LTE－Advanced中SU－JP－CoMP的協作代價分析

鮮永菊，賈 云，徐昌彪

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 40065)

在LTE－A中，頻譜復用系數為1，并且OFDM技術無法有效地消除小區間干擾(ICI)，所以小區間干擾抑制技術成為LTE－A中的重要技術之一。在LTE－A中小區間干擾抑制技術主要包括小區間干擾隨機化，小區間干擾消除，小區間干擾協調/回避等［1－2］，各種干擾抑制技術可以配合使用，以期獲得更好的效果。

多點協作傳輸技術(Coordinated Multipoint Transmission/Reception，CoMP)協作多個相鄰的基站或節點同時為一個小區邊緣的移動用戶提供服務，從而降低小區邊緣用戶之間的干擾，提高小區邊緣用戶的服務質量，成為LTE－A的關鍵技術之一［3］。SU－JP－CoMP 可以帶來邊緣用戶吞吐量的提升，但其代價是會造成系統平均頻譜效率的下降。其原因在于，SU－JP－CoMP用戶會同時占用主服務小區和協作小區的相同的頻率資源，其接收信號為來自這兩個基站的疊加。由于用于邊緣用戶傳輸的資源增加，則相應的用于中心用戶傳輸的資源必然減少，因此，SUJP－CoMP是用小區中心用戶的性能損失來達到邊緣用戶的性能提升［4］。在3GPP相關提案中，普遍采用根據SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)確定CoMP用戶的準則，如果滿足SINR ＜δ(單位dB)，則該用戶為CoMP用戶，其中δ是一個預定義的門限值。另外一種確定CoMP用戶的方法是根據用戶的RSRP測量報告來判斷。

系統中并不是所有用戶都需要進行協作通信，必須在對邊緣用戶和對系統總的用戶的服務質量上達到一個折中，使一定條件下的一部分用戶使用CoMP，而另外一部分用戶不使用CoMP。如何衡量CoMP對系統性能的影響，以及如何確定CoMP的性能增益成為重要的問題。這方面的研究在現有的文獻中鮮有報道，本文主要就以上兩點進行分析，對原有的對稱式代價模型進行量化分析，并在此基礎上提出了一種新的代價模型——期望代價模型，并對兩種代價模型進行分析。

1 CoMP系統模型

典型的協作模型如圖1所示，假設有3個基站構成一個協作簇，分別為 CELL1，CELL2，CELL3，每個基站有 Nt根發射天線，每個小區內有K個用戶，每個用戶有Nr根接收天線，那么在CELL1中用UE1的接收信號可以表示為

式中:si為UE1接收到的來自i個基站的信號，Hi1為Nt×Nr維的基站i和UE1之間的信道增益矩陣，Wi為UE1與第i個基站間的預編碼矩陣，n為高斯白噪聲(AWGN)功率譜密度，N=B×n為高斯白噪聲功率。下行CoMP傳輸系統模型如圖2所示。如果用戶處于非COMP模式下，每個基站只為其自己的用戶提供服務，那么UE1的接收信干噪比(SINR1)可以表示為［5－6］

圖1 3小區CoMP協作模型

圖2 下行CoMP傳輸系統模型

如果用戶處于SU－JP－CoMP模式下，那么s1=s2=s3，此時用戶的接收信干噪比()可以表示為

2 CoMP系統協作吞吐量代價模型

2.1 對稱式代價模型

文獻［4］提出了對稱式吞吐量代價模型，該模型假設在協作小區CELL2和CELL3中與UE1位置對稱的點上都存在一個非CoMP用戶UE2和UE3，SINR2和SINR3分別表示UE2和UE3的信干噪比，那么，SINR2=SINR3=SINR1。為了量化該代價模型，在此定義協作吞吐量代價為非CoMP用戶UE2和UE3的吞吐量之和，即

那么吞吐量增益－損失比為

在此模型中，對協同資源代價的假定是建立在CoMP用戶占用的協作小區的頻譜與CoMP用戶占用的主服務小區的頻譜具有相同的信干噪比基礎上的，及假定協作小區的資源與該CoMP用戶具有相同頻譜利用率。但是在實際網絡中，將同一頻譜資源調度到小區內處于不同位置的用戶時，所產生的效益是不完全相同的，所以，該假設并沒有考慮該協作頻譜在系統中的實際效益，針對這一問題，提出期望式代價模型。

2.2 期望代價模型

在LTE－A系統中，將同一資源調度到距離基站不同位置的用戶將產生不同的頻譜效率，以仿真圖3為例，在基站中心附近，頻譜效率為6(bit·s－1·Hz－1)，而在小區邊緣，頻率效率降低至0.4(bit·s－1·Hz－1)，所以對于協同資源的吞吐量損失的衡量，需要計算其在整個小區內分布時的平均值，故在本模型中，將SU－CoMP－JP的協作吞吐量代價α*定義為將CoMP用戶所占用的協作基站的資源平均調度到該協作小區的單位面積上所產生的吞吐量之和的平均值。仍然采用三小區協作模型(如圖1所示)，那么此時協作吞吐量代價為

式中:k為正整數，反應協作吞吐量代價的計算精度，在仿真中可以模擬為小區內以單位面積均勻分布的用戶的總數目，k值越大，α*結果的精度越高(本文仿真中k=20)。此時，吞吐量增益－損失比為

該代價模型綜合考慮了采用CoMP模式后協同小區的吞吐量代價在整個協同小區內的期望值，該期望值更符合網絡的實際情況，更能準確地反應CoMP的實際代價，以下建立系統級仿真平臺，對以上兩種代價模型進行仿真模擬和比較。

3 系統仿真分析

建立基于LTE－A的系統級仿真平臺，系統共由7小區構成，采用Wrap－round模型［9］，具體參數如表1所示。

表1 系統仿真主要參數設置

采用雙基站協作仿真協作吞吐量代價和吞吐量增益指數。模擬了MIMO－OFDM、調度算法等系統級功能，并添加了多點協作傳輸技術的實現。

圖3仿真了用戶處在小區不同位置時，CoMP和非CoMP下的SINR值，仿真結果表明在小區中心位置，CoMP帶來的信噪比增益非常有限，隨著用戶與主服務基站距離的不斷增加，采用CoMP所帶來的信噪比逐漸增加。在小區邊緣，采用CoMP比非CoMP可以產生5 dB左右的SINR增益。

圖3 SINR仿真曲線

圖4為協作吞吐量代價仿真，為了更具一般性，在此仿真中，以協作頻率效率代價，即協作吞吐量代價除以協作資源帶寬作為仿真參量。由該仿真可見，將協作資源調度到協作小區內不同地理位置的用戶時，產生的吞吐量各不相同。將同一頻譜資源調度給小區中心用戶產生的吞吐量遠大于將該頻譜資源調度給小區邊緣用戶。當用戶處于距離基站50 m的小區中心位置時，該頻率資源產生的吞吐量為6 Mbit/s，而當用戶處于距離基站500 m的小區邊緣位置時，該頻率資源產生的吞吐量僅為0.4 Mbit/s。在該仿真條件下，假設協作小區存在20個不同位置的單位面積內均勻分布的用戶，那么仿真可得到協作吞吐量代價的期望值為1.6 Mbit/s。

圖4 協作吞吐量代價仿真曲線

圖5仿真了單個用戶采用CoMP后的吞吐量增益，仿真結果表明，處于不同位置，用戶采用CoMP后產生的吞吐量增益不盡相同。小區中心用戶使用CoMP模式后產生的吞吐量增益非常有限，離主服務基站越遠的用戶，采用CoMP后產生的吞吐量增益越顯著。在小區邊緣，CoMP可以為邊緣用戶帶來約0.5 Mbit/s的吞吐量增益。

圖5 不同模式下吞吐量仿真曲線

圖6為吞吐量增益－損失比曲線，增益－損失比隨CoMP用戶與主服務基站距離的增加而逐漸增大，即越靠近小區邊緣的用戶，吞吐量增益越大，在500 m處的增益比約為0.32。

圖6 吞吐量增益－損失比仿真曲線

表2列出了位于不同位置時，CoMP用戶吞吐量增益－損失比。

表2 CoMP用戶吞吐量增益－損失比

4 小結

本文研究了SU－JP－CoMP下的協作代價，提出了期望代價模型，并建立LTE－A系統級仿真平臺，模擬了協作代價因子和吞吐量增益－損失比。仿真結果表明，相比中心用戶而言，對邊緣用戶采用CoMP服務能夠更大地增加用戶的服務質量和提高頻譜利用率。距離主服務基站越遠的用戶采用CoMP服務后，能夠得到越大的吞吐量增益－損失比。在本文的仿真環境中，該吞吐量增益－損失比的最大值可以達到0.32。該結論為CoMP技術的性能評估提供了更加合理的符合系統實際性能的依據，為更佳合理地劃分CoMP和非CoMP用戶提供理論依據。

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