摘 要： 協作多點傳輸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。它可以分為聯合傳輸JP（Joint Processing）和協作波形賦形與調度CB/CS（Coordinated Beamforming/Scheduling）。研究了聯合傳輸情況下的分簇場景，分析了現有的分簇算法的問題，在此基礎上提出了一種改進的分簇方案。仿真結果表明，相比于傳統分簇方案，該動態分簇方案提高了邊緣用戶傳輸速率與頻譜的利用率。
關鍵詞： 聯合傳輸；公平性；動態分簇
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平均吞吐量和小區邊緣吞吐量，以達到IMT-A系統對高頻譜利用率的要求的一種技術。它主要包括兩種方式——聯合傳輸JP和協作波形賦形與調度CB/CS。其中JP技術是通過將其他小區的干擾信號轉化為本小區用戶的有用信號，通過提升用戶的信噪比來保證解調性能的一種技術。
實際使用中，協作的基站之間會通過X2鏈路交換用戶的CSI(Channel State Indicator)、預編碼矩陣等。過大的協作簇的規模將帶來過重的X2鏈路的負擔與信令開銷，將超出協作的增益。因此尋找一個合適的協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的協作場景，如圖1所示，場景1是eNB(基站)內部的協作(圖1(a))。場景2是由不同的eNB(基站)的扇區之間進行協作傳輸(圖1(b))，假設所有eNB之間都能得到很好的同步，并且有X2鏈路相連接。
在非CoMP的系統中，對于與UE通信的扇區造成最強干擾的扇區是與其鄰接的扇區。故為了降低系統的實現復雜度，可以將地理上相鄰接的扇區形成一個如場景2中A標識區域所示的協作簇。按照這種方式，多個扇區能夠被分為若干個規則的協作簇。
CoMP系統的協作簇的構建最主要有兩種形式——靜態的形式和動態的形式。其中靜態的協作簇[1-2]的構建中，參與協作的基站是在長時間內固定，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速率。但是它不能很好地適應無線信道的時變性和MS(Mobile Station)的移動性，協作的效率不高。動態的協作簇[3-4]的構建則可以讓小區邊緣的用戶根據信號的質量，自適應地選擇那些信號質量好的基站參與協作。但是這將帶來很高的調度和預編碼傳輸的復雜性。很多改進的方案是在小范圍內形成協作簇[5]，但是這些方案沒有提出如何解決動態分簇的資源分配的復雜度問題。
本文提出了一種低實現復雜度的靜態分簇的改進方法，該方案同樣解決了傳統靜態分簇的缺點。利用系統級仿真驗證了模型在下行FDD-CoMP的情況下的性能增益。
1 協作簇的設計
傳統的靜態分簇的扇區模型存在缺點。圖1(b)中，3個相鄰的、來自于不同eNB的扇區構成了一個協作簇，但是它的缺點也很明顯。如圖2所示，每個扇區中有一半的區域可以很好地面對另外兩個扇區的方向天線，從而可以帶來很好的分集增益，但是另一半的扇區就沒有獲得很好的信號強度，從而影響系統中用戶的公平性，并且不利于取得更好的協作增益。
圖2中只考慮了大尺度衰弱與天線增益，用灰度圖表示協作簇中的信號的強度大小，由于處于中間三角形區域中的MS可以同時接收到3個扇區的方向天線的發射信號，稱之為強信號區域。而剩下的3個“一半”的扇區只能接收到一個扇區的方向天線的信號，稱之為弱信號區域。因此提出了一種改進方案：將傳統的靜態分簇算法中的簇拆分為信號強的部分與信號弱的部分，較弱信號區域形成一個新的協作的簇，如圖3所示。
圖3左圖中的標識為1的傳統協作簇(3扇區)，將此協作簇中的強信號區域形成一個新的較小的三角形的協作簇，即右圖相同位置處豎線標識的1號三角形所示，并且將原來協作簇內的弱信號區域與鄰近的協作簇的弱信號的區域形成一個新的三角形的協作簇（如右圖中豎線標識的2號與6號三角形所示），這樣原本的協作簇中的弱信號區域也得到了很好的性能改善。但是，由于陰影效應等影響，可能會出現某一MS與它當前所在的協作簇協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，根據參數的值決定此時是否參加相鄰的協作簇的協作，它定義為：
2 仿真參數和仿真結果
依照圖1(b)的模型，并且假設MS隨機均勻分布，對文中提出的動態分簇的算法進行系統級仿真，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的分簇方法有23.2%的性能提升，平均傳輸速率相較于靜態分簇的方法有著6.8%的性能提升。
本文分析了傳統的靜態分簇與動態分簇的缺點，并在此基礎上提出了一種低復雜度的動態分簇方案，引入了CSF參數來提高小區邊緣用戶的吞吐量。仿真結果證明，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研究中優化。
參考文獻
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