第 3 章 云无线接入网络的前向回传感知设计

3.3 前传感知的数据链路层和物理层

3.3.1 上行链路

3.3.2 下行链路

在本节中，我们考虑在 D-RAN 系统的下行链路的 RRH 处进行控制的低延迟 HARQ 协议。类似于上行链路的情况，关键思想是使 RRH 能够进行低延迟重传控制决策，同时 仍然保留 BBU 的所有基带编码能力，以降低 RRH 的复杂性。根据该协议，在第一次发 送尝试中，RRH 存储由前传链路的 BBU 编码并由 RRH 接收的基带信号。如果接收到 NAK，则 RRH 在没有进一步的基带处理并且没有来自 BBU 的协助的情况下重新发送存 储的基带信号。我们观察到，与上面讨论的上行机制不同，RRH 在这里不需要 CSI 估计， 但是 RRH 仍然需要配备足够的基带能力来实现 ACK/NAK 消息的检测。此外，假设 RRH 具有足够的存储空间来存储先前传输的基带信号。
1．系统模型
我们考虑与上述研究相同的 D-RAN 系统中的下行链路通信，如图 3.5 所示，包括通 过前传链路连接到 BBU 的 RRH。我们关注给定的单天线 UE 的性能，即 T 1 m = ，其被分配用于下行链路传输的专用频谱资源。RRH 在每个时隙中发送长度为 k 个符号的分组， 并且 UE 根据在 RRH 或 BBU 被正确解码的解码结果发送 ACK 或 NAK 消息。下行链路 主要参数 r、 w L 和 f L 的定义同上行链路情况（参见图 3.5）。
UE 在时隙 t 的接收信号可以表示为

注意，与上行链路的情况不同，在这里我们将接收信号表示为时隙指标 t 而不是 重传尝试指标 n 的函数。特别地，这允许我们跟踪信道变化，正如本小节的其余部分进 一步阐述的那样，在下行链路中起关键作用。为此，我们假设信道向量过程 t h 根据一阶 静态自回归模型在两个连续时隙之间相关，即

2．传统 D-RAN
在传统的 D-RAN 实现中，如图 3.7 所示， RRH 将 ACK / NAK 反馈消息以及更新的 CSI 信息从 UE 传送到 BBU，并且当一个 NAK 被接收时，BBU 执行先前传输的分组的数据平面信息的编码，而当一个 ACK 被接收时执行新的分组的数据平面信息的编码。所以，在下行链路分组的传输和该分组重传到UE的时间 中，无线信道上的 w L 时隙的往返延迟和 f L 时 隙的双向前传延迟可以忽略。
要详细说明，对于上行链路，我们假设 BBU 实现了 IR 协议。因此，在任何时间 t， 如果在时间 f tL − 在 RRH 处接收到 NAK，则 RRH发送后在时隙 () wf tLL −+发送的编码 信息帧的新部分，否则，它将从新的信息帧发 送分组。

3．基于边缘的重传
为了潜在地缓解由于双向前传延时而导致的上述标准 D-RAN 系统的性能限制（在延 迟方面），我们现在考虑基于在 RRH 处实现 HARQ 控制功能的解决方案。因此，在 RRH 可以存储先前发送的基带信号以及在上行链路上解码ACK/NAK反馈消息的工作假设下， 我们允许 RRH 的低延迟重传。
如图 3.8 所示，如果 UE 在时间 w tL − 处 反馈一个之前发送的分组的 NAK，那么在时 刻 t，RRH 自主地重传先前发送的分组，而不 用等待来自 BBU 的新编码分组。如果 UE 反 馈一个 ACK，则 RRH 从 BBU 请求与信息帧 相关的新的编码分组。结果，对于一个分组的 第一次发送，式（3.42）中的一个信号被发送， 并且对于每次重发，由 RRH 重发相同的信号。 注意，该策略不能适应信道变化，并且基于 HARQ 类型 I 或 Chase 组合[21]。

4．数值结果和讨论
在本节中，我们比较了传统 D-RAN 和基 于边缘重传的吞吐量和延迟性能。在本节中， 我们假设 RRH 处的发射天线数为 R 4 m = ，每 个时隙中的分组长度为 k = 100 symbol，发射 功率 P 为 10 dB，大传输次数为 max 10 n = ，并且双向延迟等于 fw 2LL = = 个时隙。我们 也假设前传容量 C=3 bit/symbol。
我们首先绘制图 3.9 中 r = 2 和 r = 3 bit/symbol、相关系数为 ρ 的函数的吞吐量，其 定义了信道的时间变化。基于边缘的方案的吞吐量损失取决于相关系数 ρ 和传输速率 R， 这是由于对重发尝试和简单的 HARQ 协议带来的信道条件改变缺少适应性造成的。特别的，对于需要有较高概率不超过一次重传的较低的传输速率，如 2 bit/symbol，吞吐量损 失较小。然而，对于需要更多重传的较大传输速率，除非相关系数 ρ 足够大，否则损失 可能是很大的。例如，当 =0.8 ρ 时（根据 Clarke 标准模型在 1 ms 时隙中相当于 60 km/h 的速度和 2.6 GHz 的载波频率），r = 2 bit/symbol 的损耗为 2%，而 r = 3 bit/symbol 的损耗 为 18%。

当与给定的延迟时间相比较，如果上述吞吐量损耗是可以接受的，则基于边缘重传 是合理的。如图 3.10 所示，其显示了与上述参数相同的相关系数 ρ 的函数的延迟。可以 看出等待时间的减少可能是非常显著的，特别是对于足够小的速率或缓慢变化的信道， 即足够大的 ρ 。例如，在上述的 ρ = 0.8 时，如果 r = 2 bit/symbol，可以以 0.05 bit/symbol 的吞吐量减少为代价减少 3.2 个时隙的延迟，而如果 r = 3 bit/symbol，则以吞吐量损失为 0.35 bit/symbol 为代价，延迟减少 3 个时隙。

3.4 总 结

云无线接入框架通过允许远程天线的密集化和分布式的部署及跨协作天线群集的联 合基带集中式处理的能力，显著提升了 5G 无线蜂窝网络的区域频谱效率。这种架构的出 现也需要重新考虑物理层和数据链路层设计。本章介绍了 C-RAN 设计中的一些挑战和机 遇。本章的第 1 部分说明，在物理层中，跨多个射频拉远头的用户信号的相干传输和接 收可以提供显著的速率增益，但是合作通信策略的设计需要根据前传的容量限制进行调 整。我们使用压缩策略作为上行链路和下行链路的基本技术，并量化了以用户为中心、 基于迫零的协作通信策略的有限前传容量对总体频谱效率的影响。本章的第 2 部分指出 通过重新思考多跳网络的 HARQ 协议的设计，以智能的方式来管理和控制 C-RAN 体系 结构的延迟。总而言之，以上技术给出了通过云计算实现无线接入的方式。