5G ultra yoğun ağ iletişimi için çok noktalı koordineli iletim ve güç dağıtım stratejisi
Kablosuz iletişim ağlarının hızlı gelişimi ve akıllı terminal cihazlarının hızlı büyümesiyle, mevcut ağ yapısı büyük zorluklarla karşı karşıya. 3GPP, LTE-Advanced'de yeni bir ağ mimarisi modeli HetNet önermiştir Bu model, mevcut makro hücrelerin kapsamı altında mikro, pico, femto ve röle gibi düşük güçlü iletim düğümlerinin büyük artışını ifade etmektedir. Düşük güçlü iletim düğümünün düşük iletim gücü nedeniyle, son derece esnek bir şekilde konuşlandırılabilir. Bu yerleştirme yönteminin maliyeti düşüktür ve makro hücre kapsamının kör noktalarını telafi ederek sistemin spektrum kullanımını iyileştirebilir. Ek olarak, 5G UDN senaryosunda, çok sayıda düşük güç aktarım düğümü, kullanıcı yoğun alanlarda konuşlandırılabilir.Bu yöntem, ağ kapasitesini etkin bir şekilde artırabilir ve ağ kapsamını genişletebilir, ancak küçük hücreler arasında ortak frekans paraziti sorununu ortaya çıkarır. Bu nedenle, düğümler arasında koordineli iletim yoluyla hücreler arasındaki ortak frekans girişimini ortadan kaldıran bir teknoloji olan Koordineli Çok Noktalı İletim (CoMP), 5G'de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Hepimizin bildiği gibi, küçük hücreler arasındaki girişim, UDN performansını etkileyen ana faktörlerden biridir ve küçük hücreler arasındaki mesafe azalmaya devam ettikçe, küçük hücreler arasındaki parazit sorunu daha ciddi hale gelir. Literatür, kullanıcı merkezli sanal bir paradigmada girişim hizalama sorununu inceler ve UDN'deki girişim sorununu çözer. Literatür, kaynak kullanımını en üst düzeye çıkarmak için grafik tabanlı bir kaynak tahsis yöntemi önermektedir. Küçük hücrelerin kenarında UE'lerin maruz kaldığı paraziti azaltmak için, literatür, iletim gücünü ayarlayarak küçük hücrelerin kenarındaki diğer UE'lere olan paraziti azaltan bir kanal durumu ve parazit algılama (PAG) şeması önerir. Bununla birlikte, yukarıdaki yöntemlerden hiçbiri, TP'ler arasındaki işbirliği konusunu dikkate almaz.
Sistem verimi ve küçük hücre kenarı kullanıcı performansı, baz istasyonlarının (BS) ortak aktarımı yoluyla iyileştirilebilir. Bu tür bir ortak iletim yalnızca hücreler arasındaki kanal girişimini etkili bir şekilde ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda sinyal alım gücünü artırmak için girişim sinyallerini de kullanır. UDN'de küçük hücreler arasındaki aralık çok küçüktür ve bu da küçük hücrelerin örtüşmesine neden olur. UE tarafından küçük hücrenin kenarında alınan sinyaller çok sayıda küçük hücreden gelebileceğinden, diğer hücrelerden gelen bu girişim sinyalleri, küçük hücrenin kenarında UE'nin maruz kaldığı paraziti azaltma amacına ulaşmak için CoMP aracılığıyla birlikte işlenebilir.
TP ve BS arasındaki esnek ve değiştirilebilir işbirliğine dayalı iletim stratejisi, küçük hücreli uç kullanıcıların performansını artırabilse de, radyo kaynak yönetimine büyük zorluklar getirecektir. CoMP'nin getirdiği kaynak tahsisi problemini göz önünde bulundurarak, bu makale CLA-CoMP algoritmasını önermektedir. Bu algoritma, makro hücre altındaki düşük güçlü iletim düğümleri tarafından hizmet verilen kullanıcı sayısına göre küçük hücre yük dengelemesini gerçekleştirebilir, böylece alt taşıyıcıların kullanımını ve sistemin toplam oranını iyileştirir. Daha sonra, güç tahsisi için P2UPA şeması bu belgede benimsenmiştir. Ortalama güç tahsisi (PF-PA) yöntemi ile karşılaştırıldığında, P2UPA, daha büyük bir kanal kazancı ile daha fazla güç tahsis edebilir, böylece sistemin toplam toplam oranını arttırabilir.
1 Sistem modeli
Bu makale, Şekil 1'de gösterildiği gibi, çok kullanıcılı bir CoMP hücresel sistem modelini ele almaktadır. UDN senaryosunda, TP'ler ve UE'ler heterojen bir ağda rastgele dağıtılır. CoMP sistemi altında, kullanıcılar konumlarına göre iki kategoriye ayrılır: biri TP kapsamının merkezindeki kullanıcılar, diğeri ise TP kapsamının kenarındaki kullanıcılar. Hizmet ararken, her iki kullanıcı türü de en yüksek alınan sinyal gücüne sahip TP'yi ev TP olarak seçecek ve TP hizmet verdiği ilk kullanıcıyı kanal durum bilgisine (CSI) göre belirleyecektir. Merkezi UE yalnızca ev TP sinyalini kabul eder ve uç UE, ona CoMP işbirliği seti aracılığıyla hizmetler sağlayabilir. İşbirlikçi kümenin yargılanması için, P0'ın ev TP'yi alan kullanıcı tarafından gönderilen sinyal gücü olduğunu, Pi'nin i-inci TP'yi alan kullanıcı tarafından gönderilen sinyal gücü olduğunu ve kenarda UE kooperatif kümesindeki TP'nin P0-Pi'CoMP'yi karşılaması gerektiğini varsayalım. Bunlar arasında, CoMP, CoMP set seçimi eşiğidir.
T = {1, 2, ..., N} 'nin tüm TP'leri temsil ettiğini, U = {1, 2, ..., M}' nin UE'yi temsil ettiğini, A CM × N'nin UE ile TP arasındaki tahsis matrisini temsil ettiğini varsayalım; Elemanın değeri:
Formülde, eşittir işaretinin sağ tarafındaki birinci kısım, kullanıcı m tarafından alınan istenen sinyali temsil eder, ikinci kısım, ortak kanal girişim sinyalini temsil eder ve Wm, Gauss beyaz gürültü gücünü temsil eder. gi, n, UE ile TP arasındaki kanal matrisindeki öğelerdir ve i-inci kullanıcı ile n-inci TP arasındaki kanal kazancını temsil eder. Pi, m, i-inci TP'nin m'inci kullanıcıya iletim gücünü temsil eder. UE ve TP arasındaki kanal matrisi G:
Bu çalışmanın amacı, daha büyük bir sistem toplam oranı elde etmek için yeni bir güç dağıtım yöntemi önermektir.
CLA-CoMP iletimine dayalı 2 güç tahsisi
Daha sonra bu makale, hücrenin toplam verimini en üst düzeye çıkarmak için CLA-CoMP'ye dayalı bir güç tahsis şeması önerecektir. Önce CLA-CoMP şeması önerildi ve ardından güç tahsisi sorunu çözüldü.
2.1 Yük farkındalığına dayalı CoMP
TP ile kullanıcı arasındaki ilişki CSI ve küçük hücre yük bilgisi (CLI) tarafından kısıtlandığından, kullanıcı ile TP arasındaki CSI'nın bilindiğini varsayarsak, TP hizmet verdiği ilk kullanıcıyı CSI'ya göre belirleyebilir. Bir makro hücrede JT-CoMP kullanmak, uç kullanıcıların aldığı paraziti azaltabilir, uç kullanıcıların iletişim kalitesini ve iletim hızını artırabilir ve böylece toplam iletim oranını artırabilir. Bununla birlikte, CoMP teknolojisinin kullanımı kaynak tahsisini gerektirir Bir TP tarafından hizmet verilen bir UE, bir alt taşıyıcı segmentini işgal ettiğinde, TP tarafından hizmet verilen diğer UE'ler bu alt taşıyıcı segmentini yeniden kullanamaz. Bu nedenle, UE'lerin sayısı arttığında, daha fazla alt taşıyıcı meşgul olacak ve bu da bazı UE'lerin TP tarafından hizmet verememesine neden olacak, bu nedenle kenar UE'lerin iletim hızı etkilenecektir. Bu problem göz önüne alındığında, bu makale, küçük hücrelerin kenarındaki UE'lerin oranını ve toplam oranını (R) arttırmayı amaçlayan CLA-CoMP şemasını önermektedir.
TP'nin hizmet verdiği UE'nin CSI'sını bildiğini varsayarsak, TP hizmet verdiği UE sayısını CLI'ye göre ayarlar. Küçük hücre yükü yeterince büyük ve mevcut alt taşıyıcıların sayısından daha yüksek olduğunda, TP uyarlamalı olarak UE'yi en kötü kanalla kapatacak ve böylece küçük hücrenin yükünü azaltacaktır. Başka bir deyişle, BS artık UE'ye en kötü kanalla hizmet vermemektedir. Ardından, UE'nin işgal ettiği alt taşıyıcı serbest bırakılır. TP, hizmet ettiği UE sayısını CLI'ye göre ayarlar Küçük hücre ağır bir şekilde yüklendiğinde ve kullanılabilir alt taşıyıcı olmadığında TP, hizmet verdiği UE'ler arasında en küçük kanal kazancıyla hizmeti başlatır ve UE tarafından işgal edilen alt taşıyıcılar hemen serbest bırakılır. Bu şekilde TP, küçük hücrelerin yükünü ayarlar ve hizmet ettikleri UE'leri günceller. CLA-CoMP algoritması aşağıdaki gibidir:
başlatma:
CSI'ya göre, her TP kendisine hizmet sağlamak için Un kullanıcılarını seçer.
2.2 Kullanıcı ilişkisinin sonradan olasılığına dayalı güç dağıtım şeması
CLA-CoMP'ye dayalı koşul altında, aşağıdaki bölüm sistemin güç tahsisini tartışacaktır. Sistem toplam oranını maksimize etmek için aşağıdaki planlama denklemi karşılanır:
C2 ve C4'ün dışbükey olmaması nedeniyle, P2UPA tabanlı şema güç dağıtımı için kullanılabilir. Önceki PF-PA şeması ile karşılaştırıldığında, bu şema, en yüksek ilişki olasılığı ile UE'ye daha yüksek güç tahsis edebilir. Bu makale, bir UE bir hizmet talep ettiğinde, TP'nin SINR'yi ve ilişkili UE'nin ulaşılabilir veri aktarım hızını elde edebileceğini varsayar. Yukarıdaki varsayımlara dayanarak, bu belge, her UE'nin birden çok TP tarafından sunulduğu P2UPA şemasını benimser. TP'nin ilişkili kullanıcının SINR'sini ve elde edilebilir veri hızı rm'yi bildiğini varsayarsak, P2UPA'nın ilkesi aşağıdaki gibidir:
(1) Fizibilite setini belirleyin: C3 ve C4 kısıtlama koşullarını karşılayan tüm TP'ler, kullanıcıların bağlanabileceği TP setidir.
(2) Öncelikli ve koşullu olasılık: Her bir UE'nin fizibilite TP setine göre önceki olasılığı tahmin edin. Örneğin, i-inci UE için fizibilite TP seti Fi = {S1, S2, ..., S1} 'dir. İ-inci kullanıcı bağlantısı fizibilite setindeki her TP'nin önceki olasılığı şudur:
3 Simülasyon sonuçları ve analizi
Bu makale 100 × 100 m2'lik bir iletişim alanını ele almaktadır. Bu alanda, TP ve UE düzgün bir şekilde rastgele yerleştirilir ve kanal parametreleri Rayleigh dağılımına uyar. Ana simülasyon parametreleri Tablo 1'de verilmiştir. Genellik kaybı olmaksızın, her bir alt taşıyıcının bant genişliği 1'e ayarlanır. Aşağıdaki alt bölümlerde, bu makale CLA-CoMP'nin performansını PF-PA ve geleneksel CoMP ile karşılaştırmaktadır. Daha sonra, P2UPA şemasını ve PF-PA şemasını kullanan sistemin performansı karşılaştırıldı. Son olarak, bu makale CLA-CoMP'ye dayalı ve PF-PA kullanan sistemleri, CLA-CoMP'yi temel alan ve P2UPA kullanan sistemleri, CLA-CoMP'yi dikkate almayan ve PF-PA kullanan sistemleri ve CLA-CoMP'yi dikkate almayan ve P2UPA kullanan sistemleri tartışmaktadır. Sistemin toplam oranı karşılaştırılır.
Şekil 2, CLA-CoMP tabanlı bir sistem ve PF-PA şeması benimsendiğinde CLA-CoMP'yi dikkate almayan bir sistem için toplam oran ile kullanıcı sayısı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. CLA-CoMP tabanlı sistemin avantajlarının bariz olduğu görülebilir. CLA-CoMP'ye dayalı sistemlerin toplam oranı katlanarak artar ve büyüme oranı CLA-CoMP'yi dikkate almayan sistemlere göre daha hızlı olur. Bunun nedeni, CLA-CoMP tabanlı sistemin temel fikrinin, küçük hücre yükü mevcut kaynaklardan daha büyük olduğunda, TP'nin, minimum kanal kazancı UE'yi kapatmak için küçük hücre yükünü uyarlamalı olarak ayarlaması, ardından mevcut kaynakların bir kısmını serbest bırakması ve kalan UE'lere TP tarafından hizmet verilebilmesidir. Küçük hücrenin yükü dengelenmiştir.
Şekil 3, sistemin toplam hızı ile P2UPA şemasını ve CLA-CoMP'ye dayalı PF-PA şemasını kullanan UE'lerin sayısı arasındaki ilişkiyi gösterir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, P2UPA şemasının PF-PA şemasından üstün olduğu açıktır. Belirli sayıda UE için, P2UPA şemasını ve PF-PA şemasını benimseyen sistemlerin toplam oranının her ikisinin de üssel olarak arttığı görülebilir. Ancak P2UPA, açıkça PF-PA'dan daha iyidir, çünkü P2UPA'nın temel fikri, en yüksek korelasyon olasılığı ile UE'ye daha fazla güç tahsis etmektir.
Şekil 4, CLA-CoMP ve PF-PA şemasına dayalı sistemi, CLA-CoMP ve P2UPA şemasına dayalı sistemi, CLA-CoMP'yi dikkate almadan PF-PA şemasını benimseyen sistemi ve CLA-CoMP'yi dikkate almadan P2UPA şemasını benimseyen sistemi göstermektedir. Sistemin toplam hızı ile iletim gücü arasındaki ilişki. Şekil 4'te gösterildiği gibi, mevcut güç arttıkça, toplam oran dört eğri üzerinde üssel olarak artar. Şekil 3 ve 4, CLA-CoMP'ye dayalı sistemin toplam oranının CLA-CoMP'yi dikkate almayan sistemden daha iyi olduğunu ve P2UPA şemasını kullanan sistemin toplam oranının PF-PA şemasını kullanan sisteminkinden daha iyi olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, PF-PA veya P2UPA'dan bağımsız olarak, CLA-CoMP sisteminin toplam oranı, CLA-CoMP'yi dikkate almayan sisteminkinden daha iyidir. P2UPA şeması için, CLA-CoMP sisteminin toplam hızı, CLA-CoMP'siz sisteminkinden daha iyidir. Bu nedenle, CLA-CoMP tabanlı sistem, daha büyük bir toplam sistem hızı elde etmek için P2UPA şemasını benimser.
4. Sonuç
Bu makale ilk olarak ultra yoğun ağ modelini tanıtıyor ve ardından ultra yoğun ağ iletişiminde ortak frekans girişimini çözmek için CoMP teknolojisini tanıtıyor. CoMP'nin neden olduğu kaynak tahsisi problemini göz önünde bulundurarak, bu makale TP tarafından hizmet verilen UE'lerin sayısını ayarlamak için bir CLA-CoMP şeması önerir. Daha sonra, sistemdeki toplam oranı artırmak için, bu makale, daha büyük kanal kazançları olan kullanıcılara daha fazla güç tahsis edebilen P2UPA şemasını kullanır. Simülasyon sonuçları, CLA-CoMP'ye dayalı ve P2UPA kullanan bir sistemin daha büyük sistem performansı kazanımları sağlayabileceğini göstermektedir.
Referanslar
3GPP, Evrimleşmiş evrensel karasal radyo erişimi (E-UTRA) (LTE-Advanced) (Relesae10). TR36.913, V 10.0.0, 2011.
3GPP, 3GPP sürüm 12.3GPP RP 151570'e genel bakış, V0.2.0, Eylül 2015.
CHEN S, XING C, FEI Z, et al. 5G'de ultra yoğun küçük hücre ağları için dinamik kümeleme algoritması tasarımı.Çin'de Uluslararası İletişim ve Ağ Kurma Konferansı, IEEE, 2016: 836-840.
ZHU X, XIAO C, ZENG J, vd. Ultra yoğun ağda sanal hücre parazit hizalaması.IEEE / CIC International Conference on Communications in China. IEEE, 2016: 1-6.
BAI L, LIU T T, CHEN Z L, ve diğerleri.Çok yoğun ağlar için grafik tabanlı bir girişim topolojisi kontrolü.201412. Uluslararası Sinyal İşleme Konferansı (ICSP), 2014: 1676-1681.
GAO Y, CHENG L, ZHANG X, vd. Ultra yoğun küçük hücre ağında geliştirilmiş güç dağıtım şeması. China Communications (English Edition), 2016, 13 (2): 21-29.
XU X, ZHAO Z F, LI R P, et al.CoMP ortamındaki yardımcı program işlevine dayalı bir kaynak planlama şeması. 20179. Uluslararası WCSP Konferansı, 2017.
YANG Z, ZHANG H, HAO P, vd. Ultra yoğun ağlarda sanal hücre için backhaul duyarlı uyarlamalı TP seçimi. Kişisel, İç Mekan ve Mobil Radyo İletişimi Uluslararası Sempozyumu. IEEE, 2016: 1-6.
ZHANG T, ZHAO J, AN L, vd. Ultra yoğun HetNet'lerde baz istasyonu dağıtımının enerji verimliliği: stokastik bir geometri analizi. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 5 (2): 184-187.
HAMIDOUCHE K, SAAD W, DEBBAH M, ve diğerleri.Çok yoğun küçük hücre ağlarında dağıtılmış önbellekleme için Ortalama Alan oyunları.Amerikan Kontrol Konferansı. IEEE, 2016: 4699-4704.
yazar bilgileri:
Qi Chang, Yang Longxiang
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing 210003, Jiangsu)
