异构网络中的协作与协调增强机制研究.doc

异构网络中的协作与协调增强机制研究摘要 随着移动互联网逐渐成为未来网络发展的趋势，移动通信网络由于其广泛部署性而成为移动终端接入互联网的首选。移动设备逐取代桌面PC成为用户终端，这意味着原来通过有线方式进入互联网的流量将转移到无线通信系统中来，移动通信系统的接入承载能力将面临严峻挑战。另一方面，有统计表明，未来80%90%的系统吞吐量将发生在室内和热点游牧场景，室内、低速、热点将可能成为移动互联网时代更重要的应用场景。基于此，下一代移动通信系统引入了各种低功率节点，用于对上述场景进行增强。这种新的网络架构称为异构网络。 与网络架构的演进相适应，传统网络协议和处理机制不再适用于异构网络，因此需要进行改进和增强，以适应异构网络的特殊场景。而对于异构网络的处理，一种重要的手段是协作与协调机制的应用。一方面，异构网络中涉及宏蜂窝和低功率节点两种网络设备，前者可规划部署且_具有最大的开放性，后者部署位置随意性较强且开放性可变，两者在共信道部署情况下将产生严重的干扰。此时，节点之间通过交互信息协调工作是消除干扰的有效手段。另一方面，低功率节点的引入为协作通信技术的应用提供了架构基础。异构网络导致网络节点密集分布，这使得节点间协作成为可能;Relay节点的弓!入则为移动用户与中继的协作提供了便利。总之，协调与协作机制对于异构网络具有重要意义，是增强其性能的重要途径。 本文中对异构网络协作与协调机制的研究包括干扰协调处理和协作功率分配两方面内容。首先，严重的网络节点间干扰是异构网络面临的主要挑战之一。我们从时域和频域两个方面研究了协调机制在干扰协调中的应用。在此过程中，我们提出了一种适用于异构网络的热点引力移动模型，用于异构网络性能仿真。其次，协作和协调机制在实际实现中面临的一个重要困难是协作信息交互导致的信令开销。我们以协作功率分配场景为例研究了这一问题。本文将上述研究内容细分为四个研究点，主要贡献和创新点如下: 1)提出了一种基于统一场论的热点移动模型框架，并为异构网络设计了一种具体实现:热点引力模型异构网络是针对用户和流量呈现聚集特性的室内、热点、覆盖空洞等特殊场景提出的解决方案，其移动模型与传统移动模型呈现不同特性。而从现实世界来看，人们的日常活动往往局限在有限的若干个场所之间，即人们在大的时空尺度上的运动呈现出一种规律性的聚集特性，或者说人的日常运动是由一系列热点构成的。因此，规律性的热点运动是比传统均匀随机运动更加普遍存在的情况，这种场景下的移动模型需要进行研究。我们根据现实世界中人的运动行为与统一场作用下粒子运动行为的相似性，提出了一种基于统一场论的热点移动建模框架，即将人的移动看作某种场作用的结果。基于这一理论，我们将场具现为引力场，设计了一种热点引力移动模型。仿真证明，热点引力移动模型更加符合现实世界人们日常生活中的移动特性，适合于异构网络仿真和性能评估。 2)针对宏蜂窝和家庭基站共存且共信道部署的场景，提出了一种通用时域干扰协调方案 时域千扰协调是异构网络中的一种典型的资源分割干扰协调方法，其特征在于减少干扰源的传输时间，从而提升被干扰节点的性能，是一种单参数控制的方法。我们将其改为双参数控制，称为通用时域干扰协调。理论分析证明，我们的方案较之传统方案在可达容量界、吞吐量、实现和灵活性方面均具有明显优势，系统仿真结果同样证明我们的方案具有更优的性能。 3)针刘一宏蜂窝和家庭基站共存且共信道部署的场景，提出了一种时频域混合的干扰协调方案，并设计了相应的资源分配算法 频域干扰协调是异构网络中另一种典型的资源分割干扰协调方法，其基本思想是将相互干扰的两个节点中的一个调整到一个不干扰的频带上，从而避免干扰。通过分析时域和频域两种干扰协调方法的优缺点，我们发现两者存在一定互补关系。基于此，我们将这两种方法混合使用，提出一种混合域干扰协调方案。该方案的核心在于资源分配，因此我们设计了一种两轮循环的资源分配算法。仿真证明，相比较于时域和频域干扰协调两种方案各自本身，我们的方法在吞吐量和满足速率需求的用户数方面均具有明显提升。 4)针对能量受限的AF协作中继场景，提出了一种功率分配方法，能够使得其分配结果在用户移动情况下尽可能长的时间里保持有效 协作与协调技术从理论走向实践过程中面临的困难之一是节点间信息交互导致的过高的信令开销问题。我们以功率受限的AF协作中继场景为例，研究如何在用户和中继之间分配功率，以使得该分配结果在用户移动情况下保持最长的有效时间。由于问题的复杂性，我们仅得到了一个次优解。但通过数值仿真可以证明，该次优解与理论最优解之间仅存在极小的误差。因此，该次优解可看作准最优解。 创新点1)为后续研究内容的性能评估和仿真提供了依据;创新点2)和3)研究异构网络的主要挑战即干扰协调问题，其仿真部分使用了创新点1)提出的热点移动模型:创新点4)研究协作与协调技术中普遍存在的问题，虽然只是以一种特殊场景为例进行分析，但其研究方法对于其它场景(如创新点2)中的时域参数选择)同样具有借鉴意义。 2 LTE-Advanced关键技术作为下一代无线通信系统，LTE-Advanced引入了许多新的技术，如载波聚合，协同多点传输，中继技术，家庭基站等。 (1)载波聚合(Carrier Aggregation，CA 当前LTE系统的频带利用率己经接近Shannon极限。如果要提高系统吞吐量，就必须提高系统的带宽或者信噪比。LTE-Advanced通过“载波聚合”的方式进行带宽增强，即把几个基于20MHz的LTE设计捆绑在一起，通过提高可用带宽，将带宽扩展到1 OOM。但是实际上很可能没有一整块的空闲带宽，所以LTE-Advanced允许离散频带的聚合。因此，载波聚合分为连续载波聚合和离散载波聚合两类。 C2)协同多点传输C Coordinated Multipoint, COMP ) COMP是一种基站间协作技术。它通过对空域的扩充提高系统容量减小用户间干扰，是LTE-Advanced对空域扩充的核心技术之一。在COMP技术中，几个光纤连接的相邻天线站或节点协同工作，为一个用户提供服务，从而提高用户的数据速率和小区边缘的通信质量。COMP包含两类。第一类称为协作调度/波束赋型(Coordinated Scheduling/Beamforming, CS/BF)，即相邻小区通过协调分时传输或通过BF进行方向性传输:第二类称为联合处理/传输(JointProcessing/Transmission, JP/JT)，是在码本、控制信号和数据信号方面进行协作。 (3)中继技术(Relay ) 为了满足下一代移动通信系统的高速率传输的要求，LTE-Advanced引入了无线中继技术。用户终端可以通过中间接入点中继接入网络，从而减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量。 LTE-Advanced中定义的Relay包括两类，即Type I和Type II中继。Type I中继是一种三层架构的设备，相当于一个低功率基站。Type I-Relay节点和原有基站(母基站)之间通过无线连接，和传输网络之间没有有线连接。下行数据先到达母基站，然后再传给Relay节点，Relay节点再传输至终端用户，上行则反之。这种方法拉近了天线和终端用户的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和用户数据率。Type II中继是一种二层放大转发设备。在接到母基站的射频信号后，巧pe II中继在射频上直接转发，对于终端和基站来说都是不可见的，而且它并不关心目的终端是否在其覆盖范围，因此它的作用只是放大器而已。Type II中继的作用仅限于增加覆盖，并不能提高容量。由于对TypeII中继存在较大争议，3GPP目前较为支持升pe I中继。 4)家庭基站(Home eNB, HeNB) LTE-Advanced中引入了HeNB以增强室内覆盖。HeNB是一种低功率设备，可由用户自主部署，采用有线回程，通过Sl接口连接至家庭基站网关或移动管理实体(Mobility Management Entity, MME )。属于同一组织的多个HeNB还可通过X2接口相互连接，形成一个HeNB群。3GPP定义的HeNB网络架构如图1.2所示。HeNB有三种接入模式，即封闭、开放和混合模式“一zJ。封闭模式即HeNB只允许已注册用户接入，注册权由HeNB的所有者掌握。一个封闭模式HeNB或HeNB群的所有注册用户形成了封闭用户群(Closed SubscriberGroup, CSG)。开放模式HeNB即任何用户都可以接入。在混合模式中，注册用1 LTE-Advanced异构网络简介3. 2 LTE-Advanced异构网络面临的主要挑战 随着移动网络架构的变迁，特别是各种低功率节点的引入，传统网络机制应用于LTE-Advanced将面临许多困难。 由于工MT Advanced对于频谱效率提出了新的要求，LTE-Advanced在网络架构上的改进之一是缩小蜂窝尺寸，以提高频谱复用率。随着蜂窝尺寸的缩小，蜂窝边缘效应将不可忽略，邻区干扰成为影响系统系统性能的主要因素。因此，LTE-Advanced是一种干扰受限通信系统。低功率节点的引入使得蜂窝网络架构更加复杂，干扰受限也更加严重。传统网络技术已经不适用于这种异构网络架构，需要对其进行改进和增强，以达到LTE-Advanced的设计性能目标。 (1)干扰管理 随着蜂窝尺寸的缩小，小区间干扰成为限制蜂窝网络性能的主要因素。而各种低功率节点的引入，使得蜂窝网络的干扰结构变得更加复杂。特别是家庭基站，由于其部署的非规划特性，相互之间以及与Macro之间均存在严重干扰，需要进行干扰管理。低功率节点的引入是对于Macro性能的增强，因此这种对于异构网络的干扰处理称为增强的小区间干扰协调(enhanced Inter-cell InterferenceCoordination eICIC)。 C2)资源管理 由于低功率节点位于Macro的覆盖之下，两者之间频谱资源分配和低功率节点发射功率的设计对于提高网络性能具有重要意义。其中，具有典型代表性的是Relay。相比较于其它低功率节点，Relay的独特之处在于采用无线回程。因此，Relay回程链路和下行链路频谱资源如何分配需要仔细设计。另一方面，由于Relay的引入，用户可以通过Relay接入网络，用户的上行发射功率可以减小。在总功率不变的条件下，相对于不使用Relay而言，Relay的引入导致功率在用户和Relay之间重新分配。如何设计两者之间的功率分配比，使得Relay系统在某种意义上最优同样是需要着重考虑的问题。 (3)移动管理 由于Macro和低功率节点的同时一存在，并且低功率节点位于Macro的覆盖之下，移动用户面临着接入接站的选择问题。低功率节点能够提供更高的传输速率，但由于其覆盖范围较小，移动用户可能需要在低功率节点之间频繁切换，导致较高的无线链路失败( Radio Link Failure, RLF )，影响服务质量(Quality of Service,QoS ) o Macro能够提供较大覆盖，但存在容量有限、数据速率较低的缺点。低功率节点的引入是为了从Macro分流负载提升系统性能，因此应充分利用低功率节点的能力。为使用户在HetNets环境下快速、高效地切换的同时保证QoS，必须对传统移动管理机制进行增强。 _1)，相比较于单参数TDIC而言，不仅能够获得意料之外的吞吐量增益，而且在可达容量区域、实现及灵活性方面均表现出TDIC所不具备的优势。这种双参数控制的时域干扰协调方法称为通用时域千扰协调(general TDIC, gTDIC )。我们从理论分析和实验仿真两方面验证了gTDIC的有效性。 2)时频域混合干扰协调 频域干扰协调(Frequency Domain Interference Coordination，FDIC)是适用于Macro-HeNB共信道部署场景的另一种层间干扰消除技术。通关对TDIC和FDIC优缺点的对比分析发现，TDIC和FDIC存在一定的互补性，因此我们考虑可将它们混合使用，提出了一种时频混合域干扰协调(Hybrid Domain InterferenceCoordination, HDIC)方案。HDIC即当系统中存在多个受干扰Macro用户时，部分Macro用户使用FDIC，另一部分采用TDIC，以达到充分利用系统资源并使尽可能多的Macro用户满足自身业务要求的目的。HDIC的关键在于资源分配，即决定哪些用户使用FDIC/TDIC以及使用什么资源。考虑到HDIC关注系统资源利用以及Macro用户业务需求两方面因素，我们提出了两种判据分别对无线资源质量和Macro用户需求进行评估，并基于这两种判据提出了一种两轮循环的资源分配算法，以使资源能够尽可能分配给最需要它的用户。 3)能量受限AF中的移动容忍功率分配 在任何涉及协作和协调的机制中，节点之间必须通过大量信息交互才能确定合作通信相关参数，而大量交互带来大量信令开销及延时，这在很大程度上阻碍了协作通信从理论走向应用的进程。同时，用户的移动将导致合作通信参数的频繁更新，从而进一步加大了信令交互开销。因此，在无法减少交互信息的前提下，选择一个或一组生存时间( lifetime)更长的合作通信参数成为不错的选择。因此，我们以能量受限的AF Relay系统功率控制场景为例，研究如何选取功率分配比参数才能使得参数的lifetime最大，从而减少协作信令开销。我们从理论分析的角度出发，推导如何选取最优参数。由于问题不存在显式解，我们提出了一种次优解法，所获得的结果与最优解相比仅存在较小误差。 4)基于场论的热点场景移动建模 人的运动行为和粒子在场作用下的运动行为具有相似性:人的大尺度运动具有一定规律性而并非完全随机，而小尺度运动则接近随机运动;粒子在长程力作用下呈现规律运动，而在短程力作用下呈现随机运动。这种相似性启发我们可以将人的运动行为看作某种场作用的结果，此即为基于统一场论的热点建模框架。作为该框架的一种具体实现，我们将该场具现为引力场，提出了一种热点引力移动模型(Hotspot Gravitation Mobility Model, HGMM ) o HGMM建模人的日常运动行为的基本出发点是:在热点自身条件相近的情况下，距离较近的热点总是具有更大的吸引力。我们通过仿真说明了HGMM更加符合用户的实际运动行为。 本文研究如何将协作与协调机制应用于移动异构网络以对其性能进行增强，后续章节安排如下:第2章介绍了协作与协调机制的基本理论，以及其在移动通信系统中的应用;针对 HetNet网络Macro-HeNB共信道部署场景中的层间干扰问题，第3章提出了一种通用时域干扰协调技术，并从理论和仿真的角度验证了该机制的有效性。在此过程中，我们针对异构网络的目标场景提出了热点引力移动模型，并应用于通用时域干扰协调的仿真;同样是针对HetNet网络Macro-HeNB共信道部署场景中的层间干扰问题，第4章提出了一种混合域干扰协调技术，设计了一种两轮循环的资源分配算法，并通过仿真证明了该方法的有效性，其仿真部分同样使用了热点引力移动模型;针对协作通信中节点间信息交互带来的信令开销和延时问题，第5章以能量受限的AF中继协作通信场景功率分配为例，研究如何选取功率比参数才能使该参数在用户移动的情况下生存尽可能长的时间，从而减少协作信令开销。最后，论文第6章对全文作了总结，并指出了可能的进一步研究方向。论文整体以LTE-Advanced为背景，研究和仿真均使用了LTE-Advanced相关假设和参数，但方案本身亦完全适用于其它蜂窝移动异构网络，如GSM, UMTS, WiMax等。2. 2协作通信的基本方式 协作通信的实现包括多种方式，如中继协作、空时编码协作、基站间联合传输厂协作调度等，而且它们相互之间还可以结合使用，衍生出新的协作方式。根据出现的时间以及研究的广泛性，学术界一般将中继协作视为协作通信的基本形式。按照中继实现方式，中继协作主要包括放大转发(Amplify-and-Forward, AF ),解码转发(Decode-and-Forward, DF)和编码协作(Coded Cooperation, CC)三种基本实现方法。 COMP包含两类。第一类称为协作调度/波束赋型(Coordinated Scheduling/Beamforming, CS/BF)，即相邻小区通过协一调分时传输或通过BF进行方向性传输;第二类称为联合处理/传输(Joint Processing/Transmission, JP/JT)。前者是一种协调机制，通过时间域或空间域的协调进行干扰避免，工作原理比较简单，图2.4给出了一个空间域协调的例子(sy;后者在码本、控制信号和数据信号方面进行协作，相对比较复杂，需要仔细讨论。 具体来说，JP/JT可分为三种形式(sR. 服务于单用户或多用户的相干传输(0型)。在这种情况下，带有同步定时 的相同数据从协作小区传输到COMP用户。根据参与COMP的用户数量， 0型COMP又可细分为单用户COMP和多用户COMP; 非相干传输策略(1型)。在这种情况下，从协作小区到COMP用户传输不 同的数据; 非相干传输策略(2型)。在这种情况下，不同数据从不同小区传输到各自 用户。后期工作 本文研究协作与协调机制应用于异构网络所遇到的问题，并提出了相应的解决方案，但这些方案均有进一步完善和深化的可能。进一步的研究工作可从下述几个方面展开: 1)第3章提出了基于统一场论的热点场景移动建模框架，并设计了一种具体实现HGMM。然而，这些都只是一个初步的探讨，距离实际应用尚有距离，如何设计场、如何配置场参数都是需要深入研究的问题。另一方面，为了使移动模型更加符合人们实际运动行为，场的时变特性不可避免，而时变特性往往意味着复杂度的提高。场的复杂度同样会带来计算、存储等开销的飞速增长。因此，一些简化是必不可少的，而简化度和模型精度往往成反比。简化度与模