何小祥,王碧釵

(華為技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518129)

0 引 言

智能家居、元宇宙等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對短距直連通信的關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indicator,KPI)提出了越來越高的要求,比如高清視頻投屏、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality,XR)等業(yè)務(wù)要求吞吐達(dá)到百兆比特每秒乃至吉比特每秒以上[1],以滿足極致的用戶體驗(yàn)。

第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)的第16個(gè)版本(Release 16,R16)標(biāo)準(zhǔn)化了新空口(New Radio,NR)車聯(lián)網(wǎng) (Vehicle-To-Everything,V2X)側(cè)行鏈路(Sidelink,SL)技術(shù)[2-4],并對物理信道與信號,以及同步、功率控制、資源分配、信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)測量反饋等物理層過程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[5]。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同,SL通信可以支持用戶設(shè)備(User Equipment,UE)之間的直接通信,即用戶數(shù)據(jù)直接在UE之間傳輸,避免了蜂窩通信中用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過基站中轉(zhuǎn)傳輸,從而可以降低傳輸時(shí)延并提升資源利用率。3GPP的第17個(gè)版本(Release 17,R17)將SL的應(yīng)用場景擴(kuò)展到了面向消費(fèi)者的商用場景,以支持智能家居、可穿戴等業(yè)務(wù)的短距直連通信,并以降低功耗和提升可靠性為目標(biāo),在NR V2X的基礎(chǔ)上對SL分布式資源分配機(jī)制進(jìn)行了增強(qiáng)設(shè)計(jì)[3]。

在缺乏集中調(diào)度節(jié)點(diǎn)的SL分布式系統(tǒng)中,各個(gè)通信鏈路需自主選擇通信資源,降低不同鏈路之間的干擾?，F(xiàn)有的SL支持分布式資源分配機(jī)制,即Mode2機(jī)制,其主要包含資源感知與資源選擇兩個(gè)過程[2-5]。具體而言,UE首先設(shè)置一個(gè)觸發(fā)時(shí)刻n,在時(shí)刻n之前設(shè)置一個(gè)資源感知窗,在時(shí)刻n之后設(shè)置一個(gè)資源選擇窗。在資源感知窗中,該UE盲檢測其他發(fā)送UE的物理SL控制信道(Physical Sidelink Control Channel,PSCCH),若成功解碼其他發(fā)送UE的PSCCH所攜帶的SL控制信息(Sidelink Control Information,SCI),則可通過SCI中包含的預(yù)留資源指示信息判斷其他發(fā)送UE所預(yù)留的資源位置;進(jìn)一步,該UE可以通過其他發(fā)送UE的解調(diào)參考信號(Demodulation Reference Signal,DMRS)測量參考信號接收功率(Reference Signals Received Power,RSRP),用于判斷和其他UE之間的干擾水平。若該UE和其他UE之間的干擾水平大于給定閾值,則將其他UE在資源選擇窗中所預(yù)留的資源進(jìn)行排除,并在資源選擇窗的剩余資源中選擇用于傳輸?shù)馁Y源,以降低不同通信鏈路之間的干擾。

除了3GPP的SL技術(shù),電氣電子工程師學(xué)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.11標(biāo)準(zhǔn)的WiFi技術(shù)也可以支持短距直連通信,其主要采用載波偵聽多址(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)機(jī)制進(jìn)行干擾規(guī)避[6]。在CSMA機(jī)制中,UE發(fā)送數(shù)據(jù)前首先通過能量檢測判斷信道的忙閑狀態(tài),若檢測到能量大于給定閾值,則認(rèn)為信道為繁忙狀態(tài),否則認(rèn)為信道是空閑狀態(tài),只有認(rèn)為信道空閑時(shí)才有可能接入信道,并且可以通過隨機(jī)回退降低沖突概率[6]。

相比于WiFi的CSMA機(jī)制,SL利用同步系統(tǒng)的優(yōu)勢,通過資源預(yù)留可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的傳輸,具有更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障[7-8]。盡管如此,現(xiàn)有的SL技術(shù)和WiFi技術(shù)均是基于干擾水平與閾值的比較來判斷能否和其他鏈路復(fù)用相同的時(shí)頻資源,該資源復(fù)用準(zhǔn)則對于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能既不是充分的也不是必要的,能否成功解碼依賴于目標(biāo)鏈路的信號干擾噪聲比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio,SINR)[9],而不僅僅是不同鏈路UE之間的干擾強(qiáng)度。因此,現(xiàn)有的分布式資源復(fù)用方式存在對資源的不充分利用,頻譜效率較低,尤其是在中高用戶密度場景下吞吐受限,影響用戶體驗(yàn)。

為了提升短距直連通信的吞吐,本文提出了一種基于分布式功率控制的SL傳輸機(jī)制。各發(fā)送UE在進(jìn)行資源選擇和功率控制時(shí),不僅考慮目標(biāo)鏈路的CSI,而且考慮干擾鏈路的CSI。設(shè)計(jì)了以和吞吐最大化為目標(biāo)的功率分配優(yōu)化算法以及廣播式CSI測量上報(bào)機(jī)制,降低鏈路間干擾,以分布式的方式獲得近集中式控制的性能。仿真結(jié)果表明,所提方案可以有效提升吞吐,改善用戶體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮如圖1所示的分布式短距直連通信系統(tǒng)。假設(shè)共有K個(gè)通信鏈路,每個(gè)通信鏈路包含一個(gè)發(fā)送UE和一個(gè)接收UE;假設(shè)頻域資源共包含N個(gè)子帶(也可以稱為子信道),且一個(gè)子帶內(nèi)信道是平衰落的,其中每個(gè)子帶由多個(gè)連續(xù)的物理資源塊(Physical Resource Block,PRB)構(gòu)成,每個(gè)子帶包含M個(gè)資源粒子(Resource Element,RE)。

第k個(gè)接收UE在第n個(gè)子帶第m個(gè)RE的接收信號為

(1)

式中:sk[n,m]是第k個(gè)發(fā)送UE在第n個(gè)子帶第m個(gè)RE的發(fā)送符號且滿足E(sk)=1;pk[n]是第k個(gè)發(fā)送UE在第n個(gè)子帶上的發(fā)射功率;hjk[n]是第j個(gè)發(fā)送UE與第k個(gè)接收UE之間在第n個(gè)子帶上的信道增益;vk[n,m]是第k個(gè)接收UE在第n個(gè)子帶第m個(gè)RE的接收噪聲且服從高斯分布CN(0,σ2/M)。根據(jù)公式(1),第k個(gè)接收UE在第n個(gè)子帶的SINR可以表示為

(2)

根據(jù)香農(nóng)公式,第k個(gè)通信鏈路可以實(shí)現(xiàn)的最大吞吐率可以表示為

(3)

式中:B是每個(gè)子帶的信道帶寬。

本文以最大化多個(gè)通信鏈路的和吞吐為目標(biāo),優(yōu)化問題可以表示為

C2:pk[n]≥0,?k,n

(4)

式中:Pk,max是第k個(gè)發(fā)送UE的最大發(fā)射功率。

通過求解優(yōu)化問題(4),可以獲得每個(gè)發(fā)送UE在各個(gè)子帶的發(fā)射功率,各個(gè)通信鏈路的發(fā)送UE均基于優(yōu)化的發(fā)射功率進(jìn)行傳輸,可以使得多個(gè)鏈路的和吞吐最大化。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 功率分配優(yōu)化算法

由于目標(biāo)函數(shù)的非凸性,優(yōu)化問題(4)是一個(gè)非凸問題,難以獲得全局最優(yōu)解。為了解決這一非凸優(yōu)化問題,本文利用SINR與最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)的等價(jià)變換關(guān)系將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)[10],并通過迭代優(yōu)化的方式獲得局部最優(yōu)解。

具體而言,公式(2)中的SINR與MMSE的變換關(guān)系可以表示為[10]

(5)

式中:ek[n]是第k個(gè)接收UE在第n個(gè)子帶進(jìn)行信號檢測的均方誤差,即

ek[n]=E{|sk[n]-ck[n]·yk[n]|2}

(6)

式中:sk[n]是第k個(gè)發(fā)送UE在第n個(gè)子帶上的發(fā)送符號;yk[n]是根據(jù)公式(1)得到的接收信號;ck[n]是均衡系數(shù)。將根據(jù)公式(1)得到的yk[n]表達(dá)式代入公式(6)可得

(7)

對公式(7)求導(dǎo)可以得到ck[n]的最優(yōu)值,即

(8)

將公式(5)代入公式(3)可以得到

(9)

為了進(jìn)一步簡化目標(biāo)函數(shù),可以基于引理1[10]將公式(9)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù),具體如下:

(10)

證明:令f(a)對變量a的導(dǎo)數(shù)等于0,可以獲得使得f(a)取最大值的a的取值,即

(11)

根據(jù)公式(11)可以獲得f(a)的最大值為

(12)

由此引理1得到證明。

根據(jù)引理1,公式(9)可以轉(zhuǎn)化為

(13)

根據(jù)公式(13),優(yōu)化問題(4)可以轉(zhuǎn)化為如下優(yōu)化問題:

C2:pk[n]≥0,?k,n

(14)

(15)

將公式(15)代入公式(7)可得

(16)

根據(jù)公式(11)和公式(16)可以獲得第(t+1)次迭代{ak[n]}的最優(yōu)解,即

(17)

獲得第(t+1)次迭代{ck[n]}和{ak[n]}的最優(yōu)解后,第(t+1)次迭代{pk[n]}的最優(yōu)解可通過求解以下優(yōu)化問題獲得:

C2:pk[n]≥0,?k,n

(18)

式中:

(19)

根據(jù)拉格朗日乘子法,優(yōu)化問題(18)可以轉(zhuǎn)化為如下優(yōu)化問題:

(20)

式中:λk≥0為拉格朗日乘子。

(21)

在每次迭代中,通過公式(15)、(17)、(21)獲得的{ck[n]},{ak[n]},{pk[n]}均為當(dāng)次迭代的最優(yōu)解,因此迭代更新{ck[n]},{ak[n]},{pk[n]}可以使得優(yōu)化問題(14)中的目標(biāo)函數(shù)取值增大或不變,在每個(gè)發(fā)送UE最大發(fā)射功率的約束下,優(yōu)化問題(14)中的目標(biāo)函數(shù)取值將會收斂到全局或局部最大值。

在每次迭代中,通過公式(15)和(17)計(jì)算{ck[n]}和{ak[n]}的計(jì)算復(fù)雜度分別為O(K·N),通過公式(21)計(jì)算{pk[n]}的計(jì)算復(fù)雜度為O(K·N·lb(1/δ)),其中δ>0為二分法搜索的精度。因此,上述迭代優(yōu)化算法的計(jì)算復(fù)雜度為O(Tmax·K·N·lb(1/δ)),Tmax為最大迭代次數(shù)。

2.2 基于廣播式CSI測量上報(bào)的分布式功率控制

由公式(15)、(17)、(21)可知,第k個(gè)發(fā)送UE為了計(jì)算在第n個(gè)子帶的最優(yōu)發(fā)射功率,需要獲得與目標(biāo)鏈路接收UE之間的信道增益hkk[n]以及與其他干擾鏈路接收UE之間的信道增益{hjk[n]}j≠k。為了獲得上述信息,如圖2所示,需要每個(gè)鏈路的接收UE測量與各個(gè)鏈路發(fā)送UE之間的CSI,并將CSI以廣播的形式上報(bào)給各個(gè)鏈路的發(fā)送UE,其中每個(gè)接收UE上報(bào)的CSI包含該接收UE與目標(biāo)鏈路發(fā)送UE之間的信道增益以及與其他干擾鏈路發(fā)送UE之間的信道增益;每個(gè)鏈路的發(fā)送UE收集來自各個(gè)鏈路接收UE上報(bào)的CSI,然后基于這些信息根據(jù)2.1節(jié)的算法進(jìn)行功率優(yōu)化。

圖2 廣播式CSI上報(bào)

特別地,各個(gè)發(fā)送UE可以首先基于如圖3所示的現(xiàn)有SL資源感知與資源選擇過程選擇干擾較小的時(shí)隙,選擇相同時(shí)隙的多個(gè)發(fā)送UE可以通過分布式功率控制提高頻譜效率。

圖3 SL Mode2分布式資源分配

為了讓發(fā)送UE明確需要和哪些鏈路的發(fā)送UE進(jìn)行分布式功率控制以及獲得功率優(yōu)化所需的信息,可以建立發(fā)送信道狀態(tài)信息參考信號(Channel State Information Reference Signal,CSI-RS)的資源與發(fā)送數(shù)據(jù)的資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,且不同通信鏈路可以采用默認(rèn)的發(fā)送功率發(fā)送正交的CSI-RS序列。具體而言,一個(gè)CSI-RS資源可以與Q個(gè)時(shí)隙的物理SL共享信道(Physical Sidelink Shared Channel,PSSCH)資源相關(guān)聯(lián),其中PSSCH可以攜帶通信數(shù)據(jù),一個(gè)CSI-RS資源在時(shí)域上包含一個(gè)或多個(gè)正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,OFDM)符號,在頻域上每個(gè)子帶包含Q個(gè)PRB集合,每個(gè)PRB集合的資源可以用于發(fā)送一個(gè)完整的CSI-RS序列。如圖4所示,假設(shè)時(shí)隙Ti的CSI-RS資源與時(shí)隙Tj、Tj+1、Tj+2、Tj+3共4個(gè)時(shí)隙的PSSCH資源相關(guān)聯(lián),其中時(shí)隙Ti的CSI-RS資源在每個(gè)子帶上包含4個(gè)PRB集合,分別對應(yīng)4個(gè)時(shí)隙;比如一個(gè)發(fā)送UE通過資源感知與資源選擇過程選擇了時(shí)隙Tj+1作為候選傳輸時(shí)隙,則該發(fā)送UE在時(shí)隙Ti的CSI-RS資源每個(gè)子帶的第2個(gè)PRB集合上發(fā)送CSI-RS。由于不同發(fā)送UE的CSI-RS序列是正交的,每個(gè)鏈路的接收UE可以根據(jù)檢測到的CSI-RS序列判斷CSI-RS資源關(guān)聯(lián)的每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送UE集合,并可以測量與這些發(fā)送UE之間的信道增益。接收UE可以在時(shí)隙Ti與時(shí)隙Tj之間以廣播的形式將測量到的CSI上報(bào)給各發(fā)送UE,選擇相同時(shí)隙的發(fā)送UE基于目標(biāo)鏈路接收UE以及干擾鏈路接收UE上報(bào)的CSI分別進(jìn)行功率優(yōu)化,且不同發(fā)送UE采用相同的優(yōu)化參數(shù)。

3 仿真分析

本節(jié)對所提方案進(jìn)行性能驗(yàn)證,仿真參數(shù)如表1所示。具體而言,本文采用Python作為仿真平臺;仿真中考慮如圖1所示的分布式短距直連通信系統(tǒng),其包含K個(gè)通信鏈路,每個(gè)通信鏈路有一個(gè)發(fā)送UE和一個(gè)接收UE,以模擬諸如手機(jī)與大屏通信、手機(jī)與XR眼鏡通信等多鏈路共存的場景;在生成用戶分布時(shí),首先生成K個(gè)發(fā)送UE的位置,每個(gè)發(fā)送UE的位置服從在20 m×20 m范圍內(nèi)的均勻分布,然后生成K個(gè)接收UE的位置,其中第k個(gè)接收UE和第k個(gè)發(fā)送UE之間的距離服從2～5 m之間的均勻分布;仿真中采用5G NR的MCS表,即3GPP TS 38.214中的表5.1.3.1-1和表5.1.3.1-2[5],發(fā)送UE可以根據(jù)接收UE反饋的CSI進(jìn)行鏈路自適應(yīng),從表中選取最優(yōu)的MCS。考慮業(yè)務(wù)周期為10 ms,在每個(gè)周期內(nèi),每個(gè)發(fā)送UE占據(jù)20 MHz帶寬,傳輸時(shí)長共2.5 ms,因此可以允許4個(gè)發(fā)送UE占據(jù)完全正交的時(shí)頻資源,當(dāng)通信鏈路數(shù)超過4時(shí),至少有兩個(gè)發(fā)送UE占據(jù)的時(shí)頻資源會全部或部分重疊,本文將這種情況認(rèn)為是中高用戶密度場景。

表1 仿真參數(shù)

為了驗(yàn)證所提方案的有效性,本文考慮如下3種分布式傳輸機(jī)制:①CSMA機(jī)制[6],其中能量檢測閾值設(shè)為-72 dBm;②SL Mode2機(jī)制[3,5],其中初始資源感知閾值設(shè)為-112 dBm,若資源選擇窗中的候選資源數(shù)小于20%,則將資源感知閾值增加3 dB后重新選擇候選資源;③本文所提的SL分布式功率控制機(jī)制,功率優(yōu)化時(shí)的初始功率為各子帶等功率分配,優(yōu)化迭代次數(shù)為3。對于每個(gè)鏈路數(shù)的取值,仿真次數(shù)均為1 000次,以獲得吞吐的統(tǒng)計(jì)平均值。

圖5給出了平均每個(gè)通信鏈路的吞吐隨著通信鏈路數(shù)的變化,可以看出,隨著通信鏈路數(shù)的增加,不同鏈路之間的干擾增加,從而導(dǎo)致平均每個(gè)通信鏈路的吞吐下降。仿真結(jié)果表明所提方案通過分布式功率控制可以有效提升吞吐:相比于SL Mode2機(jī)制,在通信鏈路數(shù)為5時(shí)可以獲得30%的吞吐增益,在通信鏈路數(shù)為8時(shí)可以獲得107%的吞吐增益;相比于WiFi的CSMA機(jī)制,在通信鏈路數(shù)為5時(shí)可以獲得50%的吞吐增益,在通信鏈路數(shù)為8時(shí)可以獲得209%的吞吐增益。由此可見,所提方案在資源復(fù)用時(shí)充分考慮了目標(biāo)鏈路和干擾鏈路的信道信息,中高用戶密度場景下可以實(shí)現(xiàn)更有效的干擾管理,提升資源利用率。

圖6給出了不同機(jī)制在時(shí)延預(yù)算內(nèi)正確傳輸包大小的累計(jì)分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF),其中通信鏈路數(shù)為5,時(shí)延預(yù)算為10 ms。特別地,對于2K視頻業(yè)務(wù),平均每幀的大小為125 kb。從圖6可以看出,在相同的時(shí)頻資源下,CSMA機(jī)制可以有70%的用戶滿足2K視頻業(yè)務(wù)需求,SL Mode2機(jī)制可以有90%的用戶滿足2K視頻業(yè)務(wù)需求,所提方案可以有95%的用戶滿足2K視頻業(yè)務(wù)需求。因此,本文提出的基于分布式功率控制的SL傳輸機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)高效的資源利用,有效提升用戶體驗(yàn)。

圖6 包大小分布

4 結(jié) 論

本文以最大化和吞吐為目標(biāo),設(shè)計(jì)了基于分布式功率控制的SL傳輸機(jī)制。首先,對SL多鏈路分布式通信系統(tǒng)的功率優(yōu)化問題進(jìn)行了建模;然后,根據(jù)SINR與MMSE的等價(jià)變換關(guān)系,將非凸功率優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)凸優(yōu)化子問題,并通過迭代優(yōu)化獲得局部最優(yōu)解;最后,設(shè)計(jì)了廣播式CSI測量上報(bào)機(jī)制,使能多鏈路的分布式功率控制和資源選擇。仿真結(jié)果表明,本文所提方案可以有效提升分布式系統(tǒng)的吞吐,改善用戶體驗(yàn)。