鄭龍龍，孫長(zhǎng)印，劉　毓

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

異構(gòu)網(wǎng)中聯(lián)合載波選擇和波束形成的小區(qū)選擇算法研究*

鄭龍龍，孫長(zhǎng)印，劉毓

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

為提高異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)容量和熱點(diǎn)覆蓋，引入了微微小區(qū)，但選擇微微小區(qū)的用戶數(shù)量很少，且層間干擾異常復(fù)雜，微微小區(qū)的平均吞吐量和邊緣用戶性能無(wú)法提高。為此，在載波聚合條件下提出一種聯(lián)合成員載波選擇、波束形成的小區(qū)選擇新算法。通過(guò)將該算法與參考算法仿真對(duì)比，得出此方案能夠協(xié)調(diào)宏小區(qū)與微微小區(qū)之間的干擾，進(jìn)而提高微微小區(qū)的平均吞吐量和邊緣用戶性能，使整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量得到很大的提高。

異構(gòu)網(wǎng)；載波聚合；載波選擇；波束形成；小區(qū)選擇

0　引言

小區(qū)選擇主要用于負(fù)載均衡和切換參數(shù)優(yōu)化，相關(guān)領(lǐng)域已被廣泛研究[1]。負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)是基于小區(qū)呼吸技術(shù)（cell breathing），并通過(guò)功率控制或波束覆蓋控制達(dá)到目的[2]。切換參數(shù)優(yōu)化方法是通過(guò)影響用戶的切換過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。目前，大多數(shù)小區(qū)選擇方案是基于接收信號(hào)功率(Reference Signal Receive Power，RSRP)。在異構(gòu)網(wǎng)中，當(dāng)?shù)凸β使?jié)點(diǎn)的數(shù)量持續(xù)增大時(shí)，小區(qū)選擇對(duì)干擾管理的作用也逐步得到研究認(rèn)可，如文獻(xiàn)[3]考慮異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景小區(qū)選擇和相鄰小區(qū)干擾頻段的靜默問(wèn)題，提出對(duì)干擾最強(qiáng)的兩個(gè)鄰小區(qū)動(dòng)態(tài)實(shí)施干擾靜默的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化。而文獻(xiàn)[4]則分析異構(gòu)網(wǎng)小區(qū)選擇中兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)容量的影響：即本小區(qū)的容量增加和對(duì)鄰小區(qū)的干擾，據(jù)此通過(guò)鄰小區(qū)聯(lián)合小區(qū)選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化。文獻(xiàn)[5]考慮邊緣用戶小區(qū)選擇時(shí)，受鄰小區(qū)干擾的問(wèn)題，提出采用動(dòng)態(tài) CoMP模式選擇的方式改善相鄰小區(qū)干擾狀況。而文獻(xiàn)[6]則考慮異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景聯(lián)合小區(qū)選擇、資源調(diào)度以及功率控制的問(wèn)題，并分析用戶的公平性和系統(tǒng)容量的取舍關(guān)系。上述研究基于單載波、低功率節(jié)點(diǎn)密度不高的假設(shè)，在高密度低功率節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景的有效性尚不清楚，同時(shí)，也缺乏多成員載波的異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景聯(lián)合小區(qū)選擇、成員載波選擇、波束形成的研究。本文主要涉及具有多根天線的異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)，針對(duì)載波聚合信道的下行鏈路的小區(qū)選擇問(wèn)題，提出一種小區(qū)選擇新算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶性能和系統(tǒng)吞吐量的提升。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。

1　系統(tǒng)模型及優(yōu)化算法

1.1系統(tǒng)模型

現(xiàn)在考慮有M個(gè)用戶和K個(gè)載波網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路。假設(shè)基站有N個(gè)發(fā)射天線，用戶有一個(gè)接收天線。小區(qū)q在每個(gè)載波上的發(fā)射功率相同，記為Pq。用矩陣A={ak，m|ak，m?{0，1}}K×M表示用戶對(duì)載波的選擇，ak，m=1表示用戶m選擇載波 k，ak，m=0表示用戶m沒(méi)有選擇載波k。小區(qū)q中用戶m在i基站t時(shí)隙上的信道功率增益表示為，這里表示小區(qū)q中用戶 m在i基站上的信道矢量，波束形成矢量 bk，i用來(lái)映射用戶在基站 i上的發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)符號(hào)。那么每個(gè)用戶的信干噪比可以記作：

N0表示獨(dú)立的零均值加性高斯白噪聲的方差。那么用戶m的可實(shí)現(xiàn)速率就為：

根據(jù)(1)和(2)式可知：

由此，可以發(fā)現(xiàn)基于小區(qū)選擇、載波選擇和波束形成協(xié)調(diào)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題就是找到X、A和B，使得目標(biāo)函數(shù)最大化。假設(shè)目標(biāo)函數(shù)是要使不同的用戶獲得最高的系統(tǒng)吞吐量并確保比例公平，應(yīng)使效用函數(shù)最大化：

上式的問(wèn)題是一個(gè)混合的多維問(wèn)題，求解起來(lái)十分困難，為此采用分維優(yōu)化、交替迭代的優(yōu)化策略。

1.2優(yōu)化算法

首先，假定小區(qū)內(nèi)部用戶調(diào)度器給定，并且通過(guò)載波選擇和協(xié)調(diào)小區(qū)間避免干擾，現(xiàn)在就是找到最佳的長(zhǎng)期用戶小區(qū)選擇。

對(duì)于給定的小區(qū)選擇集合S(q)，假設(shè)每個(gè)基站q將比例公平調(diào)度器作為小區(qū)內(nèi)的調(diào)度器來(lái)選擇最佳的用戶：

這里 E(Rk，m，q)是 Rk，m，q的數(shù)學(xué)期望，即用戶 m 從基站q在載波k上可實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)的平均最大數(shù)據(jù)速率。表示連接到q基站上的用戶數(shù)量。1/m表示多用戶的分集增益(調(diào)度增益)，它取決于對(duì)同一資源競(jìng)爭(zhēng)的用戶數(shù)量。

其次，假設(shè)X是給定的，由給定的主特征向量問(wèn)題可知，小區(qū)q在載波k上發(fā)射波束形成矢量bq，使得系統(tǒng)和速率達(dá)到最大：

Iq和Ii分別是用戶q和用戶i接收到的干擾信號(hào)功率，用戶q的值為：

最后，假設(shè)小區(qū)選擇和波束矢量已知，則載波問(wèn)題成為一個(gè)二進(jìn)制功率控制問(wèn)題，為了求解設(shè) bk，i=，可以表示，則

上式中，分母中的1/yi，k表示移動(dòng)臺(tái)m的資源受到移動(dòng)臺(tái)n的干擾所占的百分比。整個(gè)分母表示來(lái)自其他小區(qū)的干擾和外界噪聲的平均和功率。這樣，從式(5)可以采用文獻(xiàn)[7]中的提出的貪婪算法得到ak，q。

一旦得到預(yù)編碼矩陣和 ak，i，則小區(qū)選擇矢量求解如下：

首先，由于預(yù)編碼矩陣和 ak，i的聯(lián)合設(shè)計(jì)，使得基于波束形成的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的可行性得以恢復(fù)，則有：

這里 bk，q是式(8)所給的主特征向量問(wèn)題，顯然，此問(wèn)題與小區(qū)選擇問(wèn)題存在耦合。

然而，從式(8)可以看到，如果 λi，q趨于負(fù)無(wú)窮大，那么每個(gè)用戶的bk，q就與其他小區(qū)用戶的小區(qū)選擇問(wèn)題相獨(dú)立。據(jù)此，第一種去耦合情形可以假設(shè)利他的一種情況，即：

那么協(xié)調(diào)基站中的波束矢量就是它對(duì)其他小區(qū)用戶的干擾功率之和的期望達(dá)到最小的情形，此時(shí) E(Rm，q，k)是

第二種情形，則對(duì)應(yīng)于最壞的波束形成情形，即在協(xié)調(diào)基站中假設(shè)干擾避免滿足：

則此時(shí)式(14)為

在這兩種情形，如果給定每個(gè)載波每個(gè)基站的用戶數(shù)量，那么Y=(yq，k，q?Q，k?K)，并且

也是確定的，這樣聯(lián)合問(wèn)題就簡(jiǎn)化成一個(gè)最大權(quán)重雙重匹配問(wèn)題，這可以在多項(xiàng)式時(shí)間通過(guò)匈牙利法得到解決。為了解決計(jì)算和反饋的開(kāi)銷，考慮在下面設(shè)計(jì)一個(gè)啟發(fā)式算法。

假設(shè) wm，q，k通過(guò)聯(lián)合波束形成和載波選擇獲得，那么基站聯(lián)合問(wèn)題(4)再寫(xiě)如下：

這個(gè)問(wèn)題可以分解成M個(gè)子問(wèn)題，其中m-th是為用戶m找到最優(yōu)基站：

式(19)的線性問(wèn)題可以通過(guò)將所有 xm，q置 0解決，除了xm，q?=1，這里

因此以上所有M個(gè)子問(wèn)題就獨(dú)立地解決，式(18)的答案最終也可獲得。基于上面所有的討論，提出低復(fù)雜性的聯(lián)合載波選擇波束形成的小區(qū)選擇算法。

1.3聯(lián)合載波選擇波束形成的小區(qū)選擇算法

以下步驟在提出的用戶選擇策略上重復(fù)執(zhí)行：

初始化：

(1)與每個(gè)節(jié)點(diǎn)有關(guān)的用戶選擇集合 U(q)初始化為空。

(2)用戶小區(qū)選擇優(yōu)先級(jí)排序。計(jì)算每個(gè)用戶對(duì)每個(gè)基站的信噪比，按信噪比的大小進(jìn)行降序排列，選擇最大的信噪比用戶作為第一項(xiàng)放到相應(yīng)的小區(qū)。

小區(qū)選擇循環(huán)：

(4)持續(xù)該過(guò)程直到所有用戶都有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的基站。

2　基于聯(lián)合的小區(qū)選擇算法仿真結(jié)果及分析

2.1仿真參數(shù)假設(shè)

為驗(yàn)證算法的有效性，本文采用一種基于距離的小區(qū)選擇算法作為參考算法。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)宏小區(qū)和2～25個(gè)不等的 Pico小區(qū)組成，Pico小區(qū)在宏小區(qū)邊緣900 m處以同心圓排列，Pico小區(qū)間隔200 m。用戶拋灑區(qū)域位于中心800 m，范圍-50～+50 m的帶狀區(qū)域，并隨機(jī)拋灑；信道模型采用SCM城市微小區(qū)信道模型，載波帶寬為 10 MHz，載波數(shù)量為 2，發(fā)射端和接收端天線數(shù)分別為2和1。仿真假設(shè)見(jiàn)表1，可以看出仿真假設(shè)符合LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的仿真假設(shè)。

表1　仿真參數(shù)基本假設(shè)

2.2仿真及分析

圖1給出了5小區(qū)40用戶聯(lián)合載波選擇和波束形成的小區(qū)選擇算法和小區(qū)選擇參考算法吞吐量的累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function，CDF)性能比較曲線。從仿真結(jié)果來(lái)看，新的考慮了空域信息的小區(qū)選擇算法較小區(qū)選擇參考算法吞吐量有明顯的增益。證明，在考慮了空域信息的聯(lián)合優(yōu)化小區(qū)選擇算法，確實(shí)可以降低異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中小區(qū)間的干擾，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。

圖1　5小區(qū)40用戶結(jié)果比較曲線

圖2給出了23小區(qū)120用戶在小區(qū)選擇新算法和參考算法下的性能比較。根據(jù)仿真結(jié)果，用戶數(shù)目和小區(qū)數(shù)目繼續(xù)增加時(shí)(如23小區(qū)120用戶情形相對(duì)于5小區(qū)40用戶場(chǎng)景)，相對(duì)于小區(qū)數(shù)量和用戶數(shù)較少的情形，仍可提供穩(wěn)定的額外增益。這個(gè)增益來(lái)源分析：由于此種算法解決了傳統(tǒng)干擾管理在高密度低功率節(jié)點(diǎn)布置場(chǎng)景中干擾管理自由度受限問(wèn)題，所以，帶來(lái)了系統(tǒng)吞吐量的提升；除此之外，還來(lái)自于 Pico小區(qū)對(duì)宏小區(qū)的負(fù)載均衡功能，因?yàn)樵跈?quán)值計(jì)算時(shí)，引入了與小區(qū)用戶數(shù)有關(guān)的因子。

圖2　23小區(qū)120用戶結(jié)果比較曲線

3　結(jié)論

本文在異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中載波聚合信道下提出一種聯(lián)合載波選擇和波束形成的小區(qū)選擇新算法，并對(duì)此算法與參考算法進(jìn)行了深入的分析和仿真比較，得出以下結(jié)論：在低功率節(jié)點(diǎn)密度高的異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中，聯(lián)合載波選擇并考慮空域特性(波束形成)的小區(qū)選擇算法，相對(duì)于參考小區(qū)選擇算法，能使更多用戶選擇微微小區(qū)作為自己的服務(wù)小區(qū)，實(shí)現(xiàn)了微微小區(qū)容量提升的同時(shí)，也對(duì)宏小區(qū)起到了業(yè)務(wù)分流和負(fù)載均衡的作用，這樣最大化了系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)了用戶性能提升和系統(tǒng)增益提高。除此之外，本文提出的算法克服了傳統(tǒng)增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(enhanced Inter-Cell Interference Coordination，eICIC)在低功率節(jié)點(diǎn)密度高的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景干擾管理自由度受限問(wèn)題，從而達(dá)到減少小區(qū)間干擾的目的，使各小區(qū)加權(quán)和速率即SINR最大化，同樣也使整個(gè)系統(tǒng)吞吐量得到提升。

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Joint component carrier selection and beamforming cell selection algorithm in heterogeneous network

Zheng Longlong，Sun Changyin,Liu Yu
（College of Communication and Information Engineering,Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China）

The introduction of picocells aims to improve system capacity and the hotspot in heterogeneous networks,but the amout of user′s selection for picocells is small,the inter-layer interference is very complex,and the average throughput of the picocells edge user performance can not be improved.This paper proposed a joint component carrier selection and beamforming new cell selection algorithm.Compared with the reference algorithm,the simulation results show that this scheme can coordinate between macrocell and picocells interference,thereby increase the average throughput and cell edge user performance slightly,so that throughput of the entire system has been greatly improved.

heterogeneous network；carrier aggregation；carrier selection；beamforming；cell selection

TN929.5

A

0258-7998(2015)02-0112-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.027

國(guó)家 863項(xiàng)目(2014AA01A703，2014AA01A705)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61102047，61271276)；陜西省教育廳自然科學(xué)基金(2013JK1045)；中興通訊論壇中興通訊公司基金

2014-06-29)

鄭龍龍(1988-)，男，碩士，在讀研究生，主要研究方向：寬帶無(wú)線通信、移動(dòng)通信。

孫長(zhǎng)印(1963-)，男，副研究員，主要研究方向：下一代無(wú)線通信技術(shù)。

劉毓(1963-)，女，教授，主要研究方向:光通信。