LTE—A中一种改进的动态小区选取方法

【摘 要】LTE-A中，CoMP技术的核心是协作小区的选取。现有小区选取方法中，边缘UE仅考虑与候选小区之间的信号情况，忽略了候选小区自身业务情况的影响。对此，提出一种基于小区业务情况和信号强度联合进行协作小区选取的动态小区选取方法，以有效提升吞吐量。对不同个数小区下的吞吐量进行仿真，验证了该方法的正确性和可行性。

【关键词】LTE-A CoMP 协作小区 小区选取

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-05-0046-03

1 引言

MIMO[1]（MIMO，Multiple Input and Multiple Output）技术通过在发送端和接收端放置多根天线，产生分集增益来提高系统容量，由于受硬件、安装难度等限制，目前还没有大规模的应用。于是在MIMO技术基础上，有人提出一种虚拟MIMO技术——协作通信（CC，Coperative Communication）[2-3]。协作通信是指充分利用无线信道的广播特性，允许网络中的各个终端互相帮忙传输信息，从而提高系统容量和频谱效率，增加通信的可靠性。2010年3GPP了LTE Release10版本，其中明确定义协作通信为下一代无线通信的关键技术。LTE-A作为一种4G技术，可以支持高达100MHz的通信带宽，空中接口的峰值速率超过1Gb/s。LTE-A中的节点协作通信技术亦称为多点协作传输CoMP（Coordinated Multi-Point），通过eNB和UE之间的联合处理或协作传输。

CoMP技术中，最核心的就是协作小区选取技术。LTE-A中关于协作小区的选取方法已有了大量的研究成果。文献[4]给出了一种基于信道状态信息的自适应动态小区选择方法，该方法中UE基于测量到的邻居RSRP值，分别选择两种不同的协作模式。在eNB侧，通过多个小区联合调度来进行RB的分配，能有效提高频谱效率和边缘用户的吞吐量。文献[5]分析了传统的DCS（Dynamic Cell Selection）方案会导致系统频谱效率的降低，在此基础上给出一种改进的DCS静音方案来提高频谱和功率效率。文献[6]采用了多个准则联合进行判定来选取协作小区，提高了可靠性，同时也相应增加了复杂度。

然而，文献[4-6]都没有考虑各个小区的实际业务情况，因为对于边缘UE来说，如果给它提供协助的小区自身业务情况已经很饱和，再按照传统方法进行协作选择，将会导致协作后的性能提升很小，甚至还不如不协作。

2 动态协作小区选择

2.1 问题描述

图1中，对于小区边缘的用户UE1，其主服务小区是cell1，此时cell2和cell3是它的邻居小区（协作候选小区），cell2小区里面存在终端UE2。如果按照传统的协作传输方法，UE1将会同时选择cell2和cell3作为它的协作小区，忽略了cell2自身业务情况。

运用传统方法，即当cell2和cell3都参与协作时，系统容量为：

对于图1，cell2有UE2存在，将会占用其资源，甚至会导致cell2不能成功参与协作。此时的系统容量为：

其中，P为节点功率，g（s）为信道增益。

虽然C（s，2）>C（s，1），但是传统方法忽略了cell2自身业务的影响，在cell2自身业务比较饱和的时候，选取cell2和cell3进行协作的实际容量和只选取cell3协作时是一样的。传统方法还会不断选取cell2，导致资源的浪费，同时网络性能也没得到提升。

通过上面的分析可以看到，并非所有对于边缘用户来说信道状况好的小区都可以成功参与协作传输，同时还需要考虑小区业务情况进行联合选取。本文在综合考虑小区容量和UE自身信号强度情况下，给出了一种动态小区选取方法。

2.2 实现过程

本节将对动态小区选择方法进行介绍，主要包括边缘UE的判断，协作容量的计算和动态协作集的确定。

首先，UE根据自己和对其提供服务的小区之间的距离来判断是否为边缘UE，令边界UE集为UEE={UE1，UE2，…，UEN}。对于各个小区来讲，设定一个负载阈值，如果小区内所有UE产生的负载低于这个阈值，同时该小区与该边缘UE之间的信道状况也较好，就参与协作，否则不参与协作。由于小区内用户的业务情况是动态变化的，所以本文给出的是动态协作小区选取方法，采用动态协作集的方式来进行。相对于传统方法（只要与UE之间信道条件好，就参与协作），本方法可以更加有效地调度资源。

具体步骤如下：

（1）假设每个小区内有N个UE，UE={UE1，

UE2，…， UEN}，i∈[1，N]；

（2）假设各个小区内每个UE对应的负载，L={L1，L2，Li，…，LN}，i∈[1，N]；

（3）为小区的拥塞门限阈值，c∈[1，2，…， C]为所有未拥塞的小区。

本文中各个小区都知道自己的拥塞情况，并通过在控制帧里携带相关拥塞信息进行广播。当UE监听到各个小区广播的控制帧后，通过提取控制帧中的拥塞信息，就知道了周围邻居小区的拥塞情况。拥塞情况用Sk（k∈[1，2，…，W]，W为小区个数）来表示，其值为0表示拥塞，为1表示非拥塞；

（4）协作时的系统容量计算如式（3）：

非协作的容量计算如式（4）：

（5）边缘UE对协作和非协作的系统容量进行比较，从而决定是否进行协作和选取合适的协作小区。UE将选取较好的传输模式，通过上行链路告知其主服务eNB，其流程如图2所示。

3 仿真分析

本节对改进的动态小区选取方法和传统方法的吞吐量进行仿真分析，仿真参数设置如下：载波频率2.5GHz，信道带宽5MHz，小区间距500m。仿真拓扑为3扇区站型，分别对2小区、3小区、4小区、5小区这四种拓扑进行仿真，每个小区内的用户数为30，随机分布在小区里，用户业务符合泊松分布。小区平均吞吐量仿真结果如图3所示：

图3中，横坐标对应小区总的个数变化情况，纵坐标对应网络的平均吞吐量。改进方法和传统方法的仿真结果均由5组不同的随机拓扑结构进行仿真所得的统计平均值得到，由图3的仿真结果可以知道，改进方法的网络平均吞吐量性能好于传统的小区选择方法。这是由于每个小区内自身UE产生的话务量在不断变化，导致部分小区虽然对于某些边缘UE来说信号很好，但参与协作传输的成功率会很低。本方法联合考虑信道状况和小区实际业务情况，动态进行协作判断，可以有效提高资源利用率。

参考文献：

[1] Foshini G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas[J]. Bell Labs Syst. Tech. J， 1996，2（1）： 41-59.

[2] Sendonaris， Erkip E， Aazhang B. User cooperation diversity-part 1： system desceiption[J]. IEEE Transactions on Communications， 2003，51（11）： 1927-1938.

[3] Sendonaris， Erkip E， Aazhang B. User cooperation diversity-part2： implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Communications， 2003， 51（11）：1939-1948.

[4] Tse D， Viswanath P. Fundamentals of Wireless Communication[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2005.

[5] Minghai F， Xiaoming S， Lan C， etc. Enhanced Dynamic Cell Selection with Muting Scheme for DL CoMP in LTE-A[C]. IEEE Vehicular Technology Conference， 2010： 1-5.

[6] NTT DoCoMo. 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #55bis， R1-060298. Investigation on Coordinated Multipoint Transmission Schemes in LTE-Advanced Downlink[R].

[7] Zhang T， Wennan Z， Wei C， etc. A Dynamic Cell Selection Scheme Based On Multi-Object For CoMP DL In LTE-A[C]. ICCTA， 2011： 248-252.