HetNet中基于上行CoMP的動態多小區接入算法

李翔明，秦 爽，馮 鋼

（電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川成都611731）

0 引言

協同多點傳輸/接收（Coordinated Multi-point Transmission and Reception，CoMP）對提升小區邊緣用戶的數據傳輸性能具有十分重要的作用。3GPP在CoMP R11項目中正式啟動了針對CoMP技術在HetNet中應用的研究[1，2]。目前已有的研究工作[3－5]主要關注的是如何利用CoMP機制來改善HetNet中小區邊緣用戶的下行傳輸性能，而怎樣采用CoMP機制來提高小區邊緣用戶的上行傳輸性能，還少有研究者關注。

在非異構LTE網絡中，研究表明采用CoMP機制能有效地改善小區邊緣用戶的上行傳輸性能[6－8]。但在HetNet中，低功率小型基站的引入，使得網絡環境變得十分復雜，網絡中存在多個重疊覆蓋的區域，產生了多個新的小區邊緣區域。小區邊緣用戶在采取CoMP機制進行上行傳輸時，可選的協作基站數量和類型也大大增多。同時，由于產生了多個新的微小區，移動用戶在不同小區間的切換也更加頻繁。因此，在HetNet中，移動用戶如何在復雜多變的網絡環境下，合理地選擇合適的基站參與協作，采用CoMP機制來提高上行數據傳輸的性能，是一個值得深入研究的問題。

1 系統模型及問題描述

1.1 系統模型

一個典型的HetNet場景如圖1所示，一個宏小區中存在多個小型基站。HetNet中的小型基站類型有多種，包括微基站（Micro）、微微基站（Pico）、家庭基站（Femto）和RRH（Remote Radio Head）等。不失一般性，本文用RRH來表示HetNet中的低功率小型站點。RRH通過光纖與宏基站相連，擁有自己的物理小區ID，并且發送自己的同步信號和參考信號等，接入該RRH小區的用戶直接從RRH處接收到調度信令和反饋信息，并且發送上行控制信息和反饋信息給RRH。在上行鏈路中，當采用CoMP機制來支持用戶的數據傳輸時，一個用戶能夠同時被一個主服務小區和多個協作小區服務。

圖1 HetNet網絡

1.2 邊緣用戶定義

一般情況下，有2種方法來定義邊緣用戶，一種是根據用戶接收到的信號功率，這種方法被大家廣泛接受，并在很多提案中使用[9];另一種是根據用戶所在的地理位置來決定[10]。但在異構環境中，RRH的引入實際上對原來的LTE網絡起到了小區分裂的作用，提供了新的小區覆蓋區域，地理位置上就增加了新的小區邊緣，而且RRH的加入也會影響到用戶的接收信號功率，原有的邊緣用戶判定方法將不再適用[4]。綜合考慮用戶所處位置的實際鏈路衰落和環境噪聲兩方面對用戶接收信號的影響，選取用戶接收的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）來判定是否為邊緣用戶，當用戶接收到主服務小區的SINR小于某一門限值SINRth時，被認為是小區邊緣用戶。

根據文獻[4]，在實際的移動通信網絡中，小區邊緣的用戶約占用戶總數的10%。通過仿真發現，如果用戶隨機均勻分布在小區中，當宏小區SINRth=0dB，RRH小區SINRth=－15dB時滿足這一條件。因此在本文的研究中，分別將宏小區和RRH小區的SINRth設置為0dB和－15dB。

2 上行CoMP的動態多小區接入算法

針對CoMP協作小區選擇的研究，目前在3GPP RAN1中主要有動態、靜態以及半靜態3種選擇策略[11，12]。在HetNet中，低功率基站的部署將導致網絡拓撲變得更加復雜，移動用戶面臨更加復雜的動態網絡環境。因此，考慮采用動態的CoMP協作小區選擇策略，根據用戶所處環境的實際信道條件動態地選擇協作小區參與上行CoMP傳輸，提出了基于上行CoMP的動態多小區接入算法（Uplink CoMP Dynamic cell Selection，UCDS）。

對某一用戶來說，該用戶到基站i的上行鏈路信干噪比用SINRi表示，如果滿足條件SINRi＞SINRcomp_th，則選擇該基站作為協作基站，其中SINRcomp_th為協作門限。在LTE標準中規定傳輸的BLER（Block Error Ratio，誤塊率）不得低于0.1，SINRcomp_th是保證用戶到基站的上行傳輸鏈路滿足最低BLER的最小SINR。根據鏈路級仿真結果得到滿足BLER限制條件的最小SINR值約為－7dB，因此，選擇SINRcomp_th的值為－7dB。

在一個時隙中UCDS算法步驟為:

IfSINRr＜0dB %接收SINR小于設定門限值，為邊緣用戶

For b=1:Nb%計算用戶到周邊基站的上行傳輸SINR

End %將基站加入CoMP小區集

End

End

End

僅列出宏小區用戶的情況，RRH小區用戶的算法步驟與宏小區類似。其中，SINRr表示用戶接收的信干噪比;PN表示用戶接收到的所有基站和RRH的功率總和;Pn表示熱噪聲功率;Pr表示用戶接收到的主服務小區功率。SINR為LTE－A中上行傳輸信干噪比[14]，其中M為基站的接收天線數目。R為基站分配給用戶的上行傳輸PRB集合，由基站對用戶的調度信息決定;NPRB為一個PRB上的噪聲功率;Sm（r）為用戶接入的基站b在PRB r上對用戶的接收信號功率。

3 基于二次判決的CoMP小區選擇算法

在HetNet中，采用CoMP機制來支持上行數據傳輸，每個參與協作的基站都需要為用戶的上行傳輸保留需要的資源，并進行必要的控制信息交互。如果參與協作的基站數越多，則CoMP傳輸消耗的系統資源越多，算法實現的復雜度越高。

因此，為了減少系統中的資源消耗，降低算法實現的復雜度，考慮在協作小區動態選擇策略的基礎上，進一步加入二次判決機制，提出了基于二次判決的CoMP協作小區選擇算法（Double Judgement based CoMP cell Selection，DJCS）。當協作小區集中某個基站接收到的參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）遠低于其它RSRP時，該基站就不再參與到對邊緣用戶的協作處理，從而在盡量保證用戶傳輸性能的條件下，減少參與協作的基站數量。

通過仿真發現，當2條鏈路的RSRP相差10倍以上時，采用CoMP傳輸機制和直接選取質量較好的鏈路進行傳輸，獲得的數據傳輸性能相近。因此，在文中如果協作小區集中某個基站的RSRP低于其他基站10倍以上，則該基站退出協作小區集。

根據上述分析，DJCS算法在一個時隙中的具體工作步驟如下:

①根據用戶所在位置接收的SINR判定是否為邊緣用戶，如果是，則進行②，否則用戶進行非CoMP上行數據傳輸;

②計算邊緣用戶到周邊基站的上行傳輸SINR;

③根據計算出的上行傳輸SINR是否大于CoMP判決門限SINRcomp_th來確定邊緣用戶的協作小區集;

④比較協作小區集中各基站接收到的RSRP，當其中某個基站的低于其他基站10倍時，該基站退出協作小區集;

⑤更新后的協作小區集中的基站對邊緣用戶上行數據進行聯合處理。

4 仿真結果

考慮在一個由7個宏小區組成的HetNet場景中進行仿真驗證，其中每個宏小區分為3個扇區，在每個扇區中部署一個RRH，網絡場景如圖1所示。研究證明在LTE－A網絡中將小型站點均勻放置在宏小區半徑的2/3處，將能防止過強的相鄰小區干擾[15]。因此，仿真中將RRH均勻地部署到宏小區半徑的2/3處，宏基站和RRH的發射功率分別為46dBm和30dBm，宏小區和RRH小區的用戶數分別為10和5，仿真初始時刻用戶隨機分布在小區中，并在仿真開始后，在小區內以3km/h的速度隨機移動。

4.1 UCDS和DJCS的邊緣用戶吞吐率評估

為了驗證HetNet中邊緣用戶采用UCDS和DJCS算法對數據傳輸性能的影響，比較了這2種算法與不采用CoMP的傳輸機制帶來的邊緣用戶平均吞吐率差異，如圖2所示。

圖2 邊緣用戶平均吞吐率比較

從圖2中可以看到，在相同的用戶發送功率下，通過小區協作，邊緣用戶的平均吞吐率獲得了較大的提升。DJCS與UCDS相比，邊緣用戶平均吞吐率差距并不明顯，這表明，DJCS算法在減少參與協作基站數量的同時，能有效地保障用戶的數據傳輸性能。

4.2 UCDS算法下的邊緣用戶能效評估

上行CoMP傳輸使邊緣用戶以較低的發射功率獲得了較好的傳輸性能，這說明用戶在獲得較高吞吐率的同時還獲得一定的能效增益。定義邊緣用戶的能量效率為用戶消耗單位能量所傳輸的數據量，可以表示為:

式中，R表示邊緣用戶的平均吞吐率，Pe表示終端能耗。在上行傳輸中，終端發射功率Ptx占了終端上行能耗的大部分，它與Pe之間的關系為:Pe=η×Ptx，η表示終端上行能耗與上行發射功率的比值。η是一個固定值，與功率放大器的放大系數等硬件因素有關系。

不同的用戶發送功率下，使用UCDS算法和非CoMP傳輸機制對用戶能效的影響如圖3所示。可以看到，UCDS算法能夠有效提升終端用戶的傳輸能效。

圖3 邊緣用戶能效比較

4.3 DJCS算法下的系統能耗評估

為了驗證DJCS算法在系統資源消耗方面對UCDS算法的改進，我們通過仿真比較了2種算法下，小區邊緣用戶的平均吞吐率差異和基站端能耗差異。

定義DJCS算法在基站端的能耗為:

式中，Etotal_RB為基站進行數據處理時分配給所有用戶的RB總和，Ucomp_RB為基站參與邊緣用戶的協作處理時，分配給邊緣用戶的RB數。當不參與協作時，基站被調度的RB數減少，能耗降低。

DJCS與UCDS相比，小區邊緣用戶平均吞吐率損失的比例和基站端能耗節約的比例如圖4所示。從圖4中可以發現，DJCS算法以較小的用戶傳輸性能損失，獲得了較高的基站端能耗節約。

圖4 DJCS算法下邊緣用戶吞吐率損失和基站能耗節約

5 結束語

分析了HetNet中上行CoMP對小區邊緣用戶傳輸性能的影響，設計了基于上行CoMP的動態多小區選擇算法，證明了在HetNet中，采用CoMP機制能有效地提高小區邊緣用戶的上行數據傳輸性能。在此基礎上，為了降低系統的資源消耗和小區協作的復雜度，進一步提出了基于二次判決的CoMP協作小區選擇算法，該算法通過二次判決將部分基站從CoMP協作小區集中排除，減少參與協作的基站數。該算法能夠以較小的小區邊緣用戶的傳輸性能犧牲，獲得較大的基站端能耗節約。

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