沈 毅，齊麗娜

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于盲源分離的云無線接入網(wǎng)接入策略

沈 毅，齊麗娜

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

由于移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)資源的極大豐富，人們可以輕松獲得更加便利和多樣的信息服務(wù)，然而日益增長的數(shù)據(jù)量使得現(xiàn)有無線蜂窩通信系統(tǒng)需要支撐更重的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)并提供更高的通信速率，因此提升蜂窩系統(tǒng)的效率是一個(gè)重要課題。云無線接入網(wǎng)技術(shù)是一種高效的、針對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)集中化的新技術(shù)。為此，基于云蜂窩，采用盲信源分離算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種根據(jù)云蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信道選擇的接入策略，使蜂窩系統(tǒng)在工作時(shí)可以選擇合適的信道，從而提高協(xié)作通信的效率；同時(shí)還針對(duì)系統(tǒng)性能較差的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)原有接入策略進(jìn)行了改進(jìn)，使得蜂窩系統(tǒng)具有最佳的誤碼率性能。仿真結(jié)果表明，所提出的接入策略有效降低了系統(tǒng)誤碼率，提高了信道使用效率。

云無線網(wǎng)絡(luò)；接入策略；云蜂窩系統(tǒng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；盲信源分離；協(xié)作通信

0 引 言

近年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了移動(dòng)通信技術(shù)升級(jí)換代的步伐。21世紀(jì)以來，人們經(jīng)歷了從2G到3G、再到目前被廣泛運(yùn)用的4G技術(shù)的時(shí)代，移動(dòng)通信速率也從GSM系統(tǒng)最初的9.6 kbps[1]發(fā)展到3G時(shí)代的2 Mbps[2]，再到可以滿足各種多媒 體需求的LTE的100 Mbps[3]。爆炸性增長的信息量對(duì)信息傳輸速率和信息處理能力提出了極高的要求，因此現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)需要不停地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)來應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的針對(duì)性解決方案是提升基站數(shù)量，即劃分出更小的蜂窩，并以此來提升信息容量。然而，維持高密度的基站分布將會(huì)帶來一系列開銷，例如額外增加的維護(hù)成本、更加頻繁切換帶來的效率低下，更糟糕的是，越來越小的基站間距會(huì)帶來碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響了蜂窩系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

為了減少蜂窩變小帶來的不必要切換，一項(xiàng)新的技術(shù)正在被廣泛運(yùn)用。云無線接入網(wǎng)(Cloud Radio Access Network,C-RAN)是移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要演進(jìn)方案，所謂C就是基于集中化處理(Centralized Processing)、協(xié)作式無線電(Collaborative Radio)和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架(Clean system)[4]。C-RAN主要包括3部分：由遠(yuǎn)端無線射頻單元和天線組成的分布式無線網(wǎng)絡(luò),由高帶寬低延遲的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠(yuǎn)端的無線射頻單元(Remote Radio Head,RRH),由高性能通用處理器和實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池(Virtual Base Station,VBS)[5]。

現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)中信道資源的分配是利用信號(hào)衰減原理，將頻譜劃分為若干個(gè)信道(用戶信道載波)，在距離足夠遠(yuǎn)時(shí)可以復(fù)用信道，但是相鄰的蜂窩之間需要避免使用相同頻率的信道，因此會(huì)犧牲一部分頻譜資源。不僅如此，當(dāng)移動(dòng)站在不同蜂窩小區(qū)之間移動(dòng)時(shí)，帶來的切換也會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)荷。為了解決以上問題，可以針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)接入策略進(jìn)行改進(jìn)來提升系統(tǒng)效率。

基于C-RAN的基本結(jié)構(gòu)，新策略將臨近蜂窩分成一個(gè)集群并且允許一個(gè)集群內(nèi)的不同蜂窩使用相同頻率的信道。在一個(gè)蜂窩集群內(nèi)，RRH接收由移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)的混疊，信號(hào)通過物理鏈路傳輸?shù)絍BS，再經(jīng)過盲信源分離算法(BSS)后被還原成源信號(hào)。并且針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的分離效果影響，提出了一種可以有效降低誤碼率的接入策略，使蜂窩系統(tǒng)在工作時(shí)可以選擇合適的信道，具有最佳的誤碼率性能。

仿真結(jié)果表明，所提出的接入策略可有效降低系統(tǒng)誤碼率，提高信道使用效率。

1 傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)架構(gòu)及劣勢分析

在傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)架構(gòu)中，每個(gè)小區(qū)由基站獨(dú)立覆蓋，基站僅服務(wù)本小區(qū)用戶，且與其他小區(qū)基站不共享數(shù)據(jù)。基站實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)以ASIC、DSP、FPGA為主，在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)主要的基帶處理，再通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程射頻單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端無線覆蓋。

傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)架構(gòu)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了巨大成就。然而，面對(duì)如今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)下的海量數(shù)據(jù)需求，彈性的網(wǎng)絡(luò)接入，傳統(tǒng)接入網(wǎng)架構(gòu)面臨著高能耗、低容量、低資源利用率等諸多挑戰(zhàn)[6]。首先，為了滿足日益增長的設(shè)備接入與傳輸，移動(dòng)運(yùn)營商不斷增加基站數(shù)量，相應(yīng)地導(dǎo)致了能耗的顯著增長[7]；其次，傳統(tǒng)基站硬件平臺(tái)雖然處理速度很快，但靈活性差，可擴(kuò)展性不強(qiáng)，維護(hù)升級(jí)成本高。面對(duì)快速演進(jìn)的通信技術(shù)，其更新?lián)Q代速度快，往往帶來很大的硬件資源浪費(fèi)。

1.2 傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)模型

現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)協(xié)作通信的部署主要是以傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，為增強(qiáng)無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的魯棒性、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、提高用戶服務(wù)QoS性能逐漸演進(jìn)而來。雖然實(shí)際蜂窩網(wǎng)絡(luò)是可以無限擴(kuò)展的，但是表現(xiàn)為一種基本結(jié)構(gòu)的復(fù)制，因此分析網(wǎng)絡(luò)性能可以通過簡化的網(wǎng)絡(luò)模型來進(jìn)行。蜂窩網(wǎng)協(xié)作簡化模型主要有線性蜂窩協(xié)作模型、環(huán)形蜂窩協(xié)作模型和分簇蜂窩協(xié)作模型。之后的研究內(nèi)容是在分簇蜂窩協(xié)作模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

分簇的蜂窩網(wǎng)協(xié)作模型是對(duì)實(shí)際商用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一種裁剪，主要有三種數(shù)量小區(qū)，組成的三小區(qū)共點(diǎn)模型、七小區(qū)環(huán)繞模型和十九小區(qū)環(huán)繞模型。三小區(qū)共點(diǎn)模型主要用來研究邊緣小區(qū)用戶的系統(tǒng)性能[8]，一般選在將研究用戶放置在三個(gè)小區(qū)的公共點(diǎn)附近。

在分簇的蜂窩網(wǎng)協(xié)作模型中，鄰小區(qū)之間的同頻干擾一直是系統(tǒng)中難以解決的難點(diǎn)問題。同頻干擾對(duì)位于小區(qū)邊緣的用戶具有十分嚴(yán)重的影響，邊緣用戶由于在通信時(shí)受到較大的同頻功率干擾，其上下行鏈路的接收信號(hào)均會(huì)受到嚴(yán)重影響，從而降低了通信質(zhì)量。因此，在云蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型中，基站的布置在原有網(wǎng)絡(luò)上呈倍增加，這使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶更容易受到同頻干擾的影響。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型下解決鄰小區(qū)的干擾問題，是信道頻率資源分配策略研究的重點(diǎn)所在。

2 基于盲源分離的接入策略分析

2.1 混疊信號(hào)的表示

通常情況下，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中相鄰的蜂窩會(huì)盡量避免使用相同頻率的信道，使之間的干擾保持一個(gè)較低的水平。但是，這樣做將會(huì)使每個(gè)蜂窩不能使用所有的信道，因此會(huì)帶來一部分頻率資源浪費(fèi)的開銷。為此，提出一種在蜂窩集群內(nèi)使用盲信源分離技術(shù)來解決信道不能被全部利用的方法。在該方案下，多個(gè)用戶可以同時(shí)使用相同的信道進(jìn)行通信，并且多個(gè)信道能同時(shí)服務(wù)一個(gè)用戶。因此，該方案可以有效提高單個(gè)用戶的容量，并且能有效減少用戶在不同小區(qū)間移動(dòng)帶來的切換，通信速率也將有一定的提升。

如圖1所示，在一個(gè)由三個(gè)蜂窩形成的蜂窩集群中，每一個(gè)RRH將會(huì)接收到移動(dòng)臺(tái)(MS)發(fā)出的不同信號(hào)的混疊。

混疊信號(hào)的表達(dá)式如下：

圖1 蜂窩集群中RRH與MS信號(hào)的混疊

(1)

2.2 ICA算法

一個(gè)集群內(nèi)的不同RRH收到混疊信號(hào)后，將其傳輸給VBS進(jìn)行盲信源分離。通常情況下，大多數(shù)的盲信源分離采用的是獨(dú)立成分分析(ICA)[9]。ICA能夠分離出數(shù)據(jù)中的獨(dú)立分量。在信號(hào)重構(gòu)中，ICA省去了制定重構(gòu)規(guī)律的過程，僅憑其算法模型挖掘信號(hào)的隱藏成分，并按ICA模型的規(guī)律進(jìn)行重構(gòu)。與傳統(tǒng)的信號(hào)重構(gòu)方法相比，無需先驗(yàn)知識(shí)，拓寬了重構(gòu)范圍，簡化了重構(gòu)過程[10]。其公式如下：

x(t)=As(t),y(t)=Bx(t)

(2)

2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)分離效果的影響

2.3.1 噪聲的影響

在傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)中，為了盡量減少干擾信號(hào)的影響，相鄰的蜂窩會(huì)使用不同頻率的信道，這樣做也帶了一部分頻率資源的浪費(fèi)。為了把這一部分被閑置的頻譜資源利用起來，相鄰的蜂窩形成一個(gè)蜂窩集群，同一個(gè)集群內(nèi)的不同蜂窩將可以重復(fù)使用同一頻率的信道接收不同的信號(hào)源，然后通過ICA算法將其分離并得到源信號(hào)。并且，已有研究表明[11]：即使是已經(jīng)經(jīng)過混疊的多徑信號(hào)也能通過ICA算法被精確還原。

在沒有噪聲干擾的情況下，只要源信號(hào)是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的并且混合矩陣滿秩，ICA算法都能精確估計(jì)分離矩陣，得出源信號(hào)[12]。然而在實(shí)際通信系統(tǒng)中，噪聲是一定存在的，所以在進(jìn)行ICA的過程中一定會(huì)受到噪聲的干擾，將會(huì)得到一個(gè)有偏差的源信號(hào)估計(jì)值，其值由式(3)給出。

(3)

2.3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)角優(yōu)勢系數(shù)

由以上的討論可以得出，蜂窩集群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于源分離效果的好壞有著至關(guān)重要的影響。為了衡量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)角優(yōu)勢程度，可以由式(4)給出一個(gè)參考量D(A)。

(4)

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證蜂窩集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的影響，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)假設(shè)有四種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且其對(duì)角優(yōu)勢性能依次降低，即D1(A)>D2(A)>D3(A)>D4(A)，盲信源分離算法選擇JADE[12]，使用OFDM信號(hào)作為MS源信號(hào)，并且在源信號(hào)中加入了SNR從1到20不等的高斯噪聲作為干擾，計(jì)算分離后信號(hào)的誤碼率。

圖2 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。蜂窩集群的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)源分離效果有著影響顯著，其中，最不具有對(duì)角優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)(1)的誤碼率一直維持較高的程度，分離效果不甚理想；隨著混合矩陣A的對(duì)角優(yōu)勢的加強(qiáng)，其D(A)越來越接近于0，由實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可知，D(A)越小，其分離后信號(hào)誤碼率越小，盲信源分析的效果也就越好；而在同一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，信源中噪聲的大小對(duì)于分離效果也有顯著影響，SNR比較低的情況下，分離后的誤碼率比較高，而隨著SNR的不斷提升，其相對(duì)應(yīng)的誤碼率也隨之迅速下降，同時(shí)，D(A)越小的結(jié)構(gòu)的誤碼率相應(yīng)地減小更快。

圖3 不同拓?fù)浞蛛x效果仿真結(jié)果

由于實(shí)際通信系統(tǒng)對(duì)誤碼率有較高要求，一般需要達(dá)到10-3左右，而仿真結(jié)果表明除了拓?fù)?以外，其他的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難達(dá)到要求，所以需要盡量減少這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)頻率，因此，根據(jù)拓?fù)?，提出了一種多蜂窩集群協(xié)作選擇接入用戶的策略。如圖4所示，在多個(gè)蜂窩集群內(nèi)，對(duì)之前的拓?fù)?進(jìn)行拓展，把原有的3個(gè)MS接入到臨近蜂窩集群內(nèi)，形成3個(gè)類似于拓?fù)?的結(jié)構(gòu)。

圖4 蜂窩集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓展示意圖

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖5所示。相對(duì)于原有拓?fù)?，在新的接入策略下，系統(tǒng)誤碼率有了大幅下降，可以滿足實(shí)際通信系統(tǒng)的要求。

圖5 接入策略優(yōu)化效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語

C-RAN作為一種新型的無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用分布式RRU和集中式BBU基帶池，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多點(diǎn)傳輸接收技術(shù)，支持多標(biāo)準(zhǔn)的軟件無線電、虛擬基站與資源融合、RAN邊緣業(yè)務(wù)等。相比于傳統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，C-RAN擁有更大的靈活性和優(yōu)越性，能有效提升網(wǎng)絡(luò)的譜效率和能效率。為此，提出了一種在云無線接入網(wǎng)絡(luò)中基于盲信源分離(Cloud-BSS)的新型接入策略。利用云無線接入網(wǎng)絡(luò)的集中化特征來提升移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。Cloud-BSS將一組相鄰蜂窩作為一個(gè)蜂窩集群，允許相鄰的蜂窩使用同一頻率的信道進(jìn)行通信，可以使系統(tǒng)中所有頻率的信道都被充分利用，從而提高系統(tǒng)頻譜效率，減少不必要切換，并消除一部分的碼間串?dāng)_。同時(shí)還分析了不同的蜂窩集群中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，提出了一種新型的量化對(duì)角優(yōu)勢性能的參數(shù)D(A)，設(shè)計(jì)并完成了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析了蜂窩集群不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)Cloud-BSS誤碼率性能的影響，對(duì)接入策略進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的接入策略與原有策略相比，有效降低了誤碼率，提升了通信效率。

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An Access Strategy for Cloud Radio Access Network with Blind Source Separation

SHEN Yi,QI Li-na

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Due to the rapid growing popularity of mobile communication technology and abundance of Internet resources,it is quite easy for people to get more convenience and variety of information services.However,the increasing amount of data makes the existing wireless cellular communication system to support heavier burden on the business and provide a higher rate of communication.Therefore,how to improve efficiency of the cellular system is still an important issue.Cloud radio access network technology is a new efficient technology for centralized access network.Based on the cloud cellular,a new method of channel selection has been designed by using the blind source separation algorithm,to make the cellular system select the appropriate channel to improve the efficiency of cooperative communication.Against the poor performance of the system topology,the original access strategy has been improved so that the system has a best error rate performance.The simulation results show that the proposed access strategy has effectively reduced the bit error rate of the system and increasing efficiency of channel.

cloud radio network;access strategy;cloud cellular system;topological structure;blind source separation;cooperative communication

2016-05-30

2016-09-08

時(shí)間：2017-03-07

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329005)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471201)

沈 毅(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樵茻o線接入網(wǎng)；齊麗娜，副教授，通訊作者，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源相關(guān)理論、5G寬帶無線通信技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0922.056.html

TP301

A

1673-629X(2017)04-0025-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.006