密集場景下家庭基站間的資源分配新方案﹡

趙 鵬， 楊 英， 劉偉強， 王衛東

（中國科學技術大學 信息科學技術學院，安徽 合肥 230027）

0 引言

隨著家庭基站布置得越來越密集，家庭基站之間的干擾對于系統性能的影響已經不容忽略[1]。基站之間的干擾控制往往通過資源分配來實現[2-4]。近年來，圖論已被證明是能有效解決干擾已知的資源分配問題的強大工具[5-8]。基于圖論的資源分配方案分為以用戶為結點和以基站為結點兩類。當以用戶為結點時，算法性能好，但算法的復雜度正比于用戶數，這限制了算法的應用場景[5-6]。當以基站為結點時，算法復雜度低，但當其應用于多用戶小區時，現有的此類算法考慮的是統計平均意義下的用戶位置分布，當用戶集中于小區中心或者邊緣時，算法性能會下降[7-8]。鑒于上述原因，有必要設計一個低復雜度的資源分配方案，能夠充分利用用戶分布的瞬態信息，有效抑制家庭基站之間的干擾。

1 系統模型和問題描述

1.1 系統模型

考慮OFDMA家庭網絡下行干擾，資源分配單元為物理資源塊(PRB)。采用55×小格模型[9]，在每個小格內，以概率DR存有一個家庭基站(FBS)；家庭用戶(FUE)隨機分布于每個小格內。每個FUE至多分配到一個PRB；每個PRB在同一個小區內不能同時被多個用戶所使用。接下來將提出一種低復雜度的資源分配方案用于抑制家庭基站之間的干擾，進而提高頻譜效率，增大滿意用戶數。所謂滿意用戶即該用戶的信干噪比(SINR)高于預設閾值thγ。

1.2 問題描述

為了方便問題的描述，一些定義如下：

1）FBS集合為 SB= ｛ 1, 2, … ,M ｝，其中M為FBS數目。

2）PRB集合為 SRB= ｛ 1, 2, … ,N ｝ ，其中N為PRB數目。

4）FUE-PRB指示矩陣，Y，定義為：

5）FBS-PRB指示矩陣，X，定義為：

小區i內的家庭用戶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（包括路徑損耗和對數正態分布陰影衰落），因此，滿意用戶集合可表述為：

最大化滿意用戶數即最大化集合muS 的基數，下面將該問題轉化為等效圖問題，并運用圖論中的方法進行求解。

2 干擾圖的建立

在本節中，將把小區間的互干擾信息轉化為一張帶權重的雙向干擾圖。首先，每個用戶確定其干擾基站并匯報給該用戶的服務基站，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，服務基站計算小區間的干擾因子；最后，FBS網關收集來自各個FBS的信息并建立干擾圖。

2.1 干擾基站的確定

小區i內用戶u的干擾基站確定過程：

如果 γu≥γth，則FUEu沒有干擾基站；否則，繼續下面的步驟。

2）剔除干擾強度最大的基站，重新計算用戶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，FUEu可以獲得其干擾基站指示向量( G Iu)為：

2.2 帶權重的雙向干擾圖

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

1）結點 Vd：每個結點等同于一個 FBS，即Vd=，且對應于FBS。i

2）邊dE ：FBSj對FBSi的干擾因子為：

則可以得到邊的集合dE為：

3）權重dW ：首先確定小區i內中心用戶和邊緣用戶的集合：

3 資源分配方案

干擾越強的基站越不利于頻譜復用，因此，為了最大化頻譜復用率，根據每個FBS所產生的的干擾，為其預設一個資源塊分配額度。結點的定義為：

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

11)重復步驟 2)到步驟 10)直至小區i內所有用戶都被選取一遍或者時結束。

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

所提算法復雜度為 O （U ），其中U為系統中所有用戶的數目。而文獻[6]中算法的復雜度為O（U2），文獻[8]中的算法是個NP-hard問題。

4 性能仿真

仿真場景采用55×小格模型，每個小格尺寸為10m10m×，PRB的數目為80，FBS的發射功率為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，并將仿真結果與文獻[8]中的算法(Chang algorithm)作了比較，同時將UFR作為比較基準。

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

5 結語

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

[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,2011,44(11)：4-6.

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

[3] 黃磊,戎蒙恬.中繼增強型蜂窩網絡資源調度算法研究[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融合網絡帶寬分配算法[J].信息安全與通信保密,2011(10)：58-59,62.

[5] BRéLAZ D.New Methods to Color the Vertices of a Graph[J].Communication of the ACM, 1979, 22(04)：251-256.

[6] CHANG R,TAO R,ZHANG J,et al.A Graph Approach to Dynamic Fractional Frequency Reuse (ffr) in Multicell Ofdma Networks[C]// ICC.USA：IEEE,2009： 1-6.

[7] UYGUNGELEN S, AUER G, BHARUCHA Z. Graph-based Dynamic Frequency Reuse in Femtocell Networks[C]//VTC Spring.USA：IEEE,2011：1-6.

[8] LEE H, OH D, LEE Y. Mitigation of Inter-femtocell Interference with Adaptive Fractional Frequency Reuse[C]//ICC.USA：IEEE,2010：1-5.

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