單頻網多小區半動態組網方法

盧文茜, 王曉湘, 張海波

（北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室,北京 100876）

0 引言

3GPP在R6中提出了多播廣播多媒體服務（Multicast/Broadcast Multimedia Services,MBMS）的概念,由于它能傳輸同一多播內容給大量的用戶,節省了大量的系統資源,引起了學術界和產業界的關注。但是目前關于MBMS的研究都集中在單小區廣播上,而4G網絡又對MBMS提出了更高的要求,傳統的單小區傳輸已經很難滿足這些需求,因此基于單頻網的多小區傳輸逐漸引起了大家的關注。

所謂單頻網（single frequency network,SFN）,即在一定的地理區域內若干部發射機同時在同一個頻段上發射相同的信號,以實現對該區域的可靠覆蓋。由于SFN能顯著提高系統頻譜效率,而且,UE在SFN內移動時無需任何切換,大大減少了信令的開銷[1]。因此對于頻率資源日趨緊張的今天,關于SFN在移動通信中應用的研究就顯得更有意義。

目前關于單頻網的研究有很多,但大多都集中對性能評估和資源分配的研究[2-4]。而對單頻網組網方法的研究卻非常少。在標準中初步使用的是基于運行和維護（operation and maintenance,O&M）配置的靜態SFN組網方法,該方法操作簡單,能夠顯著的降低SFN組網的復雜度,但是靈活性較差,并且無法對接入MBMS業務的用戶進行合理的分配。O&M方式的SFN區域為了覆蓋到那些難以覆蓋到的用戶位置需要把整個區域設置的非常大。這樣對于某些沒有MBMS業務接入的小區資源被空閑了,就不可避免的造成無線資源和傳輸資源的大量浪費。

動態SFN是在R2的最近幾次會議中提出,是對傳統的靜態SFN方法的一種改進。動態SFN根據系統中多播用戶的分布情況和運動軌跡動態的拆分或合并SFN區域,可以將空閑出來的那些小區用于其也業務,雖然可以時刻滿足用戶覆蓋,但動態SFN操作復雜,變化頻繁,因此需要過多的系統調度開銷。也不適用于實際的系統。

基于上述分析,提出了一種SFN半動態組網方案,該方案基于預設的門限值和用戶的移動性,判斷如何對單頻網進行擴展或收縮,使其在滿足SFN性能的同時,大大降低了重新組網頻率和組網方案的復雜度。

1 系統模型

如圖1所示,SFN區域包含3種小區。第1種小區,在圖中用深色表示,同時傳輸數據和信令信息。第2種淺色小區僅傳輸數據信息。第3種白色小區則為預留小區,不傳輸數據和信令信息,通常稱為保護小區[5]。單頻網中多播數據經過核心網,MBMS協調實體（MBMS Coordination Entity,MCE）,基站,最終傳給用戶。所有基站以相同的時頻資源同時傳輸同一組多播數據,用戶對這些信號進行合并。其中MCE實現的是單頻網中基站間的資源分配功能。

圖1 SFN延展/收縮模型

當UE1從核心小區 A移動到SFN邊界小區B時,為了滿足用戶服務的連續性,小區B的演進型移動基站（Evolved Node B,eNodeB）向MCE發送延展SFN請求,MCE判斷是否需要對SFN進行延展。若是,則相應進行SFN的延展操作,否則保持SFN覆蓋不變。

SFN收縮相對于SFN延展,操作相對簡單。邊界小區ENB定期向MCE發送計數結果,如果在有效周期時間段內此小區業務狀態低于某個指標,則執行SFN收縮操作。如圖1（b）,標號為B的小區在一段時間內業務分布狀態低于某個門限值,所以執行SFN收縮操作。此時B不再屬于SFN區域,且標號為 A的小區變為邊界小區[6]。

2 SFN多小區半動態組網

靜態組網方式雖然應用簡單,能夠顯著的降低SFN的復雜性,但是靈活性較差,并且無法對接入MBMS業務的用戶進行合理的分配,不可避免地造成無線資源和傳輸資源的浪費。動態組網方式可以時刻滿足用戶覆蓋,但是操作復雜頻繁,對資源的浪費亦不可避免。因此結合以上2種方法的優缺點,提出了一種半動態組網方案,使其既具備良好的SFN性能,又能節約因頻繁切換網絡所需的系統資源,且流程相對簡單。

由于單頻網的最大優點,就是相較于單小區廣播,它可以顯著提高系統的吞吐量,因此半動態組網的核心思想是,在網絡運行過程中,若有邊界小區的用戶分布因用戶移動而發生變化的情況出現,系統判斷是否更新網絡拓撲結構,若單頻網邊界小區的吞吐量達不到預先設定的門限值時才執行動態組網操作方式。由于對SFN進行延展和收縮的判斷條件和具體流程不同,下面分別對這2種情況進行介紹。

2.1 延展SFN

以單頻網方式實現多播廣播業務的傳輸,其性能主要體現在吞吐量上,所以以吞吐量作為指標判斷SFN性能。系統模型中提到,當UE1從核心小區 A移動到SFN邊界小區B時,MCE需要判斷是否對單頻網進行延展。所以,提出通過吞吐量這個指標判斷是否進行SFN延展操作。

模型用公式表示如下:

其中,N是SFN中的小區個數。mi是單頻網內接收多播廣播業務i的終端數目,可以通過基于“pull”[7-8]的計數方法獲得。ri是編號為i的業務的數據速率。Tmin是預先設定的SFN小區平均吞吐量的門限值。如何選定 Tmin,是初始化要解決的問題。定義如下:

其中n為業務總數。為保證設定的吞吐量門限值在一個合理的范圍內,定義全部業務的最大平均吞吐量為Tmin的最大值。將此范圍以5%的間隔分隔開,得到20個 Tmin。

基于此模型,提出了復雜度較低的半動態組網方案。當有用戶移動到邊界小區時,用戶有離開SFN的趨勢,這樣用戶將有可能接收不到SFN提供的業務,導致業務的不連續。因此判斷,若將此邊界小區的所有相鄰小區（原本不屬于SFN）都并入SFN,新的SFN的平均吞吐量是否大于我們預先設定的門限值 Tmin。若能達到,則認為當將相鄰小區并入SFN后,多小區協作仍能體現出優勢,因此應該進行SFN延展。否則,認為此時不能達到SFN性能,應維持SFN架構不變。這種延展方式可以在盡量保證用戶連續性的同時降低單/多小區模式切換的開銷。

綜上所述,半動態組網中延展SFN的流程如圖2所示。

基本步驟:

（1）初始化。根據SFN區域中所有基站掌握的用戶及業務信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）若某邊界小區發生用戶移動情況,該基站向MCE發出請求,詢問是否可以執行SFN延展操作。令m′i表示添加相鄰N′個小區后業務 i的接收人數。當 ∑i∈A0m′iri＜Tmin?（N+N′）時,表示添加此N′個小區后,SFN不能滿足性能,則MCE駁回基站請求,算法結束。當 ∑i∈A0m′iri≥Tmin?（N+N′）時,表示若添加這些相鄰小區,SFN仍能滿足性能,則MCE同意基站請求,執行（3）。

（3）添加相鄰N′個小區進入SFN區域。

圖2 延展SFN流程圖

2.2 收縮SFN

邊界小區ENB定期向MCE發送計數結果,由于有用戶從邊界小區向核心小區移動,如果在有效周期時間段內此小區業務狀態低于某個指標,則執行SFN收縮操作。

半動態組網流程:

基本步驟:

（1）初始化。根據SFN區域中所有基站掌握的用戶及業務信息,確定吞吐量門限值 Tmin。

（2）各個邊界小區基站,定期向MCE發送本小區吞吐量的計數結果。Trest表示經過一定時間后,邊界小區剩余用戶的吞吐量。若 Trest≥G?Tmin（其中G為預先設定的一個比例閾值）,表示仍能滿足SFN性能,則操作結束。否則表示有效周期時間段內小區吞吐量低于預先設定的平均吞吐量門限值的固定比例,認為不能滿足SFN性能,執行（3）。

（3）MCE將此邊界小區從原有SFN區域中剔除。

3 仿真結果

圖3 收縮SFN流程圖

從網絡配置變化頻率、吞吐量等角度比較了不同組網策略的性能。

假定單頻網內有20路多播廣播業務,數據速率可能是 16kbps、32kbps、64kbps、96kbps。設 SFN區域每個小區用戶數是20,非SFN區域每個小區用戶數是15,用戶移動服從泊松分布。小區半徑1km。

圖4表示的是預先設定的門限值占吞吐量比例不同的情況下,半動態組網方案延展SFN的概率。可以看到,Tmin與吞吐量比值小于0.93時,延展SFN的概率為1,隨著吞吐量比例的增加,延展SFN的概率有所下降,當Tmin與吞吐量相等時,延展概率為0。這是因為,Tmin越小,將相鄰小區加入SFN后,吞吐量要求越容易滿足。而Tmin與原有吞吐量相同時,由于設定的非SFN小區的小區人數本來就小于SFN小區人數,所以一般不能滿足門限值的要求,將相鄰小區加入SFN的概率為0。靜態組網改變網絡結構的概率為0,動態組網改變概率為100%,半動態組網在特定情況下可以將改變概率控制在一定數值。因此,總體說,半動態方案的調整概率比動態算法小得多,可見半動態方案的實施復雜度遠低于動態方案。

圖4 延展SFN的概率

圖5 3種組網方式吞吐量之比較

圖5縱軸表示系統達到的吞吐量與設定的 Tmin的比值。從圖5知,靜態組網的吞吐量大部分均在 Tmin以下,動態組網的吞吐量大部分均在 Tmin以上,而半動態組網的吞吐量在 Tmin上下浮動。雖然靜態方案不能保證Tmin要求,但實施復雜度最低,所以還是一種有用的機制。同時從圖中看出,動態SFN方案的吞吐量優于半動態方案,但是變化頻率過快,不適用于實際系統。

圖6表示的是半動態方案中收縮SFN的概率。可見,G值越大,此概率越大。因為G值越大,條件 Trest≥G?Tmin越不容易滿足,則此時收縮SFN的幾率將增大。隨著吞吐量比例的增大,5條曲線均有不同程度的增加。這是因為吞吐量比例越大,小區的剩余吞吐量越不容易滿足 Tmin要求,則收縮SFN的幾率增加。由圖6知,半動態組網方案中收縮SFN的調整概率亦不是很高,即單頻網更新網絡拓撲結構的頻率很低。

圖6 G取不同值時收縮SFN的概率

圖7 收縮SFN時靜態組網與半動態組網平均吞吐量之比較

圖7縱軸表示系統達到的吞吐量與設定的 Tmin的比值。從圖7知,無論靜態組網還是半動態組網均可以滿足吞吐量性能。這是由于設定的 Tmin小于初始化時整個系統的平均吞吐量。靜態組網的吞吐量一直不變,所以占Tmin的比例為一個固定數值。半動態組網由于適當更新網絡拓撲結構,所以吞吐量有所變化。圖中可以看出,當有用戶從邊界小區向核心小區移動后,半動態組網的平均吞吐量一般情況下優于靜態組網。

4 結束語

研究了SFN網絡的組網問題。通過分析靜態組網和動態組網方案各自的弊端,提出了一種半動態組網方案。在延展SFN時,半動態組網方式相比靜態組網,可以實現有效覆蓋,保證吞吐量和SFN性能;相比于動態組網,更新網絡拓撲結構概率有所降低。收縮SFN時,半動態組網吞吐量高于靜態組網,且更新網絡拓撲結構概率可控。方案達到了保證用戶移動性和連續性及SFN性能的很好的折中,且更新網絡拓撲結構的概率較小,更適合于實際系統的應用。

[1] 李靜,申敏,基于TD-SCDMA的MBMS技術的研究[D].重慶:重慶郵電大學重慶移動通信國家重點實驗室,2008.

[2] Jia Hui-Iing,Zhang Zhao-yang.On the performance of single frequency cellular Network（SFCN）[C].Personal Indoor and Mobile Radio Communications,2004,3:1963-1967.

[3] Kamble V,Kalyanasundaram S.Efficient Resource Allocation Strategies for Multicast/Broadcast Services in 3GPP Long Term Evolution Single Frequency Networks[C].Wireless communications and networking conference,2009:1-6.

[4] Cheng Ray-Guang,Huang Kuo-Jui,Yang Jen-Shun.Radio Resource Allocation for Overlapping MBS Zones[J].Mobile WiMAX Symposium,2009:75-80.

[5] Jeju Island,R3-072134,SFN Management[C].Korea:5th-9thNovember 2007.

[6] St Louis,Missouri,R3-070202,SFN area dynamic configuration[C].USA:February 12th-16th,2007.

[7] 3GPP TS 25.346.[Z]Introduction of the Multimedia Broadcast Multicast Service in the Radio Access Network.

[8] D Aksoy,M 1eung.Pull VS Push:A Quantitative Comparison for Data Broadcast[C].IEEE GLOBECoM,2004:1464-1468.