5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)聯(lián)及回傳帶寬分配技術(shù)

呂運(yùn)谷

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)重慶有限公司永川分公司，重慶 402160）

0 引 言

在5G 超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，無線接入和無線回傳技術(shù)不但可以增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性和降低網(wǎng)絡(luò)的部署費(fèi)用，還可以為大規(guī)模設(shè)備的接入提供方便。5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，無線回傳是一種對(duì)有線回傳進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，適用于光纖難以達(dá)到的區(qū)域，以及對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求較低的區(qū)域[1]。另外，隨著毫米波寬帶、大規(guī)模天線陣、波束賦形等技術(shù)的日趨成熟，將為未來5G 基站的無線回傳打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5G 異構(gòu)通信系統(tǒng)中，無線回傳技術(shù)是一種不可避免的發(fā)展方向。然而，目前5G 無線回傳技術(shù)還面臨著很多關(guān)鍵問題[2]。目前，對(duì)于5G 回傳網(wǎng)絡(luò)的需求多種多樣。因此，圍繞5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶和基站接入、回傳網(wǎng)和接入網(wǎng)中的時(shí)間頻率資源配置等問題展開研究，建立了5G 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，以此為基礎(chǔ)建立低頻鏈路容量數(shù)學(xué)模型，并提出了低頻系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化算法，以期為5G 無線回傳網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 5G 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

構(gòu)建一種雙層異構(gòu)網(wǎng)，即在蜂窩單元中心布置一個(gè)宏基站，在其周圍布置多個(gè)小型基站，并在蜂窩單元內(nèi)均勻布置多個(gè)終端。將宏基地臺(tái)至小型地臺(tái)的無線鏈路稱作回傳鏈路，將宏基地臺(tái)或小型地臺(tái)至用戶設(shè)備的無線鏈路稱作訪問鏈路，無論是接入鏈路還是回傳鏈路都使用空中端口技術(shù)，并且將宏基地臺(tái)至核心網(wǎng)的光纜連接。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于移動(dòng)終端的單天線與多天線相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。用戶設(shè)備可以采用宏基站與核心網(wǎng)絡(luò)相連，也可以采用小型基站與核心網(wǎng)絡(luò)相連，采用雙跳方式[3]。

層與層之間的干擾無線異構(gòu)網(wǎng)無法避免。由于宏基站的發(fā)送功率比小基站要大，當(dāng)2 個(gè)基站同在一個(gè)下行鏈路時(shí)，會(huì)給小基站的邊緣用戶造成嚴(yán)重的干擾。在此基礎(chǔ)上，提出了一種逆向時(shí)分雙工技術(shù)，即將宏基站的上下行時(shí)隙配置和小基站的上下行時(shí)隙配置進(jìn)行倒置[4]。2 層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線回傳鏈路與接入鏈路如圖1 所示。

圖1 2 層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線回傳鏈路與接入鏈路

提出了一種基于三元多進(jìn)多出的天線陣列，該陣列在橫向和縱向2 個(gè)方向都有一定的天線增益。關(guān)于天線陣列單元的橫向輻射方式的表達(dá)式為

式中：φ為方位角；AE,H(φ)為基站天線在φ方向的相對(duì)增益；φ3dB為3 dB 波束寬度；AH為天線正向和背向的損耗相差的分貝數(shù)。

天線陣元的垂直輻射公式為

式中：θ為仰角；θtilt為下傾角；AE,V(θ)為垂直方向增益；φ3dB為垂直方向增益的3dB 波束寬度；SLA為垂直方向圖的背向損耗。

由AE,H(φ)和AE,V(θ)可得三維輻射模式函數(shù)為

式中：GE,Max為天線陣列元素的增益，通常取值為8 dBi。

權(quán)重因子表達(dá)式為

相移V由水平方位角、垂直仰角以及天線陣列的幾何分布決定的，表達(dá)式為

均勻矩形陣列輻射模式如為

式中：AA(φ,θ)為輻射模式；ρ為陣元間相關(guān)性。

2 低頻鏈路容量模型

用變量xj,i表示第j個(gè)基站與第i個(gè)用戶的關(guān)聯(lián)關(guān)系，xj,i=0 表示不關(guān)聯(lián)，xj,i=1 表示關(guān)聯(lián)，表達(dá)式為

式中：U為用戶集合。此外，添加約束條件為

式中：B為小基站集合；qi為時(shí)延敏感指標(biāo)。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用小基站技術(shù)可以有效地解決覆蓋盲區(qū)問題，同時(shí)可以有效地緩解宏基站的工作負(fù)荷[5]。而小型基站占用了同樣的時(shí)間和頻率資源，會(huì)產(chǎn)生同層次的干擾，因此給出了功率約束為

式中：k為門限閾值，取值為1。

3 低頻系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

提出了一種新的聯(lián)合優(yōu)化方法，該方法在充分考慮了異構(gòu)網(wǎng)中的干擾管理的同時(shí)，將基站負(fù)載和資源容量等因素對(duì)用戶關(guān)聯(lián)的影響納入其中，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶關(guān)聯(lián)和帶寬資源的聯(lián)合優(yōu)化。低頻系統(tǒng)最優(yōu)解是由布爾（0-1）矩陣X和連續(xù)變量β組成的混雜非線性最優(yōu)解[6]。在此基礎(chǔ)上，通過分層分解和變量松弛等方法，將該問題分為2 個(gè)子問題，并分別求解2 個(gè)子問題，對(duì)2 個(gè)子問題分別進(jìn)行用戶關(guān)聯(lián)矩陣X和無線反向資源配置因子的聯(lián)合優(yōu)化β，并進(jìn)行循環(huán)，直至得到最優(yōu)解。

該問題為一類混合非線性優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)為一凹函數(shù)，將0-1 變量xj,i與連續(xù)變量β分別作為2 個(gè)獨(dú)立的獨(dú)立變量，并將其轉(zhuǎn)化為一類凸約束?；谠摫尘?，可以利用分解的方法，將該問題分解為多個(gè)子問題，并進(jìn)行解決。該問題的解決思路可分3步進(jìn)行。原問題的2 層分解如圖2 所示。首先，對(duì)該問題進(jìn)行初始化分解，將其分為2 個(gè)子問題，一個(gè)是用戶關(guān)聯(lián)問題，另一個(gè)是無線反向傳輸?shù)馁Y源分配問題。其次，采用對(duì)偶分解法，將耦合約束條件轉(zhuǎn)化為拉格朗日函數(shù)，采用拉格朗日乘子對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得用戶關(guān)系矩陣的最優(yōu)解，并將其與拉格朗日對(duì)偶問題相結(jié)合，最終獲得用戶關(guān)系矩陣的最優(yōu)解X*={xj,i；(j,i)∈B0×U}[7]。最后，利用RAP 算法對(duì)最優(yōu)的用戶關(guān)系矩陣進(jìn)行代換，得到最優(yōu)的反向傳輸帶寬分配系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行迭代，直至得到最優(yōu)的反向傳輸帶寬分配系數(shù)β*[8,9]。

圖2 原問題的2 層分解

4 結(jié) 論

5G 無線回傳異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問題是干擾管理、無線異構(gòu)網(wǎng)中的基站接入、無線異構(gòu)網(wǎng)中時(shí)頻資源優(yōu)化等。因此，首先建立了5G 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，其次建立低頻鏈路容量數(shù)學(xué)模型，最后提出了一種新型的求解算法，該算法可以有效地解決5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理、小基站接入和回傳帶寬分配等關(guān)鍵問題。該算法結(jié)合了當(dāng)前技術(shù)優(yōu)勢(shì)和算法特點(diǎn)，在性能上比現(xiàn)有的基于用戶接入和資源配置的算法更優(yōu)。