全雙工蜂窩網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法研究*

張 軍，劉會衡，李玲玲

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

0 引 言

全雙工通信技術(shù)作為第五代移動通信技術(shù)的候選技術(shù)之一，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。全雙工通信技術(shù)使得通信節(jié)點能夠在相同的頻率資源上同時發(fā)送和接收信號。采用天線域、模擬域和數(shù)字域的自干擾消除技術(shù)后，全雙工通信系統(tǒng)能將自干擾信號降低到接近噪聲功率水平，從而達(dá)到約2倍于單雙工系統(tǒng)的通信速率[1-2]。然而，在蜂窩通信系統(tǒng)中，受全雙工實現(xiàn)復(fù)雜度限制，基站端可以優(yōu)先配置全雙工通信技術(shù)，用戶設(shè)備（User Equipment，UE）端可在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展后期配置全雙工通信技術(shù)。因此，全雙工網(wǎng)絡(luò)中存在半雙工UE和全雙工UE混合與基站通信的場景[3-4]。為實現(xiàn)全雙工帶來的容量增益，還需設(shè)計合理的調(diào)度算法。文獻(xiàn)[5]考慮了全雙工和半雙工節(jié)點混合組網(wǎng)的情景，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的干擾變化狀況設(shè)計了基站在全雙工和半雙工中靈活適變算法，分析了網(wǎng)絡(luò)容量與節(jié)點雙工模式之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]利用隨機(jī)幾何模型分析了全雙工異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在不同雙工模式下的網(wǎng)絡(luò)容量，研究了不同干擾協(xié)調(diào)策略對網(wǎng)絡(luò)容量的影響。然而，上述文獻(xiàn)都沒有考慮全雙工和半雙工UE共存的混合雙工模式下的調(diào)度問題。本文針對混合雙工模式下的調(diào)度問題分析各雙工模式的速率，提出了兩種調(diào)度算法，改善了蜂窩吞吐率。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型為基站使用全雙工通信技術(shù)的蜂窩通信系統(tǒng)。假定基站位于小區(qū)中心，覆蓋范圍為半徑為R的圓形區(qū)域，與KU個上行用戶和KD個下行用戶通信。該通信系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，將系統(tǒng)帶寬劃分為N個子信道，每個子信道經(jīng)歷頻率平坦衰落，子信道間的衰落獨立不相關(guān)?；竞陀脩舻陌l(fā)射功率記為PB和PU。為了簡化分析，本文考慮基站和用戶在各自子信道上平均分配發(fā)射功率。基站和用戶的全雙工干擾消除增益分別假定為CBSI和CSUI。

在全雙工蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，UE受設(shè)備體積和制造成本的限制，不一定全部具有全雙工通信能力，如圖1所示。

圖1 全雙工蜂窩系統(tǒng)模型

本文根據(jù)基站和用戶的雙工能力，考慮兩種通信模式。

（1）FD-HD模式

該模式假定基站使用全雙工通信方式與兩個半雙工的UE（一個上行UE和一個下行UE）通信。該模式中，上行UE通信鏈路主要受基站自干擾的影響，下行UE通信鏈路主要受UE間干擾（inter-user interference，IUI）。

（2）FD-FD模式

該模式假定基站在每個子信道上與同一個UE進(jìn)行上下行通信。該模式要求基站和FD UE同時具備全雙工收發(fā)模塊，在上行（下行）通信鏈路中均受到自干擾的影響。

2 速率分析

分析上述兩種通信模式速率，提出獲得全雙工增益的調(diào)度算法。

2.1 FD-HD模式

該模式下，基站在每個子信道上與兩個半雙工UE通信。基站接收上行UE信號時，主要受到自身發(fā)射下行信號的殘留干擾；下行UE的接收信號主要受到IUI的干擾。假定在子信道n以FD-HD進(jìn)行通信的下行UE和上行UE分別為k和l，則下行UE在該子信道上的速率為：

其中，HULl,n和CBSI分別為上行UE的信道系數(shù)和自干擾消除增益。下行UE和上行UE所獲得吞吐量為所有分配子信道的速率之和，分別為：

其中，Φk和Φl為下行UE和上行UE所分配的子信道集合。上下行UE的速率分別為：

為了衡量全雙工通信系統(tǒng)的速率增益，本文將對比全雙工通信系統(tǒng)的速率與半雙工通信系統(tǒng)的速率。該對比系統(tǒng)為半雙工時分復(fù)用（HD Time Division Duplex，HD TDD）系統(tǒng)，采用上下行對稱的時隙配比（即LTE中TDD配置1）。因此，該HD TDD系統(tǒng)在子信道n上的速率為：

引理1：FD-HD模式要在半雙工模式獲得全雙工增益，必須滿足：

證明：FD-HD模式要獲得全雙工增益，必須滿足：

采用全雙工通信技術(shù)的蜂窩系統(tǒng)通常具有較高的信噪比，因此有l(wèi)og21+SINR≈log2SINR，代入式（9）得：

由于log函數(shù)為單調(diào)遞增函數(shù)，可得：

該系統(tǒng)為干擾受限系統(tǒng)，可以忽略噪聲項，整理可得式（8），證明完畢。

引理1表明，F(xiàn)D-HD模式要獲得全雙工增益，要求IUI干擾不能超過某個值，而該值與上下行UE的信道系數(shù)、基站和UE的發(fā)射功率和基站的自干擾消除能力相關(guān)。因此，F(xiàn)D-HD模式下，基站應(yīng)該根據(jù)UE的信道系數(shù)和自干擾消除能力合理進(jìn)行調(diào)度，可以得到如下調(diào)度準(zhǔn)則。

UE Pairing調(diào)度準(zhǔn)則：FD-HD模式下，基站在每個子信道上選擇UE間干擾信道的信道系數(shù)HIUIl,n最小的一對上下行UE。

2.2 FD-FD模式

在FD-FD模式中，基站和UE均使用全雙工通信技術(shù)。受各自發(fā)射機(jī)信號殘留干擾的影響，全雙工用戶l的上下行速率分別為：

若Φl為用戶l所分配子信道集合，則該用戶速率為：

引理2：FD-FD模式要獲得全雙工增益，必須滿足：

證明：FD-FD模式要獲得全雙工增益，必須滿足下式：

其中，RnHD為式（7）所示半雙工系統(tǒng)的速率。在高信噪比條件下，作近似log21+SINR≈log2SINR， 得：

忽略噪聲項可得式（15），證明結(jié)束。

引理2表明，F(xiàn)D-FD模式要獲得全雙工增益，要求基站和UE的自干擾消除能力大于與用戶信道系數(shù)相關(guān)的值。顯然，UE的信道條件越好，越容易滿足此條件。因此，本文提出FD-FD模式中使用如下調(diào)度準(zhǔn)則。

MCI調(diào)度準(zhǔn)則：為了使得FD-FD模式獲得最大的全雙工增益，基站應(yīng)該在每個子信道上調(diào)度信道系數(shù)最小的UE。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證在FD-HD和FD-FD模式下所提UE Pairing和MCI調(diào)度算法的性能，本文根據(jù)LTE系統(tǒng)評估方案進(jìn)行仿真驗證，仿真參數(shù)如表1所示[7]。 仿真中標(biāo)記全雙工通信模式分別為FD-HD和 FD-FD，全雙工通信模式上行鏈路和下行鏈路分別記為FD-HD UL和FD-FD DL，半雙工通信模式為HD，基站默認(rèn)采用輪詢（RR）調(diào)度方法。

表1 仿真參數(shù)

圖2為自干擾消除增益為110 dB時，采用FD-HD模式的蜂窩吞吐量?？梢钥闯?，F(xiàn)D-HD模式相比于HD模式的增益遠(yuǎn)低于2倍，約為24%。原因在于FD-HD模式中存在不可消除的IUI，降低了下行通信鏈路的信噪比。可以看出，F(xiàn)D-HD下行通信鏈路相比于HD系統(tǒng)略有損失，約為96%。而FD-HD上行通信鏈路所遭受的自干擾較低，從而獲得了約61%的速率提升。

圖2 FD-HD模式下蜂窩速率

圖3為自干擾消除增益為110 dB時，基站使用UE Pairing調(diào)度方案所達(dá)到的吞吐量。從圖3可以看出，UE Pairing調(diào)度方案顯著提高了下行UE的通信速率，約為使用輪詢調(diào)度方案的1.46倍，這是由于UE Pairing調(diào)度方案減少了IUI。從圖3還可以看出，UE Pairing調(diào)度方案顯著提高了FD-HD模式下的基站吞吐量，提升了約54%。然而，由于IUI干擾仍然存在且不可消除，UE Pairing調(diào)度方案的吞吐量仍然達(dá)不到半雙工通信模式的2倍。

圖3 FD-HD模式下UE Pairing方案的蜂窩速率

圖4給出了自干擾消除增益為110 dB時，F(xiàn)D-FD模式所獲得的蜂窩吞吐量。從圖4可以看出，F(xiàn)D-FD模式的吞吐量相比于半雙工系統(tǒng)有顯著提升，約為78%。這是由于FD-FD模式在自干擾消除增益為110 dB時的殘留干擾較小。其中，F(xiàn)D-FD UL鏈路的速率增益為61%，F(xiàn)D-FD DL鏈路的速率增益為92%。這是由于基站的發(fā)射功率大于UE的發(fā)射功率，基站的發(fā)射信號經(jīng)過自干擾消除后的殘留干擾較強(qiáng)，降低了上行鏈路的信噪比，因而下行鏈路的頻譜效率高于上行鏈路。

圖4 FD-FD模式下的蜂窩速率

圖5給出了自干擾消除增益為110 dB時，F(xiàn)D-FD模式下采用MCI調(diào)度方式的吞吐量。從圖5 可以看出，MCI調(diào)度方法能夠獲得接近2倍的吞吐量，約為95%的速率增益，其中FD-FD UL吞吐量增益為93%，F(xiàn)D-FD DL吞吐量增益約為96%。這是由于MCI調(diào)度方法優(yōu)先調(diào)度信道條件較好的UE，顯著減少了殘留干擾的影響，提升了頻譜效率。

圖5 FD-FD模式下MCI調(diào)度方案的蜂窩速率

圖6給出了MCI調(diào)度方法中，被調(diào)度UE距離基站的距離分布。從圖6可以看出，約90%的UE距離基站的距離小于250 m。這是由于MCI調(diào)度方法優(yōu)先調(diào)度信道狀態(tài)較好的UE，但是該調(diào)度方法導(dǎo)致UE受到調(diào)度的機(jī)會不均等，難以保證UE之間的公平性。

圖6 FD-FD模式中MCI調(diào)度方案用戶距基站的距離

4 結(jié) 語

本文研究了全雙工蜂窩網(wǎng)絡(luò)中具有不同雙工能力的基站和UE通信時的調(diào)度算法問題，分析了FD-HD模式和FD-FD模式下的蜂窩吞吐量，并提出了兩種模式下全雙工增益最大化的UE Pairing和MCI調(diào)度算法。兩種調(diào)度算法減少了混合雙工模式中自干擾和節(jié)點相互干擾的影響，顯著提升了蜂窩吞吐量。