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        一種基于動(dòng)態(tài)子載波分配的軟頻率復(fù)用方案

        2014-11-20 08:19:10輝,劉
        電視技術(shù) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:分配資源用戶

        劉 輝,劉 波

        (1.重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所,重慶400065;2.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司,重慶400065)

        軟頻率復(fù)用技術(shù)(Soft Frequency Reuse,SFR)[1]是LTE中小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(Inter-Cell Interference Coordinate,ICIC)所采用的頻率復(fù)用方案,通過對(duì)頻譜使用率和干擾來源的折中來提升小區(qū)的頻譜效率。與傳統(tǒng)的復(fù)用方案相比,不僅可以提升小區(qū)邊緣用戶的吞吐量,還能夠通過功率比的調(diào)整來適應(yīng)小區(qū)負(fù)載的變化。

        在SFR方案中,一個(gè)小區(qū)的頻率資源被分為兩部分:一部分為小區(qū)的中心用戶資源,供小區(qū)的中心用戶使用,稱為主子載波,本文稱為中心子載波;另一部分為小區(qū)的邊緣用戶資源,供小區(qū)邊緣用戶使用,并且也能以次優(yōu)先級(jí)供小區(qū)中心用戶使用,稱為主子載波,本文稱為邊緣子載波。相鄰小區(qū)的邊緣子載波相互正交,結(jié)合功率控制,可以很好地減少邊緣用戶受到的干擾。

        傳統(tǒng)的邊緣子載波劃分是固定給每個(gè)小區(qū)劃分一段相互正交的資源,這樣的分配方式簡(jiǎn)單固定,但是卻不能根據(jù)每個(gè)小區(qū)的實(shí)際信道條件合理利用資源。而動(dòng)態(tài)子載波劃分方案可以將載波動(dòng)態(tài)地分配給不同小區(qū),獲得多用戶選擇增益,提升頻譜效率,但必須周期性地根據(jù)每個(gè)小區(qū)的信道條件進(jìn)行重新劃分。因?yàn)槊總€(gè)用戶經(jīng)歷的信道衰落是彼此獨(dú)立的,在各個(gè)子載波上能夠獲得的增益是不同的,通過合理的載波劃分和資源分配,可以提升資源的利用率,改善邊緣用戶的性能。

        文獻(xiàn)[2]給出了邊緣載波進(jìn)行分布式劃分的構(gòu)想,但是只有在載波分配能夠動(dòng)態(tài)變化時(shí)才有意義,但文中并未給出具體的分配原則。文獻(xiàn)[3]則提出了一種近似貪婪算法的載波劃分方法,能夠給出一個(gè)較好的載波劃分的次優(yōu)解。文獻(xiàn)[4]提出了一種通過獲得小區(qū)全部信息來最大化吞吐量的方法,但是兩種方案都未考慮小區(qū)負(fù)載的影響和用戶的QoS需求,損失了用戶公平性。文獻(xiàn)[5]提出了一種下行鏈路中分布式的子載波分配方式,把載波分配分為小區(qū)間的載波分配和小區(qū)內(nèi)部的資源分配,該方案雖然能夠較好地提升頻譜效率和保證用戶的公平性,但卻需要每個(gè)小區(qū)所有用戶的信道質(zhì)量信息,信息交互量和算法復(fù)雜度卻大大增加了。

        本文提出一種聯(lián)合邊緣載波分配和小區(qū)內(nèi)邊緣資源分配方案,小區(qū)之間只需要交互邊緣載波上的最優(yōu)信噪比而非全部用戶的信道質(zhì)量信息,并在追求頻譜效率的同時(shí)引進(jìn)了小區(qū)內(nèi)用戶資源分配方案,使得頻譜效率和用戶速率保證達(dá)到一個(gè)均衡。

        1 系統(tǒng)模型和問題描述

        1.1 系統(tǒng)模型

        考慮一個(gè)無線系統(tǒng)中有L個(gè)小區(qū),總的用戶為M。用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)且每個(gè)小區(qū)總用戶數(shù)相同,并根據(jù)RSRP值區(qū)分為中心用戶(Cell Centre Users,CCU)和邊緣用戶(Cell Edge Users,CEU)。系統(tǒng)的總帶寬為W,一共有N個(gè)物理資源塊(Physical Resource Block,PRB)。

        1)小區(qū)內(nèi)的載波都嚴(yán)格正交,不考慮小區(qū)內(nèi)的干擾。

        2)基站可以獲得完美的信道狀態(tài)信息(Channel Station Information,CSI)。

        3)調(diào)度的最小資源為PRB,即頻域上的12個(gè)子載波,時(shí)域上的一個(gè)時(shí)隙,并在計(jì)算信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)和傳輸速率時(shí)為了簡(jiǎn)便直接采用歸一化的方式處理。

        4)在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi),一個(gè)PRB只能被一個(gè)用戶使用。

        5)如果用戶速率低于最小速率,則用戶被定義為阻塞。

        那么用戶m在資源塊n上可達(dá)速率為

        用戶m的總可達(dá)速率為

        1.2 問題描述

        在單小區(qū)LTE系統(tǒng)中,小區(qū)不用考慮資源分配方案給其他小區(qū)帶來的干擾,只需要根據(jù)小區(qū)內(nèi)的用戶需求和信道條件合理分配資源即可。但是在多小區(qū)的LTE系統(tǒng)中,相鄰小區(qū)的邊緣資源需要正交來減少同頻干擾,同時(shí)邊緣用戶信道條件差,對(duì)信道條件變化也較敏感。因此如何最優(yōu)地將資源合理分配給各個(gè)小區(qū)邊緣從而提升頻譜效率,并在內(nèi)部分配資源時(shí)滿足用戶速率要求就是本文需要研究的問題。因此整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題可以描述為

        以上問題很難進(jìn)行一步求解,因?yàn)樾^(qū)間的邊緣載波分配是相互制約的,但是小區(qū)內(nèi)的邊緣資源卻是相互獨(dú)立的。因此本文將以上優(yōu)化模型分成2個(gè)步驟來進(jìn)行優(yōu)化:第1部分是小區(qū)間邊緣子載波劃分算法的最優(yōu)化;第2部分則是小區(qū)內(nèi)邊緣用戶的資源分配算法。

        2 動(dòng)態(tài)子載波分配算法

        對(duì)于小區(qū)間的邊緣載波分配來說,最主要的目的就是通過小區(qū)間資源分配的正交性來降低小區(qū)間的干擾。雖然固定式的載波分配方案也能保證資源的正交性,但卻不能實(shí)時(shí)地獲得多用戶選擇增益。本文提出了一種基于負(fù)載優(yōu)先級(jí)的分配算法進(jìn)行小區(qū)間載波劃分,可以動(dòng)態(tài)地將正交的載波分配給不同小區(qū),盡可能地使各小區(qū)的邊緣載波最優(yōu)化。

        對(duì)于小區(qū)內(nèi)的邊緣用戶資源分配來說,最主要的目的就是通過用戶的業(yè)務(wù)需求和信道條件合理地將資源分配給用戶,并盡可能提升頻譜效率。本文通過基于信道條件優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行資源的分配,優(yōu)先給平均信道增益差的用戶分配資源,盡可能保證信道條件差的用戶性能,并將富余資源分配給在此資源上增益最大的用戶,從而提升頻譜效率。

        2.1 小區(qū)間邊緣載波劃分算法

        在本文中,系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)劃分邊緣載波來獲得多用戶選擇增益,提升頻譜效率。最理想的情況下,每個(gè)小區(qū)邊緣都能獲得自己最佳的邊緣子載波,這時(shí)每個(gè)小區(qū)都能獲得最好的邊緣性能。但是在通常的情況下,各個(gè)小區(qū)的最優(yōu)集合都存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,這個(gè)時(shí)候就有必要引入一定的優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行規(guī)劃。

        本文分為2層優(yōu)先級(jí):第1優(yōu)先級(jí)是小區(qū)已分配載波數(shù)目,數(shù)目越少優(yōu)先級(jí)越高;第2優(yōu)先級(jí)為已分配載波數(shù)目相同時(shí),邊緣負(fù)載越高,優(yōu)先級(jí)越高。

        1)收集各個(gè)小區(qū)在N個(gè)資源塊上最大SINR值。

        2)收集完資源SINR后,形成3×N的信干噪比信息矩陣。通過一定的分配算法找出各個(gè)小區(qū)增益最多的N/3個(gè)資源塊,且小區(qū)邊緣子載波之間相互正交。具體按方式如下:

        (1)每個(gè)小區(qū)先找出N/3個(gè)擁有最大信道SINR值的資源塊。

        (2)如果一個(gè)小區(qū)的最大SINR值的資源塊不和相鄰小區(qū)最大SINR值的資源塊沖突,則將這個(gè)資源劃分給此小區(qū)作為邊緣子載波;如果資源沖突,則保留資源進(jìn)行第2輪的分配。

        (3)第2輪的資源分配就是對(duì)剩余資源的劃分,根據(jù)已獲得資源數(shù)目和小區(qū)邊緣負(fù)載情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的確定。已獲得資源數(shù)目越少,選擇資源的優(yōu)先級(jí)就越高;已獲得資源數(shù)目相同,邊緣負(fù)載越高,優(yōu)先級(jí)越高。以此循環(huán)劃分,直至邊緣載波劃分完畢。最后每個(gè)小區(qū)的邊緣載波集合為。

        這里給出了一個(gè)基于實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的載波分配方案的實(shí)例。如表1,表格中的數(shù)據(jù)為小區(qū)在資源塊1~6上的最大SINR值。其中小區(qū)1邊緣用戶數(shù)為3,小區(qū)2邊緣用戶為2,小區(qū)3邊緣用戶為1。

        表1 小區(qū)資源上最大SINR值 dB

        1)找出每個(gè)小區(qū)SINR值最大的2個(gè)資源塊。如果不存在任何沖突,則將資源塊分給該小區(qū);如果存在沖突,則保留到下一次分配。則經(jīng)過第一次分配后,小區(qū)1得到資源塊5,小區(qū)2得到資源塊1,小區(qū)3沒有得到資源塊。

        2)進(jìn)行資源新一輪分配,小區(qū)3的資源數(shù)目最少,擁有最高優(yōu)先級(jí)。則小區(qū)3獲得資源2。此時(shí)小區(qū)1,2,3都有1個(gè)資源塊,而根據(jù)小區(qū)負(fù)載優(yōu)先級(jí)判斷,小區(qū)1擁有較高優(yōu)先級(jí)進(jìn)行選擇,則將資源塊4分配小區(qū)1,資源塊6分配小區(qū)2,資源塊3分配給小區(qū)3。最終分配方式如表2。

        表2 小區(qū)間邊緣載波劃分結(jié)果

        2.2 小區(qū)內(nèi)的邊緣用戶分配算法

        每個(gè)小區(qū)在得到了自己的邊緣子載波分配方案之后,就能進(jìn)行獨(dú)立的資源分配,根據(jù)用戶在這些資源上平均增益的大小確定優(yōu)先級(jí)。為了盡可能保證信道環(huán)境較差的用戶性能,本文采用的是用戶的平均增益越小,優(yōu)先級(jí)越高的方式來進(jìn)行資源的分配。其分配過程如下:

        1)根據(jù)小區(qū)內(nèi)的邊緣用戶在邊緣資源上平均信道增益的大小,對(duì)用戶的優(yōu)先級(jí)由高到低進(jìn)行排序。平均信道增益越小的用戶,優(yōu)先級(jí)越高。

        2)根據(jù)調(diào)度序列逐個(gè)取出用戶進(jìn)行分配,每次分配的時(shí)候都選出該用戶信道增益最大的資源。如果用戶已經(jīng)滿足最低速率要求,則給下個(gè)用戶分配資源。否則,便繼續(xù)給該用戶分配資源,直至達(dá)到個(gè)資源數(shù)目后選擇下一個(gè)用戶。是為了均衡頻譜效率和用戶速率保證,防止?fàn)奚^多的資源去保證性能差的用戶。

        3)如果小區(qū)還有剩余資源,則將資源分配給信道增益最大的用戶,從而提升頻譜效率。具體偽代碼如下:

        如果剩余資源則分配給在此資源上信道質(zhì)量最好的用戶。

        end

        3 仿真驗(yàn)證和性能分析

        3.1 仿真場(chǎng)景和參數(shù)

        仿真場(chǎng)景和參數(shù)如表3所示。

        表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)

        3.2 仿真結(jié)果和分析

        本文的仿真將所提算法與靜態(tài)載波分配算法和文獻(xiàn)[3]算法進(jìn)行了仿真對(duì)比,通過對(duì)小區(qū)邊緣用戶的吞吐量、小區(qū)邊緣用戶頻譜效率和小區(qū)中心用戶信道質(zhì)量的比較來驗(yàn)證算法的有效性。

        如圖1所示,靜態(tài)邊緣載波分配方式的邊緣吞吐量最低,這是因?yàn)樾^(qū)邊緣載波是固定的,不能動(dòng)態(tài)適應(yīng)用戶信道環(huán)境的變化。而文獻(xiàn)[3]算法可以達(dá)到最大,因?yàn)樵撍惴ㄗ畲蠡速Y源的利用率,但卻沒有考慮小區(qū)內(nèi)用戶的速率保證要求。本文的算法雖然在保證用戶速率時(shí),犧牲了一定的吞吐量,但是較靜態(tài)式邊緣載波分配方案有很大的增益。

        圖1 邊緣用戶吞吐量

        從圖2可以看出,文獻(xiàn)[3]的算法在阻塞率上是最高的,且一直處于較高的水平,這是因?yàn)樵撍惴ㄎ磳?duì)用戶的速率公平性進(jìn)行保證。靜態(tài)的載波分配算法雖然并未影響用戶之間的公平性,卻因?yàn)楣潭ㄊ降妮d波分配使得小區(qū)邊緣無法獲得最合適的資源,因此小區(qū)邊緣阻塞率也較大。本文通過聯(lián)合小區(qū)內(nèi)資源分配算法,盡可能地保證用戶的最低速率,因此小區(qū)的邊緣阻塞率是最低的。

        圖2 邊緣用戶阻塞率的時(shí)間分布

        從圖3可以看出3種算法開始都隨著用戶數(shù)目的增加而增大,因?yàn)殡S著用戶數(shù)增多,多用戶選擇增益也會(huì)增大。而本文算法和靜態(tài)載波分配算法因?yàn)榭紤]了用戶最低速率的要求,當(dāng)用戶數(shù)目增大到一定值后,性能好的邊緣用戶占用資源的數(shù)目會(huì)變少,頻譜效率會(huì)有一定程度的下降。而文獻(xiàn)[3]算法只需要考慮資源的最大化利用,因此隨著用戶的增加,頻譜效率會(huì)一直增加到極限值。

        從圖4可以看出3種邊緣載波劃分方案對(duì)小區(qū)中心用戶的性能影響很小。因?yàn)樾^(qū)中心用戶距離本基站較近,本身的信道環(huán)境較好,多用戶的選擇增益并不明顯,即使變換載波也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。

        圖3 系統(tǒng)頻譜效率

        圖4 中心用戶平均SINR

        4 小結(jié)

        本文提出一種動(dòng)態(tài)軟頻率邊緣子載波分配算法,聯(lián)合了小區(qū)間載波分配和小區(qū)內(nèi)資源分配。通過一定的小區(qū)間信息交互,動(dòng)態(tài)載波分配可以獲得提升邊緣的頻譜效率,提升邊緣吞吐量。仿真結(jié)果證明了所提算法可以在不影響小區(qū)中心用戶性能的前提下,較大地提升小區(qū)邊緣頻譜效率,并且盡可能保證用戶的最低速率要求。因此該算法在軟頻率邊緣載波劃分中具有較好的性能增益。

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