分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中子載波分配技術(shù)研究*

李　倩，李　屹

（1.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 淄博256414；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876）

分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中子載波分配技術(shù)研究*

李倩1，李屹2

（1.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 淄博256414；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876）

分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)層次較多，在分布密度、覆蓋范圍、服務(wù)能力等方面差異較大，彼此重疊覆蓋、相互影響，形成了復(fù)雜時變的通信環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的顯著提升，還有一些重要的技術(shù)問題亟待解決。以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量為核心目標(biāo)，分析比較了分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中典型的子載波分配算法，指出了當(dāng)前算法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步提出算法的改進(jìn)思路，即基于干擾抑制的子載波預(yù)測及自組織配置，為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善頻譜與能量效率提供了理論參考。

分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；子載波預(yù)測；自組織分配；干擾抑制

0　引言

未來80%的數(shù)據(jù)將在室內(nèi)和熱點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生，覆蓋、頻段和制式分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Network，HetNet)是應(yīng)對流量需求的必然選擇。HetNet架構(gòu)呈低功率、多天線的特征，一般用同頻部署提高頻譜效率，但同時也導(dǎo)致同層和跨層干擾以及低功率基站的不規(guī)則部署和密集分布，使子載波最優(yōu)配置變得困難。鑒于此，本文對 HetNet中已有的典型子載波配置算法進(jìn)行了分析比較，進(jìn)而提出用預(yù)測機(jī)制實(shí)現(xiàn)子載波自組織配置的改進(jìn)算法。

1　子載波分配機(jī)制的現(xiàn)狀分析

HetNet中有較嚴(yán)重干擾，有效的子載波配置可減小同層和跨層干擾[1]。子載波分配方式有集中式和分布式。集中式分配隨低功率基站的增加，宏基站的計算開銷顯著增大。分布式分配可應(yīng)對低功率基站大量部署和分布不均的問題，但不保證子載波分配的合理性。德州大學(xué)研究人員用泊松點(diǎn)過程描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瑴?zhǔn)確描述了低功率基站部署的隨機(jī)性和密集性[2]。韓國研究人員提出的低復(fù)雜度子載波分配算法提高了數(shù)據(jù)速率[3]。文獻(xiàn)[4]的子載波分配機(jī)制有較好的 QoS性能和頻譜效率。低功率基站與宏基站也可工作于不同頻段[5]，但這會使頻譜利用率較低，故可考慮部分頻率復(fù)用[6]。

2　子載波分配機(jī)制的改進(jìn)方法

HetNet中子載波自組織分配的改進(jìn)算法先預(yù)測分層小區(qū)的子載波狀態(tài)，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對低功率基站分簇，進(jìn)而協(xié)作完成子載波最優(yōu)分配。

其中，w∈Rc為權(quán)向量，b∈R為偏差(門限或閾值)。將訓(xùn)練樣本代入上式得：

支持向量機(jī)回歸估計可歸結(jié)為如下的規(guī)劃問題[7]：

其中，γ＞0是懲罰系數(shù)，c(ξn)是損失函數(shù)，觀測值和預(yù)測值間的誤差不超過給定的正數(shù) ε，ξn和是松弛變量。該優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)化為對偶問題求解，并得到最優(yōu)Largrange乘子和an。滿足-an≠0的訓(xùn)練樣本即為支持向量，則最優(yōu)回歸估計函數(shù)為：

偏差b可用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件計算。

將最小二乘引入支持向量機(jī)，優(yōu)化指標(biāo)用ξ的平方函數(shù)表示，用等式約束代替標(biāo)準(zhǔn)支持向量機(jī)的不等式約束[8]，于是有：

此時 ε=0，求出 an和b，則最優(yōu)回歸估計函數(shù)為：

如此簡化了計算復(fù)雜度，求解速度相對加快。

進(jìn)一步引入Largrange函數(shù)求解優(yōu)化問題：

其中 an是Largrange乘子。根據(jù) KKT條件得到[3]：

對于n=1，2，…，N，消去w和ξ得線性方程：

其中 a=[a1，a2，…，aN]T，y=[y1，y2，…，yN]T，G=[φ(x1)T，φ(x2)T，…，φ(xN)T]。按 Mercer條件，存在核函數(shù)滿足 K(xi，xj)= φ(xi)Tφ(xj)，于是有：

求解得到參數(shù) aN(n=1，2，…，N)和 b，則最優(yōu)回歸估計函數(shù)為：

其中K(xi，xj)=φ(xi)Tφ(xj)為核函數(shù)，因此基于最小二乘支持向量機(jī)的非線性預(yù)測決策函數(shù)為：

低功率基站通過子載波預(yù)測獲得可用子載波集，預(yù)測結(jié)果重疊會造成同層干擾，可利用因子圖對低功率基站進(jìn)行自組織分簇。預(yù)測結(jié)果相似度高的在同一簇，由簇頭進(jìn)行子載波分配以降低干擾。設(shè)Ai為第i個低功率基站預(yù)測的可用子載波集，定義第i個和第j個低功率基站間相似度為：

設(shè)F為所有低功率基站的集合，F(xiàn)i表示第i個簇。分簇結(jié)果應(yīng)滿足。cij表示不同低功率基站間的關(guān)系，cij=1表示第 i個低功率基站是以第j個為簇頭的簇成員，每個低功率基站只能關(guān)聯(lián)到一個簇頭，即。當(dāng)某低功率基站被選作簇頭，它應(yīng)代表自己，即若 cjj=0，則 cij=0，目標(biāo)是通過分簇使所有低功率基站與簇頭間的相似度之和最大，以最小化低功率基站間的干擾。此問題可建模為一個最優(yōu)化問題：

對第一和第三個約束條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可得：

于是，原最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：

式(17)可通過因子圖法求解?；谝蜃訄D最大和算法，計算從局部函數(shù)f到變量x及相反的過程如下：

其中n(x)為連接到x的功能節(jié)點(diǎn)集合，n(f)為連接到f的變量節(jié)點(diǎn)集合，x為1×|n(f)|向量。

完成分簇后，設(shè)簇內(nèi)可分配的子載波集為C，低功率基站集為S，簇頭可獲得低功率基站與用戶間的實(shí)時信道信息hij和不同用戶的業(yè)務(wù)需求Qi。Ti為分配給第i個低功率基站的子載波，為第m個子載波上低功率基站與用戶間的信道增益。第i個低功率基站在第m個子載波上的速率為：

利用分支定界法可以求得最優(yōu)問題的解。

3　仿真結(jié)果

本節(jié)給出HetNet中兩種子載波分配機(jī)制的仿真結(jié)果，一是傳統(tǒng)的分布式子載波分配機(jī)制，二是本文提出的改進(jìn)的子載波分配機(jī)制。仿真場景設(shè)置如下：宏基站1個，發(fā)射功率為40 W；家庭基站2個，發(fā)射功率均為0.1 W；宏基站帶寬5 MHz，2個家庭基站的總帶寬也是5 MHz。背景噪聲功率譜密度-174 dBm/Hz，噪聲系數(shù)9 dB。假設(shè)宏基站、家庭基站和終端均按獨(dú)立泊松點(diǎn)過程隨機(jī)分布，其密度分別為λ1=(π5002)-1/m2、λ2=2λ1和λu=5～45λ2。

圖1給出了改進(jìn)機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制用戶遍歷速率對比圖，圖2給出了改進(jìn)機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制網(wǎng)絡(luò)吞吐量的對比圖。易見，本文提出的機(jī)制由于改進(jìn)了資源利用率和頻譜效率，有效抑制了干擾，其用戶速率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能比傳統(tǒng)機(jī)制有較明顯提升。

圖1　不同子載波分配機(jī)制對應(yīng)的遍歷用戶速率

圖2　不同子載波分配機(jī)制對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

4　結(jié)束語

本文考慮子載波占用狀態(tài)的連續(xù)波動性，引入最小二乘支持向量機(jī)模型構(gòu)建區(qū)域子載波占用預(yù)測態(tài)勢圖，再根據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行低功率基站的動態(tài)分簇和協(xié)同資源調(diào)配，設(shè)計了HetNet中一種改進(jìn)的子載波自組織分配算法。分析與仿真結(jié)果表明：相對已有的HetNet分布式子載波分配機(jī)制，本文提出的算法有效減小了干擾，提高了頻譜效率。

[1]LOPEZ-PEREZ D，GUVENC I，ROCHE G，et al.Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks[J].IEEE Wireless Communication，2011，18(3)：22-30.

[2]DHILLON H S，GANTI R K，BACCELLI F，et al.Modeling and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication，2012，30(3)：550-560.

[3]XUE P，GONG P，JAE H P，et al.Radio resource managementwith proportional rate constraint in the heterogeneous networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communication，2012，11(3)：1066-1075.

[4]CHANDRASEKHAR V，ANDREWS J G.Spectrum allocation in tiered cellular networks[J].IEEE Transactions on Communications，2009，57(10)：3059-3068.

[5]DAMNJANOVIC A，MONTOJO J，WEI Y，et al.A survey on 3GPP heterogeneous networks[J].IEEE Wireless Communications，2011，18(3)：10-21.

[6]NOVLAN T D，GANTI R K，GHOSH A，et al.Analytical evaluation of fractional frequency reuse for heterogeneous cellular networks[J].IEEE Transactions on Communications， 2012，60(7)：2029-2039.

[7]VLADIMIR N V.The nature of statistical learning theory[M]. New York：springer-verlag，2000.

[8]CRISTIANINI N，SHAWE-TAYLOR J.An introduction to support vector machines and other Kernel-based learning methods[M].Cambridge University Press，2000.

Study of sub-carrier allocation scheme for heterogeneous networks

Li Qian1，Li Yi2
(1.Department of Electrical Engineering，Shandong Vocational College of Industry，Zibo 256414，China；2.School of Information and Communication Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China)

In heterogeneous cellular networks,because of the different distribution density,coverage area and serving capability of different tiers,the network deployment causes complex and variable communication environments.There are key problems have to be solved for overall throughput improving.In order to enhancing the system throughput,this article compares existing representative sub-carrier allocation algorithms.The advantages and disadvantages of these schemes are addressed and the improvement strategy is elaborated in this paper.The proposed scheme is a sub-carrier self-organizing distribution based prediction,which can restrain interference,and provide theoretical reference for improving throughput,spectrum and energy efficiency.

heterogeneous networks；sub-carrier prediction；self-organizing distribution；interference suppression

TN929.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.025

山東省高?？萍加媱澴曰I經(jīng)費(fèi)項目（J15ln76）

李倩（1982-），通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：電子與通信，E-mail：mingyuezhaoyang@163.com。

李屹（1977-），男，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：無線通信、未來網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)。

中文引用格式：李倩，李屹.分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中子載波分配技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：90-92，96.

英文引用格式：Li Qian，Li Yi.Study of sub-carrier allocation scheme for heterogeneous networks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：90-92，96.