基于LTE单频网拆分算法的研究

邱仁建, 王晓湘, 唐明威, 张鸿涛

(北京邮电大学信息与通信工程学院,北京100083)

1 引言

组播广播业务(Multimedia Broadcast Multicast Service,MBMS)在Release 7～9中针对业务需求和系统架构进行了改进。是指一个数据源向多个用户发送的点对多点业务,如移动电视、无线广播等,能够实现频谱资源的共享和灵活的无线资源调度,是下一代通信系统的重要业务。目前对于MBMS的研究都集中在单小区MBMS,单小区MBMS中小区边缘用户的信干噪比太差,通过多个小区基站同时发送信号可以解决这个问题,由此引出单频网的概念。在单频网中,处于不同地点的多个基站以相同的时频资源发送同一业务,单频网内的用户通过有效合并来自多个基站的信号来提高信干噪比[1]。常规的循环前缀(Cyclic Prefix,CP)只需覆盖单个小区的多径时延扩展即可,而在单频网中,CP必须覆盖多个小区信号的时延扩展,因此需要更长的CP来保证可靠接收。LTE设计了较长的CP,从而保证用户的可靠接收[1]。

目前关于单频网的研究有很多。文献[2-3]介绍的单频网区域的配置情况,重点讨论单频网重叠区域和非重叠区域的资源分配问题。文献[4-6]研究单频网的资源分配算法,通过合理的资源分配算法,实现频谱资源的重复利用。文献[7-8]研究了协作通信技术在单频网中的应用。

这些研究都是基于单频网区域已经确定的前提下,在实际过程中,区域会随着用户的增加而变大。当增大到一定范围时,部分基站间的传输时延可能会超过CP长度,产生符号间干扰,当单频网内符号间干扰超过一定程度时,单频网的性能会显著下降。

为了解决这个问题,提出基于最大传输时延差或者有效基站比例的单频网拆分算法,将区域过大的单频网拆分为多个子网,减少单频网内的符号间干扰。以增加单频网的数目,换取整体性能的提升。其中基于最大传输时延差的算法是只要单频网内存在符号间干扰就拆分单频网,而基于有效基站比例的算法是只有当单频网内符号间干扰超过某个阈值时,才对单频网进行拆分,两种算法都在单频网数目和性能之间进行折衷。通过仿真分析,基于有效基站比例的拆分算法能以较少的单频网数目,保证单频网的性能,且能针对不同的QoS需求,通过设置合理的有效基站比例门限值,实现单频网的有效拆分。

图1 多播单频网示意图

2 系统模型

如图1所示,单频网内多播用户通过合并不同基站发送的单频网信号获得较好的信干噪比。由于不同基站到达某一用户的传输距离不同,因此信号到达该用户的传输时延也不同,当这个时延差在CP范围内时,被看作是有用信号,否则被视为干扰。当干扰多到一定程度时,单频网的性能会显著下降。

假设S是单频网内所有基站的集合,基站i到多播用户k的距离是ri,k,用户 k的服务小区基站j到k的距离是是光速。那么用户k接收到的来自于基站i和基站j的信号的时延差为

用户k将ti,j,k小于CP长度的那部分信号视为有用信号,其余部分视为干扰。因此,可以引入权重因子表示用户接收到的基站的发送信号中可以作为有用信号合并的比例,

其中 TCP为CP长度,Tu为有用信号帧的长度。

假设N为单频网内小区数,Pj表示基站j的发送功率,基站 j到用户k的信道增益值Gj,k可表示为Gj,k=是复高斯随机变量。Noise为噪声,那么用户 k接收到的单频网内所有基站发送的信号的信干噪比为

因此用户能达到的速率为

其中B是系统带宽,当Rk大于目标速率Rreq时,认为用户k能够正确接收多播数据。将单频网内能够成功接收到多播数据的用户比例定义为覆盖率,它可以表示为

其中M为单频网内的多播用户数目,因此该多播系统的吞吐量可表示为

由以上分析可以看出,系统的性能与单频网的拓扑结构密切相关,当单频网区域变大时,对于单频网内某一用户,距离用户较远的基站发送的信号由于时延较大会增强其干扰信号,用户的信干噪比明显降低。当单频网内符号间干扰超过一定程度时,单频网的性能会显著下降。因此,对这样的单频网进行有效地拆分,从而解决由于区域过大而性能下降的问题是必要的。由于拆分后单频网数目越多,意味着需要更多的频谱资源,所以在对单频网进行拆分时应保证单频网性能的前提下,尽可能的减少拆分后的子单频网数目。

如果每个用户向所有基站都反馈信道信息,就需要过多的上行反馈开销,这对于实际多播系统是不现实的。而且目前系统对单频网的操作都是全开环的,因此为了满足实际的应用,对系统模型进行了简化,即以各基站为分析对象代替以具体的用户为分析对象从而避免用户的反馈,并提出了两种开环单频网拆分方法：基于基站最大传输时延差和基于有效基站比例。

3 单频网拆分算法

3.1 算法1：基于基站最大传输时延差的拆分算法

由上面的分析可知,多播系统的性能与各基站传输时延有很大的关系,当基站时延差大于CP长度时,会增强用户的干扰信号。对于某个小区的任意一个用户来说,来自于非服务小区基站的信号与服务小区基站信号的传输时延差小于这两个基站间的距离与信号传输速度的比值。因此,为了避免用户反馈,直接以各基站为分析对象并引入基站最大传输时延差 Tmax,

其中ri,j表示基站i、j的距离。当Tmax大于CP长度时,说明单频网内存在符号间干扰,必须对单频网进行拆分。算法具体步骤如下：

(1)初始化目标单频网 TSFN,令拆分单频网序号 t为1,令 TSFN为SFNt,表示第 t次拆分单频网。拆分后子单频网集合 RSFN为空,子单频网序号n为0,子单频网总数 m为0;

(2)测试SFNt是否为空;

是,跳到步骤(4)。

否,下一步。

(3)拆分单频网SFNt：将单频网SFNt拆分为两个子单频网SFNt,1,SFNt,2;

①任取SFNt区域内相距最远的两个小区中的一个小区组成SFNt,1,SFNt中其他所有小区组成SFNt,2。

②测试SFNt,2与SFNt,1是否存在相邻小区。

否,跳到步骤⑤。

是,下一步。

③从SFNt,2中选择所有与SFNt,1中小区相邻的小区组成临时小区集合SFNTmp1,令SFNTmp1中所有小区和SFNt,1中所有小区组成临时小区集合SFNTmp2。

④测试SFNTmp2的基站最大传输时延差是否在CP范围内。

是,令SFNTmp2为SFNt,1,从SFNt,2中除去SFNTmp1包含的小区,跳到步骤②。

否,下一步。

⑤完成一次拆分。子单频网序号 n加1,子单频网总数 m 加1。令SFNt,1为 Sn,将Sn并入RSFN 。令SFNt,2为新的目标单频网 TSFN,拆分单频网序号t加1,令 TSFN为SFNt,开始下一次拆分,跳到步骤(2)。

(4)结束,RSFN为拆分后的子单频网集合。

3.2 算法2：基于有效基站比例的拆分算法

上述的算法虽然能够明显提高单频网的性能,但由于拆分单频网的门槛过低,使单频网重新拆分的频率和拆分后的子单频网数目都很大,这样也会造成一定的系统开销。另外,当单频网内存在少量的符号间干扰时,单频网的性能会受到一定的影响,但还是可以满足实际应用的需求,只有单频网内干扰多到一定程度时,单频网内的性能才会严重下降,从而无法实现有效的多播服务。假设其中RBSi为小区i中心处用户达到的速率,当RBSi大于目标速率Rreq时,设置有效基站标志ρi=1;否则 ρi=0。为了获得拆分频率、拆分后子单频网数目和多播性能的有效折中,引入有效基站比例这一概念,定义为

Yieldsfn表示单频网内有效基站数目与单频网基站总数的比例,只有Y ieldsfn低于特定门限值,即单频网内符号间干扰达到一定程度时,才会对单频网进行拆分。具体的拆分步骤与算法1相同,只是将算法1中测试SFNTmp2的基站最大传输时延差是否在CP范围内改成测试SFNTmp2的有效基站比例是否超过门限值。

3.3 算法3：基于有效基站比例的修正算法

基于有效基站比例的单频网拆分算法只有当单频网内符号间干扰导致单频网性能显著下降时,才会拆分单频网,拆分的门槛较高,在保证单频网性能的同时,使拆分后子单频网的数目相对较少。此外,可以通过设置不同的有效基站比例门限值,获得不同的拆分效果,从而实现单频网的动态拆分。基于上述两个拆分依据的单频网拆分算法都是基于单频网的拓扑结构进行拆分,这可能会使拆分后子单频网数目过多,造成过度拆分,从而影响算法性能。因此,可以基于拓扑结构对拆分后的子单频网区域进行调整,将较小的子单频网进行合并,在保证单频网性能的同时,使拆分后的子单频网数目尽量少。修正算法的前面步骤与算法2一样,只是在拆分之后加入修正步骤,修正步骤如下：

(2)Sp与Sq是否存在相邻小区。

否,跳到步骤(4)。

是,下一步。

(3)令Sp中所有小区与Sq中所有小区组成临时小区集合SFNTmp3,测试SFNTmp3的基站最大传输时延差是否在CP范围内或有效基站比例是否超过门限值。

是,令SFNTmp3为Sp,从RSFN中除去Sq,将新的子单频网拆入合适的位置保证所有子单频网按小区数目升序排列。重新初始化p为1,q为2,跳到步骤(5)。

否,下一步。

(4)令q加1。若Sq为RSFN中最后一项,令 p加1,q等于p加1。

(5)若Sp,Sq为RSFN中最后两项或RSFN只剩下一个元素。

否,跳到步骤(2)。

是,结束。

4 仿真结果

对算法进行性能仿真,假设单频网每个小区的用户为100户,小区半径R为1000m,基站发射功率为50W,系统带宽B为5MHz,CP长度 TCP为16.67μ s,有用信号帧的长度 Tu为66.67μ s。单频网拆分算法是将一个单频网拆分为多个子单频网,属于单频网内部的操作。在对单频网拆分算法进行性能分析时,主要考虑单频网内部的影响,忽略单频网间的作用,从单频网的覆盖率、吞吐量和拆分后子单频网数目3个角度对拆分前后的单频网性能进行比较分析。

有效基站比例门限值对基于有效基站比例的单频网拆分方法的影响如图2、图3和图4所示。其中的曲线1为拆分前单频网的相关数值;曲线2为基于有效基站比例,但不执行步骤4的修正或调整操作的拆分后单频网的相关数值;曲线3为基于有效基站比例,且执行步骤4的修正或调整操作的拆分后单频网的相关数值。从这3个图可以看出：

(1)与拆分前相比,基于有效基站比例的拆分方法将单频网拆分为多个子单频网后,显著提升了单频网的吞吐量和覆盖率。这是因为拆分后的每个子单频网区域较小,大大降低了符号间干扰,提高了单频网的吞吐量和覆盖率。

(2)有效基站比例门限值越高,拆分后的子单频网的数目越多,其覆盖率和吞吐量越高。是因为有效基站的比例门限值越高,方法对符号间干扰的容忍度就越低,就越容易对单频网进行拆分,使拆分后的子单频网越小,符号间干扰就越小,单频网的覆盖率和吞吐量越好。

(3)曲线2与曲线3的性能大致相同,曲线2拆分后单频网的覆盖率和吞吐量都比曲线3好,但曲线2的拆分后子单频网数目更多。曲线3只是对曲线2的拆分结果进行修正,消除曲线2因过度拆分而造成的影响,在对单频网性能影响很小的前提下,减少了拆分后子单频网的数目。

图2 有效基站比例门限值对拆分后单频网覆盖率的影响示意图

图3 有效基站比例门限值对拆分后单频网吞吐量的影响示意图

单频网小区数目对不同拆分依据算法性能的影响如图5、图6、图7所示,其中的曲线1为拆分前单频网的相关数值;曲线2为基于最大传输时延差,但不执行步骤4的修正或调整操作的拆分后单频网的相关数值;曲线3为基于有效基站比例,但不执行步骤4的修正或调整操作的拆分后单频网的相关数值;曲线4为基于有效基站比例,且执行步骤4的修正或调整操作的拆分后单频网的相关数值。从这3个图可以看出：

(1)随着单频网小区数目的增加,单频网的覆盖率明显下降,吞吐量增长越来越小。而采用拆分算法拆分后单频网的覆盖率提升到95%以上,吞吐量也随着单频网小区数的增加成线性增长,拆分后子单频网的数目也随单频网小区数的增加而增加。单频网小区数目越多,拆分后单频网的性能改进就越明显。是因为随着单频网小区数目的增加,单频网内符号间干扰越多,单频网覆盖率和吞吐量的增长速度就越小,通过单频网拆分算法,把单频网拆分为多个子单频网,能够明显提高单频网的性能。

(2)单频网小区数目越多,拆分后单频网的覆盖率和吞吐量变化并不大,只是拆分后子单频网的数目有所增加,因为单频网内小区数目越多,单频网内部的符号间干扰越大,而通过拆分算法将单频网拆分为多个子单频网,保证每个子单频网的大小在一个合理范围,这样能够减少符号间干扰,提高单频网的性能,拆分后单频网的大小只与拆分的依据相关,单频网小区数目越多,拆分后子单频网的大小变化不大,只是增加了子单频网的数目。

(3)曲线2、3、4的覆盖率和吞吐量很接近,其中曲线2略好于曲线3,曲线3略好于曲线4,但性能的提升是以单频网数目的增加为代价的,曲线2的子单频网数目最多,曲线3次之,曲线4最少。这是由3种曲线不同的拆分依据决定的。曲线2是基于基站最大传输时延差进行拆分的,只要单频网内存在符号间干扰,就进行拆分,拆分后子单频网较小,而曲线3和4是基于有效基站比例进行拆分,只有单频网内符号间干扰多到一定程度时,才会对单频网进行拆分,拆分后单频网较大,所以曲线2单频网的性能较曲线3,曲线4好,单频网数目也越多。

图4 有效基站比例门限值拆分后子单频网数目的影响

图5 单频网小区数对单频网覆盖率的影响

图6 单频网小区数对单频网吞吐量的影响

图7 单频网小区数对拆分后子单频网数目的影响

5 结束语

引入拆分单频网的思想,将单频网拆分为多个子单频网,以单频网数目为代价,提高单频网的整体性能。分析了两个单频网拆分依据,基于基站最大传输时延差的拆分算法能够很好地提高单频网性能,但拆分后子单频网的数目过多,基于有效基站比例的拆分算法在保证单频网性能的同时,拆分后子单频网数目较少,且可以通过设置不同的有效基站比例门限值,实现单频网的动态拆分。当单频网小区数为20,有效基站比例门限值为0.8时,在拆分后子单频网数目为2的前提下,将单频网覆盖率从84%以下提高到95%以上,吞吐量提高20%,单频网性能提升明显。增加的单频网数目可能意味着更多的频谱资源,可以通过合理的资源分配算法减少增多的单频网数目对频谱资源的需求,有待进一步研究。

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