异构网络中的协作与协调增强机制研究.doc
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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。
2LTE-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(CarrierAggregation,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1OOM。
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CCoordinatedMultipoint,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(CoordinatedScheduling/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(Joint
Processing/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TypeI和TypeII中继。
TypeI
中继是一种三层架构的设备,相当于一个低功率基站。
TypeI-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。
TypeII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peII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。
TypeII中继的作用仅限于增加覆盖,并不能提高容量。
由于对Type
II中继存在较大争议,3GPP目前较为支持升peI中继。
<4)家庭基站(HomeeNB,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(MobilityManagementEntity,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(ClosedSubscriber
Group,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
1LTE-Advanced异构网络简介
3.2LTE-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MTAdvanced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(enhancedInter-cellInterference
CoordinationeICIC)。
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(RadioLinkFailure,RLF),影响服务质量(QualityofService,
QoS)oMacro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。
<4)自组织网络[zx]
LTE-Advanced引入自组织网络(SelfOrganizationNetwork,SON)的目的
在于实现基站的自配置自由化,降低布网成本和运营成本。
而对于HetNets,SON
具有更加重要的意义。
低功率节点数量繁多,难以远程控制,难以像传统蜂窝网
络一样手动进行配置。
SON的引入完美地解决了这一问题。
SON功能主要包括:
自规划(Self-planning)、自安装(Self-installation)、自配置CSelf-configuration),
自优化(Self-optimization)、自愈合(Self-healing)、自回传(Self-backhauling)
等。
其中,自优化和自配置对于HetNets具有特别重要的意义。
SON的具体方法
还有待进一步研究。
.3.3协作与协调机制对于异构网络性能增强的意义
LTE-Advanced较高的性能需求和HetNets网络架构的复杂性使得协作和协调
机制对于HetNet:
性能增强具有特别重要的意义。
协作通信[[29--30]的基本思想是在多用户通信环境中,临近的单天线移动用户按
照一定方式共享彼此的天线协同发送,从而产生一种类似多天线发送的虚拟环
境,获得空间分集增益,提高系统传输性能。
这种传输方式融合了分集技术与中
继传输技术的优势,形成了分布式的虚拟MIMO系统,克服了相干距离等限制,
从而在不增加天线数量的基础上,在传统网络中实现并获得与多天线及多跳传输
论文的主要创新点如下:
1)通用时域干扰协调
时域干扰协调(TimeDomainInterferenceCoordination}TDIC)是适用于
Macro-HeNB共信道部署场景的一种层间干扰消除技术,其基本思想是通过减少
干扰产生方的传输时间,从而提升被干扰方的性能。
例如,对于Macr。
和HeNB
均下行的场景,进入封闭模式HeNB覆盖范围的Macro用户受到HeNB的强烈
干扰。
此时,可通过减少HeNB的传输时间(如传输时间比例为a《0,1))来提
高Macro用户。
然而,通过分析发现,如将这种单参数控制的TDIC变为双参数
控制(即Macr。
和HeNB的传输时间比例分别为。
、胆a,刀《0,1),a+,Q>_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(generalTDIC,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(FrequencyDomainInterferenceCoordination,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(HybridDomainInterference
Coordination,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AFRelay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(HotspotGravitationMobilityModel,HGMM)oHGMM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(CodedCooperation,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(CoordinatedScheduling/
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(JointProcessing/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。
简化度与模型精度之
间需要折中考虑。
2)第4章和第5章中使用自由空间传播模型作为信号传播模型,这与实际
情况存在一定差异存在。
自由空间模型将使得分析结果只在平均意义上有效,而
在实际应用中性能较差。
因此,使用更加接近实际情况的信号传播模型是第4章
和第5章进一步需要考虑的问题,这对于两种机制的实际应用具有重要意义。
3)第5章中,我们总是选择使得参数生存时间最长的功率分配因子刀。
然而,
由于地理路径等的限制,用户的在未来不长时间里的运动轨迹是有可能是可以较
为准确的预测的。
这种情况下,可能无需选择理论最优的周乙可以满足需要了。
例如,图5.3中的黑色粗线给出了用户S的曲线运动轨迹,而实际上使用相对最
优值更小的参数即可满足要求。
相比较大参数而言,使用较小参数的意义在于可
以减小用户的功率发射。
这样,用户对于邻小区的干扰减小,从而使得相邻小区
容量上升。
而在实际系统中,使用中继的用户往往位于小区边缘,其对于邻小区
的干扰往往很大,因此降低其发射功率对于提升邻小区容量具有十,分重要的意
义。
因此,在不带来更多参数更新信令开销的前提下,从降低对邻小区干扰从而
提升网络整体吞吐量的角度考虑能量受限AF中继中的功率分配,是一个非常值
得关注的问题,值得进一步研究。
4)第3章中提出的热点引力移动模型(HGMM)旨在强调人们不确定运动
背后的确定性,而第5章中使用的基于运动预测的运动距离最大化(MPDM)准
则同样需要通过运动规律性预测用户运动方向,这两者之间存在一定联系。
它们
的不同之处在于,HGMM产生的运动轨迹具有概率特性,在大量用户存在情况
下有意义;MPDM则强调运动预测的实时性,对个体运动行为的准确预测有利
于MPDM在实际系统中的实现。
而要准确预测每个用户的运动,需要大量历史
信息和地理交通信息,这回带来很大的存储开销和计算开销,在实际系统中很难
做到。
因此,若能设计在概率意义上较为符合实际情况的HGMM模型,则可从
概率的角度预测用户运动方向,使得MPDM获得概率意义上的最优解。
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