劉濤濤,禹 忠,王軍選,楊 鵬

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,西安 710121; 2.中國(guó)信息通信研究院,北京 100191)

0 概述

5G毫米波(millimeter Wave,mmWave)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不同于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng),其以更為廣泛的多點(diǎn)分布、多用戶通信、多天線系統(tǒng)和多小區(qū)合作為研究重點(diǎn)[1],力求在體系構(gòu)架上尋求系統(tǒng)性能的大幅度提高,使系統(tǒng)提供超過(guò)10 Gb的峰值速率[2-3]。

隨著5G的到來(lái),移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)無(wú)線電頻譜日益增長(zhǎng)的需求與有限的可用頻譜之間的矛盾愈發(fā)突出,采用頻譜共享技術(shù)能夠使頻率資源在時(shí)間和空間上利用更加均衡。在5G頻譜共享方法中,專家學(xué)者對(duì)頻譜共享技術(shù)提出了諸多實(shí)現(xiàn)方法。一類是設(shè)置干擾閾值,通過(guò)次用戶復(fù)用主用戶非授權(quán)頻譜的方式提高頻譜效率[4-5],該方法預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的干擾閾值,當(dāng)干擾值超出該閾值時(shí),觸發(fā)干擾協(xié)調(diào),在干擾協(xié)調(diào)過(guò)程中次用戶禁止復(fù)用主用戶頻譜[6]。另外一類是使用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束成形以減小電磁波在其他方向的輻射規(guī)避干擾[7],大規(guī)模MIMO與現(xiàn)有MIMO技術(shù)相比,其所實(shí)現(xiàn)的空間分辨率明顯增強(qiáng),能夠深度挖掘空間維度資源,實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用,也可將波束寬度集中在較窄的范圍內(nèi),使基站側(cè)發(fā)射電磁波形成的波束主瓣方向?qū)?zhǔn)期望用戶方向[7],從而大幅降低網(wǎng)間干擾水平。

文獻(xiàn)[8]論述基站端和用戶端采用大規(guī)模MIMO在頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中的潛在優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[9]建立大規(guī)模MIMO技術(shù)的多波束時(shí)空超分辨率波束成形框架,在波束指向方向產(chǎn)生大的增益并抑制同頻道干擾。文獻(xiàn)[10]提出認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)的大規(guī)模MIMO新型空間頻譜共享策略,通過(guò)CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)基站間的頻譜共享。

但是,在現(xiàn)有的頻譜共享方案中,采用簡(jiǎn)單的大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)不能有效規(guī)避不同網(wǎng)絡(luò)間的干擾,特別是分布于住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)等室內(nèi)通信系統(tǒng)中的復(fù)雜干擾。為解決該問(wèn)題,本文采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)頻譜管理方案對(duì)各網(wǎng)間干擾鏈路進(jìn)行集中式管理,結(jié)合gNB與UE波束成形技術(shù)獲取最佳干擾閾值,簡(jiǎn)化干擾圖關(guān)系,優(yōu)化貪心算法,并為各干擾鏈路分配正交的頻譜資源,從而規(guī)避網(wǎng)間鏈路的干擾。

1 SDN頻譜集中式管理方案設(shè)計(jì)

1.1 SDN管理層架構(gòu)設(shè)計(jì)

SDN將控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離,實(shí)現(xiàn)編程化控制[11]。本文設(shè)計(jì)集中式SDN無(wú)線鏈路資源控制層協(xié)調(diào)器(Control Layer Coordinator,CLC),CLC與各毫米波網(wǎng)絡(luò)相互連接,負(fù)責(zé)對(duì)各網(wǎng)絡(luò)無(wú)線鏈路資源進(jìn)行統(tǒng)一分配管理,并為各個(gè)mmWave網(wǎng)絡(luò)鏈路分配可用的頻譜資源。各mmWave網(wǎng)絡(luò)中包含SDN基礎(chǔ)實(shí)施層協(xié)調(diào)器(Basic Implementation Layer Coordinator,BILC)和干擾數(shù)據(jù)庫(kù)(Data Base,DB)。本文集中式SDN鏈路干擾管理層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中式鏈路干擾管理層結(jié)構(gòu)

在各mmWave網(wǎng)絡(luò)中,DB存儲(chǔ)該網(wǎng)絡(luò)中的鏈路干擾信息,BILC負(fù)責(zé)上傳DB中的干擾信息至CLC,同時(shí)接收CLC下發(fā)的協(xié)調(diào)信息。在各網(wǎng)絡(luò)中,BILC將干擾信息上傳至CLC,CLC將各網(wǎng)絡(luò)干擾鏈路集中構(gòu)造成干擾圖,并采用貪心算法對(duì)干擾圖進(jìn)行染色,統(tǒng)一對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源(時(shí)間/頻率)實(shí)現(xiàn)重新規(guī)劃和分配,為受干擾鏈路分配相互正交的頻譜資源。

在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)中,位于同一區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)mmWaveA中鏈路i與網(wǎng)絡(luò)mmWaveB中鏈路j存在同頻干擾,當(dāng)鏈路i所受的干擾超出最大干擾閾值時(shí)觸發(fā)干擾協(xié)調(diào)機(jī)制。協(xié)調(diào)指對(duì)應(yīng)的干擾鏈路對(duì)(網(wǎng)絡(luò)mmWaveA的鏈路i和網(wǎng)絡(luò)mmWaveB的鏈路j)使用相同頻譜資源時(shí)傳輸受限制,需對(duì)頻譜資源進(jìn)行重新分配。2個(gè)干擾網(wǎng)絡(luò)就這種資源劃分進(jìn)行協(xié)議,并調(diào)用SDN控制層協(xié)調(diào)器對(duì)干擾鏈路進(jìn)行資源的重新劃分。

圖2 網(wǎng)間用戶鏈路干擾示意圖

1.2 大規(guī)模MIMO數(shù)學(xué)模型

在gNB端和UE端均采用大規(guī)模MIMO,發(fā)射端采用波束成形技術(shù)產(chǎn)生特定角度波束指向接收端,接收端天線產(chǎn)生特定角度波束指向發(fā)射端,從而獲取最佳干擾閾值。gNB與UE波束對(duì)準(zhǔn)示意圖如圖3所示。

圖3 gNB與UE波束對(duì)準(zhǔn)示意圖

發(fā)射機(jī)i到接收機(jī)j波束成形增益可表示為:

(1)

其中,H(t,f)ij表示信道矩陣的第ij條鏈路,Wtxij表示發(fā)射機(jī)i與接收機(jī)j的波束成形向量,Wrxij表示接收機(jī)j從發(fā)射機(jī)i接收的接收向量。

用K個(gè)簇模擬MIMO信道模型,每個(gè)簇均包含L個(gè)子徑,信道模型H(t,f)表示為:

(2)

其中,urx表示接收端空間特征向量,utx表示發(fā)送端空間特征向量,gkl(t,f)表示小尺度衰落,其表示為:

(3)

其中,Plk表示功率擴(kuò)展。

小尺度衰落與簇的數(shù)目、子徑的數(shù)量、多普勒頻移、功率、延遲傳播和到達(dá)角相關(guān)。

系統(tǒng)鏈路路徑損耗和陰影(單位為dB)表示為:

PL(d)=α+β×10×lgd+ξ,ξ～N(0,δ2)

(4)

波束成形信道干擾可表示為:

(5)

采用式(5)計(jì)算各鏈路對(duì)目標(biāo)鏈路的干擾值并標(biāo)記最大干擾對(duì),從而形成控制層干擾協(xié)調(diào)決策的基礎(chǔ)。

1.3 SDN協(xié)調(diào)機(jī)制算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)引用反饋機(jī)制時(shí),各網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)通過(guò)干擾測(cè)量獲取相應(yīng)的干擾對(duì)。CLC根據(jù)各mmWave網(wǎng)絡(luò)反饋的干擾信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)中干擾鏈路重新分配相互正交的資源,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間頻譜干擾協(xié)調(diào)管理。該過(guò)程具體步驟為:

步驟1網(wǎng)絡(luò)間的干擾檢測(cè)。通過(guò)干擾測(cè)量各mmWave網(wǎng)絡(luò)中可確定鏈路i對(duì)其他某個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路用戶k的干擾情況,同時(shí)測(cè)量出其他mmWave網(wǎng)絡(luò)中鏈路j對(duì)自身網(wǎng)絡(luò)鏈路i的干擾情況。各網(wǎng)絡(luò)將干擾鏈路對(duì)信息存儲(chǔ)在該網(wǎng)絡(luò)的干擾數(shù)據(jù)庫(kù)中,用于形成SDN控制層干擾鏈路協(xié)調(diào)決策的基本條件。

步驟2實(shí)施層干擾信息傳輸。將各mmWave網(wǎng)絡(luò)中所測(cè)量的干擾信息與上述獲取的最佳干擾閾值進(jìn)行比對(duì),去除DB中干擾值小于干擾閾值的干擾信息,其中,每個(gè)鏈路干擾信息將被表示為鏈路id(例如,基站id+用戶id),每個(gè)mmWave網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給與其連接的BILC,BILC將接收到的所有需要被協(xié)調(diào)的信息集合發(fā)送至CLC,并由CLC完成統(tǒng)一的資源管理與協(xié)調(diào)。

步驟3控制層鏈路資源分配。各個(gè)BILC將干擾鏈路對(duì)上報(bào)至CLC,CLC通過(guò)邊和節(jié)點(diǎn)的關(guān)系建立干擾圖,邊G=(v,e),節(jié)點(diǎn)V={vn},節(jié)點(diǎn)最大的度為ΔG,1≤n≤N,e={en,m},n≠m,且1≤n,m≤N,其中,V和e分別表示圖的邊和頂點(diǎn)的集合。為避免不同鏈路間的干擾,應(yīng)對(duì)相干擾鏈路分配正交的資源。若用不同的顏色代表不同的資源,該正交資源表示為C={c1,c2,…,ck},則干擾協(xié)調(diào)決策問(wèn)題可表述為圖的著色問(wèn)題[12]。圖的著色問(wèn)題是最著名的NP完全問(wèn)題之一,對(duì)于N個(gè)節(jié)點(diǎn)用K種顏色進(jìn)行染色,可描述為:

(6)

滿足N>K,采用上述方式進(jìn)行染色的算法復(fù)雜度為:

(7)

本文通過(guò)計(jì)算最佳干擾閾值簡(jiǎn)化圖的關(guān)系,以對(duì)干擾圖進(jìn)行著色,該過(guò)程如圖4所示。

圖4 著色算法流程

采用上述方式對(duì)干擾圖進(jìn)行著色,算法復(fù)雜度為:

Cprop=O(KN2)

步驟4基礎(chǔ)實(shí)施層資源調(diào)度。SDN控制層完成干擾圖的著色后,CLC需要將干擾協(xié)調(diào)結(jié)果發(fā)送到每一個(gè)與之連接的BILC,BILC將干擾信息發(fā)送至對(duì)應(yīng)的gNB,當(dāng)gNB收到干擾協(xié)調(diào)決策報(bào)告后,將重新設(shè)定決策所分配的資源,如果一個(gè)鏈路沒(méi)有被協(xié)調(diào),則該鏈路頻譜資源不做重新分配。

1.4 系統(tǒng)模型設(shè)置

本文系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)仿真器ns-3[13-14],系統(tǒng)頻率為26 GHz,其物理層幀結(jié)構(gòu)與LTE幀結(jié)構(gòu)[15]相似,一個(gè)幀長(zhǎng)為10 ms,每個(gè)幀分為10個(gè)長(zhǎng)度為1 ms的子幀,每個(gè)子幀劃分為8個(gè)長(zhǎng)度為125 μs的時(shí)隙。在頻域中,將1 GHz的帶寬劃分為4個(gè)資源塊(Resource Block,RB),每個(gè)RB被細(xì)分為寬度為13.89 MHz的18個(gè)子帶,共72個(gè)子帶,每個(gè)子帶由48個(gè)子載波組成。

2 仿真結(jié)果與分析

仿真時(shí)選用室內(nèi)環(huán)境,模擬一個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為6 m、8 m、3 m的房間進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)間鏈路干擾仿真,如圖5所示,其中,僅畫(huà)出部分UE。在該環(huán)境中部署了2個(gè)不同的毫米波網(wǎng)絡(luò)mmWaveA和mmWaveB,在房間中總共放置20個(gè)UE,每個(gè)UE均隨機(jī)接入到一個(gè)mmWave網(wǎng)絡(luò)中。設(shè)置該場(chǎng)景下的UE以不同的速度緩慢移動(dòng),用此場(chǎng)景來(lái)模擬2個(gè)網(wǎng)絡(luò)中波束指向同一空間,且在同一時(shí)間內(nèi)使用相同的頻譜資源時(shí)2個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間的鏈路干擾情況,從而驗(yàn)證本文方案的可行性及性能。

圖5 系統(tǒng)仿真環(huán)境

當(dāng)鏈路干擾值超出最大干擾閾值時(shí),系統(tǒng)不觸發(fā)SDN鏈路干擾協(xié)調(diào)機(jī)制,僅使用大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)規(guī)避不同網(wǎng)絡(luò)間的鏈路干擾,即通過(guò)陣列天線產(chǎn)生指向不同方向用戶的波束,每個(gè)波束使用不同的頻譜資源來(lái)避免相互之間的干擾。但在用戶分布密集的區(qū)域,不同gNB的同頻波束可能指向相同的區(qū)域,在此區(qū)域的用戶則會(huì)受到網(wǎng)間同頻干擾。

對(duì)上述情境進(jìn)行仿真,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)與mmWaveB網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果分別如圖6、圖7所示。其中,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)中UE2所在鏈路i與mmWaveB網(wǎng)絡(luò)中UE1所在鏈路j使用相同的頻譜資源。從圖6可以看出,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)中UE2受到mmWaveB網(wǎng)絡(luò)中UE1鏈路嚴(yán)重的同頻干擾,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)中UE2信噪比僅為2 dB左右,明顯小于該網(wǎng)絡(luò)中未受干擾的UE1、UE3所在鏈路。由圖7可以看出,mmWaveB網(wǎng)絡(luò)中UE1所在鏈路同樣受到來(lái)自mmWaveA網(wǎng)絡(luò)的UE2所在鏈路的同頻干擾,UE3的用戶信噪比約為7 dB,相比于mmWaveB網(wǎng)絡(luò)中未受干擾的UE1、UE2所在鏈路,信噪比干擾較嚴(yán)重。隨著仿真程序的不斷運(yùn)行,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)與mmWaveB網(wǎng)絡(luò)中各用戶信噪比未發(fā)生明顯變化。

圖6 mmWaveA各鏈路干擾仿真結(jié)果

圖7 mmWaveB各鏈路干擾仿真結(jié)果

在保持上述室內(nèi)仿真環(huán)境及相關(guān)參數(shù)不變的情況下,對(duì)場(chǎng)景增加特定鏈路干擾協(xié)調(diào)方案,當(dāng)鏈路干擾值大于設(shè)置的干擾閾值時(shí),觸發(fā)鏈路干擾協(xié)調(diào)機(jī)制,再次進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 mmWaveA網(wǎng)絡(luò)各鏈路干擾協(xié)調(diào)仿真結(jié)果

圖9 mmWaveB網(wǎng)絡(luò)各鏈路干擾協(xié)調(diào)仿真結(jié)果

在圖8中,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)未干擾鏈路UE1、UE3以及圖9中未干擾鏈路UE2、UE3的信噪比,在SDN控制層協(xié)調(diào)器觸發(fā)干擾協(xié)調(diào)前后無(wú)明顯變化。而圖8、圖9中mmWaveA網(wǎng)絡(luò)的UE2所在鏈路與mmWaveB網(wǎng)絡(luò)的UE3所在鏈路受到嚴(yán)重同頻干擾時(shí),觸發(fā)SDN控制層協(xié)調(diào)機(jī)制。SDN控制器通過(guò)獲取不同gNB網(wǎng)絡(luò)中的干擾鏈路用戶,對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間干擾鏈路重新分配互不干擾的頻譜資源,從而解決了大規(guī)模MIMO因不同波束頻譜資源分配不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的網(wǎng)間用戶同頻干擾問(wèn)題。在采用SDN對(duì)干擾鏈路資源集中管理調(diào)度方案后,mmWaveA網(wǎng)絡(luò)用戶UE2與mmWaveB中UE3干擾鏈路被重新分配資源,鏈路間相互干擾明顯減弱,干擾鏈路信噪比大幅提升,從而提高了干擾用戶的通信質(zhì)量,有助于降低gNB與UE之間的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率,最終有效提高系統(tǒng)中用戶通信質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種大規(guī)模MIMO技術(shù)與SDN鏈路資源集中式管理方法。通過(guò)SDN控制層的集中式管理方案獲取網(wǎng)間干擾鏈路對(duì)信息,用網(wǎng)間干擾鏈路對(duì)組建干擾圖并對(duì)干擾圖進(jìn)行著色、分配頻譜資源,對(duì)相干擾鏈路分配相互正交的頻譜資源,可以有效降低網(wǎng)間用戶干擾。與簡(jiǎn)單的大規(guī)模MIMO頻譜資源共享機(jī)制相比,采用SDN鏈路協(xié)調(diào)機(jī)制能解決大規(guī)模MIMO中波束不能合理分配頻譜資源而導(dǎo)致的網(wǎng)間鏈路干擾問(wèn)題,采用SDN與大規(guī)模MIMO相結(jié)合的方式,可以避免鏈路的同頻干擾,提高鏈路平均信噪比,最終提升用戶通信質(zhì)量。