基于LTE-Advanced的协作通信系统模型分析与研究

张 梅，罗桂兰

（大理学院数学与计算机学院，云南大理 671003）

在目前的信息化时代，人们对于高性能、高频谱利用率、高覆盖率等方面的需求越来越大，而LTE-A〔1〕则作为满足人们需求的产物成为了研究的热点。众所周知，通过MIMO〔2〕技术增加用户终端的天线数量也可达到上述目的，但由于终端实现在尺寸、技术、造价、功耗、辐射等方面的局限性，使得实际操作困难。而协作通信技术〔3-4〕则可以通过协作节点之间的协作传输，扩大覆盖范围、消除覆盖盲点、提高系统性能，尤其是在一些不易架设体积较大基站的场合更为有利。协作通信不仅应用于LTE-A，其也在深空通信中得到广泛关注，是一个很有前景的研究领域。

对于基于LTE-A的协作通信系统而言，协作中继节点的部署给系统带来了许多新的特性，如何针对协作通信的特点对LTE－A协作通信系统进行合理的建模就显得尤为重要了。另外，协作通信系统还带来了一系列新的参数配置，例如中继站的数量、部署位置及发射功率等，将会对通信系统性能造成影响。如何选取合适的系统参数配置来优化协作通信系统的性能，对于实际通信系统的设计具有重要的意义。目前关于通信系统模型的研究，大部分都是关于传统的MIMO系统模型。近年来，随着Adhoc网络、协作通信网络、LTE-A网络等研究工作的开展，人们开始研究LTE-A通信系统模型〔5〕。后来，人们也开始研究协作通信系统模型〔6-7〕，此时的通信系统模型由B2M（基站到移动）和M2M〔8〕（移动到移动）两部分组成。但基于LTE-A的协作通信系统模型却鲜少有人研究，而传统的经典协作通信系统模型并不能满足LTE-A系统对于带宽和载频的需求，因此，对基于LTE-A的协作通信系统模型进行分析和研究将有助于理解其传输性能。

本文基于3GPP〔9〕定义的Case3（郊区）场景，针对Rican衰落传播环境，提出了基于LTE-A的协作通信系统模型，并从每小区中继节点数量、中继节点的部署、发射功率的配置等方面考虑分析并仿真了中继站数量及其发射功率对系统模型性能的影响。

1 基于LTE-A的协作通信系统模型

本文对源-中继（SR）、中继-目的（RD）、源-目的（SD）三条链路均考虑扩展的空间信道模型（SCME）〔10〕。SCEM模型的建立即在特定时间内，认为信道状态处于相对稳定，即除由子径相位变化引起的快衰落和多普勒频移外的其它随机参量（功率、时延、子径方向）不再改变。每条链路的信道模型可以表示为：

在该SCME模型中对于基站、中继节点、目的节点（用户）每对节点的天线之间的链路，用若干散射簇描述无线信道中的可分辨时延路径，对于不可分辨时延子径则用一些射线表征，最后在接收端叠加信号即可。为了方便分析，本文仅考虑基站、中继节点、目标用户的天线数均为2的基于LTE-Advanced的两跳协作通信系统模型，如图1所示。在本文中，中继节点的发射天线与接收天线之间是采用AF（放大前传）协同模式进行发送信号。

图1 基于LTE-Advanced的两跳协作通信系统模型

对于两跳协作通信系统模型，在此，假设第一跳和第二跳的信道矩阵传输过程中的噪声假设为零均值且方差为σ2的加性高斯白源节点发射的信号。YR和YD分别为中继节点收到的信号经放大转发后，目的节点所接收到的信号，表示如下：

考虑3GPP定义的Case3场景，该场景采用包含19个基站的网络模型，站间距离（ISD）为1732 m，载频为2.0 GHz，各基站均采用3扇区方向性天线。考虑到实际通信系统中，LTE-A系统对于高性能、高频谱利用率、高覆盖率的要求，本文则采用协作通信技术，在基站的各小区内放置一定数量的中继站来扩大覆盖范围、消除覆盖盲点、提高系统性能。

中继节点的位置也对协作通信系统的性能影响很大。因此，本文将尽量把中继节点放置在小区边缘，用以改善边缘用户的通信质量。另外，为最大程度避免中继节点间相互干扰，所以节点之间将保持一定的距离。本着实际应用的要求，且为简单起见，本论文仅考虑基站周围每小区分配n(n≤4)个中继站的情况，如图2所示（分别考虑中继节点数为1、2、3、4个时的情况）。

2 仿真结果与分析

众所周知，中继节点的位置部署在很大程度上影响着通信系统的性能。在本文中，仿真参数参照3GPP对基站、中继站、用户的参数配置，考虑天线配置为2×2×2的全向发射天线，中继节点天线的高度为5 m，中继站天线增益达5 dBi，且基站天线增益达14 dBi。基站天线的最大发射功率为46 dBm，中继站天线的最大发射功率考虑为30 dBm和37 dBi两种情形。

图2 中继节点的位置分布图（数量分别为1、2、3、4）

本文仿真中，假设中继节点均位于以各小区中心为圆心，15ISD为半径的圆上（若每小区的中继节点数量较多的情况下，为避免中继站过于紧密相互干扰，一般会将其部署在半径不同的两个圆上，本文为简化仿真，将不予讨论此情形）。另外，我们也应该了解在不同情形下所需采用的中继节点的发射功率大小。在何种情形下采用多少的中继节点发射功率也是我们该清楚的。协作通信系统的基本性能通常可由该系统的统计特性来刻画，因而，为了便于准确真实分析基于LTE-A的协作通信系统模型的基本性能，本节主要研究该协作通信系统模型在不同的条件下的用户接入量、用户接入链路信噪比的累积分布函数的特性。仿真中，假设目的节点（用户）采用最大比合并，则用户两跳接入链路的信噪比为：

在3GPP定义的Case3场景下仿真可得到结果如图3～5所示。

图3 Case3场景下不同中继节点数量时用户接入比例

图4 Case3用户接入链路的信噪比随中继节点数量的变化情况

图5 发射功率为30 dBm和37 dBm时的用户信噪比累积分布函数

从图3可看出，随着每小区内部署的中继节点数量的增加，用户的接入比例也逐渐增加。

图4表明：在Case3场景下，随着小区内中继节点数量的增加，越来越多的小区边缘用户接入链路，导致路径损耗减少，因而，其接入链路的信噪比则随之得到了改善。

图5的仿真图，是在Case3场景下，每小区有4个中继节点的情形下仿真得到的在不同的发射功率（和）时系统性能的对比。从图中可看出提高中继节点的发射功率可以改善链路的信噪比。

3 结束语

本文针对LTE-Advanced（LTE-A）的高性能、协作通信在增大覆盖范围等方面的优势、MIMO技术在移动终端实现的局限性等，提出了一种基于LTE-A并采用扩展的空间信道模型（SCME）法来描述的协作通信系统模型。在3GPP定义的Case3（郊区）场景、Rican衰落的传播环境中，充分考虑了中继数量、中继位置、发射功率等参数，并对其相关统计特性进行了研究与仿真分析，因而也能更趋于实际环境。并且通过仿真表明，中继节点数量的增加有助于增加边缘用户的覆盖率，发射功率的提高有助于改善链路性能等。但目前，协作通信领域的研究仍是一个热门且开放的问题，那么，如何正确优化中继选择策略和功率分配方案将是作者下一步将要研究的方向。

〔1〕吴梅,黄帆,桑林,等.协作式多点传输在LTE-Advanced系统中的应用〔J〕.移动通信，2010（10）：43-47.

〔2〕Wang Chengxiang.Cooperative MIMO channel models:A survey〔J〕.Communications Magazine,2010,48(2):80-87.

〔3〕Garg Juhi,Mehta Priyanka.A Review on Cooperative Communication Protocols in Wireless World〔J〕.International Journal of Wireless&Mobile Networks,2013,5(2):107-126.

〔4〕张忠培,魏宁,史治平,等.协同无线通信导论〔M〕.北京:电子工业出版社，2010:1-12.

〔5〕Yao Qi,Yuan Yi,Ghazal.Comparison of the statistical properties of the LTE-A and IMT-A channel models〔C〕//Wireless Communications and Networking Conference.2012:393-398.

〔6〕Cheng Xiang,Wang Chengxiang.Cooperative MIMO Channel Modeling and Multi-Link Spatial Correlation Properties〔J〕.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012,30(2):388-396.

〔7〕张梅,罗桂兰.基于协作中继的VMIMO通信信道建模研究〔J〕.大理学院学报，2012,11(10):12-16.

〔8〕Shen Dongya,Chen Jie,Zhang Mei,et al.A Novel Model of the Wideband MIMO Mobile-to-Mobile Systems〔C〕//2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.2010:1428-1431.

〔9〕TR 36.814,演进通用陆地无线接入（E-UTPA）;E-UTRA物理层方面的未来改进〔S〕.

〔10〕TR 25.996，用于多输入多输出（MIMO）仿真的空间信道模型〔S〕.