C-RAN 网络中CoMP 性能分析与优化*

蔡振浩，张勋勇

（上海思客琦自动化工程有限公司智能制造先进技术研究院，上海 201206）

0 引言

随着无线通信技术的飞速发展和4G 通信网络的大规模普及与商用，这种市场需求牵引、技术发展驱动的典型模式强有力地推动了各标准化组织以及设备生产商对无线通信标准的持续演进与商业产品的研发生产。一方面，面对急剧膨胀的无线宽带业务需求，移动运营商不断增加空中接口带宽和增加基站数量，而大量基站导致了高额能耗。另一方面，移动用户的潮汐效应导致基站利用率低下。上述原因使得运营商的网络OPEX 逐年增高[1]。针对该问题，文献[2]提出了采用集中式的基带处理池，由远端无线射频单元和天线组成的协作式无线网络和基于开放平台的实时云型基础设施的无线接入网（Cloud Radio Access Network，C-RAN）构造一个低成本、高性能的绿色网络架构，以极低的成本实现丰富的无线宽带业务。

图1给出了分布式RRH+集中式L1/L2/L3/O&M的C-RAN构架。集中化所有基站的数字信号处理单元，包括物理层基带处理、高层协议处理、主控及时钟等，通过高速光纤接口链接分布式的远端射频单元。RRH 仅负责模数/数模转换后的射频收发功能。这一架构的技术特点是集中了所有的数字基带处理功能在BBU 中，易于升级与扩容，并能支持多标准，实现最大程度的资源共享，更方便支持多个基站间诸如CoMP 等的协作化信号处理。可以看出，C-RAN这种分布式接入、集中式处理的架构能够充分应用多点协作技术处理增益。

3GPP Release11 协议提出的CoMP 技术重点包括[3]联合发送/接收技术、多点选择策略、协作调度、协作波束成形等方面[4-5]。而这一技术应用和推广工作在Release12 协议中得到了进一步加强，成为近年来学者们广泛研究的重点和热点。综上所述，本文主要针对C-RAN 的网络架构讨论该结构下的CoMP 处理增益，并指导最优的网络规模和拓扑结构设计。

图1 分布式RRH+集中式L1/L2/L3/O&M 的C-RAN 构架

1 TD-LTE 链路预算分析

1.1 基站发射功率

首先计算基站侧的天线口有效全向辐射辐射 功 率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），解析式为[6]：

其中，Nant表示天线数目，取8 天线；Pant表示单天线的发射功率，LTE-A 中单根天线发射功率为5 W，各天线等功率发射；NPRB表示总带宽频域资源块数目，表示业务所占频域资源块数目，令；GB表示发射天线增益，下行基站天线发射增益一般取18 dBi；Lf表示馈线损耗，这里取3 dB。于是，计算PEIRP有：

1.2 传播损耗

Hata模型的PCS扩展是在参考Okumura 模型的基础上改进的经验公式，市区损耗的标准公式为[7]：

其中，fc为频率，MHz；hte为发射有效天线高度；hre表示接收有效天线高度；d表示T-R 距离，km。a(hre)为有效移动天线修正因子，对于大城市为：

不妨假设发射有效天线高度hte=30 m，UE 接收有效天线高度hre=2 m，CM选择3 dB；fc=2 600 MHz，计算得到：

至此，推导得到信道传播损耗与距离的函数关系。

1.3 接收机灵敏度

接收灵敏度计算公式为：

其中，NF为UE 噪声指数；热噪声电平KTB是指特定带宽B下的热噪声电平；K等于波尔兹曼参数为1.381×10-23W/Hz/K；T表示绝对温度，K；GI表示干扰裕量；接收分集增益GP在终端配置2天线下取3 dB；UE 噪声指数取7 dB。于是，易得热噪声电平为：

接收机灵敏度为：

1.4 最大路径损耗

最大路径损耗为：

计算中取阴影衰弱裕量为10 dB，快衰落裕量为2 dB，穿透损耗取0 dB，人体损耗取0 dB。于是，联立易得：

最终化简得到传输路径距离与UE 接收信噪比的解析关系为：

图2 给出的是UE 侧的接收信噪比与eNodeB距离的关系。

图2 T-R 距离d 与UE 接收信噪比关系

2 C-RAN 多点协作增益分析

2.1 BCU CoMP 增益分析

考虑C-RAN 网络是由如图3 所示的三扇区模型扩展而成的，定义为基本协作单元（Basic Coordinated Unit，BCU）。其中，虚线圆圈区域定义为非CoMP 协作区域，可以认为是UE 距离eNodeB 距离较近，协作对UE 信噪比的提高有限；三角形区域是CoMP 协作区域，UE 通过多点协作能够获得较大的信噪比增益。图4 中C-RAN 网络由若干BCU 拓展而成。这里考虑UE 在网络中的地理位置在全网服从均匀分布，C-RAN 网路内的UE可以通过CoMP 协作获得增益。C-RAN 网络之间无协作，因此处于边缘的UE 无CoMP 增益。

图3 面向CoMP 的基本协作单元

图4 C-RAN 中基于多个BCU 的CoMP 协作规划

令Pk为UE 接收到的第k个eNodeB 的信号功率，UE 接收到的各协作点的信号功率由计算得出，则CoMP 下UE 相干接收的解析式为：

图5 给出了BCU 中的UE 接收到的CoMP 相对信噪比增益的3-D 图。可以看出，UE 在中心地区虽然距离各cell 均很远，但是获得的CoMP 处理增益带来的相对信噪比提升最明显。因此，以相对信噪比增益值区分CoMP 和非CoMP 协作区域是一个较好的出发点。

图5 BCU 中CoMP 相对信噪比增益3-D 立体图

2.2 C-RAN 网络规模设计

图6 中分别以C-RAN 中的CoMP 增益3 dB、4 dB、5 dB 作为门限，评估C-RAN 网络中的CoMP发生概率。其中，横坐标是Cell 数目，表示网络的规模；纵坐标表示C-RAN 网络中可进行CoMP 协作的UE 占网络中所有UE 的比率。可以看出，一方面随着设置的CoMP 信噪比门限的降低，C-RAN网络中的CoMP 协作概率获得提升；另一方面，随着网络规模的膨胀，CoMP 协作概率的增幅逐渐平缓。对于C-RAN 的网络规模而言，网络规模越大，所需互联的BCU 越多，协作代价越为复杂，成本越高。因此，需要分析C-RAN 的网络规模与CoMP增益的优化设计。

图6 ISD=0.5 km 下C-RAN 的CoMP 概率与Cell 数目关系曲线

图7 以站址间距ISD=0.5 km 为例，给出了Cell数目与归一化的CoMP 概率的比例关系。可以看出，一方面归一化的CoMP 概率随着Cell 数目的增加不断增大，当Cell 数为48 时，C-RAN 网络能够获得61.2%的增益率；另一方面，随着Cell 数目的增加，CoMP 发生概率的增幅愈来减缓，而随着Cell 数增大到102，CoMP 发生概率仅增加到约71%。C-RAN中Cell 数目的增加无疑会增大网络各方面的开销，因此针对CoMP 发生概率为指标，以黄金分割比率为例，可以认为选择C-RAN 中Cell 数为48 能获得较好的网络性能与网络规模的平衡。

图7 归一化的C-RAN 的CoMP 概率与Cell 关系曲线（ISD=0.5 km）

3 结语

C-RAN 是一个基于开放平台的低成本、高性能的解决方案。本文主要针对C-RAN 网络中的CoMP 性能增益和C-RAN 网络规划设计进行分析。通过计算无线链路损耗，分析了JT 下的CoMP 理论增益，并通过定性分析CoMP 增益与C-RAN 网络Cell 数的比例关系，给出了C-RAN 网络规划的设计建议。