摘  要： 協(xié)作多點(diǎn)傳輸CoMP（Coordinated Multi-Point）是LTE-A中提高傳輸速率和提高用戶公平性的一種重要的方法。它可以分為聯(lián)合傳輸JP（Joint Processing）和協(xié)作波形賦形與調(diào)度CB/CS（Coordinated Beamforming/Scheduling）。研究了聯(lián)合傳輸情況下的分簇場景，分析了現(xiàn)有的分簇算法的問題，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的分簇方案。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)分簇方案，該動(dòng)態(tài)分簇方案提高了邊緣用戶傳輸速率與頻譜的利用率。
關(guān)鍵詞： 聯(lián)合傳輸；公平性；動(dòng)態(tài)分簇

    CoMP是一種能充分利用多基站、多用戶和多天線資源提高小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量，以達(dá)到IMT-A系統(tǒng)對(duì)高頻譜利用率的要求的一種技術(shù)。它主要包括兩種方式——聯(lián)合傳輸JP和協(xié)作波形賦形與調(diào)度CB/CS。其中JP技術(shù)是通過將其他小區(qū)的干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為本小區(qū)用戶的有用信號(hào)，通過提升用戶的信噪比來保證解調(diào)性能的一種技術(shù)。
    實(shí)際使用中，協(xié)作的基站之間會(huì)通過X2鏈路交換用戶的CSI(Channel State Indicator)、預(yù)編碼矩陣等。過大的協(xié)作簇的規(guī)模將帶來過重的X2鏈路的負(fù)擔(dān)與信令開銷，將超出協(xié)作的增益。因此尋找一個(gè)合適的協(xié)作簇的選擇方式成為了CoMP中一個(gè)很重要的研究點(diǎn)。
    目前存在兩種廣為接受的CoMP的協(xié)作場景，如圖1所示，場景1是eNB(基站)內(nèi)部的協(xié)作(圖1(a))。場景2是由不同的eNB(基站)的扇區(qū)之間進(jìn)行協(xié)作傳輸(圖1(b))，假設(shè)所有eNB之間都能得到很好的同步，并且有X2鏈路相連接。

    在非CoMP的系統(tǒng)中，對(duì)于與UE通信的扇區(qū)造成最強(qiáng)干擾的扇區(qū)是與其鄰接的扇區(qū)。故為了降低系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，可以將地理上相鄰接的扇區(qū)形成一個(gè)如場景2中A標(biāo)識(shí)區(qū)域所示的協(xié)作簇。按照這種方式，多個(gè)扇區(qū)能夠被分為若干個(gè)規(guī)則的協(xié)作簇。
    CoMP系統(tǒng)的協(xié)作簇的構(gòu)建最主要有兩種形式——靜態(tài)的形式和動(dòng)態(tài)的形式。其中靜態(tài)的協(xié)作簇[1-2]的構(gòu)建中，參與協(xié)作的基站是在長時(shí)間內(nèi)固定，無需復(fù)雜的信令開銷，僅需低復(fù)雜度的控制就可以提升系統(tǒng)速率。但是它不能很好地適應(yīng)無線信道的時(shí)變性和MS(Mobile Station)的移動(dòng)性，協(xié)作的效率不高。動(dòng)態(tài)的協(xié)作簇[3-4]的構(gòu)建則可以讓小區(qū)邊緣的用戶根據(jù)信號(hào)的質(zhì)量，自適應(yīng)地選擇那些信號(hào)質(zhì)量好的基站參與協(xié)作。但是這將帶來很高的調(diào)度和預(yù)編碼傳輸?shù)膹?fù)雜性。很多改進(jìn)的方案是在小范圍內(nèi)形成協(xié)作簇[5]，但是這些方案沒有提出如何解決動(dòng)態(tài)分簇的資源分配的復(fù)雜度問題。
    本文提出了一種低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的靜態(tài)分簇的改進(jìn)方法，該方案同樣解決了傳統(tǒng)靜態(tài)分簇的缺點(diǎn)。利用系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證了模型在下行FDD-CoMP的情況下的性能增益。
1 協(xié)作簇的設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇的扇區(qū)模型存在缺點(diǎn)。圖1(b)中，3個(gè)相鄰的、來自于不同eNB的扇區(qū)構(gòu)成了一個(gè)協(xié)作簇，但是它的缺點(diǎn)也很明顯。如圖2所示，每個(gè)扇區(qū)中有一半的區(qū)域可以很好地面對(duì)另外兩個(gè)扇區(qū)的方向天線，從而可以帶來很好的分集增益，但是另一半的扇區(qū)就沒有獲得很好的信號(hào)強(qiáng)度，從而影響系統(tǒng)中用戶的公平性，并且不利于取得更好的協(xié)作增益。

    圖2中只考慮了大尺度衰弱與天線增益，用灰度圖表示協(xié)作簇中的信號(hào)的強(qiáng)度大小，由于處于中間三角形區(qū)域中的MS可以同時(shí)接收到3個(gè)扇區(qū)的方向天線的發(fā)射信號(hào)，稱之為強(qiáng)信號(hào)區(qū)域。而剩下的3個(gè)“一半”的扇區(qū)只能接收到一個(gè)扇區(qū)的方向天線的信號(hào)，稱之為弱信號(hào)區(qū)域。因此提出了一種改進(jìn)方案：將傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇算法中的簇拆分為信號(hào)強(qiáng)的部分與信號(hào)弱的部分，較弱信號(hào)區(qū)域形成一個(gè)新的協(xié)作的簇，如圖3所示。
    圖3左圖中的標(biāo)識(shí)為1的傳統(tǒng)協(xié)作簇(3扇區(qū))，將此協(xié)作簇中的強(qiáng)信號(hào)區(qū)域形成一個(gè)新的較小的三角形的協(xié)作簇，即右圖相同位置處豎線標(biāo)識(shí)的1號(hào)三角形所示，并且將原來協(xié)作簇內(nèi)的弱信號(hào)區(qū)域與鄰近的協(xié)作簇的弱信號(hào)的區(qū)域形成一個(gè)新的三角形的協(xié)作簇（如右圖中豎線標(biāo)識(shí)的2號(hào)與6號(hào)三角形所示），這樣原本的協(xié)作簇中的弱信號(hào)區(qū)域也得到了很好的性能改善。但是，由于陰影效應(yīng)等影響，可能會(huì)出現(xiàn)某一MS與它當(dāng)前所在的協(xié)作簇協(xié)作并不能得到很好的無線信道的情況，因此定義“簇選擇因子”CSF(Cluster Choose Factor)，計(jì)算這個(gè)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的值決定此時(shí)是否參加相鄰的協(xié)作簇的協(xié)作，它定義為：
  

2 仿真參數(shù)和仿真結(jié)果
    依照?qǐng)D1(b)的模型，并且假設(shè)MS隨機(jī)均勻分布，對(duì)文中提出的動(dòng)態(tài)分簇的算法進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，驗(yàn)證其性能。性能指標(biāo)采用用戶平均傳輸速率和邊緣用戶速率，積累概率分布(CDF)為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的用戶吞吐率為典型的邊緣用戶的性能，從圖4中可以看出對(duì)于邊緣用戶，文中提出的算法相比靜態(tài)的分簇方法有23.2%的性能提升，平均傳輸速率相較于靜態(tài)分簇的方法有著6.8%的性能提升。

    本文分析了傳統(tǒng)的靜態(tài)分簇與動(dòng)態(tài)分簇的缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種低復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)分簇方案，引入了CSF參數(shù)來提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。仿真結(jié)果證明，該方案可以顯著地提高用戶間的公平性與整個(gè)系統(tǒng)的平均傳輸速率，但是與這套分簇方案相配套的資源分配算法有待在后續(xù)研究中優(yōu)化。
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