李俊杰 許方敏 潘 鵬
(杭州電子科技大學(xué),浙江 杭州 310018)
協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)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(xué),浙江 杭州 310018)
為了進(jìn)一步提高協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能,文章將小區(qū)中的用戶分為小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶,小區(qū)中心用戶采用單小區(qū)服務(wù)的方式,而小區(qū)邊緣用戶采用多小區(qū)服務(wù)的方式,并為小區(qū)邊緣用戶選擇路徑增益最大的兩個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù)。仿真結(jié)果表明,所提出的算法有效地提高了小區(qū)邊緣用戶的吞吐量,明顯降低了用戶掉話率。
協(xié)作多點(diǎn);小區(qū)邊緣用戶;小區(qū)中心用戶;資源分配
為了實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)在高速率、高質(zhì)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(shù)、正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)之外,小區(qū)邊緣用戶問(wèn)題也亟需得到有效的解決。因?yàn)樾^(qū)邊緣用戶要忍受比在小區(qū)中心用戶更糟糕的通信環(huán)境,比如接收由于衰減和小區(qū)間干擾造成的劣質(zhì)信號(hào)等。此時(shí)若只有一個(gè)天線為其提供服務(wù)有可能不能保證用戶的通話質(zhì)量。這時(shí)就需要其它的一個(gè)或幾個(gè)天線同時(shí)為用戶提供服務(wù)。
為了提高小區(qū)邊緣用戶性能,IMT-Advanced系統(tǒng)[1-4]引入了協(xié)作多點(diǎn)(CoMP)傳輸/接收技術(shù)。CoMP技術(shù)是一種干擾抑制技術(shù),通過(guò)小區(qū)間的聯(lián)合調(diào)度和協(xié)作傳輸,使小區(qū)邊緣的CoMP用戶的干擾信號(hào)變?yōu)橛杏眯盘?hào),或降低來(lái)自相鄰小區(qū)的干擾水平,從而提高小區(qū)邊緣吞吐量,并且增強(qiáng)系統(tǒng)性能,一定程度上達(dá)到了抑制協(xié)作簇簇內(nèi)的小區(qū)間干擾(簡(jiǎn)稱協(xié)作簇簇內(nèi)干擾)的目的。
另一方面,對(duì)于小區(qū)中心用戶來(lái)說(shuō),一個(gè)天線為其提供服務(wù)已經(jīng)保證用戶的通話質(zhì)量,不需要進(jìn)行多根天線的服務(wù)。因此,本文主要研究如何選擇天線為用戶提供服務(wù),能使用戶通話質(zhì)量較好且系統(tǒng)消耗最小。
下面,本文將主要針對(duì)在協(xié)作多點(diǎn)架構(gòu)下用戶的接入問(wèn)題展開(kāi)討論,將分別闡述小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶的接入問(wèn)題,并特別針對(duì)邊緣用戶提出基于路徑增益最優(yōu)原則的接入算法,并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。
本文的系統(tǒng)模型可用圖1表示:
圖1 小區(qū)邊緣用戶的接入過(guò)程
圖 1描述了小區(qū)邊緣用戶接入系統(tǒng)時(shí)的天線選擇情況。圖中數(shù)字1~7號(hào)表示協(xié)作小區(qū)編號(hào),C表示資源。此時(shí)該用戶正處在小區(qū) 1的邊緣,當(dāng)它請(qǐng)求接入時(shí)系統(tǒng)通過(guò)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算其路徑增益并和增益門限值比較以判斷它屬于小區(qū)邊緣用戶。然后根據(jù)最優(yōu)原則選擇此時(shí)增益最優(yōu)的1號(hào)天線和次優(yōu)的 2號(hào)天線作為服務(wù)天線,并為其分配此時(shí) 1號(hào)和2號(hào)都空閑的資源,如圖中的資源C。若此時(shí)沒(méi)有共有的空閑資源為其服務(wù),則將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列。然后,協(xié)作處理中心獲得當(dāng)前服務(wù)天線單元使用所分配資源與用戶通信時(shí)該用戶接收信號(hào)的總信干噪比(SINR),與設(shè)定的門限值比較,若低于該門限值,直接將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列或者阻塞掉。否則準(zhǔn)許接入,接入過(guò)程結(jié)束。
3.1 小區(qū)中心用戶的接入算法
與小區(qū)邊緣用戶相比,處于小區(qū)中心的用戶通信環(huán)境較好、受到干擾較小。所以,處于中心的用戶在系統(tǒng)負(fù)載不大的時(shí)候,一根天線就基本可以滿足其QOS的要求,在系統(tǒng)負(fù)載過(guò)大時(shí),多天線技術(shù)的使用也能保證小區(qū)中心用戶的業(yè)務(wù)需要。因此,對(duì)于小區(qū)中心用戶的接入算法,可以總結(jié)為協(xié)作處理中心根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載、用戶需求、鏈路質(zhì)量、協(xié)作簇大小等因素來(lái)調(diào)整天線單元個(gè)數(shù),以保證小區(qū)中心用戶的通話質(zhì)量。在論文的仿真設(shè)計(jì)中,小區(qū)中心用戶只由一個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù)。
3.2 小區(qū)邊緣用戶的接入算法
對(duì)于小區(qū)邊緣用戶而言,要忍受比在小區(qū)中心的用戶更糟糕的通信環(huán)境,比如接收由于衰減和小區(qū)間干擾造成的劣質(zhì)信號(hào)等。因此,需要多個(gè)小區(qū)為其提供服務(wù),為了進(jìn)一步防止資源的浪費(fèi),本節(jié)針對(duì)小區(qū)邊緣用戶提出了基于路徑增益最優(yōu)原則的接入算法。
該算法的基本思想是,在用戶請(qǐng)求接入時(shí),對(duì)用戶根據(jù)路徑增益大小進(jìn)行判斷,以分辨該用戶是否小區(qū)邊緣用戶。如增益低于門限值,則視為小區(qū)邊緣用戶并選擇增益最優(yōu)和次優(yōu)的天線,當(dāng)這兩個(gè)天線都無(wú)法滿足其需求時(shí),則將該用戶轉(zhuǎn)入等待。在信道分配方面,為用戶選擇這兩個(gè)天線共有的空閑資源或者是效果最優(yōu)的資源。具體步驟如下:
(1)系統(tǒng)根據(jù)用戶的接入請(qǐng)求信號(hào)判斷用戶是否為小區(qū)邊緣用戶。比如:根據(jù)用戶發(fā)送來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度,計(jì)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(qū)邊緣用戶;否則判斷為中心用戶;
(2)按照最優(yōu)原則為該用戶選擇增益最優(yōu)和次優(yōu)的兩個(gè)天線作為該用戶的服務(wù)天線,并為用戶分配這兩個(gè)天線共有的空閑資源接入。若此時(shí)檢測(cè)的所有天線都不存在空閑資源,則將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列;
(3)系統(tǒng)獲得當(dāng)前服務(wù)天線單元使用所分配資源與用戶通信時(shí)該用戶接收信號(hào)的總信干噪比(SINR),與設(shè)定的門限值比較,若低于該門限值,直接將該用戶轉(zhuǎn)入等待隊(duì)列或者阻塞掉。否則準(zhǔn)許接入,接入過(guò)程結(jié)束。
為了仿真該算法的性能,將其與另外一種傳統(tǒng)的接入算法比較。算法一,協(xié)作小區(qū)大小固定為3,小區(qū)邊緣用戶接入時(shí)選擇路徑增益最大和次大的兩個(gè)天線單元,并為用戶分配二者共有且是最優(yōu)的空閑資源為其服務(wù)。算法二,小區(qū)邊緣用戶接入時(shí)只選擇路徑增益最大的一個(gè)天線單元,并隨機(jī)為用戶分配該天線空閑資源為其服務(wù)。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(dāng)新用戶接入而影響系統(tǒng)中已有用戶的通話時(shí),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(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 仿真參數(shù)
圖 2給出每個(gè)小區(qū)不同的用戶數(shù)量時(shí),系統(tǒng)的總吞吐量的變化情況。藍(lán)色線表示算法一即當(dāng)有小區(qū)邊緣用戶接入時(shí),系統(tǒng)選擇路徑增益最大和次大的兩根天線作為用戶的服務(wù)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(qū)邊緣用戶選擇路徑增益最大的一根天線為用戶服務(wù)的算法的性能。吞吐量是指通信系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸數(shù)據(jù)的量,以Mbps為單位,從圖中可以看出,隨著用戶數(shù)的增加,算法一發(fā)揮了多天線技術(shù),使得總吞吐量明顯高于算法二。
圖2 系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)變化曲線
圖3 小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率隨用戶變化曲線
圖 3表明當(dāng)用戶數(shù)不斷增加,雖然小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率在不斷下降,但算法一的數(shù)據(jù)速率仍然高于算法二。這是因?yàn)殡S著用戶數(shù)的不斷增加,系統(tǒng)的負(fù)載開(kāi)始加大,而在資源固定不變的情況下,高負(fù)載必定使系統(tǒng)的處理過(guò)程變慢。而算法一采用的最優(yōu)原則在一定程度上提高了系統(tǒng)的處理性能,使其在同等條件下數(shù)據(jù)速率仍然高于算法二。
圖 4給出了當(dāng)用戶數(shù)不斷增加時(shí),小區(qū)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(jī)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(qū)邊緣接入的成功率明顯高于算法二。在算法一中,小區(qū)邊緣用戶得到的是路徑最優(yōu)和次優(yōu)的兩根天線為其服務(wù),而算法二只有一根天線,并是隨機(jī)選擇空閑資源為用戶服務(wù),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
在協(xié)作多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,基于路徑增益最優(yōu)原則的小區(qū)邊緣用戶的接入算法充分考慮了這種分布式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),本章首先針對(duì)該算法構(gòu)建了仿真環(huán)境,分模塊介紹了仿真的流程,最后從仿真的結(jié)果可以看出該算法可以有效的解決小區(qū)邊緣用戶接入通信系統(tǒng)時(shí)的天線選擇問(wèn)題,保證小區(qū)邊緣用戶的通話質(zhì)量,大幅提高系統(tǒng)的容量,提高了用戶的接入成功率和資源利用率。
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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(xiàng)目(LQ15F010004);浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201224171) 。
李俊杰(1994-),浙江仙居人,杭州電子科技大學(xué)學(xué)生,研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>