基于盲源分离的云无线接入网接入策略

沈 毅，齐丽娜

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于盲源分离的云无线接入网接入策略

沈 毅，齐丽娜

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

由于移动通信技术的快速发展和互联网资源的极大丰富，人们可以轻松获得更加便利和多样的信息服务，然而日益增长的数据量使得现有无线蜂窝通信系统需要支撑更重的业务负担并提供更高的通信速率，因此提升蜂窝系统的效率是一个重要课题。云无线接入网技术是一种高效的、针对接入网络集中化的新技术。为此，基于云蜂窝，采用盲信源分离算法，设计并实现了一种根据云蜂窝网络拓扑结构进行信道选择的接入策略，使蜂窝系统在工作时可以选择合适的信道，从而提高协作通信的效率；同时还针对系统性能较差的拓扑结构，对原有接入策略进行了改进，使得蜂窝系统具有最佳的误码率性能。仿真结果表明，所提出的接入策略有效降低了系统误码率，提高了信道使用效率。

云无线网络；接入策略；云蜂窝系统；拓扑结构；盲信源分离；协作通信

0 引 言

近年来，随着移动互联网技术的高速发展，促进了移动通信技术升级换代的步伐。21世纪以来，人们经历了从2G到3G、再到目前被广泛运用的4G技术的时代，移动通信速率也从GSM系统最初的9.6 kbps[1]发展到3G时代的2 Mbps[2]，再到可以满足各种多媒 体需求的LTE的100 Mbps[3]。爆炸性增长的信息量对信息传输速率和信息处理能力提出了极高的要求，因此现有的蜂窝系统需要不停地进行技术升级来应对这种挑战。

传统的针对性解决方案是提升基站数量，即划分出更小的蜂窝，并以此来提升信息容量。然而，维持高密度的基站分布将会带来一系列开销，例如额外增加的维护成本、更加频繁切换带来的效率低下，更糟糕的是，越来越小的基站间距会带来码间串扰，严重影响了蜂窝系统的通信质量。

为了减少蜂窝变小带来的不必要切换，一项新的技术正在被广泛运用。云无线接入网(Cloud Radio Access Network,C-RAN)是移动通信无线网络架构的重要演进方案，所谓C就是基于集中化处理(Centralized Processing)、协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)[4]。C-RAN主要包括3部分：由远端无线射频单元和天线组成的分布式无线网络,由高带宽低延迟的光纤或光传输网连接远端的无线射频单元(Remote Radio Head,RRH),由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池(Virtual Base Station,VBS)[5]。

现有的蜂窝通信系统中信道资源的分配是利用信号衰减原理，将频谱划分为若干个信道(用户信道载波)，在距离足够远时可以复用信道，但是相邻的蜂窝之间需要避免使用相同频率的信道，因此会牺牲一部分频谱资源。不仅如此，当移动站在不同蜂窝小区之间移动时，带来的切换也会增加系统负荷。为了解决以上问题，可以针对现有系统接入策略进行改进来提升系统效率。

基于C-RAN的基本结构，新策略将临近蜂窝分成一个集群并且允许一个集群内的不同蜂窝使用相同频率的信道。在一个蜂窝集群内，RRH接收由移动台发出的信号的混叠，信号通过物理链路传输到VBS，再经过盲信源分离算法(BSS)后被还原成源信号。并且针对不同网络拓扑结构带来的分离效果影响，提出了一种可以有效降低误码率的接入策略，使蜂窝系统在工作时可以选择合适的信道，具有最佳的误码率性能。

仿真结果表明，所提出的接入策略可有效降低系统误码率，提高信道使用效率。

1 传统无线接入网架构

1.1 传统无线接入网架构及劣势分析

在传统无线接入网架构中，每个小区由基站独立覆盖，基站仅服务本小区用户，且与其他小区基站不共享数据。基站实现的硬件平台以ASIC、DSP、FPGA为主，在硬件平台上实现主要的基带处理，再通过光纤网络连接到远程射频单元实现远端无线覆盖。

传统无线接入网架构经过几十年的发展，取得了巨大成就。然而，面对如今移动互联网推动下的海量数据需求，弹性的网络接入，传统接入网架构面临着高能耗、低容量、低资源利用率等诸多挑战[6]。首先，为了满足日益增长的设备接入与传输，移动运营商不断增加基站数量，相应地导致了能耗的显著增长[7]；其次，传统基站硬件平台虽然处理速度很快，但灵活性差，可扩展性不强，维护升级成本高。面对快速演进的通信技术，其更新换代速度快，往往带来很大的硬件资源浪费。

1.2 传统蜂窝系统架构模型

现有蜂窝网协作通信的部署主要是以传统蜂窝网结构为基础，为增强无线通信系统的网络覆盖、提高网络结构的鲁棒性、降低网络建设成本、提高用户服务QoS性能逐渐演进而来。虽然实际蜂窝网络是可以无限扩展的，但是表现为一种基本结构的复制，因此分析网络性能可以通过简化的网络模型来进行。蜂窝网协作简化模型主要有线性蜂窝协作模型、环形蜂窝协作模型和分簇蜂窝协作模型。之后的研究内容是在分簇蜂窝协作模型的基础上进行。

分簇的蜂窝网协作模型是对实际商用蜂窝网络的一种裁剪，主要有三种数量小区，组成的三小区共点模型、七小区环绕模型和十九小区环绕模型。三小区共点模型主要用来研究边缘小区用户的系统性能[8]，一般选在将研究用户放置在三个小区的公共点附近。

在分簇的蜂窝网协作模型中，邻小区之间的同频干扰一直是系统中难以解决的难点问题。同频干扰对位于小区边缘的用户具有十分严重的影响，边缘用户由于在通信时受到较大的同频功率干扰，其上下行链路的接收信号均会受到严重影响，从而降低了通信质量。因此，在云蜂窝网络模型中，基站的布置在原有网络上呈倍增加，这使得网络内的用户更容易受到同频干扰的影响。在蜂窝网络模型下解决邻小区的干扰问题，是信道频率资源分配策略研究的重点所在。

2 基于盲源分离的接入策略分析

2.1 混叠信号的表示

通常情况下，蜂窝网络中相邻的蜂窝会尽量避免使用相同频率的信道，使之间的干扰保持一个较低的水平。但是，这样做将会使每个蜂窝不能使用所有的信道，因此会带来一部分频率资源浪费的开销。为此，提出一种在蜂窝集群内使用盲信源分离技术来解决信道不能被全部利用的方法。在该方案下，多个用户可以同时使用相同的信道进行通信，并且多个信道能同时服务一个用户。因此，该方案可以有效提高单个用户的容量，并且能有效减少用户在不同小区间移动带来的切换，通信速率也将有一定的提升。

如图1所示，在一个由三个蜂窝形成的蜂窝集群中，每一个RRH将会接收到移动台(MS)发出的不同信号的混叠。

混叠信号的表达式如下：

图1 蜂窝集群中RRH与MS信号的混叠

(1)

2.2 ICA算法

一个集群内的不同RRH收到混叠信号后，将其传输给VBS进行盲信源分离。通常情况下，大多数的盲信源分离采用的是独立成分分析(ICA)[9]。ICA能够分离出数据中的独立分量。在信号重构中，ICA省去了制定重构规律的过程，仅凭其算法模型挖掘信号的隐藏成分，并按ICA模型的规律进行重构。与传统的信号重构方法相比，无需先验知识，拓宽了重构范围，简化了重构过程[10]。其公式如下：

x(t)=As(t),y(t)=Bx(t)

(2)

2.3 拓扑结构对分离效果的影响

2.3.1 噪声的影响

在传统的蜂窝系统中，为了尽量减少干扰信号的影响，相邻的蜂窝会使用不同频率的信道，这样做也带了一部分频率资源的浪费。为了把这一部分被闲置的频谱资源利用起来，相邻的蜂窝形成一个蜂窝集群，同一个集群内的不同蜂窝将可以重复使用同一频率的信道接收不同的信号源，然后通过ICA算法将其分离并得到源信号。并且，已有研究表明[11]：即使是已经经过混叠的多径信号也能通过ICA算法被精确还原。

在没有噪声干扰的情况下，只要源信号是统计独立的并且混合矩阵满秩，ICA算法都能精确估计分离矩阵，得出源信号[12]。然而在实际通信系统中，噪声是一定存在的，所以在进行ICA的过程中一定会受到噪声的干扰，将会得到一个有偏差的源信号估计值，其值由式(3)给出。

(3)

2.3.2 拓扑结构的对角优势系数

由以上的讨论可以得出，蜂窝集群的拓扑结构对于源分离效果的好坏有着至关重要的影响。为了衡量拓扑结构的对角优势程度，可以由式(4)给出一个参考量D(A)。

(4)

3 仿真结果及分析

为了验证蜂窝集群拓扑结构对分离性能的影响，如图2所示，实验假设有四种不同的拓扑结构，并且其对角优势性能依次降低，即D1(A)>D2(A)>D3(A)>D4(A)，盲信源分离算法选择JADE[12]，使用OFDM信号作为MS源信号，并且在源信号中加入了SNR从1到20不等的高斯噪声作为干扰，计算分离后信号的误码率。

图2 不同拓扑结构

实验结果如图3所示。蜂窝集群的不同拓扑结构对源分离效果有着影响显著，其中，最不具有对角优势的结构(1)的误码率一直维持较高的程度，分离效果不甚理想；随着混合矩阵A的对角优势的加强，其D(A)越来越接近于0，由实验仿真结果可知，D(A)越小，其分离后信号误码率越小，盲信源分析的效果也就越好；而在同一拓扑结构下，信源中噪声的大小对于分离效果也有显著影响，SNR比较低的情况下，分离后的误码率比较高，而随着SNR的不断提升，其相对应的误码率也随之迅速下降，同时，D(A)越小的结构的误码率相应地减小更快。

图3 不同拓扑分离效果仿真结果

由于实际通信系统对误码率有较高要求，一般需要达到10-3左右，而仿真结果表明除了拓扑4以外，其他的3种拓扑结构很难达到要求，所以需要尽量减少这三种拓扑结构的出现频率，因此，根据拓扑4，提出了一种多蜂窝集群协作选择接入用户的策略。如图4所示，在多个蜂窝集群内，对之前的拓扑1进行拓展，把原有的3个MS接入到临近蜂窝集群内，形成3个类似于拓扑4的结构。

图4 蜂窝集群拓扑结构拓展示意图

实验仿真结果如图5所示。相对于原有拓扑，在新的接入策略下，系统误码率有了大幅下降，可以满足实际通信系统的要求。

图5 接入策略优化效果对比图

4 结束语

C-RAN作为一种新型的无线接入网络结构，利用分布式RRU和集中式BBU基带池，可以实现先进的多点传输接收技术，支持多标准的软件无线电、虚拟基站与资源融合、RAN边缘业务等。相比于传统接入网络，C-RAN拥有更大的灵活性和优越性，能有效提升网络的谱效率和能效率。为此，提出了一种在云无线接入网络中基于盲信源分离(Cloud-BSS)的新型接入策略。利用云无线接入网络的集中化特征来提升移动蜂窝网络的性能。Cloud-BSS将一组相邻蜂窝作为一个蜂窝集群，允许相邻的蜂窝使用同一频率的信道进行通信，可以使系统中所有频率的信道都被充分利用，从而提高系统频谱效率，减少不必要切换，并消除一部分的码间串扰。同时还分析了不同的蜂窝集群中拓扑结构的性能指标，提出了一种新型的量化对角优势性能的参数D(A)，设计并完成了仿真对比实验，根据实验结果综合分析了蜂窝集群不同拓扑结构对Cloud-BSS误码率性能的影响，对接入策略进行了进一步优化。实验结果表明，经过优化的接入策略与原有策略相比，有效降低了误码率，提升了通信效率。

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An Access Strategy for Cloud Radio Access Network with Blind Source Separation

SHEN Yi,QI Li-na

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Due to the rapid growing popularity of mobile communication technology and abundance of Internet resources,it is quite easy for people to get more convenience and variety of information services.However,the increasing amount of data makes the existing wireless cellular communication system to support heavier burden on the business and provide a higher rate of communication.Therefore,how to improve efficiency of the cellular system is still an important issue.Cloud radio access network technology is a new efficient technology for centralized access network.Based on the cloud cellular,a new method of channel selection has been designed by using the blind source separation algorithm,to make the cellular system select the appropriate channel to improve the efficiency of cooperative communication.Against the poor performance of the system topology,the original access strategy has been improved so that the system has a best error rate performance.The simulation results show that the proposed access strategy has effectively reduced the bit error rate of the system and increasing efficiency of channel.

cloud radio network;access strategy;cloud cellular system;topological structure;blind source separation;cooperative communication

2016-05-30

2016-09-08

时间：2017-03-07

国家“973”重点基础研究发展计划项目(2013CB329005)；国家自然科学基金资助项目(61471201)

沈 毅(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为云无线接入网；齐丽娜，副教授，通讯作者，研究方向为认知无线电网络中频谱资源相关理论、5G宽带无线通信技术。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0922.056.html

TP301

A

1673-629X(2017)04-0025-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.006