基于雙效約束的5G微站重構(gòu)技術(shù)①

李 棟

(集美大學(xué)計算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361000)

0 引 言

為提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋范疇及擴(kuò)大可承載容量，近年來運(yùn)營商大力推進(jìn)5G微站的部署工作。雖然取得了一定成效但也暴露出了服務(wù)質(zhì)量(QoS)級的潛在問題。諸如，高密度的5G微站分布使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)中鄰區(qū)微站出現(xiàn)同頻干擾而引發(fā)噪聲。因此有必要開展資源重構(gòu)研究在解決噪聲問題的同時增加5G全網(wǎng)的承載量。以文獻(xiàn)[1]為例，提出了一種5G微站服務(wù)輪詢方案。該方案以移動臺速率需求為導(dǎo)向通過任意輪詢微站的計算資源來隨機(jī)分配無線頻譜。此方案在輕量級接入的情形下具有良好的QoS成效。但由于該方案并未對微站開展分區(qū)部署，在應(yīng)對大規(guī)模移動臺接入時依然導(dǎo)致鄰區(qū)微站噪聲出現(xiàn)。針對此不足，文獻(xiàn)[2]提出了層次化小區(qū)管理技術(shù)。該技術(shù)通過協(xié)同方式計算出干擾噪聲較大的微站并將其分布在非鄰接的小區(qū)內(nèi)，為其分配無線頻譜。各小區(qū)通過無線頻譜復(fù)用來提升容量。但該技術(shù)并未對微站對之間的噪聲大小做區(qū)分建模，也未顧及小區(qū)之間的干擾對于微站噪聲的效力。因此普適性欠缺。文獻(xiàn)[3]提出了一種全局調(diào)度算法。該算法通過評估全網(wǎng)微站噪聲來測算處理任意移動臺間的干擾，再引入自適應(yīng)微站分區(qū)部署模型對分區(qū)內(nèi)的微站開展同頻干擾管理。該技術(shù)下的QoS有所改善但算法所涉及移動臺協(xié)同降噪測算管理將隨著移動臺接入規(guī)模的增加，算法復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級上升。顯然這并不科學(xué)?；诖耍疚臉?gòu)思一種基于雙效約束的5G微站重構(gòu)技術(shù)，旨在切實(shí)提升系統(tǒng)吞吐量[4]的同時有效降低小區(qū)和微站之間的噪聲干擾。

1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)在一個分配了高頻[5]的宏站小區(qū)內(nèi)，部署了頻帶寬度為B的低頻微站集合A={1,2,3,...,a,...,i,..,m,...A}。每個低頻微站內(nèi)接入一個移動臺且采用相同的無線頻譜，相應(yīng)地產(chǎn)生了無線信道集合C={1,2,3,...,c,...,C}。對于微站個體a而言，要為那些具備相同屬性a的移動臺提供資源響應(yīng)。對于移動臺a而言將同時接收到有效信號和鄰區(qū)信號兩類信號。

假設(shè)微站a下發(fā)給移動臺i和移動臺a的數(shù)據(jù)分別為d1和d2，微站i和微站a到移動臺a的路由衰耗[6]αR1和αR2，微站i和微站a到移動臺a的小尺度衰耗分別為αF1和αF2。引入高斯噪聲N，遵循δ2≥N≥0。則在下行方向上移動臺獲取的信號為式(1)：

(1)

(2)

2 微站重構(gòu)方案

將存在同頻干擾的5G微站對之間的連線表征為邊E， 將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的5G微站表征為頂點(diǎn)V，將同頻干擾的嚴(yán)重程度表征為權(quán)值σ，權(quán)值參數(shù)越小意味著噪聲影響力越小。于是可將上述系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成無向圖G=(V,E,σ)來表示。由于權(quán)值總是因微站對之間傳輸信號能量變動而發(fā)生實(shí)時變化，這將導(dǎo)致微站頻繁地分區(qū)重構(gòu)。此舉不利于算法時間復(fù)雜度和全網(wǎng)開銷資源。故此處通過微站對之間的平均信號強(qiáng)度來測算噪聲的歸一化強(qiáng)度。

假設(shè)微站m和移動臺i間的無線信道增益為g1，微站m和移動臺m間的無線信道增益為g2，微站i和移動臺i間的無線信道增益為g3，微站m和微站i的工作功率分別為p3和p4。求得微站對之間的噪聲權(quán)值為p3·g1·(p4·g3)-1+p4·g1·(p3·g2)-1。將權(quán)值[8]相對較小的微站對部署在同一小區(qū)內(nèi)以降低小區(qū)內(nèi)的噪聲干擾。

令當(dāng)前小區(qū)微站密度為ρ，遵循雙效約束的最小信噪比為SNRth，則在保證QoS[9]前提條件下的全網(wǎng)分區(qū)規(guī)模Q需遵循Q=argmin{g3·p1·[N+G(Q,A,ρ)]-1}，其中SNRth<=g3·p1·[N+G(Q,A,ρ)]-1。在求得全網(wǎng)分區(qū)規(guī)模Q后微站將被相繼部署在這些規(guī)模的小區(qū)內(nèi)。假設(shè)每個微站可用于無線接入的有效信道有Q個。則微站分區(qū)問題可轉(zhuǎn)化成圖論中的最大切問題的求解，也就是最小化相同分區(qū)內(nèi)的噪聲影響，最大化不同分區(qū)之間的噪聲影響。假設(shè)第k個微站分區(qū)為Xk，微站編號為y。在結(jié)合構(gòu)思的5G系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可將微站分區(qū)問題轉(zhuǎn)化成如下目標(biāo)函數(shù)來求解。

(3)

在為微站規(guī)劃好分區(qū)規(guī)模后還需為分區(qū)內(nèi)的微站部署無線載頻信道。正如前文所述，分區(qū)內(nèi)的微站采用相同的無線頻帶資源進(jìn)行復(fù)用旨在最大程度地提升系統(tǒng)容量。假設(shè)，使分區(qū)Xy容量達(dá)到峰值狀態(tài)下的無線信道為c。在此無線信道上的移動臺i信號的信噪比為SNR2。令標(biāo)識變量t為無線信道c部署情況。若標(biāo)識為0，表示該無線信道c并未部署給分區(qū)Xy；若標(biāo)識為1，表示該無線信道c部署給分區(qū)Xy。于是，成就系統(tǒng)最大容量的目標(biāo)可轉(zhuǎn)化為求解如下目標(biāo)函數(shù)式(4)：

(4)

3 方案測試

為考察微站重構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，將重構(gòu)技術(shù)運(yùn)行在Matlab平臺上與文獻(xiàn)[1]，文獻(xiàn)[2]的研究方案展開對比。所運(yùn)行的環(huán)境做如下部署：微站工作頻道、工作電平、頻帶寬度分別為5GHz，15dBm，7MHz；宏站工作頻道和工作電平分別為3GHz，32dBm。微站在邊長均為300m的正方形區(qū)域內(nèi)遵循泊松[12]分布來部署方位。每個微站接入一個移動臺，故只涉及同頻[13]干擾，其干擾的信噪比門限為7dB。系統(tǒng)每赫茲的噪聲密度為-150dBm。

根據(jù)引言所敘，文獻(xiàn)[1]所述輪詢方案雖然圍繞移動臺服務(wù)速率來為微站分配無線頻譜取得一定成效，卻因忽略鄰區(qū)微站頻譜資源的相關(guān)性使其缺乏普適性。文獻(xiàn)[2]所述層次化小區(qū)管理技術(shù)思想在于通過協(xié)作計算將存在干擾的微站不加以程度區(qū)分就部署到非鄰接小區(qū)。這樣的頻譜擴(kuò)容機(jī)制并不長效。兩種技術(shù)存在方案設(shè)計的不足在本組測試中所采集的數(shù)據(jù)曲線走勢上得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。圖1描述的是5G全網(wǎng)分區(qū)內(nèi)無線載頻使用情況。使用率越高意味著微站頻譜效率越高，擴(kuò)容成效越好。數(shù)據(jù)曲線走勢顯示隨著微站規(guī)模持續(xù)增加，三種技術(shù)下的無線頻譜效率總體減弱但本文構(gòu)思的微站重構(gòu)技術(shù)卻相對最好。究其原因，重構(gòu)技術(shù)部署了基于可用信道區(qū)分的微站分區(qū)機(jī)制，輔以微站干擾排序機(jī)制開展微站重構(gòu)編排方案。這樣的甄選理念是輪詢方案和層次化小區(qū)管理技術(shù)所不具備的，因此重構(gòu)技術(shù)在擴(kuò)容成效方面表現(xiàn)出了相對優(yōu)勢。

圖1 無線載頻使用情況

圖2描述了部署三種技術(shù)的5G分區(qū)網(wǎng)絡(luò)差異化降噪機(jī)制對于分區(qū)有效容量的影響力。微站規(guī)模持續(xù)增加必然同步增加分區(qū)規(guī)模、無線載頻規(guī)模，由此導(dǎo)致的累積性噪聲影響力也同步增大。最終使得分區(qū)有效容量逐漸縮小。這樣的總體趨勢是所有技術(shù)方案不可避免的。圖中曲線走勢也證明了這樣的規(guī)律，但相比之下重構(gòu)技術(shù)卻表現(xiàn)出了相對優(yōu)勢。這是因?yàn)橹貥?gòu)技術(shù)在規(guī)劃微站方位策略時采用了基于微站干擾差異化的分區(qū)部署機(jī)制，并增加考慮了在滿足噪聲約束下的系統(tǒng)達(dá)到最大容量時的無線信道資源部署情況。然而輪詢方案的目標(biāo)僅僅是為微站順利適配到無線頻譜即可，缺乏QoS。相比之下，層次化小區(qū)管理技術(shù)雖在微站分區(qū)時做了改進(jìn)，效率有所提升但在降噪措施上的考量依然不及重構(gòu)技術(shù)的精細(xì)。因此在本組測試中重構(gòu)技術(shù)依然表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，并且這種優(yōu)勢將隨著微站規(guī)模增加而更加凸顯。

圖2 差異化降噪機(jī)制對分區(qū)有效容量的影響

圖3描述的是三種技術(shù)下的5G全網(wǎng)移動臺接收信號信噪比的累積性函數(shù)分布值。輪詢方案因缺乏固有的微站干擾和分區(qū)干擾區(qū)分機(jī)制，導(dǎo)致其降噪擴(kuò)容成效最弱，移動臺信噪比分布曲線位居最高。層次化小區(qū)管理技術(shù)雖和重構(gòu)技術(shù)都在微站噪聲管理方面有所改進(jìn)，但層次化小區(qū)管理技術(shù)并不具備重構(gòu)技術(shù)中基于權(quán)值排序的微站分區(qū)組網(wǎng)優(yōu)勢。因此，對于部署了層次化小區(qū)管理技術(shù)的5G分區(qū)網(wǎng)絡(luò)而言，其移動臺信噪比分布曲線依然比重構(gòu)技術(shù)的曲線走勢要高一些。

圖3 接收信號情況

4 結(jié) 語

重構(gòu)技術(shù)通過為5G微站部署分區(qū)和頻帶資源來實(shí)現(xiàn)移動臺的低噪聲接入服務(wù)。該技術(shù)所建立的雙效管理目標(biāo)模型不僅約束了微站之間、分區(qū)之間的噪聲影響力，同時在部署微站方位上通過引入權(quán)值排序機(jī)制確保了微站部署成效，提升了系統(tǒng)服務(wù)移動臺的吞吐量。實(shí)驗(yàn)表明，重構(gòu)技術(shù)在實(shí)施5G移動臺高效接入方面具有良好的穩(wěn)健性和長效性。