文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182196
中文引用格式: 齊暢,楊龍祥. 5G超密集組網(wǎng)的多點(diǎn)協(xié)作傳輸和功率分配策略[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(2):58-61,66.
英文引用格式: Qi Chang,,Yang Longxiang. CoMP and power allocation in 5G ultra dense networks[J]. Application of Electronic Technique,,2019,45(2):58-61,,66.
0 引言
隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及智能終端設(shè)備的爆炸式增長,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)面臨著巨大的挑戰(zhàn),。3GPP在LTE-Advanced中提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型HetNet[1],,這種模型是指在現(xiàn)有宏小區(qū)的覆蓋下,大量增加低功率傳輸節(jié)點(diǎn),,如micro,、pico、femto以及中繼等,。由于低功率傳輸節(jié)點(diǎn)的傳輸功率低,,使得其能以極其靈活的方式進(jìn)行部署。這種部署方式成本較低并且能夠彌補(bǔ)宏小區(qū)的覆蓋盲點(diǎn),,提高了系統(tǒng)的頻譜利用率,。此外,在5G中UDN場景下,,大量低功率傳輸節(jié)點(diǎn)可以部署在用戶密集區(qū)域,,這種方式可以有效提升網(wǎng)絡(luò)容量,擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,,但是引入了小小區(qū)間的同頻干擾問題,。因此,多點(diǎn)協(xié)作傳輸(CoMP),,一種通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作傳輸來消除小區(qū)間的同頻干擾技術(shù),,在5G中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。
眾所周知,,小小區(qū)之間干擾是影響UDN性能的主要因素之一[3],,并且由于小小區(qū)之間的距離不斷減小,小小區(qū)間的干擾問題變得更加嚴(yán)重,。文獻(xiàn)[4]在一個以用戶為中心的虛擬范式中研究了干擾對齊問題,,解決了UDN中的干擾問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于圖形的資源分配方法,,最大化了資源利用率,。為了減小小小區(qū)邊緣UE遭受的干擾,文獻(xiàn)[6]提出了信道狀態(tài)和干擾感知功率分配(PAG)方案,,該方案通過調(diào)整發(fā)射功率來減小對其他小小區(qū)邊緣UE的干擾,。但是上述這些方法都沒有考慮到TP之間的合作問題。
系統(tǒng)吞吐量和小小區(qū)邊緣用戶性能可以通過基站(BS)的聯(lián)合傳輸來提高[7-8],。這種聯(lián)合傳輸不僅能有效地消除小區(qū)間的信道干擾,,還可以利用干擾信號來增加信號的接收強(qiáng)度。在UDN中,,小小區(qū)之間的間隔很小,,這會造成小小區(qū)發(fā)生重疊,。由于小小區(qū)邊緣UE接收的信號可能來自多個小小區(qū),這些來自于其他小區(qū)的干擾信號可以通過CoMP進(jìn)行聯(lián)合處理,,以達(dá)到減輕小小區(qū)邊緣UE遭受的干擾的目的,。
雖然TP和BS之間靈活多變的合作傳輸策略可以增加小小區(qū)邊緣用戶的性能,但這將會給無線資源管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)[9-10],??紤]到CoMP帶來的資源分配的問題,本文提出了CLA-CoMP算法,。該算法可以根據(jù)宏小區(qū)下的低功率傳輸節(jié)點(diǎn)服務(wù)的用戶數(shù)目進(jìn)行小小區(qū)負(fù)載平衡,,從而提高了子載波的利用率和系統(tǒng)的總和率。之后針對功率分配問題,,本文采用了P2UPA方案,。相較于平均功率分配(PF-PA)方式,P2UPA能夠以較大的信道增益分配更多的功率,,從而提高了系統(tǒng)的總和率,。
1 系統(tǒng)模型
本文考慮了一個下行的多用戶CoMP蜂窩系統(tǒng)模型,如圖1所示,。在UDN場景下,,TP和UE隨機(jī)分布在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。在CoMP系統(tǒng)下,,用戶根據(jù)所處位置的不同被分為兩類:一類是處于TP覆蓋中心的用戶,,另一類是處于TP覆蓋邊緣的用戶。在尋求服務(wù)時,,兩類用戶都會選擇接收信號強(qiáng)度最大的TP作為home TP,,TP根據(jù)信道狀態(tài)信息(CSI)確定其服務(wù)的初始用戶。中心UE只接受home TP的信號,,對于邊緣UE則可以通過CoMP合作集對其提供服務(wù),。對于合作集群的判定,假設(shè)P0是用戶收到home TP的發(fā)出的信號強(qiáng)度,,Pi是用戶收到第i個TP發(fā)出的信號強(qiáng)度,,處于該邊緣UE合作集中的TP應(yīng)滿足P0-Pi≤δCoMP,其中δCoMP是CoMP集合選擇的閾值,。
假設(shè)T={1,,2,…,,N}表示所有的TP,,U={1,2,,…,,M}表示UE,讓A∈CM×N表示UE和TP之間的分配矩陣,,其中A中的元素的值為:
式中,,等號右邊第一部分表示用戶m收到的期望信號,第二部分表示同頻干擾信號,,而Wm表示高斯白噪聲功率,。gi,n是UE和TP之間的信道矩陣中的元素,,表示第i個用戶和第n個TP之間的信道增益,。Pi,m代表該第i個TP對第m個用戶的發(fā)送功率,。其中UE和TP之間的信道矩陣G為:
本文工作目的是提出一種新的功率分配方式,,從而獲得更大的系統(tǒng)總和率。
2 基于CLA-CoMP傳輸?shù)墓β史峙?/strong>
接下來本文將提出一種基于CLA-CoMP功率分配方案,,以期使小區(qū)的總吞吐量最大化,。首先提出CLA-CoMP方案,然后解決功率分配的問題,。
2.1 基于負(fù)載感知的CoMP
由于TP與用戶之間的關(guān)系受CSI和小小區(qū)負(fù)載信息(CLI)的約束,,假設(shè)用戶和TP之間的CSI是已知的,所以TP可以根據(jù)CSI確定其服務(wù)的初始用戶,。在宏小區(qū)中使用JT-CoMP可以減小邊緣用戶受到的干擾,,提高邊緣用戶的通信質(zhì)量和傳輸速率,進(jìn)而提高總傳輸速率,。但是使用CoMP技術(shù)對資源分配是有要求的,,當(dāng)正在受到TP服務(wù)的UE占用了一段子載波時,被該TP服務(wù)的其他UE不能重用這段子載波,。因此當(dāng)UE數(shù)目增加時,,將會占用更多的子載波,這會造成有些UE不能被TP服務(wù),,所以邊緣UE的傳輸速率會受到影響,。考慮到這個問題,,本文提出了CLA-CoMP方案,,該方案旨在提高小小區(qū)邊緣UE的速率和總和速率R。
假設(shè)TP知道它服務(wù)的UE的CSI,,TP根據(jù)CLI調(diào)整它服務(wù)的UE的數(shù)目,。當(dāng)小小區(qū)負(fù)載足夠大并且高于可用子載波數(shù)時,TP將自適應(yīng)地關(guān)閉信道最差的UE,,從而減少小小區(qū)的負(fù)載,。換句話說,,BS不再為信道最差的UE提供服務(wù)。然后,,被該UE占用的子載波得以釋放,。TP根據(jù)CLI調(diào)整它服務(wù)的UE的數(shù)目,當(dāng)小小區(qū)負(fù)載很大且無可用子載波時,,TP將其服務(wù)的UE中信道增益最小的踢出服務(wù),,該UE占用的子載波隨即被釋放。TP通過這種方法調(diào)整小小區(qū)負(fù)載并更新了它們所服務(wù)的UE,。CLA-CoMP算法如下所示:
初始化:
根據(jù)CSI,,每個TP選擇Un個用戶對其提供服務(wù)。
2.2 基于用戶關(guān)聯(lián)后驗(yàn)概率的功率分配方案
在基于CLA-CoMP的條件下,,下面的部分將討論系統(tǒng)的功率分配,。為了使系統(tǒng)總和率最大,即滿足下面的規(guī)劃方程:
由于C2和C4的非凸性,,可以采用基于P2UPA方案來進(jìn)行功率分配,。相對于以往的PF-PA方案來說,該方案可以為最高關(guān)聯(lián)概率的UE分配更高的功率,。本文假設(shè)每當(dāng)UE請求服務(wù)時,,TP可以獲取關(guān)聯(lián)UE的SINR和可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率?;谏鲜黾僭O(shè),,本文采用P2UPA方案,其中每個UE被多個TP服務(wù),。假設(shè)TP已知關(guān)聯(lián)用戶m的SINR和可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率rm,,P2UPA的原理如下:
(1)確定可行性集:所有滿足約束條件C3和C4的TP是用戶可能連接的TP集合。
(2)先驗(yàn)和條件概率:根據(jù)每個UE可行性TP集合估計(jì)先驗(yàn)概率,。例如,,第i個UE可行性TP的集合為Fi={S1,S2,,…,,Sl}。第i個用戶連接可行性集中每個TP的先驗(yàn)概率為:
3 仿真結(jié)果與分析
本文考慮了一個100×100 m2的通信區(qū)域,。在這個區(qū)域中,,TP和UE被統(tǒng)一隨機(jī)部署,信道參數(shù)服從瑞利分布,。主要模擬參數(shù)在表1中,,不失一般性,每個子載波的帶寬被設(shè)置為1。在下面的小節(jié)中,,本文比較了采用PF-PA的CLA-CoMP和傳統(tǒng)CoMP的性能,。隨后比較了采用P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的性能。最后,,本文對基于CLA-CoMP且采用PF-PA方案的系統(tǒng),、基于CLA-CoMP且采用P2UPA方案的系統(tǒng)、不考慮CLA-CoMP采用PF-PA方案的系統(tǒng)和不考慮CLA-CoMP采用P2UPA方案的系統(tǒng)的總和速率進(jìn)行了比較,。
圖2給出了采用PF-PA方案的情況下,基于CLA-CoMP的系統(tǒng)和不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率和用戶數(shù)目的關(guān)系,??梢钥闯觯贑LA-CoMP的系統(tǒng)的優(yōu)勢是顯而易見的,?;贑LA-CoMP的系統(tǒng)的總和率是以指數(shù)形式增加,相較于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng),,增長速度變快,。這是因?yàn)榛贑LA-CoMP的系統(tǒng)關(guān)鍵思想是當(dāng)小小區(qū)負(fù)載大于可用資源時,TP自適應(yīng)地調(diào)整小小區(qū)負(fù)載以關(guān)閉最小信道增益UE,,然后釋放部分可用資源,,其余UE可以被TP服務(wù),因此小小區(qū)負(fù)載是平衡的,。
圖3給出了在基于CLA-CoMP的情況下,,采用了P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的總和速率和UE數(shù)目的關(guān)系。如圖3所示,,P2UPA方案優(yōu)于PF-PA方案是非常明顯的,。可以看出,,對于特定數(shù)量的UE,,采用P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的總和速率都是呈指數(shù)增長。但P2UPA顯然優(yōu)于PF-PA,,這是因?yàn)镻2UPA的關(guān)鍵思想是為最高關(guān)聯(lián)概率的UE分配更多功率,。
圖4給出了基于CLA-CoMP和PF-PA方案的系統(tǒng)、基于CLA-CoMP和P2UPA方案的系統(tǒng),、采用PF-PA方案且不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)和采用P2UPA方案且不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率與發(fā)送功率之間的關(guān)系,。如圖4所示,隨著可用功率的增加,,總和速率在4條曲線上呈指數(shù)增長,。圖3和圖4表明了基于CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng),采用P2UPA方案的系統(tǒng)的總和速率優(yōu)于采用PF-PA方案的系統(tǒng),。然而,,無論P(yáng)F-PA還是P2UPA,,CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率都優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)。對P2UPA方案而言,,CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和率優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng),。因此,基于CLA-CoMP的系統(tǒng)采用P2UPA方案能獲得更大的系統(tǒng)總和率,。
4 結(jié)論
本文首先介紹了超密集組網(wǎng)這一網(wǎng)絡(luò)模型,,隨后介紹了解決超密集組網(wǎng)中同頻干擾的CoMP技術(shù)??紤]到CoMP帶來的資源分配的問題,,本文提出了CLA-CoMP方案來調(diào)整TP服務(wù)的UE的數(shù)量。然后,,為了提高系統(tǒng)中的總和率,,本文使用P2UPA方案,可以為信道增益較大的用戶分配更多的功率,。仿真結(jié)果表明,,基于CLA-CoMP且采用P2UPA的系統(tǒng)能夠獲得更大的系統(tǒng)性能增益。
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作者信息:
齊 暢,,楊龍祥
(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京210003)