全双工蜂窝网络的调度算法研究*

2019-03-05刘会衡李玲玲

通信技术 2019年2期

张军，刘会衡，李玲玲

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳 441053）

0 引言

全双工通信技术作为第五代移动通信技术的候选技术之一，受到了学术界和工业界的广泛关注。全双工通信技术使得通信节点能够在相同的频率资源上同时发送和接收信号。采用天线域、模拟域和数字域的自干扰消除技术后，全双工通信系统能将自干扰信号降低到接近噪声功率水平，从而达到约2倍于单双工系统的通信速率[1-2]。然而，在蜂窝通信系统中，受全双工实现复杂度限制，基站端可以优先配置全双工通信技术，用户设备（User Equipment，UE）端可在网络发展后期配置全双工通信技术。因此，全双工网络中存在半双工UE和全双工UE混合与基站通信的场景[3-4]。为实现全双工带来的容量增益，还需设计合理的调度算法。文献[5]考虑了全双工和半双工节点混合组网的情景，根据网络的干扰变化状况设计了基站在全双工和半双工中灵活适变算法，分析了网络容量与节点双工模式之间的关系。文献[6]利用随机几何模型分析了全双工异构网络在不同双工模式下的网络容量，研究了不同干扰协调策略对网络容量的影响。然而，上述文献都没有考虑全双工和半双工UE共存的混合双工模式下的调度问题。本文针对混合双工模式下的调度问题分析各双工模式的速率，提出了两种调度算法，改善了蜂窝吞吐率。

1 系统模型

系统模型为基站使用全双工通信技术的蜂窝通信系统。假定基站位于小区中心，覆盖范围为半径为R的圆形区域，与KU个上行用户和KD个下行用户通信。该通信系统采用OFDM技术，将系统带宽划分为N个子信道，每个子信道经历频率平坦衰落，子信道间的衰落独立不相关。基站和用户的发射功率记为PB和PU。为了简化分析，本文考虑基站和用户在各自子信道上平均分配发射功率。基站和用户的全双工干扰消除增益分别假定为CBSI和CSUI。

在全双工蜂窝网络中，UE受设备体积和制造成本的限制，不一定全部具有全双工通信能力，如图1所示。

图1 全双工蜂窝系统模型

本文根据基站和用户的双工能力，考虑两种通信模式。

（1）FD-HD模式

该模式假定基站使用全双工通信方式与两个半双工的UE（一个上行UE和一个下行UE）通信。该模式中，上行UE通信链路主要受基站自干扰的影响，下行UE通信链路主要受UE间干扰（inter-user interference，IUI）。

（2）FD-FD模式

该模式假定基站在每个子信道上与同一个UE进行上下行通信。该模式要求基站和FD UE同时具备全双工收发模块，在上行（下行）通信链路中均受到自干扰的影响。

2 速率分析

分析上述两种通信模式速率，提出获得全双工增益的调度算法。

2.1 FD-HD模式

该模式下，基站在每个子信道上与两个半双工UE通信。基站接收上行UE信号时，主要受到自身发射下行信号的残留干扰；下行UE的接收信号主要受到IUI的干扰。假定在子信道n以FD-HD进行通信的下行UE和上行UE分别为k和l，则下行UE在该子信道上的速率为：

其中，HULl,n和CBSI分别为上行UE的信道系数和自干扰消除增益。下行UE和上行UE所获得吞吐量为所有分配子信道的速率之和，分别为：

其中，Φk和Φl为下行UE和上行UE所分配的子信道集合。上下行UE的速率分别为：

为了衡量全双工通信系统的速率增益，本文将对比全双工通信系统的速率与半双工通信系统的速率。该对比系统为半双工时分复用（HD Time Division Duplex，HD TDD）系统，采用上下行对称的时隙配比（即LTE中TDD配置1）。因此，该HD TDD系统在子信道n上的速率为：

引理1：FD-HD模式要在半双工模式获得全双工增益，必须满足：

证明：FD-HD模式要获得全双工增益，必须满足：

采用全双工通信技术的蜂窝系统通常具有较高的信噪比，因此有log21+SINR≈log2SINR，代入式（9）得：

由于log函数为单调递增函数，可得：

该系统为干扰受限系统，可以忽略噪声项，整理可得式（8），证明完毕。

引理1表明，FD-HD模式要获得全双工增益，要求IUI干扰不能超过某个值，而该值与上下行UE的信道系数、基站和UE的发射功率和基站的自干扰消除能力相关。因此，FD-HD模式下，基站应该根据UE的信道系数和自干扰消除能力合理进行调度，可以得到如下调度准则。

UE Pairing调度准则：FD-HD模式下，基站在每个子信道上选择UE间干扰信道的信道系数HIUIl,n最小的一对上下行UE。

2.2 FD-FD模式

在FD-FD模式中，基站和UE均使用全双工通信技术。受各自发射机信号残留干扰的影响，全双工用户l的上下行速率分别为：

若Φl为用户l所分配子信道集合，则该用户速率为：

引理2：FD-FD模式要获得全双工增益，必须满足：

证明：FD-FD模式要获得全双工增益，必须满足下式：

其中，RnHD为式（7）所示半双工系统的速率。在高信噪比条件下，作近似log21+SINR≈log2SINR，得：

忽略噪声项可得式（15），证明结束。

引理2表明，FD-FD模式要获得全双工增益，要求基站和UE的自干扰消除能力大于与用户信道系数相关的值。显然，UE的信道条件越好，越容易满足此条件。因此，本文提出FD-FD模式中使用如下调度准则。

MCI调度准则：为了使得FD-FD模式获得最大的全双工增益，基站应该在每个子信道上调度信道系数最小的UE。

3 仿真结果与分析

为了验证在FD-HD和FD-FD模式下所提UE Pairing和MCI调度算法的性能，本文根据LTE系统评估方案进行仿真验证，仿真参数如表1所示[7]。仿真中标记全双工通信模式分别为FD-HD和 FD-FD，全双工通信模式上行链路和下行链路分别记为FD-HD UL和FD-FD DL，半双工通信模式为HD，基站默认采用轮询（RR）调度方法。

表1 仿真参数

图2为自干扰消除增益为110 dB时，采用FD-HD模式的蜂窝吞吐量。可以看出，FD-HD模式相比于HD模式的增益远低于2倍，约为24%。原因在于FD-HD模式中存在不可消除的IUI，降低了下行通信链路的信噪比。可以看出，FD-HD下行通信链路相比于HD系统略有损失，约为96%。而FD-HD上行通信链路所遭受的自干扰较低，从而获得了约61%的速率提升。

图2 FD-HD模式下蜂窝速率

图3为自干扰消除增益为110 dB时，基站使用UE Pairing调度方案所达到的吞吐量。从图3可以看出，UE Pairing调度方案显著提高了下行UE的通信速率，约为使用轮询调度方案的1.46倍，这是由于UE Pairing调度方案减少了IUI。从图3还可以看出，UE Pairing调度方案显著提高了FD-HD模式下的基站吞吐量，提升了约54%。然而，由于IUI干扰仍然存在且不可消除，UE Pairing调度方案的吞吐量仍然达不到半双工通信模式的2倍。

图3 FD-HD模式下UE Pairing方案的蜂窝速率

图4给出了自干扰消除增益为110 dB时，FD-FD模式所获得的蜂窝吞吐量。从图4可以看出，FD-FD模式的吞吐量相比于半双工系统有显著提升，约为78%。这是由于FD-FD模式在自干扰消除增益为110 dB时的残留干扰较小。其中，FD-FD UL链路的速率增益为61%，FD-FD DL链路的速率增益为92%。这是由于基站的发射功率大于UE的发射功率，基站的发射信号经过自干扰消除后的残留干扰较强，降低了上行链路的信噪比，因而下行链路的频谱效率高于上行链路。

图4 FD-FD模式下的蜂窝速率

图5给出了自干扰消除增益为110 dB时，FD-FD模式下采用MCI调度方式的吞吐量。从图5 可以看出，MCI调度方法能够获得接近2倍的吞吐量，约为95%的速率增益，其中FD-FD UL吞吐量增益为93%，FD-FD DL吞吐量增益约为96%。这是由于MCI调度方法优先调度信道条件较好的UE，显著减少了残留干扰的影响，提升了频谱效率。