李 帥，吳建軍

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

0 引言

全雙工技術(shù)因其在頻譜利用上的優(yōu)勢，在鏈路層性能優(yōu)化上得到廣泛研究[1-3]。鏈路級(jí)研究表明，全雙工系統(tǒng)的傳輸性能主要受限于自干擾[4-6]。經(jīng)過自干擾消除后，自干擾被充分抑制，結(jié)合全雙工技術(shù)頻譜資源利用上的優(yōu)勢，相比半雙工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率和更好的誤碼性能[7]。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，常見組網(wǎng)方案包括包括熱點(diǎn)小區(qū)、中繼站和D2D等[8]。全雙工技術(shù)可以在中繼站部署，提高小區(qū)的邊緣覆蓋能力。中繼站部署技術(shù)是IEEE 802.16J工作組和3GPP LTE-A研究的一項(xiàng)重要技術(shù)[9]。通過在宏小區(qū)的邊緣區(qū)域或者熱點(diǎn)流量區(qū)域部署中繼站，可以增加網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域的速率覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)邊緣吞吐量，提供高數(shù)據(jù)速率服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量。在中繼站部署場景中，通過采用功率分配、中繼位置部署和上下行協(xié)議設(shè)計(jì)等技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。采用全雙工技術(shù)的中繼站，相比于半雙工中繼站，可以實(shí)現(xiàn)更高的鏈路頻譜效率和更靈活的上下行調(diào)度，提升整體吞吐量和用戶服務(wù)質(zhì)量。Huang X等人考慮了一個(gè)小區(qū)部署場景，包括1個(gè)全雙工基站、2個(gè)全雙工中繼站和1對(duì)上下行用戶，研究通過功率控制的方式提高小區(qū)頻譜效率和用戶服務(wù)質(zhì)量[10]。Zhang G等人考慮了由1個(gè)基站和3個(gè)用戶組成的底層網(wǎng)絡(luò)，其中1個(gè)用戶采用全雙工協(xié)議，可以作為1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行用戶間通信，通過功率分配優(yōu)化獲得了吞吐量增益[11]。從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，Ntontin K等人針對(duì)部署多天線全雙工中繼站部署場景，分析了小區(qū)的傳輸速率性能[12]。Fang Z等人研究了部署大規(guī)模天線基站和全雙工中繼站的小區(qū)，比較了采用全雙工中繼站和半雙工中繼站的頻譜效率，以及采用不同中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的變化情況[13]。

針對(duì)全雙工中繼站部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究中，目前主要從鏈路級(jí)角度研究了中斷概率、吞吐量等性能指標(biāo)，從系統(tǒng)級(jí)角度研究統(tǒng)計(jì)性能的較少。本文研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的中繼站部署組網(wǎng)方案，針對(duì)該部署場景，研究自適應(yīng)雙工中繼站的資源塊調(diào)度算法，以及鏈路級(jí)自適應(yīng)雙工方案在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的性能表現(xiàn)，并與全雙工中繼站和半雙工中繼站進(jìn)行比較。

1 系統(tǒng)模型

在中繼站部署場景，考慮到上下行公平性，宏小區(qū)采用固定的時(shí)分雙工，上下行時(shí)隙固定。在一個(gè)宏小區(qū)中，部署多個(gè)中繼站，其系統(tǒng)模型如圖1所示，中繼站采用Type 1中繼[14]，此類中繼站自己控制一個(gè)小區(qū)或若干小區(qū)，管理小區(qū)內(nèi)的用戶。中繼站有自己的無線資源管理機(jī)制，從用戶角度，接入一個(gè)中繼站管理的小區(qū)和接入宏小區(qū)沒有區(qū)別。當(dāng)宏小區(qū)基站需要和中繼站小區(qū)內(nèi)的用戶通信時(shí)，需要通過中繼將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果采用的是全雙工的中繼站，可以在一個(gè)時(shí)隙將信息經(jīng)由中繼站轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)用戶，或者中繼站小區(qū)的用戶通過中繼站將信息發(fā)給宏基站。圖1展示的是下行信號(hào)傳輸?shù)倪^程，宏基站到中繼站的信號(hào)會(huì)受到全雙工中繼站的自干擾影響，而中繼站到用戶的信號(hào)會(huì)受到宏基站信號(hào)的干擾。如果是上行信號(hào)傳輸，用戶到中繼站的信號(hào)會(huì)受到自干擾影響，而中繼站到宏基站的信號(hào)會(huì)受到用戶發(fā)射的同頻信號(hào)干擾。對(duì)于半雙工的中繼站，需要2個(gè)時(shí)隙才能完成轉(zhuǎn)發(fā)過程，這個(gè)過程中沒有干擾產(chǎn)生。

圖1 中繼站部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景

在此場景中，半雙工采用的是時(shí)分雙工模式，以下行信號(hào)發(fā)射為例，第1個(gè)時(shí)隙宏基站在子載波a將信息發(fā)射給中繼站，而下一個(gè)時(shí)隙中繼站將信息發(fā)射給目標(biāo)用戶；在第2個(gè)時(shí)隙中，宏基站在這個(gè)子載波段不發(fā)射下行信號(hào)，以避免對(duì)用戶產(chǎn)生同頻干擾。

在中繼站部署場景中，全雙工和時(shí)分雙工模式采用的時(shí)隙分配如圖2所示。可以看到，對(duì)于時(shí)分雙工模式，采用的是下行幀與上行幀交替的時(shí)隙劃分，下行幀和上行幀分別占用連續(xù)的2個(gè)時(shí)隙。在下行幀的2個(gè)時(shí)隙中，分別進(jìn)行基站到中繼站傳輸，中繼站到目標(biāo)用戶傳輸，而上行幀的處理與上行幀類似，中繼站信號(hào)收發(fā)在2個(gè)時(shí)隙完成。對(duì)于全雙工模式，由于其支持同一頻帶上同時(shí)接收和發(fā)射信號(hào)，為了與時(shí)分雙工進(jìn)行公平比較，時(shí)隙劃分上采用同樣的下行幀與上行幀交替的方式。區(qū)別在于，下行幀的2個(gè)時(shí)隙下，全雙工模式下可以分為2個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙進(jìn)行處理，基站選擇不同的中繼站和用戶發(fā)射信號(hào)，上行幀也是一樣。

圖2 中繼站部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景資源塊分配

在鏈路級(jí)處理里，自適應(yīng)雙工方案可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙下的信道信息和自干擾信息，自適應(yīng)地選擇較好的雙工模式運(yùn)行。不同時(shí)隙下，由于信道信息不同，可能會(huì)采用不同的雙工模式。而在中繼站部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，需要根據(jù)時(shí)隙資源和頻域資源的變化，對(duì)自適應(yīng)雙工方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的時(shí)隙分配方式如圖2(c)所示?？紤]了多個(gè)子載波存在的情形，假設(shè)不存在載波間干擾，自適應(yīng)雙工方案在每個(gè)子載波上都可以采用不同的雙工模式。在時(shí)隙劃分角度，考慮到對(duì)比公平性，沿用時(shí)分雙工和全雙工的時(shí)隙劃分，下行幀和上行幀交替的模式?？梢钥吹剑赃m應(yīng)雙工在一個(gè)上下行幀和一個(gè)子載波組成的連續(xù)2個(gè)資源塊上，處于同一模式，而在不同的子幀和子載波下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況變化，會(huì)進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整。

自適應(yīng)雙工方案需要根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻下的網(wǎng)絡(luò)情況，選擇工作在全雙工模式或者時(shí)分雙工模式。在全雙工模式下，可以用2個(gè)時(shí)隙獨(dú)立處理2個(gè)用戶，但是會(huì)存在自干擾和同頻干擾，在干擾較大時(shí)，會(huì)影響全雙工模式性能。而半雙工模式雖然只能用2個(gè)時(shí)隙處理1個(gè)用戶，但是不會(huì)受到干擾的影響。這2種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)自適應(yīng)雙工方案對(duì)這2種模式進(jìn)行折中。

在中繼站采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議時(shí)，每個(gè)時(shí)隙下，根據(jù)瞬時(shí)速率最大準(zhǔn)則， 分別計(jì)算出全雙工和半雙工模式下的傳輸速率，進(jìn)而進(jìn)行比較。采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議時(shí)，考慮源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直連信號(hào)，在每個(gè)時(shí)隙下，自適應(yīng)雙工方案的判斷準(zhǔn)則，可以用一組簡單的方程組表示如下：

(1)

針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的研究，需要考慮每個(gè)時(shí)隙下小區(qū)內(nèi)的上下行用戶集合，進(jìn)行用戶選擇和資源塊調(diào)度，自適應(yīng)體現(xiàn)在選擇合適的用戶映射到合適的資源塊這個(gè)過程中。自適應(yīng)雙工中繼站的資源調(diào)度算法見下一部分介紹，基于速率最大準(zhǔn)則，依次處理每個(gè)子載波的調(diào)度，根據(jù)全雙工和時(shí)分雙工模式下接入用戶速率情況進(jìn)行判斷。

2 資源調(diào)度算法

常見的資源調(diào)度準(zhǔn)則包括輪詢、速率最大和比例公平準(zhǔn)則。輪詢根據(jù)用戶順序，依次將用戶調(diào)度進(jìn)入資源塊中，速率最大準(zhǔn)則是通過讓每個(gè)資源塊調(diào)度速率最大的用戶傳輸以最大化吞吐量，比例公平準(zhǔn)則是以上2種準(zhǔn)則的折中。在部署自適應(yīng)雙工中繼站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，為分析驗(yàn)證自適應(yīng)雙工方案的系統(tǒng)級(jí)性能，依照鏈路級(jí)常用的最大化瞬時(shí)速率的設(shè)計(jì)，采用了速率最大準(zhǔn)則。在資源塊調(diào)度算法設(shè)計(jì)中，依照計(jì)算出的速率，決定每個(gè)資源塊類型和接入用戶編號(hào)。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，部署有NR個(gè)中繼站，中繼站編號(hào)依次為RN1,…,RNi,…,RNNR，基站編號(hào)為BS。用Φu表示宏小區(qū)內(nèi)所有用戶的集合，用wm標(biāo)識(shí)用戶接入的小區(qū)類型，wm滿足：

wm∈BS,RN1,…,RNi,…,RNNR,?m∈Φu。

(2)

根據(jù)信道損耗和各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，可以計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的功率映射表Pmapi,j，表示節(jié)點(diǎn)i發(fā)射信號(hào)在節(jié)點(diǎn)j接收到的信號(hào)功率?；谶@些參數(shù)，進(jìn)行調(diào)度算法設(shè)計(jì)，部署自適應(yīng)雙工中繼站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法(XDR-R)。依照此算法，可以類似給出僅部署全雙工中繼和僅部署半雙工中繼的資源調(diào)度算法。XDR-R算法步驟如下所示:

步驟1.初始化

初始化小區(qū)的用戶集合Φu，用戶接入的小區(qū)類型ωm，用戶上下行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)集合BUul，BUdl，接收功率表Pmap，當(dāng)前時(shí)隙t；

步驟2.速率計(jì)算

for用戶m

按照預(yù)設(shè)的資源塊運(yùn)行；

算法的主要思路是，在每個(gè)時(shí)隙開始，對(duì)每個(gè)有上行或下行數(shù)據(jù)需求的用戶，先判斷用戶所在小區(qū)范圍，分為直連和連接中繼2種。如果是直連，直接給出瞬時(shí)速率，如果是連接中繼，需要分為全雙工模式中繼和半雙工模式中繼2種情形計(jì)算速率。根據(jù)圖2中時(shí)隙的劃分，第4i+1～4i+2為下行時(shí)隙，第4i+3～4i+4為上行時(shí)隙。在子幀第1個(gè)時(shí)隙4i+1或4i+3，進(jìn)行資源塊配置過程，依照子載波順序依次進(jìn)行。

3 仿真結(jié)果

為充分比較全雙工中繼站、半雙工中繼站和自適應(yīng)雙工中繼站在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的性能，在仿真中不考慮直連用戶，將60個(gè)用戶全部撒點(diǎn)在中繼站控制的小區(qū)中，每個(gè)中繼站控制15個(gè)用戶。在這種假設(shè)下，網(wǎng)絡(luò)的上下行通信均需要依靠中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，可以充分比較不同類型中繼站部署的性能表現(xiàn)。對(duì)于半雙工中繼站需要2個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸?shù)那闆r，在分析吞吐量分布時(shí)，將第2個(gè)時(shí)隙根據(jù)γHD計(jì)算出的傳輸速率RateHD等效轉(zhuǎn)換為2個(gè)時(shí)隙下的RateHD/2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)于自適應(yīng)雙工中繼站，由于其也可能會(huì)降低到半雙工模式進(jìn)行傳輸，在半雙工子模式中，也采用上述方法類似處理。這么處理的原因是，在分析吞吐量的CDF分布時(shí)，如果只考慮半雙工第2個(gè)時(shí)隙的吞吐量，那么反映到性能曲線上的結(jié)果是曲線整體右移，從CDF分布上看性能表現(xiàn)比全雙工更好，但是在相同時(shí)間統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量只有全雙工的一半。在數(shù)據(jù)量區(qū)別很大時(shí)，在同一個(gè)場景中比較全雙工模式和半雙工模式的CDF統(tǒng)計(jì)性能可以提供的有用信息十分有限。因此，本文在數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計(jì)時(shí)，將需要占用2個(gè)時(shí)隙完成的傳輸結(jié)果平均到2個(gè)時(shí)隙上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。關(guān)于不同模式的中繼站部署的性能表現(xiàn)，仿真結(jié)果如圖3所示，其中速率覆蓋的界限設(shè)置為7.5 bps/Hz。分析模式包括3種自干擾消除能力(SIC=80,100,120 dB)下的自適應(yīng)雙工中繼站、全雙工中繼站以及時(shí)分雙工中繼站。所有的仿真參數(shù)依照3GPP 36.814進(jìn)行設(shè)置[14]。

圖3 部署不同類型中繼站時(shí)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 上下行吞吐量的CDF曲線

圖3展示了部署不同類型中繼站時(shí)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上下行吞吐量的CDF分布情況?？梢钥吹?，自適應(yīng)雙工中繼站相比于全雙工中繼站和半雙工中繼站提升了吞吐量性能。從上下行吞吐量分布看，不同自干擾水平的全雙工中繼站下行吞吐量區(qū)別很大，通過降低自干擾可以提高吞吐量。從上行吞吐量來看，在自干擾較高時(shí)，自適應(yīng)雙工中繼站的吞吐量曲線與半雙工中繼站的吞吐量曲線非常接近，說明在這種情形下，自適應(yīng)雙工中繼站幾乎不考慮采用全雙工中繼站傳輸。

4 結(jié)束語

本文研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署自適應(yīng)雙工中繼站的組網(wǎng)方案。在鏈路級(jí)自適應(yīng)雙工方案基礎(chǔ)上，基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景重新設(shè)計(jì)了自適應(yīng)雙工中繼站資源塊調(diào)度算法，分析了其在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中的性能表現(xiàn)。結(jié)果表明，自適應(yīng)雙工中繼站相比于其他中繼站，可以提供更高的吞吐量。在自干擾較高時(shí)，在全雙工中繼站的基礎(chǔ)上提升尤為明顯。通過對(duì)中繼站部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估，印證了鏈路級(jí)自適應(yīng)雙工方案在實(shí)際部署中的性能表現(xiàn)。