異構網絡自適應雙工中繼站組網方案性能評估

李 帥，吳建軍

(北京大學 信息科學技術學院 現代通信研究所，北京 100871)

0 引言

全雙工技術因其在頻譜利用上的優(yōu)勢，在鏈路層性能優(yōu)化上得到廣泛研究[1-3]。鏈路級研究表明，全雙工系統(tǒng)的傳輸性能主要受限于自干擾[4-6]。經過自干擾消除后，自干擾被充分抑制，結合全雙工技術頻譜資源利用上的優(yōu)勢，相比半雙工技術，可以實現更高的頻譜效率和更好的誤碼性能[7]。

在異構網絡中，常見組網方案包括包括熱點小區(qū)、中繼站和D2D等[8]。全雙工技術可以在中繼站部署，提高小區(qū)的邊緣覆蓋能力。中繼站部署技術是IEEE 802.16J工作組和3GPP LTE-A研究的一項重要技術[9]。通過在宏小區(qū)的邊緣區(qū)域或者熱點流量區(qū)域部署中繼站，可以增加網絡邊緣區(qū)域的速率覆蓋，提升網絡邊緣吞吐量，提供高數據速率服務以及網絡整體吞吐量。在中繼站部署場景中，通過采用功率分配、中繼位置部署和上下行協(xié)議設計等技術，可以提高網絡整體性能。采用全雙工技術的中繼站，相比于半雙工中繼站，可以實現更高的鏈路頻譜效率和更靈活的上下行調度，提升整體吞吐量和用戶服務質量。Huang X等人考慮了一個小區(qū)部署場景，包括1個全雙工基站、2個全雙工中繼站和1對上下行用戶，研究通過功率控制的方式提高小區(qū)頻譜效率和用戶服務質量[10]。Zhang G等人考慮了由1個基站和3個用戶組成的底層網絡，其中1個用戶采用全雙工協(xié)議，可以作為1個中繼節(jié)點，進行用戶間通信，通過功率分配優(yōu)化獲得了吞吐量增益[11]。從系統(tǒng)級角度出發(fā)，Ntontin K等人針對部署多天線全雙工中繼站部署場景，分析了小區(qū)的傳輸速率性能[12]。Fang Z等人研究了部署大規(guī)模天線基站和全雙工中繼站的小區(qū)，比較了采用全雙工中繼站和半雙工中繼站的頻譜效率，以及采用不同中繼轉發(fā)協(xié)議的變化情況[13]。

針對全雙工中繼站部署的異構網絡研究中，目前主要從鏈路級角度研究了中斷概率、吞吐量等性能指標，從系統(tǒng)級角度研究統(tǒng)計性能的較少。本文研究了異構網絡的中繼站部署組網方案，針對該部署場景，研究自適應雙工中繼站的資源塊調度算法，以及鏈路級自適應雙工方案在實際網絡部署的性能表現，并與全雙工中繼站和半雙工中繼站進行比較。

1 系統(tǒng)模型

在中繼站部署場景，考慮到上下行公平性，宏小區(qū)采用固定的時分雙工，上下行時隙固定。在一個宏小區(qū)中，部署多個中繼站，其系統(tǒng)模型如圖1所示，中繼站采用Type 1中繼[14]，此類中繼站自己控制一個小區(qū)或若干小區(qū)，管理小區(qū)內的用戶。中繼站有自己的無線資源管理機制，從用戶角度，接入一個中繼站管理的小區(qū)和接入宏小區(qū)沒有區(qū)別。當宏小區(qū)基站需要和中繼站小區(qū)內的用戶通信時，需要通過中繼將信息進行轉發(fā)。如果采用的是全雙工的中繼站，可以在一個時隙將信息經由中繼站轉發(fā)到目標用戶，或者中繼站小區(qū)的用戶通過中繼站將信息發(fā)給宏基站。圖1展示的是下行信號傳輸的過程，宏基站到中繼站的信號會受到全雙工中繼站的自干擾影響，而中繼站到用戶的信號會受到宏基站信號的干擾。如果是上行信號傳輸，用戶到中繼站的信號會受到自干擾影響，而中繼站到宏基站的信號會受到用戶發(fā)射的同頻信號干擾。對于半雙工的中繼站，需要2個時隙才能完成轉發(fā)過程，這個過程中沒有干擾產生。

圖1 中繼站部署異構網絡場景

在此場景中，半雙工采用的是時分雙工模式，以下行信號發(fā)射為例，第1個時隙宏基站在子載波a將信息發(fā)射給中繼站，而下一個時隙中繼站將信息發(fā)射給目標用戶；在第2個時隙中，宏基站在這個子載波段不發(fā)射下行信號，以避免對用戶產生同頻干擾。

在中繼站部署場景中，全雙工和時分雙工模式采用的時隙分配如圖2所示?？梢钥吹剑瑢τ跁r分雙工模式，采用的是下行幀與上行幀交替的時隙劃分，下行幀和上行幀分別占用連續(xù)的2個時隙。在下行幀的2個時隙中，分別進行基站到中繼站傳輸，中繼站到目標用戶傳輸，而上行幀的處理與上行幀類似，中繼站信號收發(fā)在2個時隙完成。對于全雙工模式，由于其支持同一頻帶上同時接收和發(fā)射信號，為了與時分雙工進行公平比較，時隙劃分上采用同樣的下行幀與上行幀交替的方式。區(qū)別在于，下行幀的2個時隙下，全雙工模式下可以分為2個獨立的時隙進行處理，基站選擇不同的中繼站和用戶發(fā)射信號，上行幀也是一樣。

圖2 中繼站部署異構網絡場景資源塊分配

在鏈路級處理里，自適應雙工方案可以根據當前時隙下的信道信息和自干擾信息，自適應地選擇較好的雙工模式運行。不同時隙下，由于信道信息不同，可能會采用不同的雙工模式。而在中繼站部署的異構網絡中，需要根據時隙資源和頻域資源的變化，對自適應雙工方案進行重新設計，設計后的時隙分配方式如圖2(c)所示。考慮了多個子載波存在的情形，假設不存在載波間干擾，自適應雙工方案在每個子載波上都可以采用不同的雙工模式。在時隙劃分角度，考慮到對比公平性，沿用時分雙工和全雙工的時隙劃分，下行幀和上行幀交替的模式?？梢钥吹?，自適應雙工在一個上下行幀和一個子載波組成的連續(xù)2個資源塊上，處于同一模式，而在不同的子幀和子載波下，根據網絡情況變化，會進行自適應的調整。

自適應雙工方案需要根據當前時刻下的網絡情況，選擇工作在全雙工模式或者時分雙工模式。在全雙工模式下，可以用2個時隙獨立處理2個用戶，但是會存在自干擾和同頻干擾，在干擾較大時，會影響全雙工模式性能。而半雙工模式雖然只能用2個時隙處理1個用戶，但是不會受到干擾的影響。這2種模式各有優(yōu)缺點，需要設計自適應雙工方案對這2種模式進行折中。

在中繼站采用解碼轉發(fā)協(xié)議時，每個時隙下，根據瞬時速率最大準則， 分別計算出全雙工和半雙工模式下的傳輸速率，進而進行比較。采用放大轉發(fā)協(xié)議時，考慮源節(jié)點到目標節(jié)點的直連信號，在每個時隙下，自適應雙工方案的判斷準則，可以用一組簡單的方程組表示如下：

(1)

針對系統(tǒng)級的研究，需要考慮每個時隙下小區(qū)內的上下行用戶集合，進行用戶選擇和資源塊調度，自適應體現在選擇合適的用戶映射到合適的資源塊這個過程中。自適應雙工中繼站的資源調度算法見下一部分介紹，基于速率最大準則，依次處理每個子載波的調度，根據全雙工和時分雙工模式下接入用戶速率情況進行判斷。

2 資源調度算法

常見的資源調度準則包括輪詢、速率最大和比例公平準則。輪詢根據用戶順序，依次將用戶調度進入資源塊中，速率最大準則是通過讓每個資源塊調度速率最大的用戶傳輸以最大化吞吐量，比例公平準則是以上2種準則的折中。在部署自適應雙工中繼站的異構網絡中，為分析驗證自適應雙工方案的系統(tǒng)級性能，依照鏈路級常用的最大化瞬時速率的設計，采用了速率最大準則。在資源塊調度算法設計中，依照計算出的速率，決定每個資源塊類型和接入用戶編號。

在異構網絡中，部署有NR個中繼站，中繼站編號依次為RN1,…,RNi,…,RNNR，基站編號為BS。用Φu表示宏小區(qū)內所有用戶的集合，用wm標識用戶接入的小區(qū)類型，wm滿足：

wm∈BS,RN1,…,RNi,…,RNNR,?m∈Φu。

(2)

根據信道損耗和各節(jié)點的發(fā)射功率，可以計算出網絡的功率映射表Pmapi,j，表示節(jié)點i發(fā)射信號在節(jié)點j接收到的信號功率?；谶@些參數，進行調度算法設計，部署自適應雙工中繼站的異構網絡的資源調度算法(XDR-R)。依照此算法，可以類似給出僅部署全雙工中繼和僅部署半雙工中繼的資源調度算法。XDR-R算法步驟如下所示:

步驟1.初始化

初始化小區(qū)的用戶集合Φu，用戶接入的小區(qū)類型ωm，用戶上下行數據緩沖區(qū)集合BUul，BUdl，接收功率表Pmap，當前時隙t；

步驟2.速率計算

for用戶m

按照預設的資源塊運行；

算法的主要思路是，在每個時隙開始，對每個有上行或下行數據需求的用戶，先判斷用戶所在小區(qū)范圍，分為直連和連接中繼2種。如果是直連，直接給出瞬時速率，如果是連接中繼，需要分為全雙工模式中繼和半雙工模式中繼2種情形計算速率。根據圖2中時隙的劃分，第4i+1～4i+2為下行時隙，第4i+3～4i+4為上行時隙。在子幀第1個時隙4i+1或4i+3，進行資源塊配置過程，依照子載波順序依次進行。

3 仿真結果

為充分比較全雙工中繼站、半雙工中繼站和自適應雙工中繼站在異構網絡中的性能，在仿真中不考慮直連用戶，將60個用戶全部撒點在中繼站控制的小區(qū)中，每個中繼站控制15個用戶。在這種假設下，網絡的上下行通信均需要依靠中繼進行轉發(fā)，可以充分比較不同類型中繼站部署的性能表現。對于半雙工中繼站需要2個時隙進行傳輸的情況，在分析吞吐量分布時，將第2個時隙根據γHD計算出的傳輸速率RateHD等效轉換為2個時隙下的RateHD/2進行統(tǒng)計。對于自適應雙工中繼站，由于其也可能會降低到半雙工模式進行傳輸，在半雙工子模式中，也采用上述方法類似處理。這么處理的原因是，在分析吞吐量的CDF分布時，如果只考慮半雙工第2個時隙的吞吐量，那么反映到性能曲線上的結果是曲線整體右移，從CDF分布上看性能表現比全雙工更好，但是在相同時間統(tǒng)計的數據量只有全雙工的一半。在數據量區(qū)別很大時，在同一個場景中比較全雙工模式和半雙工模式的CDF統(tǒng)計性能可以提供的有用信息十分有限。因此，本文在數據輸出統(tǒng)計時，將需要占用2個時隙完成的傳輸結果平均到2個時隙上進行統(tǒng)計。關于不同模式的中繼站部署的性能表現，仿真結果如圖3所示，其中速率覆蓋的界限設置為7.5 bps/Hz。分析模式包括3種自干擾消除能力(SIC=80,100,120 dB)下的自適應雙工中繼站、全雙工中繼站以及時分雙工中繼站。所有的仿真參數依照3GPP 36.814進行設置[14]。

圖3 部署不同類型中繼站時，異構網絡 上下行吞吐量的CDF曲線

圖3展示了部署不同類型中繼站時，異構網絡上下行吞吐量的CDF分布情況?？梢钥吹?，自適應雙工中繼站相比于全雙工中繼站和半雙工中繼站提升了吞吐量性能。從上下行吞吐量分布看，不同自干擾水平的全雙工中繼站下行吞吐量區(qū)別很大，通過降低自干擾可以提高吞吐量。從上行吞吐量來看，在自干擾較高時，自適應雙工中繼站的吞吐量曲線與半雙工中繼站的吞吐量曲線非常接近，說明在這種情形下，自適應雙工中繼站幾乎不考慮采用全雙工中繼站傳輸。

4 結束語

本文研究了異構網絡部署自適應雙工中繼站的組網方案。在鏈路級自適應雙工方案基礎上，基于異構網絡場景重新設計了自適應雙工中繼站資源塊調度算法，分析了其在實際網絡部署中的性能表現。結果表明，自適應雙工中繼站相比于其他中繼站，可以提供更高的吞吐量。在自干擾較高時，在全雙工中繼站的基礎上提升尤為明顯。通過對中繼站部署異構網絡的系統(tǒng)級性能評估，印證了鏈路級自適應雙工方案在實際部署中的性能表現。