第 3 章 云无线接入网络的前向回传感知设计
3.2 前传感知的协作传输和接收
3.3 前传感知的数据链路层和物理层
到目前为止，我们已经讨论了前传容量限制对 C-RAN 频谱效率的影响。本节涉及延迟，这是同样重要的影响 5G 部署性能的系统目标。一个重要的例子是跨越数据链路和物理层运行并通过衰落信道保证可靠通信的 HARQ 协议。HARQ 通过传送关于先前已经发送但未被接收机正确接收和确认的数据帧的附加信息来实现该目的。假定基带处理和 HARQ 重传决定在 BBU 处实现，由于前向传输，RRH 与 BBU 之间的通信延迟意味着连 续的重传尝试之间的延迟增加。这可能会中断现有的 HARQ 协议的操作或引起延迟敏感 的应用程序的过度延迟。作为示例，在长期演进（LTE，Long Term Evolution）中，在数 据链路层中上行链路大于 3 ms 的等待时间被视为系统中断[9]。
通过在每个 RRH 和 BBU 之间部署较短的、专用的而不是多跳的前传链路，可以部 分缓解前传时延，从而减少 RRH 与 BBU 之间的传输时间。此外，可以提高 BBU 的计算 能力，以限制 BBU 处理用于前端发射和接收的信号所需的时间。为了提供一些参考值， 单跳前缀链路的双向前向传输时间（不包括处理时间）可以为 0.5 ms，而 BBU 和 UE 的 处理时间可以达到几毫秒[10]。
本节讨论了解决方案，其中由于前传时延而导致的性能限制不能通过上述标准 C-RAN 体系结构中所述的方法得到令人满意的处理。具体来说，我们考虑通过利用 BBU 和 RRH 之间的替代功能划分可以获得的潜在优势，因此，可由 RRH 实现 HARQ 协议的 一些控制功能。
如上所述，假定控制和数据平面功能都仅在 BBU 中实现，则 C-RAN 中的 HARQ 协 议的性能下降归因于需要在 RRH 和 BBU 之间传输基带信号以及重传请求（NAK）或肯 定确认（ACK，Acknowledgment）消息。为了减少延迟，本节中研究的解决方案类别允 许在 RRH 进行 HARQ 控制功能。
在为 RRH 设备提供足够的智能来执行一些基带功能和控制决策时，所考虑的解决方 案与标准的 C-RAN 架构有所不同，并符合文献和行业调查中的替代功能划分（见参考文 献[11, 12]）。在定义这种替代分离时，将重点说明与传统基站相比，需要具有低复杂度的 RRH 解决方案。该选择不包括例如在上行链路中 RRH 处的数据编码或下行链路中数据 编码和预编码方法。
所考虑的功能分离可以解释为实现目前以各种形式提倡的下一代无线网络架构控制 和数据平面分离的实例（参见参考文献[13]的评论）。特别地，在现有的解决方案中，与 HARQ 协议相关联的控制功能在网络边缘即 RRH 处执行，而与在传统的 C-RAN 系统中 一样，和数据平面相关的功能仍然在 BBU 远程执行。该架构的关键优点是（1）重发控 制不受前传时延的约束； （2）由于在 BBU 执行数据平面处理，可以保持 RRH 的复杂度； （3）在 BBU 处数据平面信息的联合基带处理过程会在物理层中产生频谱效率增益，如上 一节所述。
在本节的其余部分中，我们描述了基于所讨论的控制和数据平面分离的上行链路和 下行链路的 HARQ 协议。为了简化讨论，本节重点介绍了简化的分布式 RAN（D-RAN， Distributed RAN）系统的吞吐量和延迟，其中每个 RRH 服务于其关联的一组用户，而不 是用协作发送和接收来探讨 C-RAN 系统。在这里，我们使用术语“D-RAN”来指代标准 蜂窝系统和 C-RAN 之间的中间架构，其中，每个基站的 BBU 被放置在远程站点（参见 参考文献[11, 14, 15]）。我们注意到，“D-RAN”也用于表示 5G 文件中的常规蜂窝架构。 在 D-RAN 中，与 C-RAN 不同，不同 RRH 的 BBU 在物理上是不同的。注意，在 D-RAN 中联合基带解码通常是不可行的，因为这将需要在 BBU 之间交换基带信号，而不是可以 连接 BBU 的 X2 接口允许的用户平面数据（见参考文献[15]）。对 D-RAN 的关注使我们 能够专注于将任何给定的 UE 分配给单个 RRH—BBU 对的设置，并将吞吐量性能的延迟 效应的本质提炼出来。
3.3.1 上行链路
在本小节中，我们考虑上行链路并描述了参考文献[16, 17]中首先提出的解决方案， 即在 RRH 处执行 HARQ 控制功能。该方案工作如下：分配给 UE 的 RRH 基于接收到的 信号估计上行链路信道，如果发现信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio）低于阈值，做出 控制决策并发送 NAK 消息，否则为 ACK，而不是等待接收从 BBU 发送的 ACK 或 NAK 消息。重要的是，RRH 不执行数据解码，因此，其复杂度明显低于常规基站。我们现在 详细介绍系统模型及其性能分析。
1．系统模型
我们专注于 UE 在专用频谱资源上向 RRH 发送的 D-RAN 系统，如图 3.5 所示。RRH 通过专用的前传链路连接到 BBU。BBU 执行解码，而假定 RRH 具有允许资源解映射和 CSI 估计的有限的基带处理功能。注意，假设不同的 UE 由不同的时间-频率资源服务， 如在 LTE 中所完成的，因此我们将注意力限制在给定 UE 的性能上。
由 UE 发送的每个分组包含 k 个编码的复数符号，并且在被称为时隙的信道的相干时 间—频率间隔内发送。将信息报文的第一次发送的传输速率定义为 r bit/symbol，使得 kr 是信息报文中的信息比特数。
通过 RRH 向 UE 发送反馈消息来确认每个发送的分组。我们假设这些反馈消息被 UE 正确解码。可以使用 HARQ 协议在高达 max n 的连续时隙中发送相同的信息报文。在这 里，我们采用在物理和数据链路层上运行的增量冗余（IR）协议，并在诸如 LTE 的标准 中实现[9]。利用 HARQ-IR，UE 在每次发送尝试时发送新的编码符号，并且 BBU 基于所有接收到的分组来执行解码。此外，我们认为被积压的用户总是具有要发送的分组，并 且选择性重传策略仅重发未被成功接收的信息报文帧。
为了捕获前传延迟的影响，我们假设在 RRH 和 BBU 之间传输引起的双向延迟为 Lf 个时隙。此外，我们假设 UE 和 RRH 之间的往返传输延迟（包括 UE 处的解码延迟）是 Lw 时隙。如所讨论的，这些双向延迟可以达到几毫秒，并且通常包括多个传输间隔，例 如 LTE 中的多个传输时间间隔（TTI）。前传容量用 C 表示，并以无线信道的每个符号的 比特来测量，或者相当于无线带宽的 bit/(s·Hz)。
UE 配备了 mT个发射天线，而 RRH 上的 mR个接收天线可用。第 n 个时隙中的接收 信号可以表示为
关注的主要性能指标如下。
- 吞吐量 T。吞吐量测量平均速率（以比特每符号为单位），即从 UE 成功传递到 BBU 的信息。
- 成功概率 s P 。在给定 HARQ 会话内衡量标准 s P 测量发送成功的概率，即信息报 文在允许的 max n 传输尝试中在 BBU 处正确解码的事件。
- 平均延迟 D。平均延迟 D 测量每个信息报文的传输尝试的平均数 N。
在这里需要做一些说明。首先，3 个指标是相互依存的。特别地，基于标准的更新理论论据，吞吐量可以表示为[18]
其中，我们记 r 为传输速率，随机变量 N 表示给定信息报文的传输尝试次数。如将 要讨论的，平均延迟 D 是 E[N]的增函数。因此，给定 r，上面定义的任何两个度量决定 了第 3 个。其次，以概率 s 1 P − 发生的 HARQ 会话中的错误通常由较高层处理，如 LTE中的无线链路控制（RLC，Radio Link Control）层所做的那样[16]。后，可以看出，所 提出的方案旨在通过减少吞吐量 T 来减少平均延迟 D。
2．常规的 D-RAN
在传统的 D-RAN 系统中，所有处理和重传决定都是在 BBU 进行的。因此，由于需 要在无线信道和前传链路两个方向进行通信，所以每个传输需要 wf LL + 时隙的双向等待 时间。如上所述，假设一个积压的 UE，可达到的吞吐量表达如式（3.28）所示，其中传 输的平均数可表示为
我们通过ACKn 表示在 n 个传输尝试之后 ACK 消息被发送到 UE 的事件，从而终止 重传过程。注意，在传统的 D-RAN 实现中，这意味着 BBU 在精确的 n 个传输尝试之后 成功地解码了消息。我们还通过NAKn 来表示一个 NAK 信息在所有传输尝试直到并包括 第 n 次传输被发送到 UE 的事件。在传统的 D-RAN 实现中，这意味着 BBU 第 n+1 个传 输尝试之前不会成功解码消息。注意到，由定义我们可以得到关系式 (ACK ) nP =
1 (NAK ) (NAK ) nn PP − − 。此外，对于传统的 D-RAN 系统，成功传输的概率由下式给出
为了评估误差概率，基于参考文献[20]，我们采用参考文献[19]中提出的有限块长高 斯近似。因此，当信道矩阵为 H 时，在 k 个信道的时隙中以速率 r 传输的解码误差的概 率 ( ) 可以近似为：
其中，我们定义
3．基于边缘的重传
在参考文献[16, 17]中，首先提出了一种低延迟的基于边缘的 HARQ 控制方案。这种 方法假设 RRH-BBU 功能分离，其中每个 RRH 可以执行同步和资源去映射，以便能够在 每个传输尝试 n 执行信道 n H 的 CSI 估计。还假设 RRH 已经从 BBU 获得用于数据传输的 调制和编码方案（MCS，Modulation and Coding Scheme），其在调度期间选择 MCS。MCS 信息在这里等于速率 r 和分组长度 k。基于该信息，RRH 可以计算在 BBU 处进行解码的 误差概率。这可以通过使用式（3.31）中的 { } ( )e ,, i inP r k ≤H 的分析近似，或者通过预先计 算所得的查找表来完成。注意，该概率取决于对应于先前和当前传输尝试的所有信道矩 阵[ ] 1 ... ,, n HH。在下文中，尽管讨论应用更加普遍，我们将假设近似 { } ( )e ,, i inP r k ≤H 被 RRH 使用。
该方法的要点是允许 RRH 对 UE 的 ACK/NAK 消息的反馈进行抢先决定，而无须等 待前传链路双向通信所需的 f L 时隙。这样做：如果解码错误概率 { } ( )e ,, i inP r k ≤H 小于给 定阈值 th P ，则 RRH 向 UE 发送 ACK 消息，并在 BBU 预测编码事件；否则，发送 NAK 消息，即 RRH 使用以下规则。
由于 RRH 执行控制决策减少了平均延迟，上面讨论的基于边缘的 HARQ 方案可能 使得 RRH 的决策与在 BBU 处解码的实际结果不匹配。特别是有两种类型的错误。在第 一种类型的错误中，发送的分组在 BBU 处不能解码，但 RRH 发送了 ACK 消息。可以看 出，这种类型的失配需要由更高的层次来处理。在第二种类型的错误中，接收到的数据 分组可以在 BBU 中解码，但由 RRH 发送 NAK 消息。在这种情况下，除非已经达到传输 尝试的大数目 max n ，否则 UE 执行不必要的 HARQ 重传。这些错误通常导致吞吐量和 成功概率的降低，相反，这里讨论的基于边缘的方案有助于延迟方面的显著增益。为了 看到这一点，我们注意到直到一个分组被 UE 确认的平均延迟为
因为不需要使用前传链路来完成 HARQ 过程。该值可能明显小于式（3.34）中的值， 这取决于 w L 和 f L 的相对值。
对于式（3.35）中的阈值 th P 的优化，在需要更小的 th P 和更多的重传成功概率 s P 与导 致新信息传输更大的 th P 来提高的吞吐量 T 之间取得平衡。
可以以与传统 D-RAN 实现相似的方式来计算吞吐量和成功概率。需要注意的是成功 事件的定义：如果在 max n 允许传输尝试内发送 ACK 消息到 UE，并且 BBU 可以正确地解 码数据分组，则传输被认为是成功的。因此，通过总概率定律，成功概率 Ps可以写成：
其中， n S 是 BBU 可以在第 n 次传输时成功解码分组的事件，而事件ACKn 如上所述 定义。
可以使用上述高斯近似来获得计算吞吐量（式（3.28））和成功概率（式（3.37））所 需的概率。NAK 消息被发送直到第 n 个传输尝试的概率是
4．数值实例
我们现在通过数值示例来提供对传统 D-RAN 和基于边缘的方案系统的性能比较，从 而证实前面几节中的分析。图 3.6 显示了对于两个速率 r = 1 位/符号和 r = 3 位/符号，作 为块长度 k 的函数，基于边缘的方案相比于传统 D-RAN 实现的吞吐量损耗。我们设置 s = 4 dB 和 max n = 10，并且集中在单天线链路上，即 TR 1mm = = 。对于 k 的每个值，在成功 概率满足 Ps>0.99 要求下通过优化阈值 th P 大化吞吐量 T。通常假设在现有系统中可以接 受（见参考文献[9]）。
可以看出，随着块长度的增加，局部反馈的吞吐量损失显著降低。在这种方法下，基于边缘控制的延迟降低在吞吐量损耗方面是微不足道的。这反映了一个基本的事实：使用本地反馈的性能损失是由于RRH仅基于信道状态信息采取本地决策而不考虑接收分
组的特定信道噪声导致的。因此，随着块长度 k 的增加，同时由于非典型信道噪声实现 引起的误差变得不太可能，局部判决倾向于与 BBU 处的实际解码结果一致。换句话说， 随着块长度 k 越来越大，RRH 更容易预测 BBU 的解码结果：在无限 k 的香农方案中，是 否成功解码取决于速率 r 是是否高于容量。