張思博

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，各種無(wú)線新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)[1]，網(wǎng)絡(luò)接入用戶數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了改善當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能，進(jìn)一步滿足現(xiàn)有及未來(lái)用戶使用網(wǎng)絡(luò)的需求，由中國(guó)移動(dòng)等多家國(guó)內(nèi)外大型公司及組織機(jī)構(gòu)結(jié)合云計(jì)算思想提出了一種新型無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)——云無(wú)線接入網(wǎng)（C-RAN）[2]。其本質(zhì)是遠(yuǎn)程射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）經(jīng)由光傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至虛擬基帶處理單元（Base Band Unit，BBU），進(jìn)行集中式處理[3]。如圖（1）為C-RAN架構(gòu)示意圖。該種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有處理能力強(qiáng)、傳播時(shí)延低、能源消耗少的特點(diǎn)，同時(shí)可以有效提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率[4]。

移動(dòng)用戶不斷增多[5]，而網(wǎng)絡(luò)資源有限，所以運(yùn)用一種可行、高效的網(wǎng)絡(luò)資源分配方案對(duì)C-RAN極為關(guān)鍵。龍懇[6]等人提出一種資源預(yù)測(cè)模型。利用回歸 AR預(yù)測(cè)對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立預(yù)測(cè)模型。之后使用雙閾值來(lái)限定網(wǎng)絡(luò)負(fù)載范圍，規(guī)避發(fā)生突發(fā)負(fù)載時(shí)虛擬基站的切換，從而減少基站遷移的次數(shù)。Hatoum A[7]等人提出一種可擴(kuò)展式的資源分配策略，可轉(zhuǎn)化為Min-Max問(wèn)題，為保證各小區(qū)間吞吐量滿意度，在分配時(shí)，按需給小區(qū)分配頻譜資源塊。劉占軍[8]等人考慮共享無(wú)線信道會(huì)引起信道干擾，為降低這種干擾，提出了基于背景噪聲放大因子的優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)了資源分配機(jī)制。

本文主要基于C-RAN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源進(jìn)行優(yōu)化研究。根據(jù)每個(gè)基站用戶的QoS需求，結(jié)合云無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)可以集中處理、按需分配資源的優(yōu)勢(shì)，提出一種新型頻譜資源分配策略。

圖1 C-RAN 架構(gòu)示意圖Fig.1 The C-RAN architecture sketch map

1 系統(tǒng)模型

本文主要基于一個(gè)移動(dòng)通信區(qū)域，該區(qū)域完全使用新型無(wú)線架構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)（C-RAN）進(jìn)行構(gòu)建，并對(duì)其下行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。在云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中，通常將遠(yuǎn)程射頻部分作為發(fā)射基站，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的處理部分與射頻部分分離，全部集中與一處，形成集中式的云處理中心，云處理中心負(fù)責(zé)處理所有下屬射頻基站的信號(hào)請(qǐng)求。

假設(shè)：一片區(qū)域內(nèi)，采用C-RAN方式進(jìn)行構(gòu)建，統(tǒng)一由一個(gè)云處理中心進(jìn)行管理。在該片區(qū)域內(nèi)包含m個(gè)射頻基站，并均勻部署，用集合M = ｛ 1,…,m｝來(lái)表示。每個(gè)射頻基站發(fā)射功率相同，信號(hào)覆蓋范圍相同并呈圓形由基站向外輻射。每個(gè)射頻基站擁有一系列使用用戶，用戶用集合 Pm= ｛ 1,… ,Rm｝來(lái)表示，在射頻基站信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布。假設(shè)每個(gè)用戶同一時(shí)刻只能與一個(gè)射頻基站進(jìn)行通訊，不存在一個(gè)用戶同時(shí)歸屬兩個(gè)基站的情況。

在一個(gè)云處理中心管轄的區(qū)域內(nèi)，所有基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶總數(shù)P為：

在現(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)不可或缺的時(shí)代，通信基站部署必須實(shí)現(xiàn)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，為此一個(gè)通信區(qū)域內(nèi)會(huì)部署眾多基站保證信號(hào)全覆蓋，同時(shí)為保障通信質(zhì)量，基站部署也較為密集。而基站數(shù)眾多但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源有限，如頻譜等，因此移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用頻譜復(fù)用技術(shù)來(lái)解決頻譜資源有限的問(wèn)題。C-RAN中的云處理中心將頻譜劃分為一系列頻率子帶，提供給射頻基站使用，頻率子帶用集合 N = ｛ 1,… ,N ｝來(lái)表示。又因頻譜復(fù)用易出現(xiàn)信道干擾，所以提出本文策略，來(lái)降低這種干擾，從而滿足用戶QoS需求。

在判斷信道干擾的參考數(shù)值量上采用信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference and Noise Ratio，SINR）進(jìn)行分析，簡(jiǎn)稱信干噪比[9]。在目前的頻譜分配研究中，大多是以總的干擾功率為指標(biāo)，實(shí)際上信干燥比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)更加的適合[4]。通過(guò)該參數(shù)可以更好的判斷用戶在網(wǎng)絡(luò)中接收到信號(hào)的干擾程度。射頻基站中單個(gè)用戶下行信干燥比（SINR）可以表達(dá)為：

式（2）中，nkβ表示射頻基站n中某一個(gè)用戶k的信干燥比 SINR；nkP 表示用戶k從基站接受到信息的接收功率；jkP 表示用戶k從鄰近干擾小區(qū)接收到的干擾功率；kI表示對(duì)用戶k存在可忽略干擾的基站集合；0P為假設(shè)存在的高斯白噪聲功率。在式（1.2）中，nkP 通常可以表達(dá)為以下公式：

式（3）中，nP表示用戶k所屬射頻基站n的發(fā)射功率；nkδ表示用戶k與基站n之間的鏈路損耗。

結(jié)合式（2）與式（3），得射頻基站中單個(gè)用戶下行網(wǎng)絡(luò)的信干燥比：

假設(shè)：設(shè)定一個(gè)信干燥比容忍下限β0，通過(guò)該容忍下限來(lái)識(shí)別是否需要移除 Ik集合中干擾最大的基站。當(dāng)一個(gè)用戶k的信干燥比 βnk≥β0，則表示用戶k的可容忍基站集合 Ik滿足通信需求；但當(dāng)βnk＜β0時(shí)，則表示當(dāng)前集合Ik中需要剔除其中對(duì)用戶干擾最大的基站，此時(shí) Ik改變?yōu)椋?/p>

式（5）中， Isk表示剔除的對(duì)用戶k造成干擾基站集合。不斷剔除最大干擾基站，從而使用戶k的信干噪比滿足 βnk≥β0。

通過(guò)以上模型的建立，可以得到用戶k符合需求的信干噪比βnk，由此可以計(jì)算射頻基站n中用戶k在頻率子帶上可以達(dá)到的通信速率 Cnk[10]：

式（6）中，βmin表示最小的信干噪比，βmin=-4.5dB；βmax表示當(dāng)達(dá)到最大吞吐量時(shí)的信干噪比， βmax= 1 6.72dB。

至此，得到了用戶在頻率子帶上的通信速率。假設(shè)每個(gè)移動(dòng)用戶k為滿足其數(shù)據(jù)服務(wù)需要，需要速率為 Bk。可以得到在C-RAN架構(gòu)下， 一個(gè)射頻基站n所需的頻率子帶數(shù)目為：

式（7）中，nS表示為滿足用戶通信需求的射頻基站所需頻率子帶數(shù)目；表示向上取整函數(shù)。

2 頻譜分配策略

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶的不同，網(wǎng)絡(luò)需求隨時(shí)都在變化[11]，例如：現(xiàn)有城市規(guī)劃中，常常將住宅區(qū)與工作區(qū)分離，這也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)需求也隨人員的移動(dòng)發(fā)生變化；在白天時(shí)，區(qū)域人員移動(dòng)到工作區(qū)進(jìn)行工作，導(dǎo)致工作區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求飆升，而生活區(qū)需求急劇下降；在夜晚時(shí)，則相反。這種有規(guī)律的網(wǎng)絡(luò)需求變換稱作“潮汐效應(yīng)”[12]。

在C-RAN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，為了應(yīng)對(duì)這種“潮汐效應(yīng)”，最大化利用好有限的頻譜資源，同時(shí)滿足用戶不同的服務(wù)需求，提出一種基于C-RAN架構(gòu)的頻率分配策略。該策略主要分為兩個(gè)部分：第一，固定頻率分配；第二，動(dòng)態(tài)需求頻率分配。

2.1 固定頻率分配

雖然網(wǎng)絡(luò)需求在不斷的改變，但每個(gè)基站要滿足所轄范圍內(nèi)用戶的基本通信需求，為此對(duì)頻率進(jìn)行分配時(shí)，要為每個(gè)基站分配固定的頻率子帶。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)頻率子帶集合Y中子帶數(shù)目可以滿足全部基站無(wú)干擾，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新基站加入時(shí)，所有基站會(huì)將各自干擾小區(qū)集合 Isk發(fā)送給云處理中心，中心根據(jù)干擾小區(qū)集合來(lái)重新分配頻率子帶。該過(guò)程可以化為圖著色問(wèn)題來(lái)解決，形成當(dāng)前基站子帶分配無(wú)向圖G（ V, E），其中V = ｛ v1, v2,… ,vn｝表示無(wú)向圖的頂點(diǎn)，也就是網(wǎng)絡(luò)中的射頻基站，相鄰的頂點(diǎn)連線則表示這兩個(gè)基站存在干擾。

由圖著色問(wèn)題可以得到最小填涂顏色與填涂方案，從而使基站網(wǎng)絡(luò)中相鄰且存在干擾的基站采用不同的頻率子帶，達(dá)到減少干擾的目的。本節(jié)采用啟發(fā)式搜索螞蟻算法來(lái)解決圖著色問(wèn)題[13]。在這種算法中，主要依據(jù)信息素來(lái)對(duì)螞蟻的決策產(chǎn)生影響，設(shè)定無(wú)向圖的最大頂點(diǎn)數(shù)為p，預(yù)設(shè)顏色集為C = ｛ c1, c2,… ,cp｝，整個(gè)算法流程如圖（2）。

運(yùn)用該啟發(fā)式搜索螞蟻算法，得到使用最少的使用顏色數(shù)以及最佳的填色序列，也就是最佳的基站頻率分配方案。云處理中心以此著色方案，為每一個(gè)射頻基站指定一個(gè)固定的頻率子帶，保證了基站之間沒(méi)有干擾沖突。使用這種啟發(fā)式搜索的螞蟻算法相比于其他算法可以得到更好的結(jié)果，同時(shí)具有相當(dāng)強(qiáng)的尋優(yōu)能力。

2.2 動(dòng)態(tài)需求頻率分配

通過(guò)固定頻率分配可以簡(jiǎn)單滿足用戶的服務(wù)需求，但隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類的層出不窮，如：用戶大流量視頻瀏覽、大體積文件傳輸?shù)?，單個(gè)基站的用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求量呈指數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)。若單個(gè)基站只分配一個(gè)頻率子帶，在很多情況下，都無(wú)法滿足這種需求。在C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，憑借新型框架的優(yōu)勢(shì)，基帶處理池（云處理中心）可以統(tǒng)一調(diào)度頻率的分配，在固定分配完頻率子帶后，基帶池再依據(jù)用戶不同需求來(lái)動(dòng)態(tài)的調(diào)度分配子帶，從而滿足用戶服務(wù)的同時(shí)極大的提高了網(wǎng)絡(luò)頻率利用率。

圖2 啟發(fā)式搜索螞蟻算法流程圖Fig.2 Heuristic search ant algorithm flow chart

經(jīng)過(guò)第一次分配，每個(gè)基站都只獲得了1個(gè)頻率子帶，需求子帶數(shù)變?yōu)?yn-1。又因基站n不能與鄰近基站使用相同的頻率子帶，否則會(huì)產(chǎn)生干擾，所以基站n可選頻率子帶集合 Yn可以表達(dá)為：

式（8）中，Y表示通信網(wǎng)絡(luò)中總頻率子帶集合；Wn表示第一次頻率分配中分配給基站n的子帶集合；Wm表示第一次頻率分配中分配給基站m的子帶集合， Isk表示會(huì)對(duì)射頻基站n產(chǎn)生干擾的鄰近基站集合，因此表示會(huì)對(duì)基站n產(chǎn)生干擾鄰近基站的子帶集合。

在動(dòng)態(tài)分配過(guò)程中，采用優(yōu)先級(jí)來(lái)確定云處理中心分配子帶的先后順序。將有較高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求同時(shí)可選子帶集合nY數(shù)目較少的基站賦予較高的優(yōu)先級(jí)，可以優(yōu)先獲得需求頻率子帶。用式表達(dá)為：

式（9）中，αn表示基站n的優(yōu)先級(jí)，表示基站n可選子帶集合中的個(gè)數(shù)。

由此為第一個(gè)基站分配子帶完成，滿足其服務(wù)需求，然后更新其他所有基站的可選頻率子帶集合Yn，為下一個(gè)需求基站分配子帶。云處理中心不斷重復(fù)分配更新操作，直至完成子帶的分配，滿足所有射頻基站的QoS需求。

3 仿真分析

本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)上述模型、策略進(jìn)行驗(yàn)證。主要考慮基于用戶低速運(yùn)動(dòng)射頻基站覆蓋的C-RAN新型網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)每個(gè)基站平均用戶數(shù)從3變化到15，單個(gè)用戶平均QoS需求大約為600kbps。設(shè)置信干燥比容忍下限為 6dB。在本仿真中不考慮用戶設(shè)備功率的差異，因此假設(shè)所有用戶移動(dòng)設(shè)備的傳輸功率相等。具體參數(shù)如表1所示。

將本文使用的算法策略與輪詢（RR）算法和比例公平算法（PF）算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提出策略的性能。

在圖3表示隨著C-RAN網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站用戶數(shù)增多時(shí)，本文提出的策略、RR算法和PF算法中斷機(jī)率的比較。我們定義中斷機(jī)率為在整個(gè) C-RN網(wǎng)絡(luò)中，QoS未被滿足的用戶數(shù)與總用戶數(shù)之比。當(dāng)用戶未被基站滿足服務(wù)需求，則判斷其為中斷狀態(tài)。當(dāng)用戶不斷加入網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)基站管理用戶數(shù)變多，所需頻率子帶數(shù)也隨之上升。但總子帶數(shù)一定，便會(huì)使部分用戶服務(wù)不能滿足，因此中斷機(jī)率升高。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖3 中斷機(jī)率比較Fig.3 Outage probability compar son

在圖4表示隨著C-RAN網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)基站用戶數(shù)增多時(shí)，本文提出的策略、RR算法和PF算法頻譜利用率的比較。本文中定義頻譜利用率為已經(jīng)分配的頻率子帶數(shù)與所有子帶總數(shù)之比。從圖 4.2中可以看出相較與其他兩種算法，本文提出的算法有較好的頻譜利用率。

4 結(jié)論

本文提出了一種 C-RAN新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中基于QoS的頻譜資源分配策略，同時(shí)運(yùn)用C-RAN架構(gòu)集中化處理、分配的優(yōu)勢(shì)，最大限度的避免了基站間的信道干擾。通過(guò)仿真與RR算法、PF算法進(jìn)行比較，本文所提出的策略在中斷機(jī)率、頻譜利用率上都比其他兩者優(yōu)秀。

圖4 頻譜利用率Fig.4 S pectrum efficiency

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