单频网多小区半动态组网方法

卢文茜, 王晓湘, 张海波

（北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室,北京 100876）

0 引言

3GPP在R6中提出了多播广播多媒体服务（Multicast/Broadcast Multimedia Services,MBMS）的概念,由于它能传输同一多播内容给大量的用户,节省了大量的系统资源,引起了学术界和产业界的关注。但是目前关于MBMS的研究都集中在单小区广播上,而4G网络又对MBMS提出了更高的要求,传统的单小区传输已经很难满足这些需求,因此基于单频网的多小区传输逐渐引起了大家的关注。

所谓单频网（single frequency network,SFN）,即在一定的地理区域内若干部发射机同时在同一个频段上发射相同的信号,以实现对该区域的可靠覆盖。由于SFN能显著提高系统频谱效率,而且,UE在SFN内移动时无需任何切换,大大减少了信令的开销[1]。因此对于频率资源日趋紧张的今天,关于SFN在移动通信中应用的研究就显得更有意义。

目前关于单频网的研究有很多,但大多都集中对性能评估和资源分配的研究[2-4]。而对单频网组网方法的研究却非常少。在标准中初步使用的是基于运行和维护（operation and maintenance,O&M）配置的静态SFN组网方法,该方法操作简单,能够显著的降低SFN组网的复杂度,但是灵活性较差,并且无法对接入MBMS业务的用户进行合理的分配。O&M方式的SFN区域为了覆盖到那些难以覆盖到的用户位置需要把整个区域设置的非常大。这样对于某些没有MBMS业务接入的小区资源被空闲了,就不可避免的造成无线资源和传输资源的大量浪费。

动态SFN是在R2的最近几次会议中提出,是对传统的静态SFN方法的一种改进。动态SFN根据系统中多播用户的分布情况和运动轨迹动态的拆分或合并SFN区域,可以将空闲出来的那些小区用于其也业务,虽然可以时刻满足用户覆盖,但动态SFN操作复杂,变化频繁,因此需要过多的系统调度开销。也不适用于实际的系统。

基于上述分析,提出了一种SFN半动态组网方案,该方案基于预设的门限值和用户的移动性,判断如何对单频网进行扩展或收缩,使其在满足SFN性能的同时,大大降低了重新组网频率和组网方案的复杂度。

1 系统模型

如图1所示,SFN区域包含3种小区。第1种小区,在图中用深色表示,同时传输数据和信令信息。第2种浅色小区仅传输数据信息。第3种白色小区则为预留小区,不传输数据和信令信息,通常称为保护小区[5]。单频网中多播数据经过核心网,MBMS协调实体（MBMS Coordination Entity,MCE）,基站,最终传给用户。所有基站以相同的时频资源同时传输同一组多播数据,用户对这些信号进行合并。其中MCE实现的是单频网中基站间的资源分配功能。

图1 SFN延展/收缩模型

当UE1从核心小区 A移动到SFN边界小区B时,为了满足用户服务的连续性,小区B的演进型移动基站（Evolved Node B,eNodeB）向MCE发送延展SFN请求,MCE判断是否需要对SFN进行延展。若是,则相应进行SFN的延展操作,否则保持SFN覆盖不变。

SFN收缩相对于SFN延展,操作相对简单。边界小区ENB定期向MCE发送计数结果,如果在有效周期时间段内此小区业务状态低于某个指标,则执行SFN收缩操作。如图1（b）,标号为B的小区在一段时间内业务分布状态低于某个门限值,所以执行SFN收缩操作。此时B不再属于SFN区域,且标号为 A的小区变为边界小区[6]。

2 SFN多小区半动态组网

静态组网方式虽然应用简单,能够显著的降低SFN的复杂性,但是灵活性较差,并且无法对接入MBMS业务的用户进行合理的分配,不可避免地造成无线资源和传输资源的浪费。动态组网方式可以时刻满足用户覆盖,但是操作复杂频繁,对资源的浪费亦不可避免。因此结合以上2种方法的优缺点,提出了一种半动态组网方案,使其既具备良好的SFN性能,又能节约因频繁切换网络所需的系统资源,且流程相对简单。

由于单频网的最大优点,就是相较于单小区广播,它可以显著提高系统的吞吐量,因此半动态组网的核心思想是,在网络运行过程中,若有边界小区的用户分布因用户移动而发生变化的情况出现,系统判断是否更新网络拓扑结构,若单频网边界小区的吞吐量达不到预先设定的门限值时才执行动态组网操作方式。由于对SFN进行延展和收缩的判断条件和具体流程不同,下面分别对这2种情况进行介绍。

2.1 延展SFN

以单频网方式实现多播广播业务的传输,其性能主要体现在吞吐量上,所以以吞吐量作为指标判断SFN性能。系统模型中提到,当UE1从核心小区 A移动到SFN边界小区B时,MCE需要判断是否对单频网进行延展。所以,提出通过吞吐量这个指标判断是否进行SFN延展操作。

模型用公式表示如下:

其中,N是SFN中的小区个数。mi是单频网内接收多播广播业务i的终端数目,可以通过基于“pull”[7-8]的计数方法获得。ri是编号为i的业务的数据速率。Tmin是预先设定的SFN小区平均吞吐量的门限值。如何选定 Tmin,是初始化要解决的问题。定义如下:

其中n为业务总数。为保证设定的吞吐量门限值在一个合理的范围内,定义全部业务的最大平均吞吐量为Tmin的最大值。将此范围以5%的间隔分隔开,得到20个 Tmin。

基于此模型,提出了复杂度较低的半动态组网方案。当有用户移动到边界小区时,用户有离开SFN的趋势,这样用户将有可能接收不到SFN提供的业务,导致业务的不连续。因此判断,若将此边界小区的所有相邻小区（原本不属于SFN）都并入SFN,新的SFN的平均吞吐量是否大于我们预先设定的门限值 Tmin。若能达到,则认为当将相邻小区并入SFN后,多小区协作仍能体现出优势,因此应该进行SFN延展。否则,认为此时不能达到SFN性能,应维持SFN架构不变。这种延展方式可以在尽量保证用户连续性的同时降低单/多小区模式切换的开销。

综上所述,半动态组网中延展SFN的流程如图2所示。

基本步骤:

（1）初始化。根据SFN区域中所有基站掌握的用户及业务信息,确定吞吐量门限值 Tmin。

（2）若某边界小区发生用户移动情况,该基站向MCE发出请求,询问是否可以执行SFN延展操作。令m′i表示添加相邻N′个小区后业务 i的接收人数。当 ∑i∈A0m′iri＜Tmin◦（N+N′）时,表示添加此N′个小区后,SFN不能满足性能,则MCE驳回基站请求,算法结束。当 ∑i∈A0m′iri≥Tmin◦（N+N′）时,表示若添加这些相邻小区,SFN仍能满足性能,则MCE同意基站请求,执行（3）。

（3）添加相邻N′个小区进入SFN区域。

图2 延展SFN流程图

2.2 收缩SFN

边界小区ENB定期向MCE发送计数结果,由于有用户从边界小区向核心小区移动,如果在有效周期时间段内此小区业务状态低于某个指标,则执行SFN收缩操作。

半动态组网流程:

基本步骤:

（1）初始化。根据SFN区域中所有基站掌握的用户及业务信息,确定吞吐量门限值 Tmin。

（2）各个边界小区基站,定期向MCE发送本小区吞吐量的计数结果。Trest表示经过一定时间后,边界小区剩余用户的吞吐量。若 Trest≥G◦Tmin（其中G为预先设定的一个比例阈值）,表示仍能满足SFN性能,则操作结束。否则表示有效周期时间段内小区吞吐量低于预先设定的平均吞吐量门限值的固定比例,认为不能满足SFN性能,执行（3）。

（3）MCE将此边界小区从原有SFN区域中剔除。

3 仿真结果

图3 收缩SFN流程图

从网络配置变化频率、吞吐量等角度比较了不同组网策略的性能。

假定单频网内有20路多播广播业务,数据速率可能是 16kbps、32kbps、64kbps、96kbps。设 SFN区域每个小区用户数是20,非SFN区域每个小区用户数是15,用户移动服从泊松分布。小区半径1km。

图4表示的是预先设定的门限值占吞吐量比例不同的情况下,半动态组网方案延展SFN的概率。可以看到,Tmin与吞吐量比值小于0.93时,延展SFN的概率为1,随着吞吐量比例的增加,延展SFN的概率有所下降,当Tmin与吞吐量相等时,延展概率为0。这是因为,Tmin越小,将相邻小区加入SFN后,吞吐量要求越容易满足。而Tmin与原有吞吐量相同时,由于设定的非SFN小区的小区人数本来就小于SFN小区人数,所以一般不能满足门限值的要求,将相邻小区加入SFN的概率为0。静态组网改变网络结构的概率为0,动态组网改变概率为100%,半动态组网在特定情况下可以将改变概率控制在一定数值。因此,总体说,半动态方案的调整概率比动态算法小得多,可见半动态方案的实施复杂度远低于动态方案。

图4 延展SFN的概率

图5 3种组网方式吞吐量之比较

图5纵轴表示系统达到的吞吐量与设定的 Tmin的比值。从图5知,静态组网的吞吐量大部分均在 Tmin以下,动态组网的吞吐量大部分均在 Tmin以上,而半动态组网的吞吐量在 Tmin上下浮动。虽然静态方案不能保证Tmin要求,但实施复杂度最低,所以还是一种有用的机制。同时从图中看出,动态SFN方案的吞吐量优于半动态方案,但是变化频率过快,不适用于实际系统。

图6表示的是半动态方案中收缩SFN的概率。可见,G值越大,此概率越大。因为G值越大,条件 Trest≥G◦Tmin越不容易满足,则此时收缩SFN的几率将增大。随着吞吐量比例的增大,5条曲线均有不同程度的增加。这是因为吞吐量比例越大,小区的剩余吞吐量越不容易满足 Tmin要求,则收缩SFN的几率增加。由图6知,半动态组网方案中收缩SFN的调整概率亦不是很高,即单频网更新网络拓扑结构的频率很低。

图6 G取不同值时收缩SFN的概率

图7 收缩SFN时静态组网与半动态组网平均吞吐量之比较

图7纵轴表示系统达到的吞吐量与设定的 Tmin的比值。从图7知,无论静态组网还是半动态组网均可以满足吞吐量性能。这是由于设定的 Tmin小于初始化时整个系统的平均吞吐量。静态组网的吞吐量一直不变,所以占Tmin的比例为一个固定数值。半动态组网由于适当更新网络拓扑结构,所以吞吐量有所变化。图中可以看出,当有用户从边界小区向核心小区移动后,半动态组网的平均吞吐量一般情况下优于静态组网。

4 结束语

研究了SFN网络的组网问题。通过分析静态组网和动态组网方案各自的弊端,提出了一种半动态组网方案。在延展SFN时,半动态组网方式相比静态组网,可以实现有效覆盖,保证吞吐量和SFN性能;相比于动态组网,更新网络拓扑结构概率有所降低。收缩SFN时,半动态组网吞吐量高于静态组网,且更新网络拓扑结构概率可控。方案达到了保证用户移动性和连续性及SFN性能的很好的折中,且更新网络拓扑结构的概率较小,更适合于实际系统的应用。

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