李紅豆　王柯　常永宇

摘要：認為異構(gòu)網(wǎng)的引入有效提高了高速分組接入+（HSPA+）網(wǎng)絡(luò)的整體性能，但由于構(gòu)成異構(gòu)網(wǎng)的宏基站（MNB）和低功率節(jié)點（LPN）發(fā)射功率不同，造成上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟痪?，這將不可避免地影響到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體性能；增強專用信道（E-DCH）分離技術(shù)能夠有效消除上下行不均衡問題帶來的影響，但信道分離技術(shù)在實際應(yīng)用中會有嚴重的時延問題?；谏鲜鲇^點，討論了HSPA+異構(gòu)網(wǎng)共信道傳輸中的控制信道時延問題，并針對這個問題提出自適應(yīng)灰色預(yù)測算法（AGP）實現(xiàn)時延補償。系統(tǒng)仿真驗證了算法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞： 適應(yīng)性灰色預(yù)測算法；E-DCH分離；控制信道時延；HSPA+異構(gòu)網(wǎng)

隨著智能手機的迅速普及，基于數(shù)據(jù)交換的各種業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長，這對大容量的移動通信系統(tǒng)提出迫切需求。異構(gòu)網(wǎng)的提出對于提高通信系統(tǒng)容量和擴大通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有著重要意義。在LTE中，異構(gòu)網(wǎng)已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，但對于高速分組接入+（HSPA+）網(wǎng)絡(luò)的標準化工作還在進行中。在共信道的HSPA+異構(gòu)網(wǎng)的部署過程中，一些問題仍需加以討論和解決[1]。

HSPA+異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中共享信道的上下行不均衡問題是最主要的問題，由于低功率節(jié)點（LPN）的功率要低于宏基站（MNB），導致上下行傳輸邊界不一致，這就在二者服務(wù)域內(nèi)產(chǎn)生了上下行不均衡區(qū)域[2]。而在這個區(qū)域里總是會存在一些潛在的問題，對上下行數(shù)據(jù)傳輸性能造成一些不良的影響[3]。

為了解決異構(gòu)網(wǎng)中的上下行不均衡問題，相關(guān)技術(shù)相繼提出，其中增強專用信道（E-DCH）信道分離技術(shù)（E-DCH decoupling）[4]是最有望得到廣泛應(yīng)用的有效解決方案。E-DCH信道分離技術(shù)本質(zhì)上就是對處于不均衡區(qū)內(nèi)的用戶實行上下行分別服務(wù)的策略，即MNB服務(wù)下行，LPN服務(wù)上行。這個方法能夠很直接地解決上下行不均衡問題，但在這項技術(shù)應(yīng)用于實踐之前還有許多潛在問題需要加以解決。其中時延問題是最主要的問題，特別是對于遺留用戶設(shè)備（Legacy UE）[5]。這是由于Legacy UE在上行傳輸時，需要在MNB和UE之間建立E-DCH絕對授權(quán)信道（E-AGCH）和E-DCH相對授權(quán)信道（E-RGCH），而E-AGCH信道的建立需要經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RRNC），這個過程往往會造成不可忽略的時延[6]。

在本文中，筆者將首先對共信道HSPA+異構(gòu)網(wǎng)中的上行傳輸、E-DCH信道分離技術(shù)以及時延問題進行分析。接著將提出基于GM（1，1）灰色模型[7-8]的自適應(yīng)灰色預(yù)測算法（AGP）時延補償方案，基于歷史數(shù)據(jù)利用AGP預(yù)測和估算當前授權(quán)值，對實際當中授權(quán)信道建立產(chǎn)生的時延進行有效補償。最后將對所提出的AGP算法進行仿真評估，并同時證明了AGP時延補償算法的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)模型

本文相關(guān)研究及討論基于一個上行共信道的HSPA+異構(gòu)網(wǎng)模型，該網(wǎng)絡(luò)中包含有M個常規(guī)六邊形宏單元（Macro Cell），每一個MNB都是位于六邊形宏單元的中心，每一個宏單元被均分成3個120°角的近似扇形子域。K個LPN隨機均勻分布于每一個宏單元中，同時在每個宏單元子域中隨機均勻撒入N個用戶。模型設(shè)定每個基站（包括MNB和LPN）以及用戶都有兩個天線。每一個用戶在MNB和LPN中只能選擇一個作為自己的服務(wù)節(jié)點。

1.1 小區(qū)配置

將范圍擴展（RE）[9]考慮在內(nèi)，[UEi]在選擇基站（NodeB）[bi]作為服務(wù)節(jié)點的時候遵循以下公式：

[bi=argmaxb∈M?K（μi，b+Δb）] （1）

將其中M和K分別表示MNB和LPN的集合，[μi，b]是[UEi]下行的接收信號功率（RSCP）[10]，[Δb]是NodeB b的附加偏移值并且符合下式：

[Δb=δ（δ>0），b∈K0，b∈M] （2）

1.2 信號與干擾加噪聲比模型

這里我們考慮每個NodeB可以在每個調(diào)度周期內(nèi)調(diào)度一個UE的場景，當NodeB [bi]調(diào)度[UEi]的時候，下行信干噪比（SINR）是：

[γi，bi=pi?Gi，biN0+j=1，j≠iNpj?Gi，bi] （3）

其中[pi]是[UEi]的傳輸功率，[N0]是[UEi]的白噪聲，而[Gi，bi]則表示上行信道的增益。

1.3 服務(wù)授權(quán)

大的授權(quán)（Grants）不僅意味著UE要用更大發(fā)送功率和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且意味著系統(tǒng)將會遭受更嚴重的干擾?；趯崟r干擾水平的測量，調(diào)度節(jié)點會對各個終端的授權(quán)進行控制從而將小區(qū)內(nèi)干擾保持在一個可以接受的范圍內(nèi)。授權(quán)通過HSPA+異構(gòu)網(wǎng)中的E-AGCH和E-RGCH從NodeB傳到UE[11]。但是在UE由于時延過長等問題不能及時接收授權(quán)的情況下，UE就可能會用上一次數(shù)據(jù)傳輸中使用過的過期授權(quán)，這將導致授權(quán)與當前傳輸環(huán)境不符從而影響到整個小區(qū)的性能。

2 HSPA+異構(gòu)網(wǎng)信道分離

技術(shù)中的時延補償

我們將首先分析上下行不均衡造成的影響以及E-DCH信道分離技術(shù)中上行時延問題，然后提出AGP時延補償算法。

2.1 上下行不均衡問題

HSPA+異構(gòu)網(wǎng)中不均衡區(qū)的如圖1所示。在HSPA+異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共信道場景中，由于MNB的功率要比LPN功率大，導致上下行邊界位置不同，造成二者之間存在上下行不均衡區(qū)域。上行UL邊界在MNB和LPN接收到UE功率相同的位置，即為MNB和LPN兩個節(jié)點中間位置。下行DL邊界在UE接收到MNB和LPN發(fā)射信號功率相同的位置，而由于MNB的功率要高于LPN，所以DL邊界在偏向LPN的位置。這里的系統(tǒng)分析不考慮范圍擴展，即小區(qū)個體偏移（CIO）等于0。圖1中C、D兩點是軟切換（SHO）邊界，對于在SHO區(qū)的UE來說，可以調(diào)度它的節(jié)點NodeB同時包括MNB和LPN，也就是說，這個情況下的UE是被MNB和LPN兩者同時控制的。

因此，不均衡區(qū)可以進一步被劃分為兩部分，在沒有和SHO重疊的區(qū)域AC內(nèi)，UE只受到MNB的服務(wù)和控制，但這種情況下UE實際上是距離LPN更近。因此，上行傳輸時，作為服務(wù)節(jié)點的MNB會要求UE有比較大的發(fā)射功率，從而造成對LPN的嚴重干擾。在不均衡區(qū)和SHO區(qū)重疊的部分CB內(nèi)，MNB和LPN都可能對UE進行控制和影響。當UE用合適的發(fā)射功率對MNB進行上行傳輸時，會對距離它最近的LPN產(chǎn)生嚴重的上行干擾，為了減小這種干擾，LPN會要求UE降低它的上行發(fā)射功率，但減小了發(fā)射功率的UE將會無法和MNB進行可靠的上行數(shù)據(jù)傳輸。同時，上行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中也會包括一些下行傳輸控制信息，所以，這將影響到下行傳輸?shù)目煽啃??？傊?，上下行不均衡問題會對上行和下行的數(shù)據(jù)傳輸性能均造成不良影響。

2.2 E-DCH信道分離技術(shù)

E-DCH信道分離技術(shù)其實就是在不均衡區(qū)施行這樣的一個傳輸策略：UE進行上行數(shù)據(jù)傳輸時選距離它最近的LPN作為服務(wù)節(jié)點，在下行傳輸時仍舊選用原始服務(wù)節(jié)點MNB。像這樣對上下行數(shù)據(jù)傳輸分別調(diào)用不同服務(wù)節(jié)點的方法不僅能夠保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，也能有效地消除干擾。

E-DCH信道分離過程如圖2所示。在不均衡區(qū)的UE傳輸上行數(shù)據(jù)時，為了不影響附近的LPN會減小它的發(fā)射功率，從而影響UE與MNB的上行傳輸質(zhì)量。當應(yīng)用E-DCH信道分離技術(shù)時，LPN會代替MNB作為上行服務(wù)節(jié)點并且給UE提供上行傳輸授權(quán)，接收UE的上行傳輸數(shù)據(jù)。這個授權(quán)可以經(jīng)過適當調(diào)整從而實現(xiàn)LPN對上行數(shù)據(jù)的成功接收并且不會干擾到MNB。

在不均衡區(qū)內(nèi)將UE的上行傳輸服務(wù)節(jié)點更換為LPN，可以使上行傳輸功率調(diào)整到能夠僅被LPN接收且不會干擾到MNB程度，很好地解決了上下行不均衡問題。同時，由于MNB不需要對不均衡區(qū)的UE進行上行傳輸服務(wù)控制，這就釋放了很多MNB上行資源，從而提升了宏單元的整體性能。

2.3 遺留用戶的時延問題

由上文可知E-DCH信道分離技術(shù)能夠很好地解決上下行不均衡問，但是要改變上行傳輸服務(wù)節(jié)點需要額外增加相關(guān)控制、授權(quán)信號的傳輸。對于Rel-12用戶而言，LPN可以直接和用戶（UE）之間建立E-AGCH等控制信道，但對于遺留用戶來說，LPN需要經(jīng)由MNB同UE之間建立控制信道，而MNB同用戶之間控制信道的建立還要通過RNC。

遺留用戶的整個E-DCH信道分離技術(shù)實現(xiàn)過程如圖3所示。不難看出授權(quán)信道的建立是相當耗時，將會造成10～20 ms的時延[12]。在授權(quán)接收時，若時延過長將會導致UE接收到的授權(quán)很可能是前一次數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)當接收并用于傳輸控制的授權(quán)，對于當前數(shù)據(jù)傳輸沒有指導意義，也就是與當前傳輸環(huán)境不匹配。授權(quán)過大會導致發(fā)射功率過大，會給E-DCH信道分離系統(tǒng)帶來不可預(yù)測的干擾，而授權(quán)過小意味著系統(tǒng)資源得不到充分利用。這兩種情況都會削弱E-DCH信道分離系統(tǒng)的性能，因此，時延補償技術(shù)的研究對遺留用戶有重要意義。

2.4 AGP算法

AGP是基于對不完整、不確定數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)并利用數(shù)據(jù)間的相關(guān)性建立系統(tǒng)模型，從而預(yù)測未知數(shù)據(jù)的算法。這是一種基于數(shù)列關(guān)聯(lián)度的算法，它假設(shè)所觀測的系統(tǒng)中的內(nèi)參、系統(tǒng)特性和結(jié)構(gòu)都是未知的，這個系統(tǒng)狀態(tài)可以根據(jù)一個由最近歷史數(shù)據(jù)得到的微分方程進行預(yù)測[13]。

根據(jù)AGP算法，時延補償詳細過程如下：

（1）根據(jù)最近測量數(shù)據(jù)構(gòu)造原始數(shù)列

[g（0）=g（0）（1），g（0）（2），…，g（0）（n）=g（0）（k）；k=1，2，…，n] （4）

其中[g（0）（k）]是k時刻測得的授權(quán)值，n代表的是整個數(shù)列的長度，n符合如下公式：

[n=μ?TDelay] （5）

其中[TDelay]表示E-AGCH的時延，[μ]是恒參，[μ]越大則測量長度越大，意味著復(fù)雜性越大。

（2）構(gòu)造一個基于中間變量[g（1）]的累加生成（AGO）

[g（1）=g（1）（1），g（1）（2），…，g（1）（n）=g（1）（k）；k=1，2，…，n=i=1kg（0）（i），k=1，2，…，n] （6）

其中上標（0）表示原始數(shù)據(jù)，（1）表示累加生成數(shù)據(jù)。累加生成數(shù)據(jù)能夠?qū)⒁粋€非負不規(guī)則數(shù)列變換成一個遞增數(shù)列。因此，生成數(shù)[g（1）]使原始數(shù)列[g（0）]固有性質(zhì)得到加強。

（3）構(gòu)造灰色微分方程

[dg（1）dk+ag（1）=b] （7）

由于[g（1）（1）=g（0）（1）]，由最小二乘法可以得到a，b的值：

[a=ab=BTB-1BTYN] （8）

其中

[B=-J（1）（2）1-J（1）（3）1……-J（1）（n）1]，[YN=g（0）（2）g（0）（3）…g（0）（n）] （9）

[J（1）（k）=αg（1）（k）+（1-α）g（1）（k-1），k=2，3，…，n] （10）

[J（1）]是由數(shù)列[g（1）]的鄰值在生成系數(shù)[α]下的鄰值生成數(shù)，這里由于每個授權(quán)有相同權(quán)重，故[α]取0.5。

（4）計算預(yù)測值

利用（8）計算得到a和b的值以后，就可以利用灰色微分方程預(yù)測[g（0）]在下時刻的值，首先利用下式得到中間變量：

[g（1）（k+1）=g（0）（1）-bae-ak+ba，k=0，1，2，…] （11）

接下來，通過累加生成逆變換（IAGO）計算預(yù)測值：

[g（0）（k+1）=g（1）（k+1）-g（1）（k）=（1-e-a）g（0）（1）-bae-ak] （12）

（5）殘差檢驗

預(yù)測結(jié)果的均方誤差、殘差均方誤差以及方差比計算如下：

[S1=（i=1ng（0）（i）-g（0）2n-1）12] （13）

[S2=（i=1nΔ（0）（i）-Δ（0）2n-1）12] （14）

[C=S1S2] （15）

其中[g（0）]和[Δ（0）]分別代表授權(quán)數(shù)列的均值和殘差均值，[C]是均方誤差比。如果：

[C<ξ] （16）

則預(yù)測結(jié)果具有可用性，否則預(yù)測結(jié)果不可用。這里[ξ]是默認閾值。

（6）算法實現(xiàn)

本文提出的AGP時延補償方法是利用MNB一側(cè)授權(quán)的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測當前授權(quán)的。具體實現(xiàn)步驟如下：

·算法實現(xiàn)流程如圖4所示。圖4中UEij 表示MNB在步驟i中調(diào)度的第j個用戶，在E-DCH信道分離過程中簡稱為遺留用戶（LDUE），LDUEi表示第i個遺留用戶。首先，LDUEi在上行傳輸信道中加入作為LUDE的標識符，一旦服務(wù)節(jié)點MNB檢測到標識符，它就會為LUDE準備緩存區(qū)來存儲歷史授權(quán)。

·LDUE申請上行傳輸時，原始服務(wù)節(jié)點LPN通過RNC向MNB發(fā)送授權(quán)值，然后MNB通過E-AGCH將此授權(quán)發(fā)送給LDUE并存入緩存區(qū)。此時，LDUE接收到的授權(quán)仍為延遲后的授權(quán)。

·當緩存區(qū)已滿且LDUEi要進入下一個服務(wù)周期時，MNB就對緩存區(qū)內(nèi)的歷史授權(quán)值進行基于AGP算法的計算得到預(yù)測授權(quán)值。如果得到的結(jié)果滿足（16）式，MNB就立即將其作為當下授權(quán)發(fā)送，否則就等收到下一個延遲的授權(quán)再向LDUE發(fā)送。

·將緩存區(qū)中最早存入的授權(quán)值彈出，并將最新數(shù)據(jù)壓入，如此不斷更新緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)，從而能夠連續(xù)預(yù)測下一個授權(quán)。

3 系統(tǒng)級仿真

文章將通過系統(tǒng)仿真來驗證AGP算法在HSPA+異構(gòu)網(wǎng)上行傳輸信道分離的過程中所起到的時延補償作用。

3.1 仿真環(huán)境配置

本文中的仿真環(huán)境搭建和參數(shù)配置都是基于文獻[14]。這里研究的的是一個由19個六邊形蜂窩小區(qū)組成的HSPA+網(wǎng)絡(luò)，每個宏基站周圍有3個扇區(qū)，在每個扇區(qū)中均勻隨機撒入4個LPN節(jié)點。節(jié)點的接收器和發(fā)射器都配有兩個天線。在這個場景中，我們假設(shè)每個扇區(qū)中有8個用戶，都是均勻隨機分布。其中在熱點區(qū)（LPN覆蓋區(qū)）的用戶數(shù)量與扇區(qū)內(nèi)用戶總數(shù)量之比為Photspot，本次仿真中Photspot等于0.5。LPN傳輸功率取30 dBm，覆蓋半徑為35 m。MNB傳輸功率取43 dBm，用戶最大傳輸功率取24 dBm。遺留用戶的E-AGCH時延為10 ms和20 ms，（16）式中[ξ]取值0.65。

采用PA3信道模型[15]，信道衰落符合對數(shù)正態(tài)陰影衰落。節(jié)點NodeB b和用戶[UEi]之間的路徑衰落計算如下：

其中[Di，b]表示NodeB b和[UEi]之間的距離。

其他信道衰落參數(shù)如表1所示，詳細仿真參數(shù)如表2所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

AGP算法在HSPA+異構(gòu)網(wǎng)上行傳輸中的時延補償效果的仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5顯示了在不同時延下的用戶吞吐量和小區(qū)個體偏移量之間的關(guān)系曲線。其中綠色曲線表示理想無時延情況下的用戶吞吐量曲線，是其他兩條曲線的對比曲線；紅色曲線表示實際有時延情況下的用戶吞吐量曲線，由于E-AGCH建立中10～20 ms的時延，這種情況下的遺留用戶在E-DCH信道分離狀態(tài)中用到的授權(quán)很有可能是不匹配的，可以看出紅色曲線和理想無時延情況下的綠色曲線有明顯差距，這就意味著實際應(yīng)用中時延問題會對用戶吞吐量造成嚴重影響；藍色曲線表示遺留用戶在E-DCH信道分離狀態(tài)中應(yīng)用AGP算法進行時延補償后的用戶吞吐量情況，可以看出這條曲線有效地縮小了實際情況與理想情況之間的差距，雖然達不到但卻更加接近理想無時延的綠色曲線，這就意味著AGP算法在E-DCH信道分離中有效地起到了時延補償?shù)淖饔谩?/p>

圖6顯示了在不同時延下所有用戶吞吐量和RE偏置值CIO之間的關(guān)系曲線，和圖5分析類似，可以看出在不同實際時延情況下應(yīng)用AGP時延補償算法時，都會明顯提升用戶吞吐量，改善系統(tǒng)性能，并且縮小和理想無時延狀態(tài)下系統(tǒng)性能的差距。正如前文所述，AGP算法的應(yīng)用將會減小系統(tǒng)干擾，提高整體無線通信系統(tǒng)的性能，進而使每一個用戶的性能都較實際有時延情況下有所提高。

圖7顯示了在不同CIO下遺留用戶吞吐量的累積分布（CDF）函數(shù)曲線，可以看出AGP算法有效地實現(xiàn)了時延補償，并提高了系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)束語

本文主要討論解決的是HSPA+異構(gòu)網(wǎng)上行鏈路中應(yīng)用E-DCH信道分離技術(shù)時產(chǎn)生的時延問題。文中首先簡要介紹了系統(tǒng)模型，分析了HSPA+異構(gòu)網(wǎng)中存在的上下行傳輸不均衡問題，接下來提出了解決此問題的E-DCH信道分離技術(shù)，并經(jīng)分析提出此項技術(shù)在實際應(yīng)用中造成的時延問題。接下來，為了實現(xiàn)時延補償有效提高網(wǎng)絡(luò)性能，文中提出了AGP算法，該算法通過準確預(yù)測E-AGCH授權(quán)值，可以對時延造成的問題進行有效補償。最后，文中通過對該算法進行系統(tǒng)級仿真評估，驗證了該算法不僅能夠有效地實現(xiàn)時延補償，同時還降低了干擾水平，提高了系統(tǒng)性能。

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