TD LTE-A系统下的中继规划技术

郝　龙

(中国电子科技集团公司第20研究所 通信部,陕西 西安　710068)



TD LTE-A系统下的中继规划技术

郝龙

(中国电子科技集团公司第20研究所 通信部,陕西 西安710068)

摘要LTE-A通过使用中继技术达到提升小区边缘用户吞吐量、拓展小区覆盖和提升小区频谱效率等效果。文中针对中继在小区中配置和使用的问题,在TD LTE-A系统下提出了一种中继规划方案。结合中继位置选择和中继服务基站选择两种方法得到中继规划方法;考虑两跳中继场景下的链路信干燥比,并得到最优频率效率的中继选择算法;结合两者得到中继规划方案并进行仿真。仿真结果显示,采用了中继规划方案的回溯链路的信干燥比得到平均约2 dB的提升,且使小区吞吐量提升了约13%。

关键词TD LTE-A;中继规划;中继选择

随着用户对业务数据和业务质量需求的增加,LTE已无法满足未来潜在的速率及服务质量的需求[1]。因此,LTE的演进方案,即LTE-A的研究在国内外正加速进行。

LTE-A相对于LTE主要增加了中继、载波聚合以及多天线拓展技术。其中,中继技术用来提升边缘用户吞吐量或拓展小区覆盖;载波聚合在相同的带宽情况下能更好地复用小区频率资源,使得LTE的下行峰值理论速率从300 Mbit·s-1提升到3 Gbit·s-1;多天线拓展技术能在LTE MIMO技术的基础上,通过MU-MIMO以及增加基站天线最终达到8×8的矩阵配置,大幅提升了小区的频谱效率。

同LTE一样,LTE-A也分为TDD与FDD两种制式。相比于FDD,TDD在时隙配置上更为灵活,也因此在频率规划上更具优势。由于我国人口众多且密集,使用非对称频谱资源的TDD制式更符合实际商用。因此,包括华为中兴等公司均致力于研究完善TDD制式的LTE/LTE-A标准使得我国在通信领域上能独立自主,为我国带来更多的优势利益。

目前3GPP将中继类型[2]分为Type I和Type II两种。其中,Type I中继的各项标准提案已被采纳可应用于商用,因此对于Type I型的中继研究更为广泛。对采用了中继技术之后系统性能的研究方面,有针对AF和DF中继性能的比较[3],也有主要考察了Type I型中继的性能[4]。

在中继规划方面,之前的研究工作主要集中在AF中继在链路级仿真中的规划问题,例如使用考虑直线链路场景中多跳中继的最优位置性能[5]。在DF中继规划方面,有考察中继提升频谱效率[6]的研究,也有综合SINR性能分析的文献[7]。

本文研究的是TDD制式的LTE-A系统下针对于两跳DF中继(即TypeI型)的一种中继规划技术。通过合理配置小区内中继的位置配合最优中继选择算法达到小区吞吐量最优化。

1中继规划方法

一般而言,中继均是规划在预定的位置且连接到与之距离最近的基站[8]。中继规划策略可分为中继位置选择[9](LS)和与中继连接的基站选择[10](CS)。采用LS能避免中继位置的随机布置,中继的位置可从一些可选的区域集合中得到。如图1所示,中继A具有3种不同阴影衰落的中继候选位置,LS考虑其到服务基站的链路特性之后选择最优化中继链路质量的位置。

图1　应用场景中由建筑物带来的损耗示意图

在一些潜在的中继位置上,中继到干扰基站的阴影衰落可能较差,此时LS能提供的性能改善就无法体现。CS能使中继可以选择邻区的基站作为服务基站而不是选择阴影衰落较差的最近基站。即中继选择具有最优接收信号的基站进行传输而不是总选择最近的基站。

上述的两个站点规划策略可建模如下:

位置选择LS:在位置选择中假定中继在小区I中具有M个候选位置,通过SINR的方式选择最优的位置。在每个位置假定中继通过预先定义的基站单独进行服务,则选定区域的SINR形式可表示为

(1)

其中,γm,i表示中继在第i个小区第m个位置的SINR,中继位置的确定应在网络规划阶段。

小区选择CS:对于特定的中继位置,中继通过K次迭代选择出最佳的基站BS作为服务基站。即若采用小区选择,第m个中继候选位置的SINR可得到为

(2)

因乒乓效应的存在[11],小区选择需要通过长时间的平均统计而不能根据信道条件的短时间变化得出,因此小区重选的频率较低。

一个基站到一个中继的路径损耗[12]为

L=α·dβ·10ζ/10

(3)

其中,α和β分别表示传播常量和路损因子。随机变量ζ是阴影衰落的对数形式。该公式表明与基站距离相同的中继,会由于阴影衰落的存在导致路径损耗的不同在单干扰源的情况下,信干噪比(SINR)与信干(SIR)比近似相同,因此在第m个位置有

(4)

若中继站点规划采用了LS,在小区i中M个候选位置中选择中继位置,则通过SIR形式获得的CDF为

(5)

PDF为

(6)

(7)

对应的CDF便可得出

(8)

若在中继站点规划中同时采用了LS和CS。SIR形式的CDF为

(9)

相应的PDF为

(10)

中继链路建模时仅考虑了基于距离的路径损耗和信号传输的阴影衰落,这在长时间传输和固定位置的中继条件下是可行的。然而当用户终端(UE)发生移动,就需要考虑中继和用户间的接入链路发生的快衰。

对于接入链路,采用单载波模型进行分析。接入链路SINR的CDF为

(11)

接入链路SINR的pdf形式为

(12)

中继链路速率Rr通过SIR的形式如下给出

Rr=Ar·log2(1+Br·10Γ/10)=g(Γ)

(13)

其中,Ar和Br分别表示带宽和SIR效率因子,通常用于在系统级仿真中通过自适应调制编码(AMC)技术匹配系统速率。

由下式可得到接入链路的即时速率

Ra=Aa·log2(1+βa·γ)=h(γ)

(14)

式(13)和式(14)给出中继链路和接入链路的即时速率是单跳中继场景下的中继链路。实际应用场景中,端到端的速率是用两跳中继场景的方式表示出来的。考虑半双工DF(Decode Forward)中继,即中继不允许同时收发的场景下,从基站到中继和从中继到移动终端的传输需要在不同时隙上进行调度。3GPP和IEEE 802.16M说明书中描述了如何在单载波频率上对接入和中继链路进行时分复用的方法。

举例而言,在一个接入和中继链路上资源分配的方案中,给中继链路分配总系统资源的比例为τr,接入链路调度剩余τa部分的资源,有τa+τr=1。

考虑每扇区NRN个中继,中继k在中继链路上调度总资源的τr,k部分,其中

(15)

通过中继k服务的单个用户端到端速率为接入和中继链路的最小值,如式(16)所示

(16)

上式说明中继链路和接入链路的速率是通过被分配到的资源比例而进行衡量的。

在不使用LS或CS方法的情况下,端到端速率的CDF可表示为

(17)

需注意的是,最小速率公式(16)并未考虑到中继数据缓存(Buffer)短期内的变化对速率的影响。

式(16)在取两最小值中两值相等的情况下是最大的。即接入链路的最优资源分配和达到最大端到端速率的方法如下

(18)

(19)

2最优中继选择

如图2所示,UEu在坐标(x,y)同扇区s的基站b的直连链路的SINR计算为

图2　两跳中继场景

(20)

(21)

更改上述式(20)和式(21),可得到回溯链路的SINR

(22)

(23)

同样可得到接入链路的SINR公式

(24)

(25)

系统容量:点对点的单跳链路系统容量对于一个给定的SINR可根据香农公式得到

(26)

对于一个多跳链路,先根据上式计算出第n跳的频谱效率ηn,然后转化成有效频谱效率

(27)

3中继路径选择算法

(28)

则UEu的最佳路径可计算为

(29)

又因射频拉远头(RRH)技术[13]使得回溯链路的容量较大,因此有效频谱效率的限制主要就是由接入链路产生,则有

(30)

进而最佳路径就有

(31)

4仿真结果及分析

仿真场景设置,如表1所示,对整体仿真进行参数配置。

表1　仿真参数配置

如图3所示,中继位置系数从0.5～0.8的吞吐量变化。另外中继位置调整时,用户的吞吐量也随之变化。当中继靠近基站或靠近边缘时,均会因对用户干扰的增大而导致用户吞吐量的下降。在中继配置到0.7～0.8之间时,可看出性能最佳。

图3　中继位置调整对系统性能的影响

图4和图5展示了开启中继规划之后的性能对比。可以看出回溯链路的信道质量提升较为明显,直接导致两条链路性能的提升,从而UE平均吞吐量也得到了提升。结果表明,中继规划的效果还是较为显著的。

图4　采用中继规划之后的中继回溯链路SINR分布

图5　采用中继规划之后的UE平均吞吐量比较

5结束语

LTE-A针对LTE系统边缘用户吞吐量低下的问题采用了中继技术进行改善。本文提出了一种TD LTE-A系统下的中继规划方案。通过合理的配合中继位置以及使用最优中继选择算法,实现了小区吞吐量的提升。仿真结果也验证了在中继规划对小区吞吐量的改善。

参考文献

[1]Erik Dahlman,Stefan Parkvall.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M].UK:Elsevier Company,2012.

[2]Kanchei Loa,Wu Chihchiang,Shiann-Tsong Sheu,et al.IMT-advanced relay standards[S].Taipei:IMT-unit WIMAX/LTE Updata,2010.

[3]Saleh A B,Redana S,Raaf B,et al.Performance of amplify-and-forward and decodeand-forward relays in LTE-Advanced[C].Munich Germany:Vehicular Technology Conference Fall,2009.

[4]Zhang Chao,Ma Yi,Zhang Kan,et al.Performance of 3GPP LTE-advanced networks with type I relay nodes[C].Beijing:Communications and Networking in China,2010.

[5]Arpan Chattopadhyay,Abhishek Sinha.Optimal capacity relay node placement in a multi-hop network on a line[C].NewYork:8th International Workshop on Resource Allocation and Cooperation in Wireless Networks,2012.

[6]Sambale,Klaus Walke,Bernhard.Decode-and-forward relay placement for maximum cell spectral efficiency[C].Poznań,Poland:European Wireless,18th European Wireless Conference,2012.

[7]Hamdi A,El-Khamy M,El-Sharkawy M.Optimized dual relay deployment for LTE-Advanced cellular systems[C].Paris,France:Wireless Communications and Networking Conference,2012.

[8]Joshi G,Karandikar A.Optimal relay placement for cellular coverage extension[C].Bangalore,India:National Conference of Communications,2011.

[9]Lei Xiao,Fuja T E,Costello D J.Mobile relaying:coverage extension and throughput enhancement[J].IEEE Transactions on Communications,2010,58(9):2709-2717.

[10]Kashani M A,Safari M,Uysal M.Optimal relay placement in cooperative free-space optical communication systems[C].Paris,France:Wireless Communications and Networking Conference,2012.

[11]Bui V,Zhu Weiping,Lam Thu Bui.Optimal relay placement for maximizing path diversity in multipath overlay networks[C].New Orleans,Louisiana:Global Telecommunications Conference,2008.

[12]Saleh A B,Bulakci O,Hämäläinen J,et al.Analysis of the impact of site planning on the performance of relay deployments[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014(61):3139-3150.

[13]Di Caro G A,Flushing E F.Optimal relay node placement for throughput enhancement in wireless sensor networks[C].Palermo,Italy:FITCE Congress,2011.

Relay Site Planning of TD LTE-A System

HAO Long

(Communication Department,No.20th Research Institution,China Electronics Technology Group Corporation,Xi’an 710068,China)

AbstractIn the LTE-A system,the use of relay enhances the cell edge user throughput,expands the area coverage,and improves the spectrum utilization efficiency.In this paper,a scheme of relay planning is proposed to realize the optimization of relay configuration.First,a relay planning method is obtained by combining with relay location selection and choice of relay served base station.Then the SINR of two-hop relay scenario is considered to get the optimal frequency efficiency of relay selection algorithm.Finally the above two are combined to obtain the relay planning scheme.The simulation shows that by using the scheme the SINR of the backhaul link channel is enhanced by about 2 dB and the cell throughput improves by about 13%.

KeywordsTD LTE-A;relay planning;relay choice

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.010

收稿日期:2016-01-04

作者简介:郝龙(1988—),男,硕士,助理工程师。研究方向:无线通信。

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-034-05