协作多点通信系统中的资源分配算法及仿真

李俊杰 许方敏 潘 鹏

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

协作多点通信系统中的资源分配算法及仿真

李俊杰 许方敏 潘 鹏

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

为了进一步提高协作多点通信系统的系统性能，文章将小区中的用户分为小区边缘用户和小区中心用户，小区中心用户采用单小区服务的方式，而小区边缘用户采用多小区服务的方式，并为小区边缘用户选择路径增益最大的两个小区为其提供服务。仿真结果表明，所提出的算法有效地提高了小区边缘用户的吞吐量，明显降低了用户掉话率。

协作多点；小区边缘用户；小区中心用户；资源分配

1 引言

为了实现5G系统在高速率、高质量方面的通信需求，除了在物理层使用更能提高频谱效率的多天线（MIMO）技术、正交频分复用（OFDM）技术等关键技术之外，小区边缘用户问题也亟需得到有效的解决。因为小区边缘用户要忍受比在小区中心用户更糟糕的通信环境，比如接收由于衰减和小区间干扰造成的劣质信号等。此时若只有一个天线为其提供服务有可能不能保证用户的通话质量。这时就需要其它的一个或几个天线同时为用户提供服务。

为了提高小区边缘用户性能，IMT-Advanced系统[1-4]引入了协作多点（CoMP）传输/接收技术。CoMP技术是一种干扰抑制技术，通过小区间的联合调度和协作传输，使小区边缘的CoMP用户的干扰信号变为有用信号，或降低来自相邻小区的干扰水平，从而提高小区边缘吞吐量，并且增强系统性能，一定程度上达到了抑制协作簇簇内的小区间干扰（简称协作簇簇内干扰）的目的。

另一方面，对于小区中心用户来说，一个天线为其提供服务已经保证用户的通话质量，不需要进行多根天线的服务。因此，本文主要研究如何选择天线为用户提供服务，能使用户通话质量较好且系统消耗最小。

下面，本文将主要针对在协作多点架构下用户的接入问题展开讨论，将分别阐述小区中心用户和小区边缘用户的接入问题，并特别针对边缘用户提出基于路径增益最优原则的接入算法，并对其进行仿真分析。

2 系统模型

本文的系统模型可用图1表示：

图1　小区边缘用户的接入过程

图 1描述了小区边缘用户接入系统时的天线选择情况。图中数字1～7号表示协作小区编号，C表示资源。此时该用户正处在小区 1的边缘，当它请求接入时系统通过接收到的导频信号强度计算其路径增益并和增益门限值比较以判断它属于小区边缘用户。然后根据最优原则选择此时增益最优的1号天线和次优的 2号天线作为服务天线，并为其分配此时 1号和2号都空闲的资源，如图中的资源C。若此时没有共有的空闲资源为其服务，则将该用户转入等待队列。然后，协作处理中心获得当前服务天线单元使用所分配资源与用户通信时该用户接收信号的总信干噪比(SINR)，与设定的门限值比较，若低于该门限值，直接将该用户转入等待队列或者阻塞掉。否则准许接入，接入过程结束。

3 资源分配算法

3.1 小区中心用户的接入算法

与小区边缘用户相比，处于小区中心的用户通信环境较好、受到干扰较小。所以，处于中心的用户在系统负载不大的时候，一根天线就基本可以满足其QOS的要求，在系统负载过大时，多天线技术的使用也能保证小区中心用户的业务需要。因此，对于小区中心用户的接入算法，可以总结为协作处理中心根据系统负载、用户需求、链路质量、协作簇大小等因素来调整天线单元个数，以保证小区中心用户的通话质量。在论文的仿真设计中，小区中心用户只由一个小区为其提供服务。

3.2 小区边缘用户的接入算法

对于小区边缘用户而言，要忍受比在小区中心的用户更糟糕的通信环境，比如接收由于衰减和小区间干扰造成的劣质信号等。因此，需要多个小区为其提供服务，为了进一步防止资源的浪费，本节针对小区边缘用户提出了基于路径增益最优原则的接入算法。

该算法的基本思想是，在用户请求接入时，对用户根据路径增益大小进行判断，以分辨该用户是否小区边缘用户。如增益低于门限值，则视为小区边缘用户并选择增益最优和次优的天线，当这两个天线都无法满足其需求时，则将该用户转入等待。在信道分配方面，为用户选择这两个天线共有的空闲资源或者是效果最优的资源。具体步骤如下：

（1）系统根据用户的接入请求信号判断用户是否为小区边缘用户。比如：根据用户发送来的信号强度，计算该用户的路径增益，若路径增益低于门限值的用户则判定为小区边缘用户；否则判断为中心用户；

（2）按照最优原则为该用户选择增益最优和次优的两个天线作为该用户的服务天线，并为用户分配这两个天线共有的空闲资源接入。若此时检测的所有天线都不存在空闲资源，则将该用户转入等待队列；

（3）系统获得当前服务天线单元使用所分配资源与用户通信时该用户接收信号的总信干噪比(SINR)，与设定的门限值比较，若低于该门限值，直接将该用户转入等待队列或者阻塞掉。否则准许接入，接入过程结束。

4 性能分析

为了仿真该算法的性能，将其与另外一种传统的接入算法比较。算法一，协作小区大小固定为3，小区边缘用户接入时选择路径增益最大和次大的两个天线单元，并为用户分配二者共有且是最优的空闲资源为其服务。算法二，小区边缘用户接入时只选择路径增益最大的一个天线单元，并随机为用户分配该天线空闲资源为其服务。由于本仿真主要比较接入算法的性能，故仿真中用户静止，当新用户接入而影响系统中已有用户的通话时，将引起切换，切换的用户作为新用户，重新选择天线单元及分配资源。

仿真参数设置如表1所示。

表1　仿真参数

图 2给出每个小区不同的用户数量时，系统的总吞吐量的变化情况。蓝色线表示算法一即当有小区边缘用户接入时，系统选择路径增益最大和次大的两根天线作为用户的服务单元并为用户分配共有空闲资源的算法的性能。虚线则表示算法二即只为小区边缘用户选择路径增益最大的一根天线为用户服务的算法的性能。吞吐量是指通信系统在单位时间内可以传输数据的量，以Mbps为单位，从图中可以看出，随着用户数的增加，算法一发挥了多天线技术，使得总吞吐量明显高于算法二。

图2　系统吞吐量随用户数变化曲线

图3　小区边缘数据速率随用户变化曲线

图 3表明当用户数不断增加，虽然小区边缘的数据速率在不断下降，但算法一的数据速率仍然高于算法二。这是因为随着用户数的不断增加，系统的负载开始加大，而在资源固定不变的情况下，高负载必定使系统的处理过程变慢。而算法一采用的最优原则在一定程度上提高了系统的处理性能，使其在同等条件下数据速率仍然高于算法二。

图 4给出了当用户数不断增加时，小区边缘用户的接入失败率的变化曲线。该失败率包含了由于载波不够而随机阻塞的用户和由于信干噪比不够而被阻塞的用户。从图中很明显的看出，使用算法一小区边缘接入的成功率明显高于算法二。在算法一中，小区边缘用户得到的是路径最优和次优的两根天线为其服务，而算法二只有一根天线，并是随机选择空闲资源为用户服务，因此，采用算法一的接入成功率明显高于算法二。

图4　掉话率随用户变化曲线

5 总结

在协作多点的网络架构下，基于路径增益最优原则的小区边缘用户的接入算法充分考虑了这种分布式结构的特点，本章首先针对该算法构建了仿真环境，分模块介绍了仿真的流程，最后从仿真的结果可以看出该算法可以有效的解决小区边缘用户接入通信系统时的天线选择问题，保证小区边缘用户的通话质量，大幅提高系统的容量，提高了用户的接入成功率和资源利用率。

[1] Lee,Daewon;Seo,Hanbyul;Clerckx,Bruno,et al.Coordinated multipoint transmission and reception in LTE-advanced: deployment scenarios and operational challenges[J]. Communications Magazine, IEEE,2012,50(2):148-155.

[2] Dongwook Choi,Dongwoo Lee, Jae Hong Lee[J]. Resource Allocation for CoMP With Multiuser MIMO-OFDMA, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, 2011,60(9):4626-4632.

[3] 韩东升,袁华璐,丁莎莎,等.一种无线异构网络中的分步协作基站分簇方法[J].电讯技术,2016,56(5):531-537.

[4] 王盛,郑娜娥.CoMP 中以天线为基本单位的双向协作集生成算法设计[J].软件,2015,36(8):99-106.

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

浙江省自然基金项目（LQ15F010004）；浙江省教育厅项目(Y201224171) 。

李俊杰（1994－），浙江仙居人，杭州电子科技大学学生，研究方向为通信工程。