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