LTE－Advanced中SU－JP－CoMP的协作代价分析

鲜永菊，贾 云，徐昌彪

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 40065)

在LTE－A中，频谱复用系数为1，并且OFDM技术无法有效地消除小区间干扰(ICI)，所以小区间干扰抑制技术成为LTE－A中的重要技术之一。在LTE－A中小区间干扰抑制技术主要包括小区间干扰随机化，小区间干扰消除，小区间干扰协调/回避等［1－2］，各种干扰抑制技术可以配合使用，以期获得更好的效果。

多点协作传输技术(Coordinated Multipoint Transmission/Reception，CoMP)协作多个相邻的基站或节点同时为一个小区边缘的移动用户提供服务，从而降低小区边缘用户之间的干扰，提高小区边缘用户的服务质量，成为LTE－A的关键技术之一［3］。SU－JP－CoMP 可以带来边缘用户吞吐量的提升，但其代价是会造成系统平均频谱效率的下降。其原因在于，SU－JP－CoMP用户会同时占用主服务小区和协作小区的相同的频率资源，其接收信号为来自这两个基站的叠加。由于用于边缘用户传输的资源增加，则相应的用于中心用户传输的资源必然减少，因此，SUJP－CoMP是用小区中心用户的性能损失来达到边缘用户的性能提升［4］。在3GPP相关提案中，普遍采用根据SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)确定CoMP用户的准则，如果满足SINR ＜δ(单位dB)，则该用户为CoMP用户，其中δ是一个预定义的门限值。另外一种确定CoMP用户的方法是根据用户的RSRP测量报告来判断。

系统中并不是所有用户都需要进行协作通信，必须在对边缘用户和对系统总的用户的服务质量上达到一个折中，使一定条件下的一部分用户使用CoMP，而另外一部分用户不使用CoMP。如何衡量CoMP对系统性能的影响，以及如何确定CoMP的性能增益成为重要的问题。这方面的研究在现有的文献中鲜有报道，本文主要就以上两点进行分析，对原有的对称式代价模型进行量化分析，并在此基础上提出了一种新的代价模型——期望代价模型，并对两种代价模型进行分析。

1 CoMP系统模型

典型的协作模型如图1所示，假设有3个基站构成一个协作簇，分别为 CELL1，CELL2，CELL3，每个基站有 Nt根发射天线，每个小区内有K个用户，每个用户有Nr根接收天线，那么在CELL1中用UE1的接收信号可以表示为

式中:si为UE1接收到的来自i个基站的信号，Hi1为Nt×Nr维的基站i和UE1之间的信道增益矩阵，Wi为UE1与第i个基站间的预编码矩阵，n为高斯白噪声(AWGN)功率谱密度，N=B×n为高斯白噪声功率。下行CoMP传输系统模型如图2所示。如果用户处于非COMP模式下，每个基站只为其自己的用户提供服务，那么UE1的接收信干噪比(SINR1)可以表示为［5－6］

图1 3小区CoMP协作模型

图2 下行CoMP传输系统模型

如果用户处于SU－JP－CoMP模式下，那么s1=s2=s3，此时用户的接收信干噪比()可以表示为

2 CoMP系统协作吞吐量代价模型

2.1 对称式代价模型

文献［4］提出了对称式吞吐量代价模型，该模型假设在协作小区CELL2和CELL3中与UE1位置对称的点上都存在一个非CoMP用户UE2和UE3，SINR2和SINR3分别表示UE2和UE3的信干噪比，那么，SINR2=SINR3=SINR1。为了量化该代价模型，在此定义协作吞吐量代价为非CoMP用户UE2和UE3的吞吐量之和，即

那么吞吐量增益－损失比为

在此模型中，对协同资源代价的假定是建立在CoMP用户占用的协作小区的频谱与CoMP用户占用的主服务小区的频谱具有相同的信干噪比基础上的，及假定协作小区的资源与该CoMP用户具有相同频谱利用率。但是在实际网络中，将同一频谱资源调度到小区内处于不同位置的用户时，所产生的效益是不完全相同的，所以，该假设并没有考虑该协作频谱在系统中的实际效益，针对这一问题，提出期望式代价模型。

2.2 期望代价模型

在LTE－A系统中，将同一资源调度到距离基站不同位置的用户将产生不同的频谱效率，以仿真图3为例，在基站中心附近，频谱效率为6(bit·s－1·Hz－1)，而在小区边缘，频率效率降低至0.4(bit·s－1·Hz－1)，所以对于协同资源的吞吐量损失的衡量，需要计算其在整个小区内分布时的平均值，故在本模型中，将SU－CoMP－JP的协作吞吐量代价α*定义为将CoMP用户所占用的协作基站的资源平均调度到该协作小区的单位面积上所产生的吞吐量之和的平均值。仍然采用三小区协作模型(如图1所示)，那么此时协作吞吐量代价为

式中:k为正整数，反应协作吞吐量代价的计算精度，在仿真中可以模拟为小区内以单位面积均匀分布的用户的总数目，k值越大，α*结果的精度越高(本文仿真中k=20)。此时，吞吐量增益－损失比为

该代价模型综合考虑了采用CoMP模式后协同小区的吞吐量代价在整个协同小区内的期望值，该期望值更符合网络的实际情况，更能准确地反应CoMP的实际代价，以下建立系统级仿真平台，对以上两种代价模型进行仿真模拟和比较。

3 系统仿真分析

建立基于LTE－A的系统级仿真平台，系统共由7小区构成，采用Wrap－round模型［9］，具体参数如表1所示。

表1 系统仿真主要参数设置

采用双基站协作仿真协作吞吐量代价和吞吐量增益指数。模拟了MIMO－OFDM、调度算法等系统级功能，并添加了多点协作传输技术的实现。

图3仿真了用户处在小区不同位置时，CoMP和非CoMP下的SINR值，仿真结果表明在小区中心位置，CoMP带来的信噪比增益非常有限，随着用户与主服务基站距离的不断增加，采用CoMP所带来的信噪比逐渐增加。在小区边缘，采用CoMP比非CoMP可以产生5 dB左右的SINR增益。

图3 SINR仿真曲线

图4为协作吞吐量代价仿真，为了更具一般性，在此仿真中，以协作频率效率代价，即协作吞吐量代价除以协作资源带宽作为仿真参量。由该仿真可见，将协作资源调度到协作小区内不同地理位置的用户时，产生的吞吐量各不相同。将同一频谱资源调度给小区中心用户产生的吞吐量远大于将该频谱资源调度给小区边缘用户。当用户处于距离基站50 m的小区中心位置时，该频率资源产生的吞吐量为6 Mbit/s，而当用户处于距离基站500 m的小区边缘位置时，该频率资源产生的吞吐量仅为0.4 Mbit/s。在该仿真条件下，假设协作小区存在20个不同位置的单位面积内均匀分布的用户，那么仿真可得到协作吞吐量代价的期望值为1.6 Mbit/s。

图4 协作吞吐量代价仿真曲线

图5仿真了单个用户采用CoMP后的吞吐量增益，仿真结果表明，处于不同位置，用户采用CoMP后产生的吞吐量增益不尽相同。小区中心用户使用CoMP模式后产生的吞吐量增益非常有限，离主服务基站越远的用户，采用CoMP后产生的吞吐量增益越显著。在小区边缘，CoMP可以为边缘用户带来约0.5 Mbit/s的吞吐量增益。

图5 不同模式下吞吐量仿真曲线

图6为吞吐量增益－损失比曲线，增益－损失比随CoMP用户与主服务基站距离的增加而逐渐增大，即越靠近小区边缘的用户，吞吐量增益越大，在500 m处的增益比约为0.32。

图6 吞吐量增益－损失比仿真曲线

表2列出了位于不同位置时，CoMP用户吞吐量增益－损失比。

表2 CoMP用户吞吐量增益－损失比

4 小结

本文研究了SU－JP－CoMP下的协作代价，提出了期望代价模型，并建立LTE－A系统级仿真平台，模拟了协作代价因子和吞吐量增益－损失比。仿真结果表明，相比中心用户而言，对边缘用户采用CoMP服务能够更大地增加用户的服务质量和提高频谱利用率。距离主服务基站越远的用户采用CoMP服务后，能够得到越大的吞吐量增益－损失比。在本文的仿真环境中，该吞吐量增益－损失比的最大值可以达到0.32。该结论为CoMP技术的性能评估提供了更加合理的符合系统实际性能的依据，为更佳合理地划分CoMP和非CoMP用户提供理论依据。

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