陳國，蔡鳳恩，成蕾，高月紅（北京郵電大學無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

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超密集網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)特征的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究

陳國，蔡鳳恩，成蕾，高月紅
（北京郵電大學無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

摘要本文以業(yè)務(wù)特征為著眼點，設(shè)計了兩種適用于超密集網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)——大規(guī)模CoMP（協(xié)作多點傳輸)、ON/OFF（動態(tài)小區(qū)開關(guān)）機制。通過對3種典型業(yè)務(wù)的分析與建模，并基于3種業(yè)務(wù)對兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進行仿真，仿真結(jié)果表明在特定的業(yè)務(wù)模型下，兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)均能有效地降低系統(tǒng)干擾，提升系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞超密集網(wǎng)絡(luò)；業(yè)務(wù)模型；干擾協(xié)調(diào)；大規(guī)模CoMP；小區(qū)開關(guān)機制

1　引言

在信息時代，用戶可以隨時進行信息分享、社交互動，如何高效地讓用戶享受各種移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)成為了通信行業(yè)棘手的問題。毫無疑問，隨著網(wǎng)絡(luò)社會的不斷發(fā)展，移動和無線流量必將呈現(xiàn)爆發(fā)性增長的趨勢。然而，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)在這一浪潮下卻顯得無能為力，因此諸如NTT、Verizon這樣的國際主流運營商不約而同的限制了用戶的使用流量，大大降低了用戶的體驗。在這一背景下，3GPP提出構(gòu)建超密集網(wǎng)絡(luò)[1]（Ultra Dense Network）以應對這一潮流。

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，宏基站與Small cell異構(gòu)組網(wǎng)，即工作在不同頻段，可以有效地進行重疊覆蓋。宏基站以高發(fā)射功率進行覆蓋保障，密集部署的Small cell以低發(fā)射功率承擔熱點區(qū)域的主要流量。相比于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有以下幾點明顯的優(yōu)勢：站點部署便捷以及組網(wǎng)靈活；建網(wǎng)成本以及維護開銷相對低廉；可針對性的加強覆蓋；頻譜利用率能得到有效提升[2]。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，用戶與基站之間距離大大縮短，使得用戶接入效率大幅提高，網(wǎng)絡(luò)可靠性得到了保證，用戶體驗大為改善。然而由于大量同頻小區(qū)的距離過近，使得小區(qū)間干擾情況異常嚴重，尤其是處于小區(qū)邊緣的用戶，性能衰減不容樂觀。為此，針對超密集部署網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的研究十分必要和緊迫。另外，由于超密集網(wǎng)絡(luò)中用戶同樣密集分布，而不同的用戶有不同的業(yè)務(wù)需求，因此業(yè)務(wù)多樣性給干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的設(shè)計帶來的壓力也不容小覷。

2　系統(tǒng)建模

2.1超密集場景網(wǎng)絡(luò)拓撲

在對超密集網(wǎng)絡(luò)進行仿真設(shè)計時，本文采用了R12中定義的2a場景[3]，在2a場景中，Small cell部署密度為1個扇區(qū)內(nèi)可以部署1、2、4或7個簇，每個簇內(nèi)部署4或10個Small cell，每個Small cell服務(wù)兩個UE。宏小區(qū)半徑為500 m，根據(jù)R12的標準中最大的密度達到平均1 km2部署550個Small cell。超密集組網(wǎng)將會達到1 km2部署1 000個Small cell以上的密度[4]。本文中構(gòu)造的超密集場景網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

圖1　超密集場景網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.2業(yè)務(wù)模型

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶超密集分布，而不同用戶具有不同的業(yè)務(wù)需求，這就造成了超密集網(wǎng)絡(luò)中豐富的業(yè)務(wù)多樣性。而每種業(yè)務(wù)具有不同的特征，如分組大小，間隔分布，持續(xù)時間等等。本文主要對Full Buffer、FTP、Video 3種典型的業(yè)務(wù)模型進行建模并應用到仿真中檢驗設(shè)計的兩種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。

Full Buffer業(yè)務(wù)模型也被稱作滿隊列模型，每個數(shù)據(jù)源的隊列中都有無限多的數(shù)據(jù)量在傳輸緩沖區(qū)中等待傳輸，無論用戶何時被調(diào)度到，均有足夠的數(shù)據(jù)等待傳輸；FTP3模型數(shù)據(jù)分組的到達率服從指數(shù)分布，每個用戶的資源讀取時間服從泊松分布，數(shù)據(jù)分組的大小有0.5 Mbyte和2 Mbyte兩種選擇；對Video數(shù)據(jù)分組特征進行抽象，業(yè)務(wù)模型可以由三個參數(shù)描述，分別為請求媒體文件分組大?。ǚ恼龖B(tài)分布）、媒體文件分組大小（服從對數(shù)正態(tài)分布）、請求分組到達間隔（服從對數(shù)正態(tài)分布）。

3　干擾協(xié)調(diào)方案

在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于宏基站和Small cell異頻部署，Small cell間共享相同的頻帶資源，因此宏基站和Small cell之間的干擾可以忽略不計而只考慮Small cell之間的干擾。下文將對超密集場景下的大規(guī)模CoMP技術(shù)以及Small cell ON/OFF機制這兩種干擾協(xié)調(diào)方案進行討論。

3.1大規(guī)模CoMP技術(shù)

在傳統(tǒng)的多點協(xié)作技術(shù)中，受限于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站部署較稀疏的特點，CoMP協(xié)作集中基站的個數(shù)一般為兩個，最多只能有三個基站同時參與協(xié)作調(diào)度[5]。但在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于Small cell部署密集（每平方千米可達近兩千個），可以考慮增加CoMP協(xié)作集中基站（Small cell）個數(shù)，進一步提升系統(tǒng)性能。因此本文將CoMP協(xié)作集中基站個數(shù)上限設(shè)置為7個，進行大規(guī)模CoMP仿真。大規(guī)模CoMP基本過程描述如下。

邊緣用戶判定：用戶計算接收到的有用信號功率以及干擾信號功率，當有用信號功率/干擾信號功率小于閾值A(chǔ)，將該用戶判定為邊緣用戶，對于非邊緣用戶，不參與CoMP。

CoMP協(xié)作集中基站確定：邊緣用戶按一定周期檢測其接收到的來自Small cell的信號強度，并將信號強度由大至小依次排序，選取最強信號發(fā)射基站作為主服務(wù)基站，將主服務(wù)基站功率與其他基站功率依次進行比較，當滿足P_主/P_SC（i）小于閾值B時（閾值B預先設(shè)定），將Small cell（i）納入該用戶的CoMP協(xié)作集中，直到CoMP協(xié)作集中基站個數(shù)滿7個為止。其中i的取值為1，2，3，4，5，6。

聯(lián)合傳輸：CoMP協(xié)作集確定后，將協(xié)作集中的基站對用戶進行聯(lián)合傳輸。

3.2Small Cell ON/OFF機制

基于動態(tài)小區(qū)開關(guān)機制的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，即Small cell ON/OFF機制。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，由于Small cell部署密集，并非所有Small cell一直處于工作狀態(tài)，通過在適當?shù)臅r刻關(guān)閉不工作的Small cell，不僅能降低系統(tǒng)干擾，更能有效的節(jié)約能源。根據(jù)開關(guān)機制的不同可將Small cell ON/OFF分為基于用戶接入以及基于業(yè)務(wù)到達[6]?；谟脩艚尤氲腛N/OFF機制基本思想為當有用戶接入某個Small cell時，該Small cell開啟，否則關(guān)閉該Small cell。在超密集場景中，由于Small cell數(shù)量巨大，極有可能出現(xiàn)Small cell個數(shù)多于用戶數(shù)的情況，這時某些基站將在某些時刻沒有服務(wù)用戶，也即此時基站的用戶激活集內(nèi)檢測不到任何用戶，此時關(guān)閉該基站。在不考慮用戶移動性的情況下，后續(xù)傳輸過程已經(jīng)關(guān)閉的基站將保持關(guān)閉狀態(tài)，這種基于用戶接入的ON/OFF機制也稱為半靜態(tài)機制?；跇I(yè)務(wù)到達的ON/OFF機制為動態(tài)機制，要求業(yè)務(wù)分組之間有一定的到達間隔。其基本原理為在每個仿真時隙檢測Small cell用戶激活集，當激活集內(nèi)任意用戶向Small cell請求傳輸業(yè)務(wù)分組時，開啟該Small cell，否則若激活集內(nèi)沒有用戶數(shù)據(jù)分組需要傳輸，則關(guān)閉該Small cell。理想情況下不考慮開啟以及關(guān)閉小基站的時延和信令開銷。

4　仿真結(jié)果及分析

本文涉及到的仿真均采用TD-LTE系統(tǒng)級仿真平臺，仿真參數(shù)配置如表1所示。

4.1大規(guī)模CoMP的仿真

在研究大規(guī)模CoMP技術(shù)時，對 Full Buffer、Video業(yè)務(wù)模型分別進行了仿真，并分別統(tǒng)計了系統(tǒng)所有用戶以及邊緣用戶、中心用戶的平均吞吐量，仿真結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2及圖3可知，在Full Buffer業(yè)務(wù)模型（仿真時長為1000個時隙，分組大小為100 kbyte）以及Video業(yè)務(wù)模型下，相比于沒有進行CoMP的系統(tǒng)，使用大規(guī)模CoMP技術(shù)大大提高了系統(tǒng)用戶（尤其是邊緣用戶）的吞吐量，而為之付出的代價是犧牲了少部分中心用戶的吞吐量。

4.2ON/OFF機制的仿真

由于ON/OFF機制的特殊性，需要分組之間有一定的到達間隔。因此仿真時選取FTP模型、Video模型?；谟脩艚尤牒蜆I(yè)務(wù)到達的ON/OFF機制仿真結(jié)果分別如圖4、5所示。

表1　仿真平臺參數(shù)配置表

圖2　大規(guī)模CoMP對用戶吞吐量的改善

圖3　大規(guī)模CoMP對用戶吞吐量的改善

圖4　基于用戶接入ON/OFF機制對用戶吞吐量的改善

由圖4可以看出，基于用戶接入ON/OFF機制雖然對用戶吞吐量有一定改善，但改善并不明顯，在到達率為1的FTP業(yè)務(wù)下平均吞吐量增益為6%，而在Video業(yè)務(wù)模型下這一增益只有4%。此外，當考慮用戶的移動性時，需要對已經(jīng)關(guān)閉的基站重新開啟，勢必會給整個系統(tǒng)帶來更大的開銷。

在圖5中，當FTP到達率選取的值為10，此時ON/OFF機制對系統(tǒng)性能的改善十分有限，僅為1%，這是因為當λ取值為10時，屬于業(yè)務(wù)高負載情況，此時業(yè)務(wù)分組之間的平均間隔為100 ms，即需要以100 ms為平均周期頻繁地開/關(guān)Small cell。由于Small cell關(guān)閉時間過于短暫，因此為系統(tǒng)降低的干擾很有限，性能增益不高；當降低到達率，λ取值為1時，由于業(yè)務(wù)分組之間到達間隔加大，基于業(yè)務(wù)到達的ON/OFF機制使Small cell有較長的休眠時間（約為1 s），故大大降低了系統(tǒng)的干擾，提升了系統(tǒng)性能；由于Video模型中，業(yè)務(wù)分組之間的到達間隔服從0～1 s之間的隨機分布，因此ON/OFF機制可以發(fā)揮較大的作用。

圖5　基于業(yè)務(wù)到達ON/OFF機制對用戶吞吐量的改善

通過比較圖4及圖5所得結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)到達ON/OFF機制性能優(yōu)于基于用戶接入ON/OFF機制，因為在業(yè)務(wù)分組具有一定到達間隔的情況下，在某些時刻即便基站有用戶接入也未必會有數(shù)據(jù)分組需要被調(diào)度，反之若有數(shù)據(jù)分組需要傳輸則一定有用戶接入。因此基于業(yè)務(wù)到達的ON/OFF機制將使基站關(guān)閉更長時間，這樣該基站對相鄰基站的干擾程度便有所下降，從而導致系統(tǒng)吞吐量性能得到提升。

5　結(jié)束語

本文以超密集網(wǎng)絡(luò)為研究背景，設(shè)計了兩種適用于超密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)——大規(guī)模CoMP及Small cell ON/OFF機制，并以三種典型的業(yè)務(wù)為著眼點對兩種干擾協(xié)調(diào)機制進行了系統(tǒng)級仿真，仿真結(jié)果表明，在特定的業(yè)務(wù)模型下，兩種機制均能有效地降低系統(tǒng)干擾，提升用戶吞吐量，針對上述兩種干擾協(xié)調(diào)機制的改進將在后續(xù)工作中進一步研究。

參考文獻

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[5]3GPP R1-131854.Network adaptation for small cell operation efficiency enhancement[S].

Study on the interference coordination technology based on the traffic characteristics in ultra dense network

CHEN Guo, CAI Feng-en, CHENG Lei, GAO Yue-hong
(Wireless Theories and Technologies (WT&T) Lab, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

AbstractThis paper focused on the characteristic of traffi c model, designed two kinds of interference coordination technology apply to ultra dense network——large scale CoMP and dynamic cell ON/OFF algorithm.Through the analysis and modeling of three kinds of typical traffi c model, the simulations are fulfi lled on two types of interference coordination technology based on four kinds of traffi c models.The simulation results validate that both interference coordination technologies can decrease the inter-cell interference, promote system performance with the specifi c traffi c model.

KeywordsUDN; traffi c model; interference coordination; large scale CoMP; small cell ON/OFF

收稿日期：2015-11-04

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）03-0075-04