HetNet场景下基于时延的多基站协作传输方法

黄伟星

(东南大学 移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210096)

HetNet场景下基于时延的多基站协作传输方法

黄伟星

(东南大学 移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210096)

小基站的部署有效提高了无线网络的覆盖范围和系统容量，多点协作传输(CoMP)技术被认为是一种减少基站间干扰的有效策略。提出了一种用于HetNet场景下基于时延的多基站协作传输方法。首先，利用各协作基站传输信号到用户之间的时延差，据此计算时延补偿因子，在基站端发送信号时进行频域上的相位旋转，实现时延补偿;其次，依据基站间回程时延，选择合适的协作基站，实现基站协作同步，并减少回程时延，降低时延对协作传输的影响。最后，在matlab平台下对该方案进行仿真验证，相比传统方案该方案可降低干扰，提升边缘用户吞吐量和系统整体的吞吐量。

异构网络；小基站；时延；协作多点传输

0 引言

异构网络中存在小基站与宏站、小基站与小基站间的干扰问题［1］。协作多点传输(Coordinated Multiplepoint Transmission/reception，CoMP)技术［2－4］通过多基站协作传输来降低或消除信号间的相互干扰，提升边缘用户和系统整体的吞吐量。文献［5］提出一种基于干扰强度确定协作簇的基站协作传输方法，但未考虑到基站间存在非理想回程。文献［6］标准化用于支持Inter-eNB CoMP的信令。在此基础上，文献［7］开始研究了非理想回程下基站间CoMP的性能。进一步地，文献［8］对分布式、集中式CoMP进行性能分析，在非理想回程下分布式CoMP更为适用。文献［9］提出一种动态选择回程的方式以实现基站协作传输，但复杂度较大。此外，当服务基站信号与协作基站信号存在传输时延差时，使得基站协作发射的信号会在移动终端产生额外的相互干扰，从而使通信链路质量明显下降。前人工作均考虑单一问题(时延差/回程时延)的存在，本文结合上述2种时延问题提出一种基于时延的多基站协作传输方法。

1 系统模型及问题分析

宏站(Macro)和多个小基站(Small cell)构成典型的LTE-A异构网络场景，如图1所示。

图1 Macro-Small cell异构场景

假设边缘用户i的服务基站为m，网络中基站的个数为N(宏站和小基站)，采用协作传输时用户接收信号的信干噪比表示为:

式中，Hj，i表示基站j的信道矩阵，C表示协作簇，Wj，i表示基站j的预编码矩阵，sj表示基站j发送的数据矢量，N0表示噪声。实际应用中，服务基站、各协作基站传输信号到达用户侧会存在时延差。此时采用协作传输对应的用户接收信号表示为:

信号时域上的时延导致频域上的相位偏移，即用户接收的信号之间存在相位偏移，无法进行同相相加。当时延Δt较大时，协作基站传输的信号与服务基站的信号反相，信号叠加导致用户接收信号质量恶化。

此外，考虑非理想回程，服务基站与协作基站存在回程时延，用户反馈获得的信道状态信息(CSI)与传输该用户数据时刻的CSI不匹配，记无时延信道H1=Hm，i，时延信道矩阵为H2，H1与H2的关系［10］可以表示为H2=ρ H1+ΔE，其中ΔE为H1和H2之间均值为0方差为ε2的高斯信道错误矩阵，ρ为H1和H2的相关系数，即ρ=J0(2πfdτ)。J0为0阶贝塞尔函数，fd为多普勒频偏，τ为时延。替换式(2):

由上述分析可知，回程时延对用户接收信号的SINR和用户吞吐量均有影响。

2 基于时延的多基站协作传输方法

基于以上分析，提出的一种用于HetNet场景下基于时延的多个基站协作传输方法，所述方法具体步骤如下:

第1步:用户UEi(i=1，2，3…，M)测量各基站BSj(j=1，2，3…，K)在UEi处的参考信号接收功率(RSRP)的统计平均值，选择最大值对应的基站作为用户UEi的服务基站

服务基站将用户列入其边缘用户集，并将相应的基站作为候选协作基站;否则，服务基站将用户列入中心用户集，无须协作传输。其中RSRPthreshold表示判定门限值。

第3步:服务基站与候选协作基站交互同步报文进行定时校准，t1时刻服务基站向候选协作基站发送同步报文，t2时刻候选协作基站收到报文，t3时刻候选协作基站发送附带t2时刻信息的应答报文，t4时刻服务基站收到报文。依据:

服务基站计算服务基站和候选协作基站的回程时延样本值delaysj(t)，并将结果保存在时延样本表中。

第4步:服务基站依据:

计算时延样本表中delaysj(t)的K个样本统计平均值

第5步:服务基站依据:

确定是否与候选基站协作。其中NumberCoMP_BS为协作基站个数，τthreshold为时延门限值。若Number-CoMP_BS取值为0，则服务基站将对应边缘用户列入中心用户集。

第6步:服务基站和协作基站向边缘用户发送导频信号，用户据此进行信道估计，得到用户与两基站的信道信息CQI以及两基站信号到达用户的时延差Δt。根据信号时域与频域的变换关系，协作基站发送至用户的信号相比服务基站存在相位偏移，需要补偿以实现接收端同相相加。依据:

用户依据时延计算相位补偿因子，并将信道信息与所述因子反馈给服务基站。因而对应的时延补偿矩阵为:

式中，ε为采样间隔，k为子载波数，N为快速傅里叶变换点数，I为单位阵。

第7步:服务基站向协作基站发送协作请求，依据:

式中，Hm表示服务基站的信道矩阵，Hj表示协作基站的信道矩阵，Wm表示服务基站的预编码矩阵，Wj表示协作基站的预编码矩阵。协作基站在收到所述请求前调度其中心用户。

第8步:依据

分别计算资源块r上服务基站边缘用户集中的边缘用户、中心用户集中的中心用户和协作基站的中心用户的调度优先级因子。其中τ表示时延值，T为调度周期，Ri(t)、Ti(t)为用户速率及吞吐率。

则在资源块r上为边缘用户UECoMP_s1执行协作传输。否则，服务基站和协作基站调度各自优先级最高的中心用户UECenter_s2和UECenter_j1。所述用于发送给用户的数据，各基站利用S1接口从高级网关获得后进行传输。上述过程是在每个系统调度周期重复以上第1步到第9步。

3 仿真结果及分析

搭建TD-LTE/TD-LTE-A系统级仿真平台［11］并在此平台的基础上验证所提技术方案的性能。其中每个宏小区包含3个扇区，每个扇区中随机部署十个小基站，用户随机分布在扇区中，采用比例公平调度算法。

误码率对比如图2所示。由图2可以看出本文提出的方法相比文献［12］提出的传统方法，用户在接收数据时获得额外的增益，误码率降低了0．5 dB左右。这是因为所提出的方法采用相位补偿方法，服务基站向协作基站发送协作请求，所述请求包含了该相位补偿因子信息，因而通过基站协作提高用户接收信号质量，误码率得以降低，系统性能得以提高。

图2 误码率对比曲线

边缘用户平均吞吐量分布曲线如图3所示，可以看出吞吐量随着时延的增加而减少。当时延较大时，CoMP技术无法对系统带来性能增益。与传统方法相比，本文提出的方法引入基站协作机制，在依据回程时延使得基站发送端对齐，实现协作同步传输。并减少基站交互产生的回程时延，使边缘用户平均吞吐量得到较大的提升。

图3 边缘用户平均吞吐量分布曲线

扇区平均吞吐量如图4所示，可以看出所提出的方法与传统方法相比，扇区的平均吞吐量也有一定的提升，随着时延的增大，扇区的平均吞吐量降低。由图3和图4可知，所提出的方法可以提升系统和边缘用户的吞吐量，尤其是针对边缘用户，该技术能为其带来显著的增益。此外也验证了回程时延对系统性能产生影响。

图4 扇区平均吞吐量分布曲线

4 结束语

提出一种用于HetNet场景下基于时延的多基站协作传输方法。系统级仿真表明，相比传统方案本文提出的方法依据各协作基站与用户传输信号的时延差以及基站间的回程时延，实现基站发送端协作同步，用户接收端接收对齐，信号得到相位补偿。进而减少基站间的干扰，提高用户接收信号的质量，降低误码率，提升边缘用户和系统整体的吞吐量。

［1］Palanisamy P，Nirmala S．Downlink Interference Management in Femtocell Networks-A Comprehensive Study and Survey[J]．IEEE Wireless Communications，2013(2):747－754．

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［3］3rd Generation Partnership Project TS 36．300 V 11．7．0．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network［S］，2013．

［4］3rd Generation Partnership Project TR R1－112042．Text Proposal for Standard Impacts and Design Principles of CoMP in Rel－11［S］，2011．

［5］Liu J，Wang P，Zhang J．Backhaul Constraint-based Cooperative Interference Management for In-building Dense Femtocell Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2012:1－5．

［6］3rd Generation Partnership Project RP-132103．Inter-eNB CoMP for LTE[S]．Pusan，Korea，2013．

［7］3rd Generation Partnership Project TR 36．874．Coordinated Multi-point Operation for LTE with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［8］3rd Generation Partnership Project RP-135596．Simulation Results for Small Cell Scenarios with Non-ideal Backhaul［S］，2013．

［9］Bennis M，Saad W，Debbah M．On the Impact of Heterogeneous Backhauls on Coordinated Multipoint Transmission in Femtocell Networks［C］∥2012 IEEE International Conference，2012:5064－5069．

［10］Zhang J，AndrewsJ G，Heath R W．Block Diagonalization in the MIMO Broadcast Channel with Delayed CSIT［C］∥GLOBECOM'09 Proceedings of the 28th IEEE conference on Global telecommunications，2009:844－849．

［11］Ikuno J C，Wrulich M，Rupp M．System Level Simulation of LTE Networks［C］∥Vehicular Technology Conference，2010:1－5．

［12］3rd Generation Partnership Project RP-135049．Inter-eNB Signaling for Supporting CoMP with Non-ideal Backhaul［S］，2013． 164－174．

A Coordinated Multiple Base Stations Transmission Scheme Based on Latency in HetNet

HUANG Wei-xing
(National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University Nanjing Jiangsu 210096，China)

The coverage performance and capacity of wireless network can be effectively improved with the deployment of small cell．The coordinated multiple point transmission is regarded as an effective strategy to reduce the interference between small cells．This paper presents a coordinated multiple base stations transmission scheme based on latency in heterogeneous network．Firstly，according to different delays from cooperative base stations to users，the delay compensation of each user is realized by phase rotation of transmitted signals at the base station side in frequency domain．Secondly，according to the backhaul latency between base stations，the appropriate cooperative base station is selected and the synchronous collaboration is achieved．The backhaul latency is reduced and the affect of latency on cooperative transmission is reduced．Finally，the simulation is performed for this scheme under matlab，the results show that this scheme can reduce the interference and improve the throughput of edge users and the overall throughput of system，compared with the traditional scheme．

heterogeneous network;small cell;latency;coordinated multiple point transmission

TN929．5

A

1003－3114(2015)05－56－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.15

黄伟星．HetNet场景下基于时延的多基站协作传输方法［J］．无线电通信技术，2015，41(5):56－59．

2015－05－06

黄伟星(1990—)，男，在读硕士研究生，主要研究方向:异构网络中协作多点传输技术。