李 倩，李 屹

(1. 山東工業(yè)職業(yè)學院 電氣工程系，山東 淄博 256414；2. 北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

分層異構網(wǎng)絡中基于進化博弈的小區(qū)附著機制

李 倩1，李 屹2

(1. 山東工業(yè)職業(yè)學院 電氣工程系，山東 淄博 256414；2. 北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

相比傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡，分層異構網(wǎng)絡是實現(xiàn)系統(tǒng)容量增強的一種很有前景的技術。盡管如此，由于家庭基站與宏基站同頻部署，且它們被隨機部署，異構網(wǎng)絡中的干擾可能會更強。為了提升網(wǎng)絡吞吐量，研究了一種新型的基于進化博弈的小區(qū)附著算法，為最小化小區(qū)間干擾，提高網(wǎng)絡吞吐量提供了理論參考。

分層異構網(wǎng)絡；小區(qū)附著；進化博弈

近年來，智能手機、平板計算機、移動軟件商城、無線移動硬盤、無線顯示器、無線互聯(lián)計算機等的出現(xiàn)開啟了無線互聯(lián)的新時代，無線數(shù)據(jù)流量和信令對網(wǎng)絡帶來了前所未有的沖擊，容量需求呈非線性爆炸式增長，僅靠新的無線信道技術和擴展有限的頻帶寬度已遠遠不夠了。另有統(tǒng)計表明：未來80%～90%的數(shù)據(jù)將在室內(nèi)和熱點區(qū)域產(chǎn)生，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)因其“重室外、輕室內(nèi)”、“重蜂窩組網(wǎng)、輕孤立熱點”、“重移動切換、輕固定游牧”等特點無法應對這種變化趨勢。改變網(wǎng)絡結構，構建覆蓋分層、頻段分層、制式分層的異構網(wǎng)絡(heterogeneous networks，HetNet)已經(jīng)成為主流運營商應對流量需求的必然選擇。HetNet具有覆蓋全面、布網(wǎng)靈活、易于擴展、能耗低、成本低等優(yōu)點，是解決寬帶、高速、大容量無線接入最具前景的備選方案。

HetNet中按覆蓋范圍可分為宏小區(qū)、微微蜂窩(Picocell)小區(qū)、毫微微蜂窩(Femtocell)小區(qū)和中繼站，接入架構呈現(xiàn)低功率、多天線的特征。宏小區(qū)基站即傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)基站，Picocell 主要面向辦公和企業(yè)用戶，F(xiàn)emtocell主要面向家庭和個人用戶。引入低功率基站是異構網(wǎng)絡部署的關鍵，旨在提高覆蓋率，消除盲點，提高網(wǎng)絡容量，使用戶能夠隨時隨地、自由高速地接入網(wǎng)絡，滿足語音、圖像、數(shù)據(jù)、流媒體等多種業(yè)務的服務質(zhì)量(QoS)要求。然而，HetNet中小區(qū)層次較多，在分布密度、覆蓋范圍、服務能力、處理能力等方面差異較大，彼此重疊交叉，相互影響，形成了復雜時變的通信環(huán)境，要實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量的顯著提升，將面臨一些重要的技術挑戰(zhàn)。

目前，HetNet中主流的小區(qū)附著機制一般僅有一個判決變量，如功率、信干噪比、偏移值等，易產(chǎn)生負載劇增、資源不足、干擾嚴重等問題。不同層小區(qū)的功率和連接概率各不相同，且用戶接入會產(chǎn)生同層或跨層影響。于是，聯(lián)合考慮各層小區(qū)的處理能力、環(huán)境變化及用戶需求等多方面因素，為用戶選擇最佳接入點，最大化系統(tǒng)吞吐量，改善各類應用的QoS是HetNet中亟待解決的技術難題。

針對上述問題，本文對HetNet中已有的典型小區(qū)附著機制進行了分析比較，進而提出基于進化博弈的分層小區(qū)智能附著機制，為實現(xiàn)小區(qū)間干擾最小化，提升HetNet吞吐量提供了理論參考。

1 小區(qū)附著機制的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中的小區(qū)附著技術已有很多相關研究，最常見的方法是用戶根據(jù)接收功率的大小進行判決。諾基亞公司的Pedersen等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：由于同構網(wǎng)絡基站具有相同的傳輸功率及業(yè)務處理能力，用戶接入具有較強發(fā)射功率的基站能獲得更大的傳輸容量[1]。韓國科學技術院的S. Kyuho和C. Song等人以功率作為小區(qū)選擇依據(jù)，設計了一種小區(qū)接入選擇算法[2]，使網(wǎng)絡能獲取較好的負載均衡性能。臺灣國立高雄大學的嚴力行等人以優(yōu)化網(wǎng)絡吞吐量為目標，引入博弈論對WLAN中的AP選擇問題進行建模[3]，該方法能保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性及小區(qū)間公平性。在由WLAN、WiMAX、蜂窩網(wǎng)構成的混合網(wǎng)絡中，司鵬博等人利用賭博機模型對小區(qū)附著問題建模[4-5]，同時考慮各網(wǎng)絡特點以及業(yè)務到達分布以優(yōu)化參數(shù)。分層異構網(wǎng)絡各小區(qū)在分布密度、覆蓋范圍、功率大小等方面差別較大，不能直接應用傳統(tǒng)的小區(qū)附著技術。于是，研究人員開始著手設計針對HetNet的小區(qū)附著算法。德州大學奧斯丁分校的J. G. Andrews等將用戶端接收到的瞬時信干噪比(SINR)作為最佳附著準則[6]，該方法能夠提升網(wǎng)絡容量，但忽略了小區(qū)分布以及覆蓋對于用戶傳輸?shù)挠绊?。針對此問題，J. G. Andrews等引入泊松點過程描述小區(qū)分布及覆蓋情況，對該場景下不同小區(qū)SINR分布概率進行建模，并提出一種新型的分層小區(qū)附著算法[7]。韓國延世大學的Han-Shin Jo和Yong Jin Ping考慮網(wǎng)絡承受能力，為分層網(wǎng)絡設計偏移值，將偏移值作為小區(qū)附著依據(jù)[8]，并分析了此機制的網(wǎng)絡中斷概率。然而，上述機制都基于單因素設計小區(qū)附著算法，忽略了小區(qū)業(yè)務處理能力、干擾變化等因素對于用戶傳輸?shù)挠绊憽?/p>

綜上所述，在HetNet中由于干擾增強、功率減弱、路徑損耗變大等因素，導致基站無法保證用戶的服務質(zhì)量。另一方面，HetNet中低功率基站小區(qū)密集部署，不同層次小區(qū)在分布密度、覆蓋范圍以及功率大小等方面各有優(yōu)勢，有必要為用戶在眾多備選小區(qū)中選擇最佳的進行接入。已有的研究成果尚不能很好地解決這些問題，需要設計一種改進的HetNet小區(qū)智能附著機制。

2 基于進化博弈的小區(qū)附著機制

本文提出HetNet中一種基于進化博弈的分層小區(qū)智能附著機制，該機制聯(lián)合考慮各層小區(qū)的處理能力、環(huán)境變化及用戶需求等多方面因素，為用戶選擇最佳接入點，旨在最大化系統(tǒng)吞吐量，改善各類應用的QoS，具體實現(xiàn)如下：

圖1 分層異構網(wǎng)絡場景

根據(jù)以上條件，小區(qū)附著因子生成函數(shù)為[9]

(1)

這是終端進行小區(qū)附著決策的重要依據(jù)，其中wi為分配給用戶的頻帶wi≤W，pi為分配給用戶的功率pi≤P，N0為高斯白噪聲，Ii′,i表示其他用戶i′對于用戶i的同道干擾。

(2)

(3)

式中：Ii表示用戶i的接入對其他用戶產(chǎn)生的干擾。由于該干擾同時會影響其他用戶的正常傳輸，本文的干擾值應低于一定的門限Ii,th，使得

(4)

(5)

(6)

假設網(wǎng)絡中共有M個用戶需要接入，則HetNet小區(qū)附著問題可構建為

(7)

求解式(7)即可得到多用戶附著到分層小區(qū)的優(yōu)化方案。式(6)可用傳統(tǒng)算法求解，即根據(jù)隨機概率理論和模糊可能性理論，將問題轉(zhuǎn)化為近似確定性或清晰數(shù)學規(guī)劃等價類，然后計算確定性或清晰規(guī)劃模型，這是一種間接計算方法。然而，由不確定規(guī)劃轉(zhuǎn)化為確定性規(guī)劃常伴有非線性、非連續(xù)性等難解問題，現(xiàn)實中許多實際問題又常表現(xiàn)為復雜的非線性關系，所以經(jīng)典算法可能給最終的優(yōu)化結果帶來較大誤差。本文擬引入進化博弈來解決這一問題，從有限理性的角度出發(fā)來分析資源配置行為，有利于克服傳統(tǒng)方法中“理性假設”對于算法的限制。

進化博弈的關鍵點在于動態(tài)重復，從生物進化的角度描述策略博弈?；谶M化博弈的小區(qū)附著如圖2所示。

圖2 基于進化博弈的小區(qū)附著

(8)

(9)

(10)

用戶選擇附著小區(qū)的概率為

(11)

t=0時刻，用戶i開始進行小區(qū)附著時，賦予xci(t)初始值，t=1 時刻用戶根據(jù)式(11)計算，若附著概率大于零，則用戶選擇該小區(qū)接入，反之則不接入，該過程可通過啟發(fā)式算法來解。

3 仿真結果

本節(jié)給出兩種小區(qū)附著機制的仿真結果，一是已有的以信噪比為判決準則的機制，二是本文提出的機制。仿真場景設置如下：宏基站1個，發(fā)射功率為40 W；家庭基站3個，發(fā)射功率均為0.1 W；宏基站的工作帶寬為5 MHz，3個家庭基站的總帶寬也是5 MHz；家庭基站與10個用戶終端隨機分布在以宏基站為圓心，半徑300 m的圓內(nèi)。

圖3給出了本文機制與已有機制用戶吞吐量之和的對比圖，圖4給出了本文機制與已有機制用戶吞吐量最小值的對比圖。容易看出，本文提出的機制由于綜合考慮了多種因素，有效抑制了干擾，其吞吐量性能相比已有機制有了明顯的提升。

圖3 不同小區(qū)附著機制對應的用戶吞吐量之和

圖4 不同小區(qū)附著機制對應的用戶最小吞吐量

4 結束語

本文根據(jù)動態(tài)小區(qū)附著問題的特點，對各小區(qū)活躍狀態(tài)進行描述，聯(lián)合考慮小區(qū)負載、干擾、用戶QoS等因素，設計最佳小區(qū)附著因子生成函數(shù)，并依據(jù)分層小區(qū)干擾容忍度以及用戶QoS設置限制條件，從而建立分層小區(qū)智能附著模型。進一步，引入動態(tài)進化博弈算法，將種群進化以及動態(tài)迭代博弈相結合，設計基于物種演化的備選小區(qū)附著序列更新算法，為最小化小區(qū)間干擾、保證用戶QoS，實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量最大化，提供了理論參考。

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Cell Association Based on Evolutionary Game in Heterogeneous Network

LI Qian1, LI Yi2

(1.DepartmentofElectricalEngineering,ShandongVocationalCollegeofIndustry,ShandongZibo256414,China; 2.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

The heterogeneous network (HetNet) technology is a promising method for achieving significant gain in capacity compared to conventional single-tier macro-cellular networks. Nevertheless, HetNets may potentially result in much higher interference because femtocells operate on the same channel as the macro-cellular network, and HetNets are unplanned deployment. In order to enhancing the system throughput, an innovative cell association algorithm is investigated by introducing evolutionary game model in HetNets. The proposed scheme provides theoretical reference for restraining interference and improving system throughput.

heterogeneous networks; cell association; evolutionary game

山東省高校科技計劃自籌經(jīng)費項目(J15ln76)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.17.020

2015-01-26

【本文獻信息】李倩，李屹.分層異構網(wǎng)絡中基于進化博弈的小區(qū)附著機制[J].電視技術,2015，39(17).

李 倩(1982— )，女，碩士，講師，研究方向為電子與通信；

李 屹(1977— )，博士，副教授，研究生導師，研究方向為無線通信網(wǎng)絡。

責任編輯：許 盈