le-a中繼網絡中基于v-mimo的終端省電機制研究

le-a中繼網絡中基于v-mimo的終端省電機制研究

0lte-a的關鍵技術作為lt的平滑發(fā)展，先進的長期發(fā)展（t）可以保持與lt的良好兼容?？商峁└叩姆逯德屎屯掏铝?。下降峰值速度為1gbit/s，下降峰值速度為500gbit/s。具有更高的光譜效率，從下降到30比特/（shz），從上升到15比特/（shz）。支持各種應用場景，從宏觀蜂窩到室內場景的完美覆蓋。為了滿足上述要求,LTE-A引入了載波聚合(carrieraggregation,CA)、多天線增強(enhancedMIMO)、中繼技術(relay)和多點協(xié)作傳輸(coordinatedmulti-pointTx/Rx,CoMP)等關鍵技術。目前,關于協(xié)作通信的研究已經有豐富的成果,協(xié)作通信與直接通信相比,能提供空間分集增益,實現目標用戶高速、高可靠性地進行數據傳輸。選擇恰當的中繼節(jié)點進行協(xié)作通信可以減少能量消耗,延長網絡生命周期。文獻提出了一種中繼節(jié)點選取和功率分配聯合優(yōu)化的策略,能夠顯著提高系統(tǒng)性能和功率效率,可以有效地用于基于中繼傳輸的協(xié)作通信中;文獻研究了協(xié)作式MIMO技術在無線傳感器網絡應用中的能耗及系統(tǒng)容量模型的分析。這些研究大多是針對無線傳感器網絡,在LTE-A系統(tǒng)中,如何使用中繼技術進行協(xié)作通信、減少終端能耗,還需要進一步研究。1協(xié)作的v-mimo技術基于對終端體積、硬件復雜度和功耗等的考量,上行傳輸中通常采用虛擬MIMO(virtualMIMO)技術來替代MIMO技術。將具有單天線的多個用戶組合起來,在同一資源塊(同一時隙、同一頻率或同一碼元序列)中形成虛擬的MIMO信道,聯合向具有多天線的基站發(fā)送數據。根據組成V-MIMO系統(tǒng)的不同方式,可以分為協(xié)作V-MIMO技術和非協(xié)作V-MIMO技術兩種。無協(xié)作通信方式的虛擬MIMO技術是通過基站(nodeB,NB)集中調度選擇多個用戶共享彼此的信道資源傳輸信息,不要求終端具有直接通信的能力。協(xié)作通信的概念最早由Sendonaris,Erkip和Aazhang提出,它基于中繼通信,隨著研究的發(fā)展又擴展了中繼通信的內涵。在協(xié)作通信系統(tǒng)中,每個移動終端都有一個或多個合作伙伴,每個用戶終端在傳輸自己信息的同時,也要協(xié)助其合作伙伴傳輸信息。這樣,每個終端在傳輸信息的過程中同時利用了自己和其合作伙伴的空間信道,從而獲取了一定的空間分集增益。通過協(xié)作,使用單天線的移動終端也可以實現空域分集,成為協(xié)作分集,是一種全新的空間分集技術。由于協(xié)作的合作伙伴共享彼此的天線,從而構成虛擬MIMO傳輸。目前,協(xié)作V-MIMO技術的研究主要包括用戶協(xié)作和中繼協(xié)作兩種。在蜂窩通信系統(tǒng)中,Sendonaris等最早提出用戶協(xié)作的概念,研究主要針對上行鏈路,假設每個單天線的UE具有1個合作伙伴,2個用戶相互協(xié)作與NB進行通信,每個用戶設備(userequipment,UE)除了獨立發(fā)送自己的信息給NB外,還將轉發(fā)其合作伙伴的信息到NB,其傳輸結構如圖1a所示。從信息論角度分析,在平坦衰落環(huán)境下,用戶協(xié)作構成V-MIMO可以擴大系統(tǒng)容量,提高網絡服務質量,改善系統(tǒng)性能。但是研究表明,只有當2個用戶的信道質量都較好時,系統(tǒng)的信道容量才會得到顯著提升。同時,由于用戶協(xié)作構成V-MIMO傳輸要求系統(tǒng)中的用戶之間相互協(xié)作,UE必須具備直接通信的能力,也必須使終端用戶有足夠的動機愿意使用自己的資源來協(xié)作他人完成通信,這就需要很好的激勵機制和安全機制來促使用戶之間的協(xié)作,因此也給實際的應用帶來了一定的困難。在LTE-A中,引入了中繼技術。在源節(jié)點UE和目的節(jié)點NB之間可以引入一個或多個具有相同覆蓋區(qū)域的中繼站(relaystation,RS)來作為中繼節(jié)點,這些單天線的中繼節(jié)點就形成了一個V-MIMO系統(tǒng),目的節(jié)點可以合并來自源節(jié)點和來自中繼節(jié)點的數據。如圖1b所示。2終端省電,提升系統(tǒng)容量文獻提出了在時分長期演進(timedivisionlongtermevolution,TD-LTE)系統(tǒng)中,利用無協(xié)作虛擬MIMO的配對、調度,達到終端省電的技術方案。隨著系統(tǒng)演進至LTE-A,中繼技術被用來提升處于陰影區(qū)域或小區(qū)邊緣的終端的通信性能。中繼技術通過信號接力的方式“拉近”了終端和基站的距離,增強高速率下的信號覆蓋,提升由建筑阻擋產生的深衰落區(qū)域的信號水平,提高了系統(tǒng)容量。顯然使用中繼組成協(xié)作式V-MIMO進行傳輸數據,可以顯著降低下屬終端的射頻發(fā)射功率,達到終端省電的目的。2.1測量終端的更換成本如圖2所示,在辦公室或茶餐廳等UE相對固定的場景部署中繼節(jié)點,移動終端僅需與中繼節(jié)點(relaynode,RN)交換數據,由中繼節(jié)點將數據轉發(fā)至基站,移動終端通信距離大大縮短,可以有效降低其發(fā)射功率。但購置中繼設備不但會提高LTE-A系統(tǒng)的使用成本和維護成本,而且為每個辦公室添置中繼設備也是不現實和不便捷的。由此,本文提出將中繼技術集成于移動終端內部,在特定環(huán)境下為附近的其他用戶提供中繼服務,以降低部署中繼器的成本,提高便利性和靈活性,并達到為附近用戶省電的目的。2.2移動通信終端將中繼功能集成進LTE-A移動終端的最大障礙是電能問題。移動終端通常使用電池供電,無法支持啟用中繼服務所需的較大功耗。因此,本文方案定義在移動終端處于充電狀態(tài)時啟用中繼服務,斷開電源時自動結束服務,從而避開電能問題?，F今的智能移動通信終端(如智能手機)因內建操作系統(tǒng)且功能強大,受到越來越多用戶的青睞,但受到電池技術和智能終端自身較高功耗的限制,其連續(xù)使用時間一般不超過4小時。因此,辦公室等室內場景中,用戶時常需要為智能移動通信終端重新充電。充電時,移動終端擺脫了電能限制,當集成中繼功能后,可切換到中繼模式,為附近其他終端提供中繼服務,最小化它們的發(fā)射功率,從而達到省電的目的。事實上,辦公室等人群密集的室內場景中很容易找到正在充電的移動終端,或者有意地將某個移動終端維持在充電模式下,并啟用中繼服務。而辦公室中用戶移動較少,即附近用戶的大多數時間可通過中繼終端進行通信,因此本方案達到的省電效果是顯而易見的。2.3中段節(jié)點的配置作為室內中繼節(jié)點,要求節(jié)點具有穩(wěn)定性,即地理位置固定,并確保能夠長時間存在。同時,由于能為中繼節(jié)點分配的Backhaul子幀資源十分有限,必須考慮所在區(qū)域的無線資源消耗水平,以及中繼節(jié)點相互干擾的水平,因此,設計以下的部署請求流程,如圖3所示。作為中繼節(jié)點使用的終端,可由用戶選擇是否開啟中繼功能。當接入電源后,終端進行一段時間的延時,以確認電源連接的穩(wěn)定性,以及通過檢測延時時間內是否有小區(qū)切換來確認地理位置是否固定。延時時間K=K′+t,其中K′為最小延時時間,t可由用戶自定義。系統(tǒng)檢測所在小區(qū)的信號平均水平為SNReNB,附近其他中繼節(jié)點的信號水平SNRRN′,小區(qū)切換標識為Switch_Flag。當小區(qū)的信號平均水平大于門限值SNReNB>SNReNB_Threshold,其他中繼節(jié)點的信號水平小于門限值SNRRN′<SNRRN′_Threshold,小區(qū)切換標識Switch_Flag=False,則認為終端狀態(tài)穩(wěn)定、無線狀態(tài)良好,向NB請求中繼節(jié)點部署。NB通過多普勒效應或者智能天線技術再次檢測終端移動速度,當終端位置固定,信道資源充裕的條件下,則允許中繼節(jié)點部署請求,進入中繼節(jié)點配置階段。此時,NB與中繼終端可根據LTE-A中繼協(xié)議,分配CellID,分配無線資源、建立Backhaul鏈路等。3網絡信息系統(tǒng)的仿真本文通過計算機模擬實現LTE-A中繼系統(tǒng)的整個上行鏈路傳輸過程,由于僅對物理層鏈路進行仿真,這里將中繼系統(tǒng)的數據轉發(fā)過程設置為物理層的2次數據收發(fā):終端到中繼的數據收發(fā),以及中繼到基站的數據收發(fā),并分別經歷室內信道衰落和室外信道衰落。假設各終端已經分別完成終極選擇和部署,系統(tǒng)仿真結構圖如4所示。3.1高斯白噪聲信道由于仿真環(huán)境為室內場景,可認為基站、中繼、終端相對靜止,這時各種快衰落過程對本系統(tǒng)影響較小,因此設置無線信道模型為高斯白噪聲信道,如圖5所示,其中,DFT為離散傅立葉變換,IDFT為離散傅立葉反變換,DAC為數模轉換器,ADC為模數轉換器。3.2路徑損失模型的配置終端到中繼的數據收發(fā)經歷室內路徑損耗模型產生的衰減,中繼到基站的數據收發(fā)經歷城市路徑損耗模型產生的衰減。1室內路徑損耗的計算PL(d)=PL(d0)+10×nsflog(dd0)+FAFΡL(d)=ΡL(d0)+10×nsflog(dd0)+FAF(1)(1)式中:PL(d0)為近地參考距離d0的自由空間衰減值,d0取值為1m;d為收發(fā)天線距離;nsf為同層損耗因子,取值為3.0;FAF為不同層損耗,取值為0dB;由(1)式可得,10m處的室內路徑損耗約為68dB。附加室內多徑衰落,取最大值10dB,合計損耗為78dB。2t133-hata修正模型由于LTE-A系統(tǒng)的工作頻率通常大于2000MHz,常用的奧村模型、Hata模型、折線模型均不適用本次仿真。這里我們選用了3G系統(tǒng)中一般使用的Cost231-Hata修正模型,頻率適用范圍可擴展到2300MHz。PL(d)=46.3+33.9log(f)-13.82log(Hb)+(44.9-6.55log(Hb))log(d)-3.2(log(11.75Hm))2+4.97(2)(2)式中:f為發(fā)射頻率,取值為2300MHz;Hb為基站高度,取值為50m;d取值為0.2km;Hm為終端高度,取值為10m。由(2)式可得,200m處的城市室外路徑損耗約為104.4dB。3.3模擬參數設置仿真參數如表1所示。3.4移動中小型節(jié)點Matlab仿真結果如圖6所示,對于終端連接移動中繼節(jié)點和未連接移動中繼節(jié)點的情況,可明顯看出連接移動中繼節(jié)