基于动态SNR门限的CoMP反馈开销优化

刘 佳,郭爱煌

(同济大学电子与信息工程学院,上海201804)

基于动态SNR门限的CoMP反馈开销优化

刘 佳,郭爱煌

(同济大学电子与信息工程学院,上海201804)

多点协作(CoMP)系统需要用户反馈大量的信道信息,以满足系统的性能增益,但系统的能耗会随着反馈开销的提升而增大。为此,设计基于动态SNR门限的反馈算法,从绿色无线系统的观点出发,尽量降低系统的性能损失,并通过减少不必要的反馈信息,避免协作节点间不必要的交互信息,在系统性能和能耗之间取得较好平衡,提高系统的能量效率。仿真结果表明,与固定SNR门限反馈算法和不采用选择性反馈的情况相比,该算法能在满足系统性能要求的前提下,有效降低系统的反馈开销,实现降低系统能耗的目标。

多点协作;能耗;反馈开销;选择性反馈;动态门限;平均反馈链路数量

1 概述

作为LTE-Advanced的关键技术之一,多点协作(Coordinated Multi-point,CoMP)技术是基于各协作基站对用户数据信息和信道状态信息(Channel State Information,CSI)不同程度的共享,通过小区间基站的协作将原本来自相邻小区的干扰信息转变为有用信息[1-2]。然而在CoMP系统中,用户需要反馈大量的信道状态信息,且节点间需进行大量的数据交流[3],这无疑对回程网络的容量提出了更高的要求,增大了额外的数据传输量,造成了网络能耗的进一步增加[4]。

国内外的研究表明,影响CoMP系统能耗的根本因素是基站协作传输带来的额外信息交互[5]。系统的反馈方案不但直接影响到系统的反馈开销,还与系统的回程开销有密切联系[6]。因为CoMP技术是基于相邻小区基站对用户数据信息和信道状态信息CSI不同程度的共享来实现的,而下行CSI需要用户反馈来实现[7]。

文献[8]提出了选择性反馈(selective feedback)的概念,选择性反馈是指在CoMP系统中,当用户与某基站的链路质量较差时,用户不需要反馈该链路的下行信道状态信息。这样用户只需要反馈质量较好的链路信息,从而在尽量减小CoMP性能损失的前提下,有效地减少反馈开销。

目前关于CoMP反馈机制的研究大多是对系统性能的提升,而很少有对能耗的关注[9]。本文提出一种基于动态SNR门限的CoMP反馈算法,以有效降低系统能耗。

2 减小反馈开销的优化设计

2.1 选择性反馈系统模型

其中,hk=[hk1,hk2,…,hKB]T,表示第k个用户与各个基站之间的链路;第2项表示来自其他用户的干扰;nk表示第k个用户接收到的高斯噪声。

第k个用户的SINR表示为:

假设用户能够获得准确的下行信道状态信息,其中就包括了hki,i=1,2,…,B。对于第k个用户,链路hki的信噪比SNR的平均值可以表示为:

其中:

2.2 基于动态SNR门限的选择性反馈方案

对于同一SNR门限值,当小区边缘的平均SNR值变大时,系统的反馈开销随之增大。因为小区边缘的平均SNR越高,说明小区边缘的整体链路质量越好,需要反馈的链路总数也就越多,从而系统的反馈开销越大。为了将反馈开销控制在一定范围之内,选择性反馈算法的SNR门限值应该与小区边缘的平均SNR值线性相关。当小区边缘的平均SNR值较高时,预设门限值可以适当升高,反之,则适当降低。

据此,本文提出一种基于SNR动态门限的选择性反馈算法。在该算法执行初始,小区边缘每个用户需要向基站反馈其所有链路的SNR值,eNodeB的调度器计算出平均SNR值,得出预设门限值γt=a(a为常数),然后发送给每个用户。该反馈过程是周期性的。反馈算法如下:

算法 基于SNR动态门限的选择性反馈算法

3 反馈开销的定量分析

为了简化起见,本文用CoMP系统中每个用户反馈的链路数量的平均数来衡量反馈开销的大小。假设N(t)表示用户在时隙t内反馈的链路总数,则反馈开销的大小表示为:

显然,Nf(t)∈[0,B]。

反馈开销的大小是与预设的SNR门限值有关的。根据上文提出的基于SNR固定预设门限的选择性反馈算法,现在推导它们的具体数学关系。

根据对数正态阴影路径损耗模型[8],用户k与基站i之间的信道可以表示为:

其中,dki表示用户k与基站i之间的距离;α表示路径损耗指数;β是一个常数;γki表示对数正态阴影效果;Γki服从复高斯分布,表征快衰落信道;G(θ)表示基站天线的功率增益,与天线角度有关。小区边缘的平均SNR与基站的发射功率、小区大小等因素有关[10]。在多小区场景下,由于不同的信道是不相关的,因此小区边缘的总体SNR值随着用户的移动而变化[11]。假设(γ)表示小区边缘每条链路的平均 SNR值的累积概率分布函数(CDF),它可以用对数正态分布来近似模拟[12],其表达式为:

erf(x)表示误差函数,其表达式为:

如果N(t)=n,则意味着在BK个链路中有n个链路的SNR值超过了预设门限,而剩余的BK-n个链路的SNR值在门限之下。因此,N(t)服从二项分布,概率函数为:

因此,N(t)的期望值为:

式(6)可以写为:

将式(8)代入式(12),整理得到:

分析式(13)可知,反馈开销的大小是预设SNR门限值的单调递减函数,即预设门限值γt越大,反馈开销越小,但是这会给系统的性能带来较大的损失。因此,在选择γt的大小时,不能单一追求使Nf(t)达到最小值,而要考虑到反馈开销对系统的性能的影响。

4 仿真结果与分析

4.1 仿真模型

仿真实验采用的模型是传统3个小区协作簇模型[3-6],如图1所示。具体仿真参数如表1所示。

图1 3个小区协作簇模型

表1 具体仿真参数

4.2 结果分析

在基于SNR门限值的选择性反馈算法中,反馈开销的大小与SNR门限值有关,它们的具体函数关系可以用式(13)来表示。从理论上分析,SNR门限值越大,反馈开销越小,即用户平均反馈链路数量越低。然而在实际应用中,SNR门限值的设定需要考虑到对性能带来的损失。图2展示了平均反馈链路数量与SNR门限值的关系。

图2 用户平均反馈链路数量与SNR门限值的关系

图3展示了系统SNR分别等于-10 dB,0和10 dB的情况下,用户平均反馈链路数量与系统SNR值的关系。从仿真结果可知,在SNR门限值不变的条件下,用户平均反馈链路数量随着系统SNR的增大而上升。

图3 用户平均反馈链路数量与系统SNR的关系

图2和图3的仿真结果表明,在设定SNR门限值的时候参考系统SNR的大小,从而使反馈开销和回程开销控制在一定范围之内,避免其快速增长。

图4综合展示了用户平均反馈链路数量与SNR门限值和系统SNR值的二元函数关系,并对比了动态SNR门限反馈算法与固定SNR门限反馈算法在减小开销方面的性能结果。

在动态SNR门限反馈算法下,SNR门限值的设定需要参考系统SNR值的大小。在仿真实验中,假设它们存在简单的线性关系。

图4给出了SNR门限值与系统SNR值的比值分别为1/2和1的条件下,用户平均反馈链路数量与SNR门限值和系统SNR值的关系。分析仿真结果可知,动态SNR门限反馈算法能够将反馈链路数量控制在一定范围之内,防止其快速增长。

对比固定SNR门限反馈算法(SNR门限值= -10 dB)和动态SNR门限反馈算法(图4中K=1/ 2和K=1对应的曲线)这3条曲线,可以得出如下2个结论:

(1)当系统SNR值变大时,动态SNR门限反馈算法能够在固定SNR门限反馈算法的基础上,控制住用户平均反馈链路数量,从而防止系统反馈开销和回程开销的增大。

(2)SNR门限值与系统SNR的比值越大,动态SNR门限反馈算法在控制系统开销方面表现越好。但是该比值不能设置得太大,因为这会给系统性能带来严重损失。

图4 动态SNR门限与固定SNR门限反馈算法的性能对比

5 结束语

在设计CoMP系统的反馈方案时,本文基于选择性反馈的概念,提出了动态SNR门限反馈算法。仿真结果表明,该算法相比固定SNR门限反馈算法和不采用选择性反馈的情形,都表现出了更好的性能结果。动态SNR门限反馈算法能够将用户平均反馈链路数量控制在一定范围内,防止其快速增长,从而避免系统反馈开销和回程开销的增大。在实际场景下,系统SNR值是动态变化的,因而动态SNR门限反馈算法具有较强的实际意义,它能将系统开销控制在一定范围之内,而不受系统环境变化的影响。本文提出的动态SNR门限反馈算法虽然能将反馈开销控制在一定范围之内,但是其代价是计算量的增加,而且当小区边缘的平均SNR值较高时,由于SNR门限值较高,对于某些链路质量较差的用户是不公平的,这有待进一步的研究改进。

[1] 3GPP.TR 36.819(v11.0.0)-2011 Coordinated MultipointOperation forLTE PhysicalLayerAspects [S].2011.

[2] 沈 嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[3] 3GPP.TSG R1-091342-2009 On UE Feedback Support LTE-A MU-MIMO and CoMP Operations[S].2009.

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[9] 吕潇潇.LTE-A下行CoMP有限反馈方案设计[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[10] 3GPP.TSG R1-092369-2009 Feedback Design Principles for Downlink CoMP[S].2009.

[11] 3GPP.TSG R1-092655-2009 Comparison between Explicit and Implicit Feedbacks for CoMP[S].2009.

[12] Choi W,Andrews J.The Capacity Gain from Intercell Scheduling in Multi-antenna Systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communication,2008,7(2):714-725.

编辑 任吉慧

Optimization of CoMP Feedback Overhead Based on Dynamic SNR Threshold

LIU Jia,GUO Ai-huang
(School of Electronics&Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to meet the system performance gain,CoMP system requires users to feedback a lot of the channel information.However,the energy consumption of the system also increases with the enhancement of feedback overhead. Feedback alogorithm based on dynamic SNR threshold is proposed in this paper,starting from the view of the green wireless system,achieves a good compromise between system performance and energy consumption under the premise of minimizing the performance loss to the system by reducing unnecessary feedback information,thereby reducing unnecessary cooperative interactive information between nodes,thus improve the energy efficiency of the system. Simulation results show that the proposed alogorithm can effectively reduce the feedback overhead of system compared with the fixed threshold SNR feedback alogorithm and situation which does not use selective feedback,under the system performance requirements.

Coordinated Multi-point(CoMP);energy consumption;feedback overhead;selective feedback;dynamic threshold;average feedback link number

1000-3428(2014)09-0092-04

A

TN911

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.019

上海市自然科学基金资助项目(12ZR1433900);中央高校基础研究基金资助项目(0800219162)。

刘 佳(1990-),男,硕士研究生,主研方向:宽带无线通信技术;郭爱煌,教授。

2013-08-19

2013-10-29E-mail:2008liujia1990@163.com