協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)中的資源分配算法及仿真

李俊杰 許方敏 潘 鵬

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)中的資源分配算法及仿真

李俊杰 許方敏 潘 鵬

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

為了進(jìn)一步提高協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，文章將小區(qū)中的用戶分為小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶，小區(qū)中心用戶采用單小區(qū)服務(wù)的方式，而小區(qū)邊緣用戶采用多小區(qū)服務(wù)的方式，并為小區(qū)邊緣用戶選擇路徑增益最大的兩個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù)。仿真結(jié)果表明，所提出的算法有效地提高了小區(qū)邊緣用戶的吞吐量，明顯降低了用戶掉話率。

協(xié)作多點(diǎn)；小區(qū)邊緣用戶；小區(qū)中心用戶；資源分配

1 引言

為了實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)在高速率、高質(zhì)量方面的通信需求，除了在物理層使用更能提高頻譜效率的多天線（MIMO）技術(shù)、正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)之外，小區(qū)邊緣用戶問(wèn)題也亟需得到有效的解決。因?yàn)樾^(qū)邊緣用戶要忍受比在小區(qū)中心用戶更糟糕的通信環(huán)境，比如接收由于衰減和小區(qū)間干擾造成的劣質(zhì)信號(hào)等。此時(shí)若只有一個(gè)天線為其提供服務(wù)有可能不能保證用戶的通話質(zhì)量。這時(shí)就需要其它的一個(gè)或幾個(gè)天線同時(shí)為用戶提供服務(wù)。

為了提高小區(qū)邊緣用戶性能，IMT-Advanced系統(tǒng)[1-4]引入了協(xié)作多點(diǎn)（CoMP）傳輸/接收技術(shù)。CoMP技術(shù)是一種干擾抑制技術(shù)，通過(guò)小區(qū)間的聯(lián)合調(diào)度和協(xié)作傳輸，使小區(qū)邊緣的CoMP用戶的干擾信號(hào)變?yōu)橛杏眯盘?hào)，或降低來(lái)自相鄰小區(qū)的干擾水平，從而提高小區(qū)邊緣吞吐量，并且增強(qiáng)系統(tǒng)性能，一定程度上達(dá)到了抑制協(xié)作簇簇內(nèi)的小區(qū)間干擾（簡(jiǎn)稱協(xié)作簇簇內(nèi)干擾）的目的。

另一方面，對(duì)于小區(qū)中心用戶來(lái)說(shuō)，一個(gè)天線為其提供服務(wù)已經(jīng)保證用戶的通話質(zhì)量，不需要進(jìn)行多根天線的服務(wù)。因此，本文主要研究如何選擇天線為用戶提供服務(wù)，能使用戶通話質(zhì)量較好且系統(tǒng)消耗最小。

下面，本文將主要針對(duì)在協(xié)作多點(diǎn)架構(gòu)下用戶的接入問(wèn)題展開(kāi)討論，將分別闡述小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶的接入問(wèn)題，并特別針對(duì)邊緣用戶提出基于路徑增益最優(yōu)原則的接入算法，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

2 系統(tǒng)模型

本文的系統(tǒng)模型可用圖1表示：

圖1　小區(qū)邊緣用戶的接入過(guò)程

圖 1描述了小區(qū)邊緣用戶接入系統(tǒng)時(shí)的天線選擇情況。圖中數(shù)字1～7號(hào)表示協(xié)作小區(qū)編號(hào)，C表示資源。此時(shí)該用戶正處在小區(qū) 1的邊緣，當(dāng)它請(qǐng)求接入時(shí)系統(tǒng)通過(guò)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算其路徑增益并和增益門(mén)限值比較以判斷它屬于小區(qū)邊緣用戶。然后根據(jù)最優(yōu)原則選擇此時(shí)增益最優(yōu)的1號(hào)天線和次優(yōu)的 2號(hào)天線作為服務(wù)天線，并為其分配此時(shí) 1號(hào)和2號(hào)都空閑的資源，如圖中的資源C。若此時(shí)沒(méi)有共有的空閑資源為其服務(wù)，則將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列。然后，協(xié)作處理中心獲得當(dāng)前服務(wù)天線單元使用所分配資源與用戶通信時(shí)該用戶接收信號(hào)的總信干噪比(SINR)，與設(shè)定的門(mén)限值比較，若低于該門(mén)限值，直接將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列或者阻塞掉。否則準(zhǔn)許接入，接入過(guò)程結(jié)束。

3 資源分配算法

3.1 小區(qū)中心用戶的接入算法

與小區(qū)邊緣用戶相比，處于小區(qū)中心的用戶通信環(huán)境較好、受到干擾較小。所以，處于中心的用戶在系統(tǒng)負(fù)載不大的時(shí)候，一根天線就基本可以滿足其QOS的要求，在系統(tǒng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，多天線技術(shù)的使用也能保證小區(qū)中心用戶的業(yè)務(wù)需要。因此，對(duì)于小區(qū)中心用戶的接入算法，可以總結(jié)為協(xié)作處理中心根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載、用戶需求、鏈路質(zhì)量、協(xié)作簇大小等因素來(lái)調(diào)整天線單元個(gè)數(shù)，以保證小區(qū)中心用戶的通話質(zhì)量。在論文的仿真設(shè)計(jì)中，小區(qū)中心用戶只由一個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù)。

3.2 小區(qū)邊緣用戶的接入算法

對(duì)于小區(qū)邊緣用戶而言，要忍受比在小區(qū)中心的用戶更糟糕的通信環(huán)境，比如接收由于衰減和小區(qū)間干擾造成的劣質(zhì)信號(hào)等。因此，需要多個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù)，為了進(jìn)一步防止資源的浪費(fèi)，本節(jié)針對(duì)小區(qū)邊緣用戶提出了基于路徑增益最優(yōu)原則的接入算法。

該算法的基本思想是，在用戶請(qǐng)求接入時(shí)，對(duì)用戶根據(jù)路徑增益大小進(jìn)行判斷，以分辨該用戶是否小區(qū)邊緣用戶。如增益低于門(mén)限值，則視為小區(qū)邊緣用戶并選擇增益最優(yōu)和次優(yōu)的天線，當(dāng)這兩個(gè)天線都無(wú)法滿足其需求時(shí)，則將該用戶轉(zhuǎn)入等待。在信道分配方面，為用戶選擇這兩個(gè)天線共有的空閑資源或者是效果最優(yōu)的資源。具體步驟如下：

（1）系統(tǒng)根據(jù)用戶的接入請(qǐng)求信號(hào)判斷用戶是否為小區(qū)邊緣用戶。比如：根據(jù)用戶發(fā)送來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算該用戶的路徑增益，若路徑增益低于門(mén)限值的用戶則判定為小區(qū)邊緣用戶；否則判斷為中心用戶；

（2）按照最優(yōu)原則為該用戶選擇增益最優(yōu)和次優(yōu)的兩個(gè)天線作為該用戶的服務(wù)天線，并為用戶分配這兩個(gè)天線共有的空閑資源接入。若此時(shí)檢測(cè)的所有天線都不存在空閑資源，則將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列；

（3）系統(tǒng)獲得當(dāng)前服務(wù)天線單元使用所分配資源與用戶通信時(shí)該用戶接收信號(hào)的總信干噪比(SINR)，與設(shè)定的門(mén)限值比較，若低于該門(mén)限值，直接將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列或者阻塞掉。否則準(zhǔn)許接入，接入過(guò)程結(jié)束。

4 性能分析

為了仿真該算法的性能，將其與另外一種傳統(tǒng)的接入算法比較。算法一，協(xié)作小區(qū)大小固定為3，小區(qū)邊緣用戶接入時(shí)選擇路徑增益最大和次大的兩個(gè)天線單元，并為用戶分配二者共有且是最優(yōu)的空閑資源為其服務(wù)。算法二，小區(qū)邊緣用戶接入時(shí)只選擇路徑增益最大的一個(gè)天線單元，并隨機(jī)為用戶分配該天線空閑資源為其服務(wù)。由于本仿真主要比較接入算法的性能，故仿真中用戶靜止，當(dāng)新用戶接入而影響系統(tǒng)中已有用戶的通話時(shí)，將引起切換，切換的用戶作為新用戶，重新選擇天線單元及分配資源。

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

圖 2給出每個(gè)小區(qū)不同的用戶數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)的總吞吐量的變化情況。藍(lán)色線表示算法一即當(dāng)有小區(qū)邊緣用戶接入時(shí)，系統(tǒng)選擇路徑增益最大和次大的兩根天線作為用戶的服務(wù)單元并為用戶分配共有空閑資源的算法的性能。虛線則表示算法二即只為小區(qū)邊緣用戶選擇路徑增益最大的一根天線為用戶服務(wù)的算法的性能。吞吐量是指通信系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸數(shù)據(jù)的量，以Mbps為單位，從圖中可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，算法一發(fā)揮了多天線技術(shù)，使得總吞吐量明顯高于算法二。

圖2　系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)變化曲線

圖3　小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率隨用戶變化曲線

圖 3表明當(dāng)用戶數(shù)不斷增加，雖然小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率在不斷下降，但算法一的數(shù)據(jù)速率仍然高于算法二。這是因?yàn)殡S著用戶數(shù)的不斷增加，系統(tǒng)的負(fù)載開(kāi)始加大，而在資源固定不變的情況下，高負(fù)載必定使系統(tǒng)的處理過(guò)程變慢。而算法一采用的最優(yōu)原則在一定程度上提高了系統(tǒng)的處理性能，使其在同等條件下數(shù)據(jù)速率仍然高于算法二。

圖 4給出了當(dāng)用戶數(shù)不斷增加時(shí)，小區(qū)邊緣用戶的接入失敗率的變化曲線。該失敗率包含了由于載波不夠而隨機(jī)阻塞的用戶和由于信干噪比不夠而被阻塞的用戶。從圖中很明顯的看出，使用算法一小區(qū)邊緣接入的成功率明顯高于算法二。在算法一中，小區(qū)邊緣用戶得到的是路徑最優(yōu)和次優(yōu)的兩根天線為其服務(wù)，而算法二只有一根天線，并是隨機(jī)選擇空閑資源為用戶服務(wù)，因此，采用算法一的接入成功率明顯高于算法二。

圖4　掉話率隨用戶變化曲線

5 總結(jié)

在協(xié)作多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，基于路徑增益最優(yōu)原則的小區(qū)邊緣用戶的接入算法充分考慮了這種分布式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本章首先針對(duì)該算法構(gòu)建了仿真環(huán)境，分模塊介紹了仿真的流程，最后從仿真的結(jié)果可以看出該算法可以有效的解決小區(qū)邊緣用戶接入通信系統(tǒng)時(shí)的天線選擇問(wèn)題，保證小區(qū)邊緣用戶的通話質(zhì)量，大幅提高系統(tǒng)的容量，提高了用戶的接入成功率和資源利用率。

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A resource allocation algorithm and simulation for CoMP systems

In order to further enhance the system performance of cooperative multipoint communication system, this paper splits the users into cell-edge users and cell-center users. Cell-center users adopt the way of single-cell service; cell-edge users utilize another way by multi-cell service, and it chooses two cells which have maximum path gain to provide service for cell-edge users. Simulation results indicate the proposed algorithm improves the throughput and reduces the drop call rate of cell-edge users effectively.

Coordinated multipoint transmission and reception (CoMP); cell-edge user; cell-center user; resource allocation

TN929.5

A

1008-1151(2016)09-0015-03

2016-08-12

浙江省自然基金項(xiàng)目（LQ15F010004）；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201224171) 。

李俊杰（1994－），浙江仙居人，杭州電子科技大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>