張　洋， 孫長印， 劉　毓， 湯仕艷， 文芳艷

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710061)

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5G超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法*

張洋， 孫長印， 劉毓， 湯仕艷， 文芳艷

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710061)

摘要:隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)用戶設(shè)備呈爆炸性增長趨勢，使異構(gòu)網(wǎng)中小區(qū)密集，造成小區(qū)間嚴(yán)重干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)吞吐量?；?G超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究了以用戶為中心，基于動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇與聯(lián)合優(yōu)化，提出了聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法。仿真結(jié)果表明：該算法協(xié)調(diào)了小區(qū)間干擾和頻譜效率的矛盾，提高了邊緣用戶的性能和小區(qū)的平均吞吐量。

關(guān)鍵詞：5G超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)； 虛擬波束形成； 干擾協(xié)調(diào)； 動(dòng)態(tài)虛擬小區(qū)選擇； 聯(lián)合優(yōu)化

0引言

目前，由于通信移動(dòng)設(shè)備的猛增，造成了異構(gòu)網(wǎng)中小區(qū)密集和小區(qū)間的嚴(yán)重干擾，因此，研究逐步認(rèn)可小區(qū)選擇對干擾管理的作用十分重要。目前研究的小區(qū)選擇技術(shù)主要有：1)距離擴(kuò)展(range expansion)技術(shù)[1]，該技術(shù)是在用戶接入時(shí)，通過參考信號接收功率(reference signal receiving power)判斷參數(shù)設(shè)置不同的偏移值,使更多用戶接入到小功率基站。2)協(xié)作靜默(cooperative silencing)技術(shù)[2]，它是通過在某些頻率資源上宏小區(qū)(MacroCell)降低發(fā)射功率或者完全靜默，以減小對小小區(qū)(PicoCell)用戶的干擾，提高系統(tǒng)吞吐量。3)采用載波選擇(CC selection)方案[3]，思想是將LTE-Advanced系統(tǒng)100 MHz帶寬分為5個(gè)20 MHz的成員載波(component carrier)，不同的層根據(jù)不同準(zhǔn)則選擇不同的成員載波，達(dá)到小區(qū)間干擾避免、負(fù)載均衡等目的。異構(gòu)網(wǎng)情形家庭基站載波自主選擇(autonomous component carrier selection,ACCS) 算法[3,4]，算法基于背景干擾矩陣(background interference matrices,BIM)，對邊緣用戶設(shè)置不同的載波選擇優(yōu)先級[5]，提高邊緣用戶吞吐量。但上述研究基于低功率節(jié)點(diǎn)密度不高的假設(shè)，在5G超密度低功率節(jié)點(diǎn)場景的有效性未知。

本文將協(xié)作式動(dòng)態(tài)虛擬小區(qū)選擇與小區(qū)分群思想相結(jié)合，提出一種新的基于聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇方法?；舅枷胧遣捎猛笋詈系姆椒▽⑿^(qū)選擇與其他資源分配問題分離，考慮用戶自己的可達(dá)速率、對其他用戶的干擾，以及小區(qū)負(fù)載?？蛇_(dá)速率計(jì)算中采用利他策略的虛擬波束形成，協(xié)調(diào)了小區(qū)間的干擾消除和頻譜效率的矛盾，進(jìn)而提高了小區(qū)的平均吞吐量和邊緣用戶的性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化。

1系統(tǒng)模型

本文討論網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的多基站協(xié)作傳輸，假設(shè)系統(tǒng)中包括M個(gè)基站和K個(gè)用戶，基站m(m∈M)有N根天線，用戶k(k∈K)是單天線。

多個(gè)基站組成的一個(gè)虛擬小區(qū)為用戶k服務(wù)，用戶k的虛擬基站群為Q={Mk，Mk∈M}。系統(tǒng)如圖1所示，為k1用戶服務(wù)的虛擬小區(qū)q1={m1,m2,m3}，為k2用戶服務(wù)的虛擬小區(qū)q2={m3,m4,m5}，為k3用戶服務(wù)的既可以是q1也可以是q2，這時(shí)就需要進(jìn)行進(jìn)一步選擇。

圖1　多基站協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig 1　Multi-basestation collaborative network system

在虛擬小區(qū)q中，用戶k接收信號表示如下

(1)

由式(1)可得用戶k的信干噪比(SINR)

(2)

可見信干噪比與聯(lián)合預(yù)編碼矩陣vk有關(guān)，則容量最大化基于下述預(yù)編碼矩陣和功率控制

(3)

式中P0為最大傳輸功率，wkq為可調(diào)系數(shù)，調(diào)整該系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)小區(qū)容量最大化，‖·‖為歐幾里得范數(shù)。

為了解決vk中功率和預(yù)編碼的耦合性這個(gè)問題，用xkq∈{0,1}，表示小區(qū)選擇系數(shù)，若用戶k選擇小區(qū)q則xkq=1;否則,為0。式(3)轉(zhuǎn)化為

xkq∈{0,1},

Pkm>0,?m∈Mk,k∈Km.

(4)

2基于聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法

式(4)的聯(lián)合求解是非線性約束問題，最優(yōu)解的獲得十分復(fù)雜，本文給出一種啟發(fā)式方法來獲得最優(yōu)化算法，思想是將小區(qū)選擇問題的聯(lián)合預(yù)編碼和功率問題去耦合，利用小區(qū)選擇與功率問題處理時(shí)間尺度不同的特點(diǎn)，用平均容量代替瞬時(shí)可達(dá)容量

Pkq=lg(1+γk).

(5)

(6)式中E[·]為求數(shù)學(xué)期望，Rkq為用戶k在虛擬小區(qū)q中的可達(dá)速率，yq為連接到虛擬小區(qū)q的用戶數(shù)量，它代表了對同一資源競爭的用戶數(shù)。

xkq?{0,1}.

(7)

為求解E(Rkq)，需求解聯(lián)合預(yù)編碼矢量。

2.1多虛擬小區(qū)虛擬波束形成使容量最大化

式(7)主要求解波束形成矢量的方向，通過構(gòu)造拉格朗日函數(shù)和KKT條件獲得。由主特征向量問題可知，用戶k采用下式的發(fā)射波束形成矢量bq將使得系統(tǒng)容量達(dá)到最大

(8)

Ik是用戶k接收到的干擾信號功率

(9)

式(8)中的容量最大是利己利他波束形成的一個(gè)平衡，它是利用一個(gè)簡單的利己利他平衡矩陣的線性組合實(shí)現(xiàn)的。

2.2聯(lián)合小區(qū)分群的虛擬波束形成的動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇

因?yàn)橛脩鬹的E(Rkq)與其他用戶的虛擬小區(qū)波束形成矢量有關(guān)，以致用戶k的虛擬小區(qū)選擇與其它用戶的小區(qū)選擇結(jié)果相關(guān)。這時(shí)，考慮聯(lián)合虛擬波束形成，即為每個(gè)用戶選擇動(dòng)態(tài)的虛擬小區(qū)作為服務(wù)小區(qū)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的邊緣用戶在這里變成了某個(gè)虛擬小區(qū)q的中心用戶。

此時(shí)協(xié)動(dòng)態(tài)選擇對其他小區(qū)用戶干擾功率之和的期望最小的E(Rkq)

(10)

此時(shí)，給定每個(gè)虛擬基站的用戶數(shù)量，即令Y=(ykq,k∈K,q∈Q)確定,則

(11)

此時(shí)將值代入下式

(12)

可得確定值，此時(shí)系統(tǒng)得解。

2.3聯(lián)合虛擬波束形成小區(qū)選擇算法步驟

1)令l=1，選擇用戶隊(duì)列中第l個(gè)用戶，計(jì)算其Q個(gè)備選虛擬小區(qū)的可達(dá)速率，選擇可達(dá)速率最大的虛擬小區(qū)作為其虛擬小區(qū)，同時(shí)，將該用戶從排隊(duì)序列中刪除。

2)令l=l+1，選擇用戶隊(duì)列中第l個(gè)用戶，計(jì)算其Q個(gè)備選虛擬小區(qū)的可達(dá)速率，選擇權(quán)值最大的虛擬小區(qū)作為其服務(wù)小區(qū)，同時(shí)，將該用戶從排隊(duì)序列中刪除；計(jì)算可達(dá)速率時(shí)，采用式(10)計(jì)算，其中，預(yù)編碼矢量利用式(8)計(jì)算，考慮對已經(jīng)選擇虛擬小區(qū)的用戶干擾最小；統(tǒng)計(jì)其虛擬小區(qū)中的用戶數(shù)，利用式(11)計(jì)算在各個(gè)備選虛擬小區(qū)的權(quán)值。

3)上述過程持續(xù)進(jìn)行，直到每個(gè)用戶隊(duì)列窮盡為止。

3聯(lián)合虛擬波束形成小區(qū)選擇算法仿真

為驗(yàn)證算法的有效性，本文采用基于距離的小區(qū)選擇算法作為參考算法。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)配置由2～22個(gè)不等的微小區(qū)(Pico)組成，Pico小區(qū)以田字形結(jié)構(gòu)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。仿真假設(shè)見表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)。

3.1仿真參數(shù)假設(shè)

仿真參數(shù)設(shè)置如表1。

表1　仿真參數(shù)基本假設(shè)

3.2仿真與分析

由圖2可見，概率為90 %以上，參考小區(qū)選擇算法可達(dá)容量為4.6×108bit/s，本文算法容量可達(dá)4.9×108bit/s。

圖2　6個(gè)小區(qū)50用戶結(jié)果比較曲線Fig 2　6 cells and 50 users result comparison curve

由圖3可見，概率90 %以上，參考算法可達(dá)容量為4.6×108bit/s，本文算法可達(dá)容量為5.0×108bit/s。從圖2、圖3仿真結(jié)果比較來看，在小區(qū)數(shù)目較少時(shí)，用戶多時(shí)，本文基于聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法比參考算法吞吐量有小幅提高。

圖3　6小區(qū)100用戶結(jié)果比較曲線Fig 3　6 cells and 100 users result comparison curve

由圖4可見，概率在90 %以上，參考算法可達(dá)容量為1.25×109bit/s，本文算法可達(dá)容量為1.4×109bit/s。

圖4　22小區(qū)50用戶結(jié)果比較曲線Fig 4　22 cells and 50 users result comparison curve

圖5中給出了22小區(qū)100整個(gè)系統(tǒng)在小區(qū)選擇新算法和參考算法下的性能比較。由圖5可見，概率在90%以上參考算法可達(dá)容量為1.4×109bit/s，本文算法可達(dá)容量為1.5×109bit/s。

圖5　22小區(qū)100用戶結(jié)果比較曲線Fig 5　22 cells and 100 users result comparison curve

仿真結(jié)果表明:用戶數(shù)目相同時(shí)，小區(qū)數(shù)目繼續(xù)增加時(shí)，相對于小區(qū)數(shù)量和用戶數(shù)較少的情形，可提供額外的增益。當(dāng)小區(qū)數(shù)目相同時(shí)，用戶數(shù)量增加反而會(huì)獲得額外增益。這個(gè)增益來源分析：由于聯(lián)合虛擬波束形成算法將單天線覆蓋下小區(qū)邊緣用戶變?yōu)楸疚乃惴ǖ闹行挠脩?，解決了傳統(tǒng)干擾管理中邊緣用戶問題,帶來了系統(tǒng)吞吐量的提升。此外，在權(quán)值計(jì)算時(shí)引入與小區(qū)用戶數(shù)有關(guān)的因子，形成了小區(qū)的負(fù)載均衡功能。

4結(jié)束語

本文提出一種以聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法，并進(jìn)行了深入的分析和仿真比較，在低功率高密度的異構(gòu)網(wǎng)場景中，相對于參考小區(qū)選擇算法，聯(lián)合虛擬波束形成的小區(qū)選擇算法由于能使原本處于單基站邊緣的用戶變?yōu)樘摂M小區(qū)的中心用戶，將小區(qū)分群更便于聯(lián)合調(diào)度和優(yōu)化，使更多小區(qū)的邊緣用戶性能得到提升，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)容量顯著地提升。仿真結(jié)果表明：由于小區(qū)選擇設(shè)計(jì)的選擇準(zhǔn)則中包括了用戶自己的可達(dá)速率、對其他用戶的干擾，小區(qū)負(fù)載，以及可達(dá)速率計(jì)算中采用基于利他策略的聯(lián)合虛擬波束形成矢量，結(jié)果協(xié)調(diào)了小區(qū)間的干擾和頻譜效率的矛盾，進(jìn)而提高了小區(qū)的平均吞吐量和邊緣用戶的性能。

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張洋(1991-)，女，陜西西安人，碩士，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信。

Cell selection algorithm in 5G superdense heterogeneous network with joint virtual beamforming*

ZHANG Yang, SUN Chang-yin, LIU Yu, TANG Shi-yan, WEN Fang-yan

(Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061，China)

Abstract:With the development of mobile communication technology,mobile user equipment show explosive growth trend,village populated in heterogeneous network, which causes serious interference between zones,and seriously affect system throughput.Therefore,based on 5G superdense heterogeneous network structure,study user-centric based on distributed virtual communities of dynamic selection and joint optimization of community,put forward joint area selection algorithm of virtual beamforming.Simulation results show that the algorithm coordinates conflict between interference between zones and spectrum efficiency,improve performance of edge users and average throughput of cell.

Key words:5G superdense heterogeneous network; virtual beamforming; interference coordination; dynamic virtual cell selection; joint optimization

作者簡介:

中圖分類號：TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0139—03

*基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014AA01A703)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JM8317)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61102047)；中興產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目

收稿日期：2015—11—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0139—03