异构网络自适应双工中继站组网方案性能评估

李 帅，吴建军

(北京大学 信息科学技术学院 现代通信研究所，北京 100871)

0 引言

全双工技术因其在频谱利用上的优势，在链路层性能优化上得到广泛研究[1-3]。链路级研究表明，全双工系统的传输性能主要受限于自干扰[4-6]。经过自干扰消除后，自干扰被充分抑制，结合全双工技术频谱资源利用上的优势，相比半双工技术，可以实现更高的频谱效率和更好的误码性能[7]。

在异构网络中，常见组网方案包括包括热点小区、中继站和D2D等[8]。全双工技术可以在中继站部署，提高小区的边缘覆盖能力。中继站部署技术是IEEE 802.16J工作组和3GPP LTE-A研究的一项重要技术[9]。通过在宏小区的边缘区域或者热点流量区域部署中继站，可以增加网络边缘区域的速率覆盖，提升网络边缘吞吐量，提供高数据速率服务以及网络整体吞吐量。在中继站部署场景中，通过采用功率分配、中继位置部署和上下行协议设计等技术，可以提高网络整体性能。采用全双工技术的中继站，相比于半双工中继站，可以实现更高的链路频谱效率和更灵活的上下行调度，提升整体吞吐量和用户服务质量。Huang X等人考虑了一个小区部署场景，包括1个全双工基站、2个全双工中继站和1对上下行用户，研究通过功率控制的方式提高小区频谱效率和用户服务质量[10]。Zhang G等人考虑了由1个基站和3个用户组成的底层网络，其中1个用户采用全双工协议，可以作为1个中继节点，进行用户间通信，通过功率分配优化获得了吞吐量增益[11]。从系统级角度出发，Ntontin K等人针对部署多天线全双工中继站部署场景，分析了小区的传输速率性能[12]。Fang Z等人研究了部署大规模天线基站和全双工中继站的小区，比较了采用全双工中继站和半双工中继站的频谱效率，以及采用不同中继转发协议的变化情况[13]。

针对全双工中继站部署的异构网络研究中，目前主要从链路级角度研究了中断概率、吞吐量等性能指标，从系统级角度研究统计性能的较少。本文研究了异构网络的中继站部署组网方案，针对该部署场景，研究自适应双工中继站的资源块调度算法，以及链路级自适应双工方案在实际网络部署的性能表现，并与全双工中继站和半双工中继站进行比较。

1 系统模型

在中继站部署场景，考虑到上下行公平性，宏小区采用固定的时分双工，上下行时隙固定。在一个宏小区中，部署多个中继站，其系统模型如图1所示，中继站采用Type 1中继[14]，此类中继站自己控制一个小区或若干小区，管理小区内的用户。中继站有自己的无线资源管理机制，从用户角度，接入一个中继站管理的小区和接入宏小区没有区别。当宏小区基站需要和中继站小区内的用户通信时，需要通过中继将信息进行转发。如果采用的是全双工的中继站，可以在一个时隙将信息经由中继站转发到目标用户，或者中继站小区的用户通过中继站将信息发给宏基站。图1展示的是下行信号传输的过程，宏基站到中继站的信号会受到全双工中继站的自干扰影响，而中继站到用户的信号会受到宏基站信号的干扰。如果是上行信号传输，用户到中继站的信号会受到自干扰影响，而中继站到宏基站的信号会受到用户发射的同频信号干扰。对于半双工的中继站，需要2个时隙才能完成转发过程，这个过程中没有干扰产生。

图1 中继站部署异构网络场景

在此场景中，半双工采用的是时分双工模式，以下行信号发射为例，第1个时隙宏基站在子载波a将信息发射给中继站，而下一个时隙中继站将信息发射给目标用户；在第2个时隙中，宏基站在这个子载波段不发射下行信号，以避免对用户产生同频干扰。

在中继站部署场景中，全双工和时分双工模式采用的时隙分配如图2所示。可以看到，对于时分双工模式，采用的是下行帧与上行帧交替的时隙划分，下行帧和上行帧分别占用连续的2个时隙。在下行帧的2个时隙中，分别进行基站到中继站传输，中继站到目标用户传输，而上行帧的处理与上行帧类似，中继站信号收发在2个时隙完成。对于全双工模式，由于其支持同一频带上同时接收和发射信号，为了与时分双工进行公平比较，时隙划分上采用同样的下行帧与上行帧交替的方式。区别在于，下行帧的2个时隙下，全双工模式下可以分为2个独立的时隙进行处理，基站选择不同的中继站和用户发射信号，上行帧也是一样。

图2 中继站部署异构网络场景资源块分配

在链路级处理里，自适应双工方案可以根据当前时隙下的信道信息和自干扰信息，自适应地选择较好的双工模式运行。不同时隙下，由于信道信息不同，可能会采用不同的双工模式。而在中继站部署的异构网络中，需要根据时隙资源和频域资源的变化，对自适应双工方案进行重新设计，设计后的时隙分配方式如图2(c)所示。考虑了多个子载波存在的情形，假设不存在载波间干扰，自适应双工方案在每个子载波上都可以采用不同的双工模式。在时隙划分角度，考虑到对比公平性，沿用时分双工和全双工的时隙划分，下行帧和上行帧交替的模式。可以看到，自适应双工在一个上下行帧和一个子载波组成的连续2个资源块上，处于同一模式，而在不同的子帧和子载波下，根据网络情况变化，会进行自适应的调整。

自适应双工方案需要根据当前时刻下的网络情况，选择工作在全双工模式或者时分双工模式。在全双工模式下，可以用2个时隙独立处理2个用户，但是会存在自干扰和同频干扰，在干扰较大时，会影响全双工模式性能。而半双工模式虽然只能用2个时隙处理1个用户，但是不会受到干扰的影响。这2种模式各有优缺点，需要设计自适应双工方案对这2种模式进行折中。

在中继站采用解码转发协议时，每个时隙下，根据瞬时速率最大准则， 分别计算出全双工和半双工模式下的传输速率，进而进行比较。采用放大转发协议时，考虑源节点到目标节点的直连信号，在每个时隙下，自适应双工方案的判断准则，可以用一组简单的方程组表示如下：

(1)

针对系统级的研究，需要考虑每个时隙下小区内的上下行用户集合，进行用户选择和资源块调度，自适应体现在选择合适的用户映射到合适的资源块这个过程中。自适应双工中继站的资源调度算法见下一部分介绍，基于速率最大准则，依次处理每个子载波的调度，根据全双工和时分双工模式下接入用户速率情况进行判断。

2 资源调度算法

常见的资源调度准则包括轮询、速率最大和比例公平准则。轮询根据用户顺序，依次将用户调度进入资源块中，速率最大准则是通过让每个资源块调度速率最大的用户传输以最大化吞吐量，比例公平准则是以上2种准则的折中。在部署自适应双工中继站的异构网络中，为分析验证自适应双工方案的系统级性能，依照链路级常用的最大化瞬时速率的设计，采用了速率最大准则。在资源块调度算法设计中，依照计算出的速率，决定每个资源块类型和接入用户编号。

在异构网络中，部署有NR个中继站，中继站编号依次为RN1,…,RNi,…,RNNR，基站编号为BS。用Φu表示宏小区内所有用户的集合，用wm标识用户接入的小区类型，wm满足：

wm∈BS,RN1,…,RNi,…,RNNR,∀m∈Φu。

(2)

根据信道损耗和各节点的发射功率，可以计算出网络的功率映射表Pmapi,j，表示节点i发射信号在节点j接收到的信号功率。基于这些参数，进行调度算法设计，部署自适应双工中继站的异构网络的资源调度算法(XDR-R)。依照此算法，可以类似给出仅部署全双工中继和仅部署半双工中继的资源调度算法。XDR-R算法步骤如下所示:

步骤1.初始化

初始化小区的用户集合Φu，用户接入的小区类型ωm，用户上下行数据缓冲区集合BUul，BUdl，接收功率表Pmap，当前时隙t；

步骤2.速率计算

for用户m

按照预设的资源块运行；

算法的主要思路是，在每个时隙开始，对每个有上行或下行数据需求的用户，先判断用户所在小区范围，分为直连和连接中继2种。如果是直连，直接给出瞬时速率，如果是连接中继，需要分为全双工模式中继和半双工模式中继2种情形计算速率。根据图2中时隙的划分，第4i+1～4i+2为下行时隙，第4i+3～4i+4为上行时隙。在子帧第1个时隙4i+1或4i+3，进行资源块配置过程，依照子载波顺序依次进行。

3 仿真结果

为充分比较全双工中继站、半双工中继站和自适应双工中继站在异构网络中的性能，在仿真中不考虑直连用户，将60个用户全部撒点在中继站控制的小区中，每个中继站控制15个用户。在这种假设下，网络的上下行通信均需要依靠中继进行转发，可以充分比较不同类型中继站部署的性能表现。对于半双工中继站需要2个时隙进行传输的情况，在分析吞吐量分布时，将第2个时隙根据γHD计算出的传输速率RateHD等效转换为2个时隙下的RateHD/2进行统计。对于自适应双工中继站，由于其也可能会降低到半双工模式进行传输，在半双工子模式中，也采用上述方法类似处理。这么处理的原因是，在分析吞吐量的CDF分布时，如果只考虑半双工第2个时隙的吞吐量，那么反映到性能曲线上的结果是曲线整体右移，从CDF分布上看性能表现比全双工更好，但是在相同时间统计的数据量只有全双工的一半。在数据量区别很大时，在同一个场景中比较全双工模式和半双工模式的CDF统计性能可以提供的有用信息十分有限。因此，本文在数据输出统计时，将需要占用2个时隙完成的传输结果平均到2个时隙上进行统计。关于不同模式的中继站部署的性能表现，仿真结果如图3所示，其中速率覆盖的界限设置为7.5 bps/Hz。分析模式包括3种自干扰消除能力(SIC=80,100,120 dB)下的自适应双工中继站、全双工中继站以及时分双工中继站。所有的仿真参数依照3GPP 36.814进行设置[14]。

图3 部署不同类型中继站时，异构网络 上下行吞吐量的CDF曲线

图3展示了部署不同类型中继站时，异构网络上下行吞吐量的CDF分布情况。可以看到，自适应双工中继站相比于全双工中继站和半双工中继站提升了吞吐量性能。从上下行吞吐量分布看，不同自干扰水平的全双工中继站下行吞吐量区别很大，通过降低自干扰可以提高吞吐量。从上行吞吐量来看，在自干扰较高时，自适应双工中继站的吞吐量曲线与半双工中继站的吞吐量曲线非常接近，说明在这种情形下，自适应双工中继站几乎不考虑采用全双工中继站传输。

4 结束语

本文研究了异构网络部署自适应双工中继站的组网方案。在链路级自适应双工方案基础上，基于异构网络场景重新设计了自适应双工中继站资源块调度算法，分析了其在实际网络部署中的性能表现。结果表明，自适应双工中继站相比于其他中继站，可以提供更高的吞吐量。在自干扰较高时，在全双工中继站的基础上提升尤为明显。通过对中继站部署异构网络的系统级性能评估，印证了链路级自适应双工方案在实际部署中的性能表现。