)選擇需要通過長(zhǎng)時(shí)間的平均統(tǒng)計(jì)而不能根據(jù)信道條件的短時(shí)間變化得出,因此小區(qū)重選的頻率較低。

一個(gè)基站到一個(gè)中繼的路徑損耗[12]為

L=α·dβ·10ζ/10

(3)

其中,α和β分別表示傳播常量和路損因子。隨機(jī)變量ζ是陰影衰落的對(duì)數(shù)形式。該公式表明與基站距離相同的中繼,會(huì)由于陰影衰落的存在導(dǎo)致路徑損耗的不同在單干擾源的情況下,信干噪比(SINR)與信干(SIR)比近似相同,因此在第m個(gè)位置有

(4)

若中繼站點(diǎn)規(guī)劃采用了LS,在小區(qū)i中M個(gè)候選位置中選擇中繼位置,則通過SIR形式獲得的CDF為

(5)

PDF為

(6)

(7)

對(duì)應(yīng)的CDF便可得出

(8)

若在中繼站點(diǎn)規(guī)劃中同時(shí)采用了LS和CS。SIR形式的CDF為

(9)

相應(yīng)的PDF為

(10)

中繼鏈路建模時(shí)僅考慮了基于距離的路徑損耗和信號(hào)傳輸?shù)年幱八ヂ?這在長(zhǎng)時(shí)間傳輸和固定位置的中繼條件下是可行的。然而當(dāng)用戶終端(UE)發(fā)生移動(dòng),就需要考慮中繼和用戶間的接入鏈路發(fā)生的快衰。

對(duì)于接入鏈路,采用單載波模型進(jìn)行分析。接入鏈路SINR的CDF為

(11)

接入鏈路SINR的pdf形式為

(12)

中繼鏈路速率Rr通過SIR的形式如下給出

Rr=Ar·log2(1+Br·10Γ/10)=g(Γ)

(13)

其中,Ar和Br分別表示帶寬和SIR效率因子,通常用于在系統(tǒng)級(jí)仿真中通過自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)匹配系統(tǒng)速率。

由下式可得到接入鏈路的即時(shí)速率

Ra=Aa·log2(1+βa·γ)=h(γ)

(14)

式(13)和式(14)給出中繼鏈路和接入鏈路的即時(shí)速率是單跳中繼場(chǎng)景下的中繼鏈路。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,端到端的速率是用兩跳中繼場(chǎng)景的方式表示出來(lái)的?？紤]半雙工DF(Decode Forward)中繼,即中繼不允許同時(shí)收發(fā)的場(chǎng)景下,從基站到中繼和從中繼到移動(dòng)終端的傳輸需要在不同時(shí)隙上進(jìn)行調(diào)度。3GPP和IEEE 802.16M說明書中描述了如何在單載波頻率上對(duì)接入和中繼鏈路進(jìn)行時(shí)分復(fù)用的方法。

舉例而言,在一個(gè)接入和中繼鏈路上資源分配的方案中,給中繼鏈路分配總系統(tǒng)資源的比例為τr,接入鏈路調(diào)度剩余τa部分的資源,有τa+τr=1。

考慮每扇區(qū)NRN個(gè)中繼,中繼k在中繼鏈路上調(diào)度總資源的τr,k部分,其中

(15)

通過中繼k服務(wù)的單個(gè)用戶端到端速率為接入和中繼鏈路的最小值,如式(16)所示

(16)

上式說明中繼鏈路和接入鏈路的速率是通過被分配到的資源比例而進(jìn)行衡量的。

在不使用LS或CS方法的情況下,端到端速率的CDF可表示為

(17)

需注意的是,最小速率公式(16)并未考慮到中繼數(shù)據(jù)緩存(Buffer)短期內(nèi)的變化對(duì)速率的影響。

式(16)在取兩最小值中兩值相等的情況下是最大的。即接入鏈路的最優(yōu)資源分配和達(dá)到最大端到端速率的方法如下

(18)

(19)

2最優(yōu)中繼選擇

如圖2所示,UEu在坐標(biāo)(x,y)同扇區(qū)s的基站b的直連鏈路的SINR計(jì)算為

圖2　兩跳中繼場(chǎng)景

(20)

(21)

更改上述式(20)和式(21),可得到回溯鏈路的SINR

(22)

(23)

同樣可得到接入鏈路的SINR公式

(24)

(25)

系統(tǒng)容量:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單跳鏈路系統(tǒng)容量對(duì)于一個(gè)給定的SINR可根據(jù)香農(nóng)公式得到

(26)

對(duì)于一個(gè)多跳鏈路,先根據(jù)上式計(jì)算出第n跳的頻譜效率ηn,然后轉(zhuǎn)化成有效頻譜效率

(27)

3中繼路徑選擇算法

(28)

則UEu的最佳路徑可計(jì)算為

(29)

又因射頻拉遠(yuǎn)頭(RRH)技術(shù)[13]使得回溯鏈路的容量較大,因此有效頻譜效率的限制主要就是由接入鏈路產(chǎn)生,則有

(30)

進(jìn)而最佳路徑就有

(31)

4仿真結(jié)果及分析

仿真場(chǎng)景設(shè)置,如表1所示,對(duì)整體仿真進(jìn)行參數(shù)配置。

表1　仿真參數(shù)配置

如圖3所示,中繼位置系數(shù)從0.5～0.8的吞吐量變化。另外中繼位置調(diào)整時(shí),用戶的吞吐量也隨之變化。當(dāng)中繼靠近基站或靠近邊緣時(shí),均會(huì)因?qū)τ脩舾蓴_的增大而導(dǎo)致用戶吞吐量的下降。在中繼配置到0.7～0.8之間時(shí),可看出性能最佳。

圖3　中繼位置調(diào)整對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4和圖5展示了開啟中繼規(guī)劃之后的性能對(duì)比?？梢钥闯龌厮萱溌返男诺蕾|(zhì)量提升較為明顯,直接導(dǎo)致兩條鏈路性能的提升,從而UE平均吞吐量也得到了提升。結(jié)果表明,中繼規(guī)劃的效果還是較為顯著的。

圖4　采用中繼規(guī)劃之后的中繼回溯鏈路SINR分布

圖5　采用中繼規(guī)劃之后的UE平均吞吐量比較

5結(jié)束語(yǔ)

LTE-A針對(duì)LTE系統(tǒng)邊緣用戶吞吐量低下的問題采用了中繼技術(shù)進(jìn)行改善。本文提出了一種TD LTE-A系統(tǒng)下的中繼規(guī)劃方案。通過合理的配合中繼位置以及使用最優(yōu)中繼選擇算法,實(shí)現(xiàn)了小區(qū)吞吐量的提升。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了在中繼規(guī)劃對(duì)小區(qū)吞吐量的改善。

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Relay Site Planning of TD LTE-A System

HAO Long

(Communication Department,No.20th Research Institution,China Electronics Technology Group Corporation,Xi’an 710068,China)

AbstractIn the LTE-A system,the use of relay enhances the cell edge user throughput,expands the area coverage,and improves the spectrum utilization efficiency.In this paper,a scheme of relay planning is proposed to realize the optimization of relay configuration.First,a relay planning method is obtained by combining with relay location selection and choice of relay served base station.Then the SINR of two-hop relay scenario is considered to get the optimal frequency efficiency of relay selection algorithm.Finally the above two are combined to obtain the relay planning scheme.The simulation shows that by using the scheme the SINR of the backhaul link channel is enhanced by about 2 dB and the cell throughput improves by about 13%.

KeywordsTD LTE-A;relay planning;relay choice

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.010

收稿日期:2016-01-04

作者簡(jiǎn)介:郝龍(1988—),男,碩士,助理工程師。研究方向:無(wú)線通信。

中圖分類號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-034-05