0 引言

    隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及智能終端設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。3GPP在LTE-Advanced中提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型HetNet^[1]，這種模型是指在現(xiàn)有宏小區(qū)的覆蓋下，大量增加低功率傳輸節(jié)點(diǎn)，如micro、pico、femto以及中繼等。由于低功率傳輸節(jié)點(diǎn)的傳輸功率低，使得其能以極其靈活的方式進(jìn)行部署。這種部署方式成本較低并且能夠彌補(bǔ)宏小區(qū)的覆蓋盲點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。此外，在5G中UDN場(chǎng)景下，大量低功率傳輸節(jié)點(diǎn)可以部署在用戶密集區(qū)域，這種方式可以有效提升網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，但是引入了小小區(qū)間的同頻干擾問(wèn)題。因此，多點(diǎn)協(xié)作傳輸(CoMP)，一種通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作傳輸來(lái)消除小區(qū)間的同頻干擾技術(shù)，在5G中得到了廣泛的應(yīng)用^[1-2]。

    眾所周知，小小區(qū)之間干擾是影響UDN性能的主要因素之一^[3]，并且由于小小區(qū)之間的距離不斷減小，小小區(qū)間的干擾問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。文獻(xiàn)[4]在一個(gè)以用戶為中心的虛擬范式中研究了干擾對(duì)齊問(wèn)題，解決了UDN中的干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于圖形的資源分配方法，最大化了資源利用率。為了減小小小區(qū)邊緣UE遭受的干擾，文獻(xiàn)[6]提出了信道狀態(tài)和干擾感知功率分配(PAG)方案，該方案通過(guò)調(diào)整發(fā)射功率來(lái)減小對(duì)其他小小區(qū)邊緣UE的干擾。但是上述這些方法都沒(méi)有考慮到TP之間的合作問(wèn)題。

    系統(tǒng)吞吐量和小小區(qū)邊緣用戶性能可以通過(guò)基站(BS)的聯(lián)合傳輸來(lái)提高^[7-8]。這種聯(lián)合傳輸不僅能有效地消除小區(qū)間的信道干擾，還可以利用干擾信號(hào)來(lái)增加信號(hào)的接收強(qiáng)度。在UDN中，小小區(qū)之間的間隔很小，這會(huì)造成小小區(qū)發(fā)生重疊。由于小小區(qū)邊緣UE接收的信號(hào)可能來(lái)自多個(gè)小小區(qū)，這些來(lái)自于其他小區(qū)的干擾信號(hào)可以通過(guò)CoMP進(jìn)行聯(lián)合處理，以達(dá)到減輕小小區(qū)邊緣UE遭受的干擾的目的。

    雖然TP和BS之間靈活多變的合作傳輸策略可以增加小小區(qū)邊緣用戶的性能，但這將會(huì)給無(wú)線資源管理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)^[9-10]?？紤]到CoMP帶來(lái)的資源分配的問(wèn)題，本文提出了CLA-CoMP算法。該算法可以根據(jù)宏小區(qū)下的低功率傳輸節(jié)點(diǎn)服務(wù)的用戶數(shù)目進(jìn)行小小區(qū)負(fù)載平衡，從而提高了子載波的利用率和系統(tǒng)的總和率。之后針對(duì)功率分配問(wèn)題，本文采用了P2UPA方案。相較于平均功率分配(PF-PA)方式，P2UPA能夠以較大的信道增益分配更多的功率，從而提高了系統(tǒng)的總和率。

1 系統(tǒng)模型

    本文考慮了一個(gè)下行的多用戶CoMP蜂窩系統(tǒng)模型，如圖1所示。在UDN場(chǎng)景下，TP和UE隨機(jī)分布在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。在CoMP系統(tǒng)下，用戶根據(jù)所處位置的不同被分為兩類：一類是處于TP覆蓋中心的用戶，另一類是處于TP覆蓋邊緣的用戶。在尋求服務(wù)時(shí)，兩類用戶都會(huì)選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的TP作為home TP，TP根據(jù)信道狀態(tài)信息(CSI)確定其服務(wù)的初始用戶。中心UE只接受home TP的信號(hào)，對(duì)于邊緣UE則可以通過(guò)CoMP合作集對(duì)其提供服務(wù)。對(duì)于合作集群的判定，假設(shè)P₀是用戶收到home TP的發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度，P_i是用戶收到第i個(gè)TP發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度，處于該邊緣UE合作集中的TP應(yīng)滿足P₀-P_i≤δ_CoMP，其中δ_CoMP是CoMP集合選擇的閾值。

    假設(shè)T={1，2，…，N}表示所有的TP，U={1，2，…，M}表示UE，讓A∈C^M×N表示UE和TP之間的分配矩陣，其中A中的元素的值為：

式中，等號(hào)右邊第一部分表示用戶m收到的期望信號(hào)，第二部分表示同頻干擾信號(hào)，而W_m表示高斯白噪聲功率。g_i，n是UE和TP之間的信道矩陣中的元素，表示第i個(gè)用戶和第n個(gè)TP之間的信道增益。P_i，m代表該第i個(gè)TP對(duì)第m個(gè)用戶的發(fā)送功率。其中UE和TP之間的信道矩陣G為：

    本文工作目的是提出一種新的功率分配方式，從而獲得更大的系統(tǒng)總和率。

2 基于CLA-CoMP傳輸?shù)墓β史峙?/strong>

    接下來(lái)本文將提出一種基于CLA-CoMP功率分配方案，以期使小區(qū)的總吞吐量最大化。首先提出CLA-CoMP方案，然后解決功率分配的問(wèn)題。

2.1 基于負(fù)載感知的CoMP

    由于TP與用戶之間的關(guān)系受CSI和小小區(qū)負(fù)載信息(CLI)的約束，假設(shè)用戶和TP之間的CSI是已知的，所以TP可以根據(jù)CSI確定其服務(wù)的初始用戶。在宏小區(qū)中使用JT-CoMP可以減小邊緣用戶受到的干擾，提高邊緣用戶的通信質(zhì)量和傳輸速率，進(jìn)而提高總傳輸速率。但是使用CoMP技術(shù)對(duì)資源分配是有要求的，當(dāng)正在受到TP服務(wù)的UE占用了一段子載波時(shí)，被該TP服務(wù)的其他UE不能重用這段子載波。因此當(dāng)UE數(shù)目增加時(shí)，將會(huì)占用更多的子載波，這會(huì)造成有些UE不能被TP服務(wù)，所以邊緣UE的傳輸速率會(huì)受到影響?？紤]到這個(gè)問(wèn)題，本文提出了CLA-CoMP方案，該方案旨在提高小小區(qū)邊緣UE的速率和總和速率R。

    假設(shè)TP知道它服務(wù)的UE的CSI，TP根據(jù)CLI調(diào)整它服務(wù)的UE的數(shù)目。當(dāng)小小區(qū)負(fù)載足夠大并且高于可用子載波數(shù)時(shí)，TP將自適應(yīng)地關(guān)閉信道最差的UE，從而減少小小區(qū)的負(fù)載。換句話說(shuō)，BS不再為信道最差的UE提供服務(wù)。然后，被該UE占用的子載波得以釋放。TP根據(jù)CLI調(diào)整它服務(wù)的UE的數(shù)目，當(dāng)小小區(qū)負(fù)載很大且無(wú)可用子載波時(shí)，TP將其服務(wù)的UE中信道增益最小的踢出服務(wù)，該UE占用的子載波隨即被釋放。TP通過(guò)這種方法調(diào)整小小區(qū)負(fù)載并更新了它們所服務(wù)的UE。CLA-CoMP算法如下所示：

    初始化：

    根據(jù)CSI，每個(gè)TP選擇U_n個(gè)用戶對(duì)其提供服務(wù)。

2.2 基于用戶關(guān)聯(lián)后驗(yàn)概率的功率分配方案

    在基于CLA-CoMP的條件下，下面的部分將討論系統(tǒng)的功率分配。為了使系統(tǒng)總和率最大，即滿足下面的規(guī)劃方程：

    由于C2和C4的非凸性，可以采用基于P2UPA方案來(lái)進(jìn)行功率分配。相對(duì)于以往的PF-PA方案來(lái)說(shuō)，該方案可以為最高關(guān)聯(lián)概率的UE分配更高的功率。本文假設(shè)每當(dāng)UE請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，TP可以獲取關(guān)聯(lián)UE的SINR和可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率?；谏鲜黾僭O(shè)，本文采用P2UPA方案，其中每個(gè)UE被多個(gè)TP服務(wù)。假設(shè)TP已知關(guān)聯(lián)用戶m的SINR和可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率r_m，P2UPA的原理如下：

    (1)確定可行性集：所有滿足約束條件C3和C4的TP是用戶可能連接的TP集合。

    (2)先驗(yàn)和條件概率：根據(jù)每個(gè)UE可行性TP集合估計(jì)先驗(yàn)概率。例如，第i個(gè)UE可行性TP的集合為F_i={S₁，S₂，…，S_l}。第i個(gè)用戶連接可行性集中每個(gè)TP的先驗(yàn)概率為：

3 仿真結(jié)果與分析

    本文考慮了一個(gè)100×100 m²的通信區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，TP和UE被統(tǒng)一隨機(jī)部署，信道參數(shù)服從瑞利分布。主要模擬參數(shù)在表1中，不失一般性，每個(gè)子載波的帶寬被設(shè)置為1。在下面的小節(jié)中，本文比較了采用PF-PA的CLA-CoMP和傳統(tǒng)CoMP的性能。隨后比較了采用P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的性能。最后，本文對(duì)基于CLA-CoMP且采用PF-PA方案的系統(tǒng)、基于CLA-CoMP且采用P2UPA方案的系統(tǒng)、不考慮CLA-CoMP采用PF-PA方案的系統(tǒng)和不考慮CLA-CoMP采用P2UPA方案的系統(tǒng)的總和速率進(jìn)行了比較。

    圖2給出了采用PF-PA方案的情況下，基于CLA-CoMP的系統(tǒng)和不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率和用戶數(shù)目的關(guān)系。可以看出，基于CLA-CoMP的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的?；贑LA-CoMP的系統(tǒng)的總和率是以指數(shù)形式增加，相較于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)，增長(zhǎng)速度變快。這是因?yàn)榛贑LA-CoMP的系統(tǒng)關(guān)鍵思想是當(dāng)小小區(qū)負(fù)載大于可用資源時(shí)，TP自適應(yīng)地調(diào)整小小區(qū)負(fù)載以關(guān)閉最小信道增益UE，然后釋放部分可用資源，其余UE可以被TP服務(wù)，因此小小區(qū)負(fù)載是平衡的。

    圖3給出了在基于CLA-CoMP的情況下，采用了P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的總和速率和UE數(shù)目的關(guān)系。如圖3所示，P2UPA方案優(yōu)于PF-PA方案是非常明顯的。可以看出，對(duì)于特定數(shù)量的UE，采用P2UPA方案和PF-PA方案的系統(tǒng)的總和速率都是呈指數(shù)增長(zhǎng)。但P2UPA顯然優(yōu)于PF-PA，這是因?yàn)镻2UPA的關(guān)鍵思想是為最高關(guān)聯(lián)概率的UE分配更多功率。

    圖4給出了基于CLA-CoMP和PF-PA方案的系統(tǒng)、基于CLA-CoMP和P2UPA方案的系統(tǒng)、采用PF-PA方案且不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)和采用P2UPA方案且不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率與發(fā)送功率之間的關(guān)系。如圖4所示，隨著可用功率的增加，總和速率在4條曲線上呈指數(shù)增長(zhǎng)。圖3和圖4表明了基于CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)，采用P2UPA方案的系統(tǒng)的總和速率優(yōu)于采用PF-PA方案的系統(tǒng)。然而，無(wú)論P(yáng)F-PA還是P2UPA，CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和速率都優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)。對(duì)P2UPA方案而言，CLA-CoMP的系統(tǒng)的總和率優(yōu)于不考慮CLA-CoMP的系統(tǒng)。因此，基于CLA-CoMP的系統(tǒng)采用P2UPA方案能獲得更大的系統(tǒng)總和率。

4 結(jié)論

    本文首先介紹了超密集組網(wǎng)這一網(wǎng)絡(luò)模型，隨后介紹了解決超密集組網(wǎng)中同頻干擾的CoMP技術(shù)?？紤]到CoMP帶來(lái)的資源分配的問(wèn)題，本文提出了CLA-CoMP方案來(lái)調(diào)整TP服務(wù)的UE的數(shù)量。然后，為了提高系統(tǒng)中的總和率，本文使用P2UPA方案，可以為信道增益較大的用戶分配更多的功率。仿真結(jié)果表明，基于CLA-CoMP且采用P2UPA的系統(tǒng)能夠獲得更大的系統(tǒng)性能增益。

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作者信息:

齊  暢，楊龍祥

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003)