基于盲源分離的云無線接入網接入策略

沈 毅，齊麗娜

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于盲源分離的云無線接入網接入策略

沈 毅，齊麗娜

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

由于移動通信技術的快速發展和互聯網資源的極大豐富，人們可以輕松獲得更加便利和多樣的信息服務，然而日益增長的數據量使得現有無線蜂窩通信系統需要支撐更重的業務負擔并提供更高的通信速率，因此提升蜂窩系統的效率是一個重要課題。云無線接入網技術是一種高效的、針對接入網絡集中化的新技術。為此，基于云蜂窩，采用盲信源分離算法，設計并實現了一種根據云蜂窩網絡拓撲結構進行信道選擇的接入策略，使蜂窩系統在工作時可以選擇合適的信道，從而提高協作通信的效率；同時還針對系統性能較差的拓撲結構，對原有接入策略進行了改進，使得蜂窩系統具有最佳的誤碼率性能。仿真結果表明，所提出的接入策略有效降低了系統誤碼率，提高了信道使用效率。

云無線網絡；接入策略；云蜂窩系統；拓撲結構；盲信源分離；協作通信

0 引 言

近年來，隨著移動互聯網技術的高速發展，促進了移動通信技術升級換代的步伐。21世紀以來，人們經歷了從2G到3G、再到目前被廣泛運用的4G技術的時代，移動通信速率也從GSM系統最初的9.6 kbps[1]發展到3G時代的2 Mbps[2]，再到可以滿足各種多媒 體需求的LTE的100 Mbps[3]。爆炸性增長的信息量對信息傳輸速率和信息處理能力提出了極高的要求，因此現有的蜂窩系統需要不停地進行技術升級來應對這種挑戰。

傳統的針對性解決方案是提升基站數量，即劃分出更小的蜂窩，并以此來提升信息容量。然而，維持高密度的基站分布將會帶來一系列開銷，例如額外增加的維護成本、更加頻繁切換帶來的效率低下，更糟糕的是，越來越小的基站間距會帶來碼間串擾，嚴重影響了蜂窩系統的通信質量。

為了減少蜂窩變小帶來的不必要切換，一項新的技術正在被廣泛運用。云無線接入網(Cloud Radio Access Network,C-RAN)是移動通信無線網絡架構的重要演進方案，所謂C就是基于集中化處理(Centralized Processing)、協作式無線電(Collaborative Radio)和實時云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網構架(Clean system)[4]。C-RAN主要包括3部分：由遠端無線射頻單元和天線組成的分布式無線網絡,由高帶寬低延遲的光纖或光傳輸網連接遠端的無線射頻單元(Remote Radio Head,RRH),由高性能通用處理器和實時虛擬技術組成的集中式基帶處理池(Virtual Base Station,VBS)[5]。

現有的蜂窩通信系統中信道資源的分配是利用信號衰減原理，將頻譜劃分為若干個信道(用戶信道載波)，在距離足夠遠時可以復用信道，但是相鄰的蜂窩之間需要避免使用相同頻率的信道，因此會犧牲一部分頻譜資源。不僅如此，當移動站在不同蜂窩小區之間移動時，帶來的切換也會增加系統負荷。為了解決以上問題，可以針對現有系統接入策略進行改進來提升系統效率。

基于C-RAN的基本結構，新策略將臨近蜂窩分成一個集群并且允許一個集群內的不同蜂窩使用相同頻率的信道。在一個蜂窩集群內，RRH接收由移動臺發出的信號的混疊，信號通過物理鏈路傳輸到VBS，再經過盲信源分離算法(BSS)后被還原成源信號。并且針對不同網絡拓撲結構帶來的分離效果影響，提出了一種可以有效降低誤碼率的接入策略，使蜂窩系統在工作時可以選擇合適的信道，具有最佳的誤碼率性能。

仿真結果表明，所提出的接入策略可有效降低系統誤碼率，提高信道使用效率。

1 傳統無線接入網架構

1.1 傳統無線接入網架構及劣勢分析

在傳統無線接入網架構中，每個小區由基站獨立覆蓋，基站僅服務本小區用戶，且與其他小區基站不共享數據。基站實現的硬件平臺以ASIC、DSP、FPGA為主，在硬件平臺上實現主要的基帶處理，再通過光纖網絡連接到遠程射頻單元實現遠端無線覆蓋。

傳統無線接入網架構經過幾十年的發展，取得了巨大成就。然而，面對如今移動互聯網推動下的海量數據需求，彈性的網絡接入，傳統接入網架構面臨著高能耗、低容量、低資源利用率等諸多挑戰[6]。首先，為了滿足日益增長的設備接入與傳輸，移動運營商不斷增加基站數量，相應地導致了能耗的顯著增長[7]；其次，傳統基站硬件平臺雖然處理速度很快，但靈活性差，可擴展性不強，維護升級成本高。面對快速演進的通信技術，其更新換代速度快，往往帶來很大的硬件資源浪費。

1.2 傳統蜂窩系統架構模型

現有蜂窩網協作通信的部署主要是以傳統蜂窩網結構為基礎，為增強無線通信系統的網絡覆蓋、提高網絡結構的魯棒性、降低網絡建設成本、提高用戶服務QoS性能逐漸演進而來。雖然實際蜂窩網絡是可以無限擴展的，但是表現為一種基本結構的復制，因此分析網絡性能可以通過簡化的網絡模型來進行。蜂窩網協作簡化模型主要有線性蜂窩協作模型、環形蜂窩協作模型和分簇蜂窩協作模型。之后的研究內容是在分簇蜂窩協作模型的基礎上進行。

分簇的蜂窩網協作模型是對實際商用蜂窩網絡的一種裁剪，主要有三種數量小區，組成的三小區共點模型、七小區環繞模型和十九小區環繞模型。三小區共點模型主要用來研究邊緣小區用戶的系統性能[8]，一般選在將研究用戶放置在三個小區的公共點附近。

在分簇的蜂窩網協作模型中，鄰小區之間的同頻干擾一直是系統中難以解決的難點問題。同頻干擾對位于小區邊緣的用戶具有十分嚴重的影響，邊緣用戶由于在通信時受到較大的同頻功率干擾，其上下行鏈路的接收信號均會受到嚴重影響，從而降低了通信質量。因此，在云蜂窩網絡模型中，基站的布置在原有網絡上呈倍增加，這使得網絡內的用戶更容易受到同頻干擾的影響。在蜂窩網絡模型下解決鄰小區的干擾問題，是信道頻率資源分配策略研究的重點所在。

2 基于盲源分離的接入策略分析

2.1 混疊信號的表示

通常情況下，蜂窩網絡中相鄰的蜂窩會盡量避免使用相同頻率的信道，使之間的干擾保持一個較低的水平。但是，這樣做將會使每個蜂窩不能使用所有的信道，因此會帶來一部分頻率資源浪費的開銷。為此，提出一種在蜂窩集群內使用盲信源分離技術來解決信道不能被全部利用的方法。在該方案下，多個用戶可以同時使用相同的信道進行通信，并且多個信道能同時服務一個用戶。因此，該方案可以有效提高單個用戶的容量，并且能有效減少用戶在不同小區間移動帶來的切換，通信速率也將有一定的提升。

如圖1所示，在一個由三個蜂窩形成的蜂窩集群中，每一個RRH將會接收到移動臺(MS)發出的不同信號的混疊。

混疊信號的表達式如下：

圖1 蜂窩集群中RRH與MS信號的混疊

(1)

2.2 ICA算法

一個集群內的不同RRH收到混疊信號后，將其傳輸給VBS進行盲信源分離。通常情況下，大多數的盲信源分離采用的是獨立成分分析(ICA)[9]。ICA能夠分離出數據中的獨立分量。在信號重構中，ICA省去了制定重構規律的過程，僅憑其算法模型挖掘信號的隱藏成分，并按ICA模型的規律進行重構。與傳統的信號重構方法相比，無需先驗知識，拓寬了重構范圍，簡化了重構過程[10]。其公式如下：

x(t)=As(t),y(t)=Bx(t)

(2)

2.3 拓撲結構對分離效果的影響

2.3.1 噪聲的影響

在傳統的蜂窩系統中，為了盡量減少干擾信號的影響，相鄰的蜂窩會使用不同頻率的信道，這樣做也帶了一部分頻率資源的浪費。為了把這一部分被閑置的頻譜資源利用起來，相鄰的蜂窩形成一個蜂窩集群，同一個集群內的不同蜂窩將可以重復使用同一頻率的信道接收不同的信號源，然后通過ICA算法將其分離并得到源信號。并且，已有研究表明[11]：即使是已經經過混疊的多徑信號也能通過ICA算法被精確還原。

在沒有噪聲干擾的情況下，只要源信號是統計獨立的并且混合矩陣滿秩，ICA算法都能精確估計分離矩陣，得出源信號[12]。然而在實際通信系統中，噪聲是一定存在的，所以在進行ICA的過程中一定會受到噪聲的干擾，將會得到一個有偏差的源信號估計值，其值由式(3)給出。

(3)

2.3.2 拓撲結構的對角優勢系數

由以上的討論可以得出，蜂窩集群的拓撲結構對于源分離效果的好壞有著至關重要的影響。為了衡量拓撲結構的對角優勢程度，可以由式(4)給出一個參考量D(A)。

(4)

3 仿真結果及分析

為了驗證蜂窩集群拓撲結構對分離性能的影響，如圖2所示，實驗假設有四種不同的拓撲結構，并且其對角優勢性能依次降低，即D1(A)>D2(A)>D3(A)>D4(A)，盲信源分離算法選擇JADE[12]，使用OFDM信號作為MS源信號，并且在源信號中加入了SNR從1到20不等的高斯噪聲作為干擾，計算分離后信號的誤碼率。

圖2 不同拓撲結構

實驗結果如圖3所示。蜂窩集群的不同拓撲結構對源分離效果有著影響顯著，其中，最不具有對角優勢的結構(1)的誤碼率一直維持較高的程度，分離效果不甚理想；隨著混合矩陣A的對角優勢的加強，其D(A)越來越接近于0，由實驗仿真結果可知，D(A)越小，其分離后信號誤碼率越小，盲信源分析的效果也就越好；而在同一拓撲結構下，信源中噪聲的大小對于分離效果也有顯著影響，SNR比較低的情況下，分離后的誤碼率比較高，而隨著SNR的不斷提升，其相對應的誤碼率也隨之迅速下降，同時，D(A)越小的結構的誤碼率相應地減小更快。

圖3 不同拓撲分離效果仿真結果

由于實際通信系統對誤碼率有較高要求，一般需要達到10-3左右，而仿真結果表明除了拓撲4以外，其他的3種拓撲結構很難達到要求，所以需要盡量減少這三種拓撲結構的出現頻率，因此，根據拓撲4，提出了一種多蜂窩集群協作選擇接入用戶的策略。如圖4所示，在多個蜂窩集群內，對之前的拓撲1進行拓展，把原有的3個MS接入到臨近蜂窩集群內，形成3個類似于拓撲4的結構。

圖4 蜂窩集群拓撲結構拓展示意圖

實驗仿真結果如圖5所示。相對于原有拓撲，在新的接入策略下，系統誤碼率有了大幅下降，可以滿足實際通信系統的要求。

圖5 接入策略優化效果對比圖

4 結束語

C-RAN作為一種新型的無線接入網絡結構，利用分布式RRU和集中式BBU基帶池，可以實現先進的多點傳輸接收技術，支持多標準的軟件無線電、虛擬基站與資源融合、RAN邊緣業務等。相比于傳統接入網絡，C-RAN擁有更大的靈活性和優越性，能有效提升網絡的譜效率和能效率。為此，提出了一種在云無線接入網絡中基于盲信源分離(Cloud-BSS)的新型接入策略。利用云無線接入網絡的集中化特征來提升移動蜂窩網絡的性能。Cloud-BSS將一組相鄰蜂窩作為一個蜂窩集群，允許相鄰的蜂窩使用同一頻率的信道進行通信，可以使系統中所有頻率的信道都被充分利用，從而提高系統頻譜效率，減少不必要切換，并消除一部分的碼間串擾。同時還分析了不同的蜂窩集群中拓撲結構的性能指標，提出了一種新型的量化對角優勢性能的參數D(A)，設計并完成了仿真對比實驗，根據實驗結果綜合分析了蜂窩集群不同拓撲結構對Cloud-BSS誤碼率性能的影響，對接入策略進行了進一步優化。實驗結果表明，經過優化的接入策略與原有策略相比，有效降低了誤碼率，提升了通信效率。

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An Access Strategy for Cloud Radio Access Network with Blind Source Separation

SHEN Yi,QI Li-na

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Due to the rapid growing popularity of mobile communication technology and abundance of Internet resources,it is quite easy for people to get more convenience and variety of information services.However,the increasing amount of data makes the existing wireless cellular communication system to support heavier burden on the business and provide a higher rate of communication.Therefore,how to improve efficiency of the cellular system is still an important issue.Cloud radio access network technology is a new efficient technology for centralized access network.Based on the cloud cellular,a new method of channel selection has been designed by using the blind source separation algorithm,to make the cellular system select the appropriate channel to improve the efficiency of cooperative communication.Against the poor performance of the system topology,the original access strategy has been improved so that the system has a best error rate performance.The simulation results show that the proposed access strategy has effectively reduced the bit error rate of the system and increasing efficiency of channel.

cloud radio network;access strategy;cloud cellular system;topological structure;blind source separation;cooperative communication

2016-05-30

2016-09-08

時間：2017-03-07

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329005)；國家自然科學基金資助項目(61471201)

沈 毅(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為云無線接入網；齊麗娜，副教授，通訊作者，研究方向為認知無線電網絡中頻譜資源相關理論、5G寬帶無線通信技術。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0922.056.html

TP301

A

1673-629X(2017)04-0025-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.006