協作多點通信系統中的資源分配算法及仿真

李俊杰 許方敏 潘 鵬

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

協作多點通信系統中的資源分配算法及仿真

李俊杰 許方敏 潘 鵬

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

為了進一步提高協作多點通信系統的系統性能，文章將小區中的用戶分為小區邊緣用戶和小區中心用戶，小區中心用戶采用單小區服務的方式，而小區邊緣用戶采用多小區服務的方式，并為小區邊緣用戶選擇路徑增益最大的兩個小區為其提供服務。仿真結果表明，所提出的算法有效地提高了小區邊緣用戶的吞吐量，明顯降低了用戶掉話率。

協作多點；小區邊緣用戶；小區中心用戶；資源分配

1 引言

為了實現5G系統在高速率、高質量方面的通信需求，除了在物理層使用更能提高頻譜效率的多天線（MIMO）技術、正交頻分復用（OFDM）技術等關鍵技術之外，小區邊緣用戶問題也亟需得到有效的解決。因為小區邊緣用戶要忍受比在小區中心用戶更糟糕的通信環境，比如接收由于衰減和小區間干擾造成的劣質信號等。此時若只有一個天線為其提供服務有可能不能保證用戶的通話質量。這時就需要其它的一個或幾個天線同時為用戶提供服務。

為了提高小區邊緣用戶性能，IMT-Advanced系統[1-4]引入了協作多點（CoMP）傳輸/接收技術。CoMP技術是一種干擾抑制技術，通過小區間的聯合調度和協作傳輸，使小區邊緣的CoMP用戶的干擾信號變為有用信號，或降低來自相鄰小區的干擾水平，從而提高小區邊緣吞吐量，并且增強系統性能，一定程度上達到了抑制協作簇簇內的小區間干擾（簡稱協作簇簇內干擾）的目的。

另一方面，對于小區中心用戶來說，一個天線為其提供服務已經保證用戶的通話質量，不需要進行多根天線的服務。因此，本文主要研究如何選擇天線為用戶提供服務，能使用戶通話質量較好且系統消耗最小。

下面，本文將主要針對在協作多點架構下用戶的接入問題展開討論，將分別闡述小區中心用戶和小區邊緣用戶的接入問題，并特別針對邊緣用戶提出基于路徑增益最優原則的接入算法，并對其進行仿真分析。

2 系統模型

本文的系統模型可用圖1表示：

圖1　小區邊緣用戶的接入過程

圖 1描述了小區邊緣用戶接入系統時的天線選擇情況。圖中數字1～7號表示協作小區編號，C表示資源。此時該用戶正處在小區 1的邊緣，當它請求接入時系統通過接收到的導頻信號強度計算其路徑增益并和增益門限值比較以判斷它屬于小區邊緣用戶。然后根據最優原則選擇此時增益最優的1號天線和次優的 2號天線作為服務天線，并為其分配此時 1號和2號都空閑的資源，如圖中的資源C。若此時沒有共有的空閑資源為其服務，則將該用戶轉入等待隊列。然后，協作處理中心獲得當前服務天線單元使用所分配資源與用戶通信時該用戶接收信號的總信干噪比(SINR)，與設定的門限值比較，若低于該門限值，直接將該用戶轉入等待隊列或者阻塞掉。否則準許接入，接入過程結束。

3 資源分配算法

3.1 小區中心用戶的接入算法

與小區邊緣用戶相比，處于小區中心的用戶通信環境較好、受到干擾較小。所以，處于中心的用戶在系統負載不大的時候，一根天線就基本可以滿足其QOS的要求，在系統負載過大時，多天線技術的使用也能保證小區中心用戶的業務需要。因此，對于小區中心用戶的接入算法，可以總結為協作處理中心根據系統負載、用戶需求、鏈路質量、協作簇大小等因素來調整天線單元個數，以保證小區中心用戶的通話質量。在論文的仿真設計中，小區中心用戶只由一個小區為其提供服務。

3.2 小區邊緣用戶的接入算法

對于小區邊緣用戶而言，要忍受比在小區中心的用戶更糟糕的通信環境，比如接收由于衰減和小區間干擾造成的劣質信號等。因此，需要多個小區為其提供服務，為了進一步防止資源的浪費，本節針對小區邊緣用戶提出了基于路徑增益最優原則的接入算法。

該算法的基本思想是，在用戶請求接入時，對用戶根據路徑增益大小進行判斷，以分辨該用戶是否小區邊緣用戶。如增益低于門限值，則視為小區邊緣用戶并選擇增益最優和次優的天線，當這兩個天線都無法滿足其需求時，則將該用戶轉入等待。在信道分配方面，為用戶選擇這兩個天線共有的空閑資源或者是效果最優的資源。具體步驟如下：

（1）系統根據用戶的接入請求信號判斷用戶是否為小區邊緣用戶。比如：根據用戶發送來的信號強度，計算該用戶的路徑增益，若路徑增益低于門限值的用戶則判定為小區邊緣用戶；否則判斷為中心用戶；

（2）按照最優原則為該用戶選擇增益最優和次優的兩個天線作為該用戶的服務天線，并為用戶分配這兩個天線共有的空閑資源接入。若此時檢測的所有天線都不存在空閑資源，則將該用戶轉入等待隊列；

（3）系統獲得當前服務天線單元使用所分配資源與用戶通信時該用戶接收信號的總信干噪比(SINR)，與設定的門限值比較，若低于該門限值，直接將該用戶轉入等待隊列或者阻塞掉。否則準許接入，接入過程結束。

4 性能分析

為了仿真該算法的性能，將其與另外一種傳統的接入算法比較。算法一，協作小區大小固定為3，小區邊緣用戶接入時選擇路徑增益最大和次大的兩個天線單元，并為用戶分配二者共有且是最優的空閑資源為其服務。算法二，小區邊緣用戶接入時只選擇路徑增益最大的一個天線單元，并隨機為用戶分配該天線空閑資源為其服務。由于本仿真主要比較接入算法的性能，故仿真中用戶靜止，當新用戶接入而影響系統中已有用戶的通話時，將引起切換，切換的用戶作為新用戶，重新選擇天線單元及分配資源。

仿真參數設置如表1所示。

表1　仿真參數

圖 2給出每個小區不同的用戶數量時，系統的總吞吐量的變化情況。藍色線表示算法一即當有小區邊緣用戶接入時，系統選擇路徑增益最大和次大的兩根天線作為用戶的服務單元并為用戶分配共有空閑資源的算法的性能。虛線則表示算法二即只為小區邊緣用戶選擇路徑增益最大的一根天線為用戶服務的算法的性能。吞吐量是指通信系統在單位時間內可以傳輸數據的量，以Mbps為單位，從圖中可以看出，隨著用戶數的增加，算法一發揮了多天線技術，使得總吞吐量明顯高于算法二。

圖2　系統吞吐量隨用戶數變化曲線

圖3　小區邊緣數據速率隨用戶變化曲線

圖 3表明當用戶數不斷增加，雖然小區邊緣的數據速率在不斷下降，但算法一的數據速率仍然高于算法二。這是因為隨著用戶數的不斷增加，系統的負載開始加大，而在資源固定不變的情況下，高負載必定使系統的處理過程變慢。而算法一采用的最優原則在一定程度上提高了系統的處理性能，使其在同等條件下數據速率仍然高于算法二。

圖 4給出了當用戶數不斷增加時，小區邊緣用戶的接入失敗率的變化曲線。該失敗率包含了由于載波不夠而隨機阻塞的用戶和由于信干噪比不夠而被阻塞的用戶。從圖中很明顯的看出，使用算法一小區邊緣接入的成功率明顯高于算法二。在算法一中，小區邊緣用戶得到的是路徑最優和次優的兩根天線為其服務，而算法二只有一根天線，并是隨機選擇空閑資源為用戶服務，因此，采用算法一的接入成功率明顯高于算法二。

圖4　掉話率隨用戶變化曲線

5 總結

在協作多點的網絡架構下，基于路徑增益最優原則的小區邊緣用戶的接入算法充分考慮了這種分布式結構的特點，本章首先針對該算法構建了仿真環境，分模塊介紹了仿真的流程，最后從仿真的結果可以看出該算法可以有效的解決小區邊緣用戶接入通信系統時的天線選擇問題，保證小區邊緣用戶的通話質量，大幅提高系統的容量，提高了用戶的接入成功率和資源利用率。

[1] Lee,Daewon;Seo,Hanbyul;Clerckx,Bruno,et al.Coordinated multipoint transmission and reception in LTE-advanced: deployment scenarios and operational challenges[J]. Communications Magazine, IEEE,2012,50(2):148-155.

[2] Dongwook Choi,Dongwoo Lee, Jae Hong Lee[J]. Resource Allocation for CoMP With Multiuser MIMO-OFDMA, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, 2011,60(9):4626-4632.

[3] 韓東升,袁華璐,丁莎莎,等.一種無線異構網絡中的分步協作基站分簇方法[J].電訊技術,2016,56(5):531-537.

[4] 王盛,鄭娜娥.CoMP 中以天線為基本單位的雙向協作集生成算法設計[J].軟件,2015,36(8):99-106.

A resource allocation algorithm and simulation for CoMP systems

In order to further enhance the system performance of cooperative multipoint communication system, this paper splits the users into cell-edge users and cell-center users. Cell-center users adopt the way of single-cell service; cell-edge users utilize another way by multi-cell service, and it chooses two cells which have maximum path gain to provide service for cell-edge users. Simulation results indicate the proposed algorithm improves the throughput and reduces the drop call rate of cell-edge users effectively.

Coordinated multipoint transmission and reception (CoMP); cell-edge user; cell-center user; resource allocation

TN929.5

A

1008-1151(2016)09-0015-03

2016-08-12

浙江省自然基金項目（LQ15F010004）；浙江省教育廳項目(Y201224171) 。

李俊杰（1994－），浙江仙居人，杭州電子科技大學學生，研究方向為通信工程。