密集場(chǎng)景下家庭基站間的資源分配新方案﹡

趙 鵬， 楊 英， 劉偉強(qiáng)， 王衛(wèi)東

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

0 引言

隨著家庭基站布置得越來(lái)越密集，家庭基站之間的干擾對(duì)于系統(tǒng)性能的影響已經(jīng)不容忽略[1]?；局g的干擾控制往往通過(guò)資源分配來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-4]。近年來(lái)，圖論已被證明是能有效解決干擾已知的資源分配問(wèn)題的強(qiáng)大工具[5-8]。基于圖論的資源分配方案分為以用戶為結(jié)點(diǎn)和以基站為結(jié)點(diǎn)兩類。當(dāng)以用戶為結(jié)點(diǎn)時(shí)，算法性能好，但算法的復(fù)雜度正比于用戶數(shù)，這限制了算法的應(yīng)用場(chǎng)景[5-6]。當(dāng)以基站為結(jié)點(diǎn)時(shí)，算法復(fù)雜度低，但當(dāng)其應(yīng)用于多用戶小區(qū)時(shí)，現(xiàn)有的此類算法考慮的是統(tǒng)計(jì)平均意義下的用戶位置分布，當(dāng)用戶集中于小區(qū)中心或者邊緣時(shí)，算法性能會(huì)下降[7-8]。鑒于上述原因，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)低復(fù)雜度的資源分配方案，能夠充分利用用戶分布的瞬態(tài)信息，有效抑制家庭基站之間的干擾。

1 系統(tǒng)模型和問(wèn)題描述

1.1 系統(tǒng)模型

考慮OFDMA家庭網(wǎng)絡(luò)下行干擾，資源分配單元為物理資源塊(PRB)。采用55×小格模型[9]，在每個(gè)小格內(nèi)，以概率DR存有一個(gè)家庭基站(FBS)；家庭用戶(FUE)隨機(jī)分布于每個(gè)小格內(nèi)。每個(gè)FUE至多分配到一個(gè)PRB；每個(gè)PRB在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)不能同時(shí)被多個(gè)用戶所使用。接下來(lái)將提出一種低復(fù)雜度的資源分配方案用于抑制家庭基站之間的干擾，進(jìn)而提高頻譜效率，增大滿意用戶數(shù)。所謂滿意用戶即該用戶的信干噪比(SINR)高于預(yù)設(shè)閾值thγ。

1.2 問(wèn)題描述

為了方便問(wèn)題的描述，一些定義如下：

1）FBS集合為 SB= ｛ 1, 2, … ,M ｝，其中M為FBS數(shù)目。

2）PRB集合為 SRB= ｛ 1, 2, … ,N ｝ ，其中N為PRB數(shù)目。

4）FUE-PRB指示矩陣，Y，定義為：

5）FBS-PRB指示矩陣，X，定義為：

小區(qū)i內(nèi)的家庭用戶u的SINR可表示為：

式中，0N為噪聲功率譜密度，,uig 為FUEu到FBSi之間的信道增益（包括路徑損耗和對(duì)數(shù)正態(tài)分布陰影衰落），因此，滿意用戶集合可表述為：

最大化滿意用戶數(shù)即最大化集合muS 的基數(shù)，下面將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等效圖問(wèn)題，并運(yùn)用圖論中的方法進(jìn)行求解。

2 干擾圖的建立

在本節(jié)中，將把小區(qū)間的互干擾信息轉(zhuǎn)化為一張帶權(quán)重的雙向干擾圖。首先，每個(gè)用戶確定其干擾基站并匯報(bào)給該用戶的服務(wù)基站，某用戶的干擾基站定義為不能與該用戶共用同一資源塊的基站；然后，服務(wù)基站計(jì)算小區(qū)間的干擾因子；最后，F(xiàn)BS網(wǎng)關(guān)收集來(lái)自各個(gè)FBS的信息并建立干擾圖。

2.1 干擾基站的確定

小區(qū)i內(nèi)用戶u的干擾基站確定過(guò)程：

如果 γu≥γth，則FUEu沒(méi)有干擾基站；否則，繼續(xù)下面的步驟。

2）剔除干擾強(qiáng)度最大的基站，重新計(jì)算用戶u的 SINR，不斷迭代直至 γu≥γth。之前所有被剔除的基站均放入集合中。

至此，F(xiàn)UEu可以獲得其干擾基站指示向量( G Iu)為：

2.2 帶權(quán)重的雙向干擾圖

基于上述干擾基站指示向量，將建立一張帶權(quán)重的雙向干擾圖（Vd, Ed,Wd）。

1）結(jié)點(diǎn) Vd：每個(gè)結(jié)點(diǎn)等同于一個(gè) FBS，即Vd=，且對(duì)應(yīng)于FBS。i

2）邊dE ：FBSj對(duì)FBSi的干擾因子為：

則可以得到邊的集合dE為：

3）權(quán)重dW ：首先確定小區(qū)i內(nèi)中心用戶和邊緣用戶的集合：

3 資源分配方案

干擾越強(qiáng)的基站越不利于頻譜復(fù)用，因此，為了最大化頻譜復(fù)用率，根據(jù)每個(gè)FBS所產(chǎn)生的的干擾，為其預(yù)設(shè)一個(gè)資源塊分配額度。結(jié)點(diǎn)的定義為：

由上式可知分配給FBSi的額度反比于FBSi對(duì)其他基站造成的干擾。從公平性角度出發(fā)，按照thN 從小到大的順序依次為每個(gè) FBS分配資源。當(dāng)輪流到FBSi，算法的流程如下：

11)重復(fù)步驟 2)到步驟 10)直至小區(qū)i內(nèi)所有用戶都被選取一遍或者時(shí)結(jié)束。

其中,,jiSE 為小區(qū)j中受FBSi干擾的用戶所獲得的資源塊的集合,表示小區(qū)i當(dāng)前占用的資源塊。

所提算法復(fù)雜度為 O （U ），其中U為系統(tǒng)中所有用戶的數(shù)目。而文獻(xiàn)[6]中算法的復(fù)雜度為O（U2），文獻(xiàn)[8]中的算法是個(gè)NP-hard問(wèn)題。

4 性能仿真

仿真場(chǎng)景采用55×小格模型，每個(gè)小格尺寸為10m10m×，PRB的數(shù)目為80，F(xiàn)BS的發(fā)射功率為20 dBm。

如圖1和圖2所示，仿真了不同密集度下所提算法所能獲得的頻譜效率和滿意用戶數(shù)，并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[8]中的算法(Chang algorithm)作了比較，同時(shí)將UFR作為比較基準(zhǔn)。

如圖1所示，所提算法的頻譜效率要比Chang algorithm的高20%；如圖2所示，所提算法獲得的滿意用戶數(shù)要比Chang algorithm的高25%。

圖1 不同SINR閾值下的頻譜效率

圖2 不同SINR閾值下的滿意用戶數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

充分利用了圖論的知識(shí)，將密集場(chǎng)景下用戶隨機(jī)分布時(shí)的家庭基站之間的干擾信息建模為一張帶權(quán)重的雙向圖，并依據(jù)此干擾圖提出了一種低復(fù)雜度的資源分配方案。相比于以往的算法，考慮了用戶隨機(jī)分布所導(dǎo)致的小區(qū)間干擾的不對(duì)稱，能較為精確地刻畫小區(qū)間的互干擾信息，進(jìn)而更充分地利用頻譜資源以獲得更好的系統(tǒng)性能。

[1] 柴玉輝,王珂,封志宏.TD-LTE中家庭基站的干擾管理[J].通信技術(shù),2011,44(11)：4-6.

[2] 李遲生,戴仁林,胡樂(lè),等.多用戶 OFDM系統(tǒng)中高效的資源分配算法[J].通信技術(shù),2007,40(12)：74-76.

[3] 黃磊,戎蒙恬.中繼增強(qiáng)型蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法研究[J].信息安全與通信保密, 2007(06)：86-88.

[4] 張杰,趙子儀,付疆.一種EPON-WiMAX融合網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法[J].信息安全與通信保密,2011(10)：58-59,62.

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[9] 3GPP.R4-092042.Simulation assumptions and parameters for fdd henb rf requirements[S].USA： 3GPP,2009.