CN102413487A - 一种LTE-A系统中针对Relay技术的性能评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE-A系统中针对Relay技术的系统性能评估方法，包括如下步骤：首先进行中继系统无线场景模型基站、中继以及用户的布局，并生成链路的大尺度和小尺度信道信息，对用户进行服务基站或服务中继节点选择；接着按照子帧分配比例分别进行回程子帧和接入子帧的数据传输，对基站服务的用户和中继节点，以及中继服务用户进行无线资源分配，根据资源分配结果以及CQI、PMI等反馈信息进行数据传输，记录并统计仿真结果。在本发明中，仿真模型使用了模块化的仿真方法，每个模块提供了接口参数，使得该仿真模型对于新的技术具有很好的拓展性。除此以外，该系统还提供了几种中继网络中服务小区选择方法和资源分配算法等技术的相关模块，以供参考和调用。

Description

一种LTE-A系统中针对Relay技术的性能评估系统

技术领域：

本发明属于通信技术领域，涉及一种通信系统的系统性能评估系统，尤其是一种LTE-A系统中针对中继(Relay)蜂窝网络的系统性能评估系统。

背景技术：

无线Relay技术作为一种低功耗、低成本的网络节点，是3GPP组织为了满足IMT-Advanced对于通信系统峰值速率、频谱效率和系统容量方面更高的要求，所研究的一个重要的候选方案。中继技术的引入，有效地填补覆盖不足造成的覆盖空洞和阴影死角，尤其对于路损和穿透损耗都较大的高频段，能够更好的扩大小区覆盖。而且，通过对中继站的频率复用，可以获得小区分裂增益，从而实现更好的频谱利用率和更大的系统容量。放置在小区边缘的中继站可以有效的提升小区边缘用户的频谱效率，提高服务质量。同时，中继节点(RN)不需要有线链接到骨干网，可以有效地减小网络部署成本，也增加了RN位置选择的灵活性。

在中继技术中，涉及到多个基站、多中继站和多个用户，需要对整个系统的性能进行仿真评估，尤其要对中继系统中特有的中继基站布局、增加中继节点后的服务小区选择方式和资源管理方式等技术进行全面、精确的评估，所以需要建立一套完整的中继技术系统级仿真模型对中继网络的小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率等参数进行仿真评估。本专利就是针对中继网络提出的系统级仿真方法。

目前，针对LTE系统的系统级仿真方法研究较多，而对于中继的系统级仿真也主要针对单个技术的仿真。相比于LTE系统，中继系统的仿真具有很多的区别。首先，中继网络是在原有的LTE系统中增加了新的无线节点后的异构网络，这就带来了服务小区选择方式的不同。在中继系统中，用户不仅要根据单跳链路质量，还需要根据地理位置和多跳链路质量进行接入基站或者接入到中继节点的选择。其次，在中继系统中，为了避免中继节点同时进行收发操作时，接收侧受到中继本身发射侧信号泄露的影响，3GPP TR36.814提出使用半双工的方式，即将无线帧在时域上分为回程子帧和接入子帧，其中回程子帧用于基站到中继节点的服务，接入子帧用于基站和中继节点对各自服务用户的服务，而无线资源分配方式也变得更为复杂。在对LTE系统的仿真过程中，整个无线帧都用与基站对用户的服务，而对中继系统的仿真就需要对无线帧进行划分，大大增加了仿真的难度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种针对中继技术的系统级仿真方法，该方法通过对中继技术进行分析和抽象，使用模块化的仿真方法，得到中继系统的仿真模型。该模型能够对不同中继节点放置位置和数量的系统性能进行仿真，同时，通过对相关模块的拓展，该仿真模型能够对不同服务小区选择方式以及无线资源分配方式等技术进行仿真评估。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种LTE-A系统中针对Relay技术的性能评估系统，包括以下模块：

无线场景生成模块、服务节点选择模块、快衰落信道生成模块、无线子帧判决模块、反馈信息计算模块、中继系统资源分配模块、功率控制模块、吞吐量统计模块、子帧循环模块和性能指标计算模块；

1)无线场景生成模块，进行中继系统的无线服务基站、中继以及用户的布局，根据中继数量和位置的设置放置中继节点，并生成中继系统中直连链路、回程链路以及接入链路三条链路的大尺度参数；

2)服务节点选择模块，对每个用户根据1)中生成的三条链路的大尺度参数进行服务基站或中继的选择；

3)快衰落信道生成模块，根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，产生信道的小尺度参数，整合信道大尺度和小尺度参数，生成信道系数矩阵；

4)无线子帧判决模块，根据当前无线子帧序号以及子帧分配比例，判断当前子帧为回程子帧还是接入子帧，经过判决后，进入相应子帧的传输流程；

5)反馈信息计算模块，进行反馈信息计算，进行CQI，PMI和RI的反馈；

6)中继系统资源分配模块，利用反馈信息，在回程子帧和接入子帧，分别对基站所服务的用户、中继所服务的用户以及基站所服务的中继节点进行资源分配；

7)功率控制模块，进行功率控制，参考LTE系统，基站和中继节点在每个子载波上使用相同的发射功率；

8)吞吐量统计模块，计算用户和中继节点接收数据时使用资源块的SINR，通过有效SINR的映射方式计算相应资源块的误块率，统计该子帧用户或者中继节点接收的数据量；

9)子帧循环模块，记录当前数据结果，继续进行本次快拍下的子帧循环，将一次快拍设置为一个Drop，每个Drop重新进行用户撒播，并将一个子帧长度设定为一个TTI，判断TTI的个数是否达到设定值，如果没有达到，则从所述快衰落信道生成模块继续操作；如果达到设定值则记录当前Drop下的结果，从所述无线场景生成模块开始操作，直到Drop循环结束；

10)性能指标计算模块，统计经过多个Drop，多个TTI循环后的结果，得到系统性能参数：包括小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率，并与LTE系统性能进行比较，得到性能增益曲线。

所述无线场景生成模块中：

1-1)根据3GPP TR36.814对于对三种典型的中继系统无线场景模型的定义，选择仿真场景，进行基站的放置和用户的随机撒播，所述三种典型的中继系统无线场景为Case1即Urban、Case3的Suburban和Case3的Rual/Suburban场景；根据设置参数选定的无线场景模型，放置基站并在每个扇区内均匀撒播用户，并根据配置参数设置的中继位置和数量在扇区中放置中继节点；

1-2)使用3GPP TR25.942中的Wrap-Around的网络拓扑结构拓展网络，获取每个用户周围有效的基站和中继节点位置，根据选定的无线场景模型在可视和非可视情况下，计算中继系统中用户到基站的直连链路，用户到中继节点的接入链路以及中继到其服务基站的回程链路三条链路的路径损耗、阴影衰落以及方向性天线的角度增益大尺度参数和宽带SINR；

所述服务节点选择模块中：

2-1)每个用户根据所述无线场景生成模块中生成的三条链路的大尺度参数进行服务小区的选择，使用以下三种服务小区选择方式或通过对该模块的拓展加入新的服务小区选择方式；

2-2)三种服务小区选择方式，分别为RSRP，即Reference signal received power方式、偏倚的RSRP方式以及合并两跳链路SINR的服务小区选择方式，其中第三种服务小区选择方式使用(1)式将接入链路和回程链路的SINR进行合并，等效为单跳链路的SINR；

${\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{1\mathrm{hop}})=\frac{{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{access}}){\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{backhaul}})}{{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{access}})+{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{backhaul}})}---\left(1\right)$

式中，SINR_access表示接入链路的SINR，SINR_backhaul表示回程链路的SINR，SINR_1hop表示等效的单跳链路的SINR。

根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述快衰落信道生成模块中：

3-1)根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，生成链路的大尺度系数，包括DelaySpread、Angle Spread、参数K以及Shadow Fading；

3-2)使用3-1)中的大尺度系数产生每条链路多径的时延、功率以及发射到达角；

3-3)使用3-2)中每条链路的多径参数计算该条链路在时域上的分布，并进行FFT得到该条链路在频域上的信道系数；

所述无线子帧判决模块中：

4-1)将一个无线帧的十个子帧按比例划分为回程子帧和接入子帧，通过比较当前的子帧序号以及设置的分配比例，判断当前子帧是回程子帧还是接入子帧；

4-2)在回程子帧，为了避免中继节点同时进行收发操作时的强干扰，此时中继停止向其服务用户发送数据，基站对其服务用户或服务中继节点进行数据传输；

4-3)在接入子帧，基站停止向其服务中继节点传输数据，但可以对其服务用户进行服务，同时中继节点开始对其服务用户进行数据传输。

所述中继系统资源分配模块中：

6-1)通过所述反馈信息计算模块中的反馈信息得到用户和中继在每个资源块的瞬时吞吐量和累计吞吐量，并参考基站和中继节点各自服务的用户数量，分别在回程子帧和接入子帧进行资源块的分配；

6-2)资源分配采用集中式资源分配算法、分布式正交和复用的资源分配算法，同时无线资源分配模块提供了了开放的接口，可以通过模块拓展加入新的资源分配方式；

6-3)在中继系统中使用MU-MIMO技术，依据和速率比例公平算法进行用户配对和资源分配，并生成相应的预编码矩阵。

所述吞吐量统计模块中：

8-1)对于用户所使用资源块所对应的每个子载波，在收端的接收信号如(2)式所示，

式中，p_k表示第k个用户信号的发射功率，H_k为第k个用户的信道矩阵，v_k为第k个用户的预编码向量，s_k为第k个用户的发射信号；式中第二部分表示该用户接收到其服务基站或中继的相同子载波其他数据流的流间干扰其中，N_k表示使用该子载波的其他数据流个数，p_i、v_i和s_i分别表示其他数据流的发射功率、预编码向量和发射信号；第三部分表示其他基站和中继对第k个用户接收功率的干扰，其中N_all表示总得用户数，p_j、v_j和s_j分别表示其他基站和中继对其服务用户的发射功率、预编码向量和发射信号，H_jk表示其他基站和中继到第k个用户的信道矩阵；n_k表示第k个用户接收的噪声信号；

在接收端经过MMSE接收机，得到的第k个用户在一个子载波的SINR如(3)式所示，

${\mathrm{SINR}}_k=\frac{p_k{\left|G_k{H}_k{v}_k\right|}^2}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|G_k{H}_k{v}_i\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{all}}-N_k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j{\left|G_k{H}_{\mathrm{jk}}{v}_j\right|}^2+{\left|G_k\right|}^2{N}_0}---\left(3\right)$

式中，N₀表示噪声功率，G_k为MMSE接收机的接收系数，其表达式如(4)式所示，

$G_k={v_k}^H{H_k}^H{(\frac{H_k\mathrm{UE}\left[{\mathrm{ss}}^H\right]U^H{H}_k^H}{p_k}+\frac{N_0{I}_k}{p_k})}^{-1}---\left(4\right)$

式中，U为预编码矩阵，s为多流发射向量I_k为单位阵；

8-2)使用MI-ESM的方法，由每个资源块对应的十二个子载波的SINR映射为该资源块的互信息，进而使用链路级仿真结果曲线得到该资源快的误块率BLER；

8-3)计算每个用户在所分配资源快上的吞吐量，并记录该次TTI的结果；在统计时，在中继节点设置一个缓冲池，当某个中继的缓冲池为空时，该中继所服务的用户无法再接受数据，即中继节点在回程链路接收的数据量会对其在接入链路发送的数据量产生限制作用。

所述性能指标计算模块中：

11-1)在一个Drop内，将多个TTI的结果进行统计，对每个用户的每个资源块在一个Drop内传输的数据量进行求和，得到每个用户在该Drop内的吞吐量，由(5)式得到小区平均频谱效率，小区边缘用户频谱效率为小区频谱效率前5％用户；

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\χ}}_i}{\mathrm{T\ωM}}---\left(5\right)$

式中，χ_i表示用户i的吞吐量，T表示仿真时间，ω表示系统带宽，M表示扇区个数；

11-2)对多个Drop仿真得到的小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率求算数平均；与LTE系统性能参数进行比较，得到增益并绘制吞吐量累计分布函数曲线。

所述反馈信息计算模块根据最大吞吐量的原则生成每个资源块的MCS等级，根据TS36.213，本系统使用15个MCS等级；反馈方式为：通过SVD分解方式或基于码本的预编码方式、得到预编码矩阵，并将其反馈回发射端。

所述吞吐量统计模块接收端使用MMSE接收机，计算用户和中继节点接收数据时使用资源块的SINR，并通过链路级仿真结果得到相应资源块的误块率，统计该子帧用户或者中继节点接收的数据量。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种针对中继技术的系统级仿真方法，实现了在不同无线场景下，对中继系统性能的仿真评估。同时，该中继系统仿真模型使用了模块化的仿真方法，每个模块提供了相关接口参数，使得仿真模型对于新的技术具有很好的拓展性，可以针对中继网络中某项关键技术进行专门研究。除此以外，该系统还提供了几种中继网络中服务小区选择方法和资源分配算法的相关模块，以供参考和调用。

附图说明：

图1是Relay系统级仿真模型的原理框图。

图2(a)是Relay系统中的基站和1个中继节点的布局图。

图2(b)是Relay系统中的基站和2个中继节点的布局图。

图2(c)是Relay系统中的基站和4个中继节点的布局图。

图3是Relay系统中的子帧分配图。

图4是链路级系统级接口的原理图。

图5是Relay系统仿真结果的柱状图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

中继网络相比于LTE系统实现更好的频谱利用率和更大的系统容量，并且可以有效的提升小区边缘用户的频谱效率。但是由于新的中继节点的引入，中继系统对于服务小区选择、资源管理方式等技术有了更高的要求，同时中继系统的仿真方法相比于LTE系统有了很大的不同。本发明针对Relay系统提出了一种模块化系统级的性能评估系统，能够有效的对中继系统的整体性能以及关键技术进行仿真评估。

图1是Relay系统级仿真模型的原理框图，该评估方法具体包括以下步骤：

1)根据3GPP TR36.814对于对三种典型的中继系统无线场景模型的定义，即Case1(城市)、Case3(郊区Suburban)和Case3(乡村Rural\Suburban)，选择仿真场景，进行基站的放置和用户的随机撒播，依据仿真对中继数量和位置的设置放置中继节点，并生成仿真系统中直连链路、回程链路以及接入链路三条链路的大尺度参数，具体操作为：

1-1)根据参数设置中选择的场景编号建立仿真场景模型，放置19个基站，每个基站分为3个扇区，共57个扇区，在每个扇区中均匀撒播10个用户。在每个扇区中，选择放置1，2或者4个中继节点，同时，通过设置每个中继到其服务基站的距离和偏离基站正西方向的角度，可以任意设定中继节点的放置位置，以此对不同中继数量和中继位置的系统进行评估，如图2所示，图中每个六边形表示一个扇区。

1-2)使用Wrap-Around的网络拓扑结构拓展网络，因为系统级仿真受到计算机能力的限制，无法放置过多的基站和终端，使得处于模型边缘的终端和处于模型中间的终端相比，附近的干扰源变少，不符合实际情况，因此采用3GPP TR25.942中提到的Wrap-Around结构，拓展19小区结构，使得处于中心和边缘小区的用户同样受到18个小区的干扰，在此，需要将基站和中继节点同时进行Wrap-Around网络结构的拓展。

1-3)进行网络结构拓扑后，对每个用户选取周围距离最近的19个基站以及相应扇区内的中继作为有效服务节点。根据3GPP TR36.814对所选定场景的建模方式，计算每个用户到附近57个扇区的直连链路和到57×N(N表示每扇区中继个数)个中继节点接入链路的大尺度参数，并且计算57×N个中继节点到其服务基站的回程链路的大尺度参数，其中大尺度参数包括在可视或者非可视情况下的路径损耗、阴影衰落以及方向性天线的角度增益等参数。为了保证仿真方法的正确性，根据3GPP的提案，本仿真模型对三种仿真场景三条链路的总的大尺度衰落以及宽带SINR的CDF曲线进行了校准。

1-4)在该仿真模型中，为了测试回程链路质量对中继系统性能的影响，设置了三种质量的回程连路，分别为未使用SP(Site Planning，位置优化)、使用SP以及理想的带内回程链路，其中将理想的带内回程链路设置为没有干扰和噪声的回程链路，以测试不同回程链路质量下的系统性能。

2)对每个用户进行服务基站或中继的选择。每个用户根据步骤1)中生成的三条链路的大尺度参数进行服务小区的选择。在本仿真模型中，已经支持三种服务小区选择方式，分别为RSRP(Reference signal received power)方式、偏倚的RSRP方式以及合并两跳链路SINR的服务小区选择方式，具体操作为：

2-1)服务小区选择在仿真模型中为一个独立的模块，它的输入参数包括每个用户到57个扇区和57×N个中继节点的距离和大尺度参数，输出为一个570×(57+57×N)的配对矩阵，通过对该模块的拓展，可以对不同的服务小区选择方式进行研究，本仿真系统已经实现了下面三种服务小区选择方式。

2-2)RSRP方式如(1)式所示，即在用户端，无论参考信号来自基站或来自中继节点，用户只选择接收到的参考信号最大的节点对其服务。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{RSRP}}_{\mathrm{BS}}=P_{\mathrm{BS}}\×{\mathrm{PL}}_{\mathrm{BM}}\\ {\mathrm{RSRP}}_{\mathrm{RS}}=P_{\mathrm{RS}}\×{\mathrm{PL}}_{\mathrm{RiM}}\end{array}\right.r_s=\arg \underset{n\∈N}{\max }\left({\mathrm{RSRP}}^{\left(n\right)}\right)---\left(1\right)$

式中，PL大尺度路径损耗，PL_BM表示基站到用户的路损，PL_RiM表示中继到用户的路损，RSRP_BS和RSRP_RS分别表示用户接收到的来自基站和中继的参考信号功率，N为基站和中继的总个数，r_s表示选择的基站或中继编号。

2-3)偏倚的RSRP服务小区选择方式。为了增加中继节点的覆盖，该方式在进行服务小区选择判决时，给接收到的中继节点的参考信号接收功率增加了XdB的偏倚，这样就会有更多的用户接入到中继节点。

2-4)合并两跳链路SINR的服务小区选择方式。该方式是一种综合考虑接入链路和回程链路两跳链路整体质量的服务小区选择方式，利用两条链路的信道容量进行合并，得到等效的一条链路的SINR与直连链路的SINR进行比较判决，合并方式如(2)式所示，

c_access＝Blog₂(1+SINR_access)

c_backhaul＝Blog₂(1+SINR_backhaul)

R＝K_accessc_access＝K_backhaulc_backhaul＝(K_access+K_backhaul)c_1hop    (2)

$c_{1\mathrm{hop}}=\frac{1}{\frac{1}{c_{\mathrm{access}}}+\frac{1}{c_{\mathrm{backhaul}}}}=\frac{c_{\mathrm{access}}{c}_{\mathrm{backhaul}}}{c_{\mathrm{access}}+c_{\mathrm{backhaul}}}$

${\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{1\mathrm{hop}})=\frac{{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{access}}){\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{backhaul}})}{{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{access}})+{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{backhaul}})}$

式中，SINR_access表示接入链路的SINR，SINR_backhaul表示回程链路的SINR，中继接收的数据量和其发送的数据量是相等的，设为R；接入子帧和回程子帧长度分别为K_access和K_backhaul，接入链路和回程链路的信道容量分别为c_access和c_backhaul，使用相同的带宽B；c_1hop表示将两跳链路等效为一跳链路的信道容量；求解方程得到的SINR_1hop即为两跳链路等效为一跳链路的SINR。

3)根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，产生信道的小尺度参数，整合信道大尺度和小尺度参数，生成信道系数，具体操作为：

3-1)在产生大尺度衰落后，根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，生成链路的大尺度系数，包括DS(Delay Spread)、AS(Angle Spread)、参数K以及SF(Shadow Fading)

3-2)使用3-1)中的大尺度系数产生每条链路多径的时延、功率以及发射到达角。为了保证仿真方法的正确性，本仿真模型参考WINNER给出的信道校准结果，对生成的多径的时延、功率以及发射到达角的CDF曲线进行了校准。

3-3)使用3-2)中每条链路的多径参数计算该条链路在时域上的分布，并进行FFT得到该条链路在频域的信道系数，将其与1)中生成的链路大尺度衰落相乘，得到最终的信道矩阵。需要注意的是，根据M.2135中的描述，在一个Drop内的若干个TTI中，信道的变化是比较小的，每条链路多径的时延、功率以及发射到达角并没有显著的变化，只是每条多径的相位发生了变化，这些参数在不同的Drop会有比较大的变化，需要重新生成。

4)根据当前无线子帧序号以及子帧分配比例，判断当前子帧为回程子帧还是接入子帧，经过判决后，进入相应子帧的传输流程，如图3所示，具体操作如下：

4-1)将一个无线帧的十个子帧按比例划分为回程子帧和接入子帧，通过比较当前仿真的子帧序号以及仿真系统设置的分配比例，判断当前子帧是回程子帧还是接入子帧，经过判决后，进入相应子帧的传输流程，图3所示为一个2:8的回程子帧和接入子帧的分配方式。

4-2)在回程子帧，为了避免中继节点同时进行收发操作时的强干扰，此时中继停止向其服务用户发送数据，基站对其服务用户或服务中继节点进行数据传输。

4-3)在接入子帧，基站停止向其服务中继节点传输数据，但可以对其服务用户进行服务，同时中继节点开始对其服务用户进行数据传输。

5)进行反馈信息计算，主要进行CQI，PMI和RI的反馈。该模块依据最大吞吐量的原则生成每个资源块的MCS等级，根据TS36.213，本系统使用15个MCS等级。预编码获取是通过SVD分解方式得到预编码矩阵，并将其反馈回发射端，也可以使用基于码本的预编码方式。

6)利用反馈信息，在回程子帧和接入子帧，分别对基站服务用户、中继服务用户以及基站所服务的中继节点进行资源分配，本仿真模型已经实现了集中式资源分配算法，分布式正交和复用的资源分配算法，并且支持中继系统中MU-MIMO技术的使用，具体操作为：

6-1)资源分配算法在仿真模型中为一个单独的模块，接收5)中提供的反馈信息，它输入参数包括每个用户服务基站或中继的选择信息，每个用户到其服务基站或者中继链路的在50个资源块上估计的瞬时吞吐量以及累计吞吐量，每个中继基站到其服务基站的瞬时吞吐量和累计吞吐量。输出为一个570×50×2维的用户资源分配矩阵，其中第三维表示在接入子帧和回程子帧的分配情况，另外还要输出(57×N)×50维的中继在回程子帧的资源分配矩阵。利用这些输入输出参数，可以通过对该模块的拓展，对不同的中继资源分配算法进行研究，本仿真系统已经实现了下面三种资源分配算法，并且可以调用多用MIMO技术(MU-MIMO)。

6-2)集中式的资源分配算法。集中式无线资源调度中，基站根据基站用户的上行反馈以及通过中继节点的中继用户的上行反馈，对接入子帧和回程子帧的资源进行集中分配。首先，基站根据所有用户的信息，按照传统的比例公平算法在接入子帧将基站和中继的资源分配给它们所服务的用户。接下来，基站依据得到的接入子帧资源分配表以及接入链路的信道质量估计出每个中继需要传输的数据量。最后，基站通过对上一步中得到的中继传输数据量以及对回程链路信道的估计在回程子帧给中继节点分配资源，并将剩余资源按照比例公平算法分配给基站用户。

6-3)接入子帧资源复用的分布式比例公平分配算法。在接入子帧，使用复用的方式时，基站和中继节点都占用系统的全频带，此时，基站和中继对各自的用户使用比例公平调度。

在回程子帧，基站可以同时给基站服务用户和中继节点分配资源，而中继在资源分配的过程中具有较高的优先级，本仿真模型实现了三种回程子帧的资源分配方式。

6-3-1)根据用户比例分配，该方法是根据基站和中继所服务的用户数进行资源分配，如(3)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{U_{{\mathrm{RN}}_k}}{U}\×\frac{S_{\mathrm{backhaul}}+S_{\mathrm{access}}}{S_{\mathrm{backhaul}}}---\left(3\right)$

式中，N表示总的资源块数，U表示用户总数，

表示第k个中继所服务的用户数，S_backhaul和S_access分别表示一个无线帧中回程子帧和接入子帧的个数，经过计算，

即为在回程子帧分配给第k个中继的资源块数量，分配给基站服务用户的资源块如(4)式所示，

$N_{\mathrm{eNB}}=N-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{R{N}_k}---\left(4\right)$

式中，N为资源块总数，K为本扇区内总的中继个数，N_eNB为基站在回程链路分配给基站服务用户的资源数量。

6-3-2)根据瞬时吞吐量比例分配，该方法是在回程子帧根据中继估计的其在接入子帧的瞬时吞吐量进行资源分配，如(5)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{T_{{\mathrm{RN}}_k}}{T}\×\frac{S_{\mathrm{backhaul}}+S_{\mathrm{access}}}{S_{\mathrm{backhaul}}}---\left(5\right)$

式中，N表示总的资源块数，表示估计的第k个中继在接入子帧的瞬时吞吐量，T为加上基站估计的服务用户在接入子帧总的吞吐量，

即为在回程子帧分配给第k个中继的资源块数量，分配给基站服务用户的资源块如(4)式所示。

6-3-3)根据优先等级比例公平分配，该方法是在回程子帧根据基站服务用户和中继的优先级进行资源分配，设定优先级用L表示，如(6)式所示，

$L=\frac{\tilde{T}}{T_{\mathrm{sum}}}---\left(6\right)$

式中，

表示瞬时吞吐量，T_sum表示历史累计吞吐量。定义资源块总数为N，扇区内中继个数为K，用户总数为U，基站用户集合为u_eNB，基站的服务用户个数为U_eNB，中继k的用户集合为

中继k的服务用户个数为

基站用户的在接入子帧估计的总瞬时吞吐量为

(

为用户u的瞬时吞吐量)，基站用户的总历史累计吞吐量为T_eNB(

T_u为用户u的历史累计吞吐量)，中继k在回程子帧估计的瞬时吞吐量为

中继k在回程子帧累计历史吞吐量为中继k的用户在接入子帧估计的总瞬时吞吐量为

(

为用户u在接入子帧的瞬时吞吐量)，中继k的用户的总历史累计吞吐量为

(其中T_u为用户u的历史累计吞吐量)。

此时，优先级的计算有两种方法，第一种中继k的优先级为

如式(7)所示，基站用户的优先级为L_eNB，如式(8)所示，

$L_{{\mathrm{RN}}_k}=\frac{{\tilde{T}}_{{\mathrm{RN}}_k}^{\′\′}}{{T^{\′\′}}_{{\mathrm{RN}}_k}}*U_{{\mathrm{RN}}_k}=\frac{\min ({\tilde{T}}_{{\mathrm{RN}}_k},{\tilde{T}}_{{\mathrm{RN}}_k}^{\′})}{\min (T_{{\mathrm{RN}}_k},{T^{\′}}_{{\mathrm{RN}}_k})}*U_{{\mathrm{RN}}_k}---\left(7\right)$

$L_{\mathrm{eNB}}=\frac{{\tilde{T}}_{\mathrm{eNB}}}{T_{\mathrm{eNB}}}*U_{\mathrm{eNB}}---\left(8\right)$

其中，

表示中继k的瞬时吞吐量；

表示：中继k的累计吞吐量；第二种优先级计算方式的

和L_eNB分别如(9)和(10)式所示，

$L_{{\mathrm{RN}}_k}=\underset{u\∈u_{{\mathrm{RN}}_k}}{\mathrm{\Σ}}{L}_u=\underset{u\∈u_{{\mathrm{RN}}_k}}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\tilde{T}}_u}{T_u}---\left(9\right)$

$L_{\mathrm{eNB}}=\underset{u\∈u_{\mathrm{eNB}}}{\mathrm{\Σ}}{L}_u=\underset{u\∈u_{\mathrm{eNB}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\tilde{T}}_u}{T_u}---\left(10\right)$

其中，L_u表示用户u的优先级；

使用计算的得到的基站用户和中继的优先级，进行资源分配，如(11)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{L_{{\mathrm{RN}}_k}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{{\mathrm{RN}}_k}+L_{\mathrm{eNB}}}\×\frac{S_{\mathrm{backhaul}}+S_{\mathrm{access}}}{S_{\mathrm{backhaul}}}---\left(11\right)$

即为在回程子帧分配给第k个中继的资源块数量，分配给基站用户的总的资源块数量为N_eNB，如(12)式所示。

$N_{\mathrm{eNB}}=N-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{{\mathrm{RN}}_k}---\left(12\right)$

6-4)接入子帧资源正交使用的分布式比例公平分配算法。该方法与复用方法不同在于，中继系统在接入子帧时，同一扇区的基站和中继使用正交的资源，以消除扇区内基站和中继间的同频干扰。在这种资源分配方式下，对接入子帧的资源分配有三种方法。

6-4-1)根据用户比例分配，该方法如(13)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{U_{{\mathrm{RN}}_k}}{U}---\left(13\right)$

式中，N为系统资源块总数，U为总的用户数，

表示中继k服务的用户个数，

为在接入子帧中继k使用的资源块，此时接入子帧基站使用的资源块为N_eNB，如(14)式所示。

$N_{\mathrm{eNB}}=N-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{{\mathrm{RN}}_k}---\left(14\right)$

式中，K为本扇区总的中继个数。

6-4-2)根据瞬时吞吐量比例分配，分配方式如(15)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{T_{{\mathrm{RN}}_k}}{T}---\left(15\right)$

式中，表示在接入子帧，中继k的用户在使用全部资源块时估计的总的吞吐量，T表示所有用户在接入子帧估计的总的吞吐量，

为在接入子帧中继k使用的资源块，此时接入子帧基站使用的资源块为N_eNB，如(14)式所示。

6-4-3)根据优先级的比例分配，分配方式如(16)式所示，

$N_{{\mathrm{RN}}_k}=N\×\frac{L_{{\mathrm{RN}}_k}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{{\mathrm{RN}}_k}+L_{\mathrm{eNB}}}---\left(16\right)$

式中，

为中继k的优先级，L_eNB为基站的优先级，优先级的计算方式与6-3-3)的两种方式相同，

为在接入子帧中继k使用的资源块，此时接入子帧基站使用的资源块为N_eNB，如(14)式所示。

在进行回程子帧的资源分配时，根据在接入子帧的资源分配表以及接入链路的信道质量估计每个中继需要传输的数据量，以此在回程链路给中继分配相应的资源，将剩余资源块按照比例公平算法分配各基站服务用户。

6-5)本方法对回程链路使用基于非酉预编码的ZF(Zero Forcing)方案，每个中继节点根据自身信道信息得到其预编码向量，并将其反馈回基站，基站端选择部分中继进行多用户传输，该部分中继反馈回来的预编码向量组成矩阵W(S)，经过伪逆运算G(S)＝W(S)[W^H(S)W(S)]^-1得到该组中继新的非酉预编码矩阵，通过发射端的ZF减小甚至消除中继间干扰，同时，使用和速率比例公平调度算法进行资源分配和用户配对的选择，对于发射端具有4根发射天线的情况，自适应的将一个资源块分配给1到4个用户进行数据传输。

7)进行功率控制，本仿真模型参考LTE系统，基站和中继节点在每个子载波上使用相同的发射功率，可以通过对本模块的拓展，评估其他功率分配方式。

8)在接收端使用MMSE接收机，计算用户和中继节点接收数据时使用资源块的SINR，并通过链路系统级仿真接口和链路级仿真结果得到相应资源块的误块率，统计该子帧用户或者中继节点接收的数据量，具体操作为：

8-1)对于用户所使用资源块对应的每个子载波，在收端的接收信号如(17)式所示，

其中，p_k表示第k个用户信号的发射功率，H_k为第k个用户的信道矩阵，v_k为第k个用户的预编码向量，s_k为第k个用户的发射信号；式中第二部分表示该用户接收到其服务基站或中继的相同子载波其他数据流的流间干扰其中，N_k表示使用该子载波的其他数据流个数，p_i、v_i和s_i分别表示其他数据流的发射功率、预编码向量和发射信号；第三部分表示其他基站和中继对第k个用户接收功率的干扰，其中N_all表示总得用户数，p_j、v_j和s_j分别表示其他基站和中继对其服务用户的发射功率、预编码向量和发射信号，H_jk表示其他基站和中继到第k个用户的信道矩阵；n_k表示第k个用户接收的噪声信号；

在收端经过MMSE接收机，得到的第k个用户在一个子载波的SINR如式(18)所示，

${\mathrm{SINR}}_k=\frac{p_k{\left|G_k{H}_k{v}_k\right|}^2}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|G_k{H}_k{v}_i\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{all}}-N_k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j{\left|G_k{H}_{\mathrm{jk}}{v}_j\right|}^2+{\left|G_k\right|}^2{N}_0}---\left(18\right)$

式中，N₀表示噪声功率，G_k为MMSE接收机的接收系数，其表达式如(19)所示，

$G_k={v_k}^H{H_k}^H{(\frac{H_k\mathrm{UE}\left[{\mathrm{ss}}^H\right]U^H{H}_k^H}{p_k}+\frac{N_0{I}_k}{p_k})}^{-1}---\left(19\right)$

式中，U为预编码矩阵，s为多流发射向量，I_k为单位阵。

8-2)使用MI-ESM的方法，如图4所示，由每个资源块对应的十二个子载波的SINR映射为该资源块的互信息，进而使用对应MCS等级的链路级仿真结果曲线得到该资源块的误块率BLER。

8-3)计算每个用户在所分配资源快上的吞吐量，并记录该TTI的仿真结果。在统计时需要注意，在中继节点设置了一个缓冲池，当某个中继的缓冲池为空时，该中继所服务的用户无法再接受数据，即中继节点在回程链路接收的数据量会对其在接入链路发送的数据量产生限制作用。

9)记录当前子帧的仿真结果，继续进行本次Drop下的TTI循环，在仿真过程，为了保证在1个Drop内仿真结果的收敛性，需要设置比较大的TTI仿真次数。

10)记录当前Drop下的仿真结果，继续进行Drop循环，直到Drop循环结束，在仿真过程中，每个Drop就是对用户进行重新撒播，所以为了保证用户分布的随机性，一般需要进行多个Drop的仿真，再对仿真结果进行统计。

11)统计经过多个Drop，多个TTI循环后的仿真结果，得到系统性能参数包括小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率，并与LTE系统性能进行比较，得到性能增益并绘制相关曲线，具体操作为：

11-1)在一个Drop内，将多个TTI的结果进行统计，对每个用户的每个资源块在一个Drop内传输的数据量进行求和，得到每个用户在该Drop内的吞吐量，由(20)式得到小区平均频谱效率，小区边缘用户频谱效率为小区频谱效率前5％用户。

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\χ}}_i}{\mathrm{T\ωM}}---\left(20\right)$

式中，χ_i表示用户i的吞吐量，T表示仿真时间，ω表示系统带宽，M表示扇区个数。

11-2)对多个Drop仿真得到的小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率求算数平均。与LTE系统性能参数进行比较，得到增益并绘制吞吐量CDF。

图5为该仿真模型的仿真结果，本次仿真使用Case1的无线场景模型，使用RSRP的服务小区选择方式和复用的分布式资源分配方式，分别评估了在每扇区1、2、4中继节点下三种回程链路质量的中继系统性能，设定的TTI为600次，Drop设为5次。图中，左图为小区平均频谱效率柱状图，右图为小区边缘用户频谱效率柱状图，每幅图中分为三部分，分别为在每扇区1、2、4中继节点下的性能对比，每部分包含四条柱状图，分别表示LTE系统、回程链路使用SP、回程链路不适用SP以及理想带内回程链路的系统性能。通过修改仿真模型参数，和模块的拓展，可以进行其他中继技术的仿真研究。

Claims (10)

1.一种LTE-A系统中针对Relay技术的性能评估系统，其特征在于，包括以下模块：

无线场景生成模块、服务节点选择模块、快衰落信道生成模块、无线子帧判决模块、反馈信息计算模块、中继系统资源分配模块、功率控制模块、吞吐量统计模块、子帧循环模块和性能指标计算模块；

1)无线场景生成模块，进行中继系统的无线服务基站、中继以及用户的布局，根据中继数量和位置的设置放置中继节点，并生成中继系统中直连链路、回程链路以及接入链路三条链路的大尺度参数；

2)服务节点选择模块，对每个用户根据1)中生成的三条链路的大尺度参数进行服务基站或中继的选择；

3)快衰落信道生成模块，根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，产生信道的小尺度参数，整合信道大尺度和小尺度参数，生成信道系数矩阵；

4)无线子帧判决模块，根据当前无线子帧序号以及子帧分配比例，判断当前子帧为回程子帧还是接入子帧，经过判决后，进入相应子帧的传输流程；

5)反馈信息计算模块，进行反馈信息计算，进行CQI，PMI和RI的反馈；

6)中继系统资源分配模块，利用反馈信息，在回程子帧和接入子帧，分别对基站所服务的用户、中继所服务的用户以及基站所服务的中继节点进行资源分配；

7)功率控制模块，进行功率控制，参考LTE系统，基站和中继节点在每个子载波上使用相同的发射功率；

8)吞吐量统计模块，计算用户和中继节点接收数据时使用资源块的SINR，通过有效SINR的映射方式计算相应资源块的误块率，统计该子帧用户或者中继节点接收的数据量；

9)子帧循环模块，记录当前数据结果，继续进行本次快拍下的子帧循环，将一次快拍设置为一个Drop，每个Drop重新进行用户撒播，并将一个子帧长度设定为一个TTI，判断TTI的个数是否达到设定值，如果没有达到，则从所述快衰落信道生成模块继续操作；如果达到设定值则记录当前Drop下的结果，从所述无线场景生成模块开始操作，直到Drop循环结束；

10)性能指标计算模块，统计经过多个Drop，多个TTI循环后的结果，得到系统性能参数：包括小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率，并与LTE系统性能进行比较，得到性能增益曲线。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线场景生成模块中： 

1-1)根据3GPP TR36.814对于对三种典型的中继系统无线场景模型的定义，选择仿真场景，进行基站的放置和用户的随机撒播，所述三种典型的中继系统无线场景为Case1即Urban、Case3的Suburban和Case3的Rual/Suburban场景；根据设置参数选定的无线场景模型，放置基站并在每个扇区内均匀撒播用户，并根据配置参数设置的中继位置和数量在扇区中放置中继节点；

1-2)使用3GPP TR25.942中的Wrap-Around的网络拓扑结构拓展网络，获取每个用户周围有效的基站和中继节点位置，根据选定的无线场景模型在可视和非可视情况下，计算中继系统中用户到基站的直连链路，用户到中继节点的接入链路以及中继到其服务基站的回程链路三条链路的路径损耗、阴影衰落以及方向性天线的角度增益大尺度参数和宽带SINR。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述服务节点选择模块中：

2-1)每个用户根据所述无线场景生成模块中生成的三条链路的大尺度参数进行服务小区的选择，使用以下三种服务小区选择方式或通过对该模块的拓展加入新的服务小区选择方式；

2-2)三种服务小区选择方式，分别为RSRP，即Reference signal received power方式、偏倚的RSRP方式以及合并两跳链路SINR的服务小区选择方式，其中第三种服务小区选择方式使用(1)式将接入链路和回程链路的SINR进行合并，等效为单跳链路的SINR；

式中，SINR_access表示接入链路的SINR，SINR_backhaul表示回程链路的SINR，SINR_1hop表示等效的单跳链路的SINR。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述快衰落信道生成模块中：

3-1)根据ITU M.2135提出的快衰落信道模型，生成链路的大尺度系数，包括Delay Spread、Angle Spread、参数K以及Shadow Fading；

3-2)使用3-1)中的大尺度系数产生每条链路多径的时延、功率以及发射到达角；

3-3)使用3-2)中每条链路的多径参数计算该条链路在时域上的分布，并进行FFT得到该条链路在频域上的信道系数。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线子帧判决模块中：

4-1)将一个无线帧的十个子帧按比例划分为回程子帧和接入子帧，通过比较当前的子帧序号以及设置的分配比例，判断当前子帧是回程子帧还是接入子帧； 

4-2)在回程子帧，为了避免中继节点同时进行收发操作时的强干扰，此时中继停止向其服务用户发送数据，基站对其服务用户或服务中继节点进行数据传输；

4-3)在接入子帧，基站停止向其服务中继节点传输数据，但可以对其服务用户进行服务，同时中继节点开始对其服务用户进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继系统资源分配模块中：

6-1)通过所述反馈信息计算模块中的反馈信息得到用户和中继在每个资源块的瞬时吞吐量和累计吞吐量，并参考基站和中继节点各自服务的用户数量，分别在回程子帧和接入子帧进行资源块的分配；

6-2)资源分配采用集中式资源分配算法、分布式正交和复用的资源分配算法，同时无线资源分配模块提供了了开放的接口，可以通过模块拓展加入新的资源分配方式；

6-3)在中继系统中使用MU-MIMO技术，依据和速率比例公平算法进行用户配对和资源分配，并生成相应的预编码矩阵。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吞吐量统计模块中：

8-1)对于用户所使用资源块所对应的每个子载波，在收端的接收信号如(2)式所示，

式中，p_k表示第k个用户信号的发射功率，H_k为第k个用户的信道矩阵，v_k为第k个用户的预编码向量，s_k为第k个用户的发射信号；式中第二部分表示该用户接收到其服务基站或中继的相同子载波其他数据流的流间干扰其中，N_k表示使用该子载波的其他数据流个数，p_i、v_i和s_i分别表示其他数据流的发射功率、预编码向量和发射信号；第三部分表示其他基站和中继对第k个用户接收功率的干扰，其中N_all表示总得用户数，p_j、v_j和s_j分别表示其他基站和中继对其服务用户的发射功率、预编码向量和发射信号，H_jk表示其他基站和中继到第k个用户的信道矩阵；n_k表示第k个用户接收的噪声信号；

在接收端经过MMSE接收机，得到的第k个用户在一个子载波的SINR如(3)式所示， 

式中，N₀表示噪声功率，G_k为MMSE接收机的接收系数，其表达式如(4)式所示，

式中，U为预编码矩阵，s为多流发射向量I_k为单位阵；

8-2)使用MI-ESM的方法，由每个资源块对应的十二个子载波的SINR映射为该资源块的互信息，进而使用链路级仿真结果曲线得到该资源快的误块率BLER；

8-3)计算每个用户在所分配资源快上的吞吐量，并记录该次TTI的结果；在统计时，在中继节点设置一个缓冲池，当某个中继的缓冲池为空时，该中继所服务的用户无法再接受数据，即中继节点在回程链路接收的数据量会对其在接入链路发送的数据量产生限制作用。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述性能指标计算模块中：

11-1)在一个Drop内，将多个TTI的结果进行统计，对每个用户的每个资源块在一个Drop内传输的数据量进行求和，得到每个用户在该Drop内的吞吐量，由(5)式得到小区平均频谱效率，小区边缘用户频谱效率为小区频谱效率前5％用户；

式中，χ_i表示用户i的吞吐量，T表示仿真时间，ω表示系统带宽，M表示扇区个数；

11-2)对多个Drop仿真得到的小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率求算数平均；与LTE系统性能参数进行比较，得到增益并绘制吞吐量累计分布函数曲线。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述反馈信息计算模块根据最大吞吐量的原则生成每个资源块的MCS等级，根据TS36.213，本系统使用15个MCS等级；反馈方式为：通过SVD分解方式或基于码本的预编码方式、得到预编码矩阵，并将其反馈回发射端。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述吞吐量统计模块接收端使用MMSE接收机，计算用户和中继节点接收数据时使用资源块的SINR，并通过链路级仿真结果得到相应资源块的误块率，统计该子帧用户或者中继节点接收的数据量。 

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