摘 要： 協(xié)作多點傳輸CoMP（Coordinated Multi-Point）是LTE-A中提高傳輸速率和提高用戶公平性的一種重要的方法。它可以分為聯(lián)合傳輸JP（Joint Processing）和協(xié)作波形賦形與調(diào)度CB/CS（Coordinated Beamforming/Scheduling）。研究了聯(lián)合傳輸情況下的分簇場景，分析了現(xiàn)有的分簇算法的問題，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進的分簇方案。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)分簇方案，該動態(tài)分簇方案提高了邊緣用戶傳輸速率與頻譜的利用率。
關(guān)鍵詞： 聯(lián)合傳輸；公平性；動態(tài)分簇
CoMP是一種能充分利用多基站、多用戶和多天線資源提高小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量，以達到IMT-A系統(tǒng)對高頻譜利用率的要求的一種技術(shù)。它主要包括兩種方式——聯(lián)合傳輸JP和協(xié)作波形賦形與調(diào)度CB/CS。其中JP技術(shù)是通過將其他小區(qū)的干擾信號轉(zhuǎn)化為本小區(qū)用戶的有用信號，通過提升用戶的信噪比來保證解調(diào)性能的一種技術(shù)。
實際使用中，協(xié)作的基站之間會通過X2鏈路交換用戶的CSI(Channel State Indicator)、預(yù)編碼矩陣等。過大的協(xié)作簇的規(guī)模將帶來過重的X2鏈路的負擔與信令開銷，將超出協(xié)作的增益。因此尋找一個合適的協(xié)作簇的選擇方式成為了CoMP中一個很重要的研究點。
目前存在兩種廣為接受的CoMP的協(xié)作場景，如圖1所示，場景1是eNB(基站)內(nèi)部的協(xié)作(圖1(a))。場景2是由不同的eNB(基站)的扇區(qū)之間進行協(xié)作傳輸(圖1(b))，假設(shè)所有eNB之間都能得到很好的同步，并且有X2鏈路相連接。
在非CoMP的系統(tǒng)中，對于與UE通信的扇區(qū)造成最強干擾的扇區(qū)是與其鄰接的扇區(qū)。故為了降低系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度，可以將地理上相鄰接的扇區(qū)形成一個如場景2中A標識區(qū)域所示的協(xié)作簇。按照這種方式，多個扇區(qū)能夠被分為若干個規(guī)則的協(xié)作簇。
CoMP系統(tǒng)的協(xié)作簇的構(gòu)建最主要有兩種形式——靜態(tài)的形式和動態(tài)的形式。其中靜態(tài)的協(xié)作簇[1-2]的構(gòu)建中，參與協(xié)作的基站是在長時間內(nèi)固定，無需復雜的信令開銷，僅需低復雜度的控制就可以提升系統(tǒng)速率。但是它不能很好地適應(yīng)無線信道的時變性和MS(Mobile Station)的移動性，協(xié)作的效率不高。動態(tài)的協(xié)作簇[3-4]的構(gòu)建則可以讓小區(qū)邊緣的用戶根據(jù)信號的質(zhì)量，自適應(yīng)地選擇那些信號質(zhì)量好的基站參與協(xié)作。但是這將帶來很高的調(diào)度和預(yù)編碼傳輸?shù)膹碗s性。很多改進的方案是在小范圍內(nèi)形成協(xié)作簇[5]，但是這些方案沒有提出如何解決動態(tài)分簇的資源分配的復雜度問題。
本文提出了一種低實現(xiàn)復雜度的靜態(tài)分簇的改進方法，該方案同樣解決了傳統(tǒng)靜態(tài)分簇的缺點。利用系統(tǒng)級仿真驗證了模型在下行FDD-CoMP的情況下的性能增益。
1 協(xié)作簇的設(shè)計
傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇的扇區(qū)模型存在缺點。圖1(b)中，3個相鄰的、來自于不同eNB的扇區(qū)構(gòu)成了一個協(xié)作簇，但是它的缺點也很明顯。如圖2所示，每個扇區(qū)中有一半的區(qū)域可以很好地面對另外兩個扇區(qū)的方向天線，從而可以帶來很好的分集增益，但是另一半的扇區(qū)就沒有獲得很好的信號強度，從而影響系統(tǒng)中用戶的公平性，并且不利于取得更好的協(xié)作增益。
圖2中只考慮了大尺度衰弱與天線增益，用灰度圖表示協(xié)作簇中的信號的強度大小，由于處于中間三角形區(qū)域中的MS可以同時接收到3個扇區(qū)的方向天線的發(fā)射信號，稱之為強信號區(qū)域。而剩下的3個“一半”的扇區(qū)只能接收到一個扇區(qū)的方向天線的信號，稱之為弱信號區(qū)域。因此提出了一種改進方案：將傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇算法中的簇拆分為信號強的部分與信號弱的部分，較弱信號區(qū)域形成一個新的協(xié)作的簇，如圖3所示。
圖3左圖中的標識為1的傳統(tǒng)協(xié)作簇(3扇區(qū))，將此協(xié)作簇中的強信號區(qū)域形成一個新的較小的三角形的協(xié)作簇，即右圖相同位置處豎線標識的1號三角形所示，并且將原來協(xié)作簇內(nèi)的弱信號區(qū)域與鄰近的協(xié)作簇的弱信號的區(qū)域形成一個新的三角形的協(xié)作簇（如右圖中豎線標識的2號與6號三角形所示），這樣原本的協(xié)作簇中的弱信號區(qū)域也得到了很好的性能改善。但是，由于陰影效應(yīng)等影響，可能會出現(xiàn)某一MS與它當前所在的協(xié)作簇協(xié)作并不能得到很好的無線信道的情況，因此定義“簇選擇因子”CSF(Cluster Choose Factor)，計算這個參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的值決定此時是否參加相鄰的協(xié)作簇的協(xié)作，它定義為：
2 仿真參數(shù)和仿真結(jié)果
依照圖1(b)的模型，并且假設(shè)MS隨機均勻分布，對文中提出的動態(tài)分簇的算法進行系統(tǒng)級仿真，驗證其性能。性能指標采用用戶平均傳輸速率和邊緣用戶速率，積累概率分布(CDF)為5%時對應(yīng)的用戶吞吐率為典型的邊緣用戶的性能，從圖4中可以看出對于邊緣用戶，文中提出的算法相比靜態(tài)的分簇方法有23.2%的性能提升，平均傳輸速率相較于靜態(tài)分簇的方法有著6.8%的性能提升。
本文分析了傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇與動態(tài)分簇的缺點，并在此基礎(chǔ)上提出了一種低復雜度的動態(tài)分簇方案，引入了CSF參數(shù)來提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。仿真結(jié)果證明，該方案可以顯著地提高用戶間的公平性與整個系統(tǒng)的平均傳輸速率，但是與這套分簇方案相配套的資源分配算法有待在后續(xù)研究中優(yōu)化。
參考文獻
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