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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