5G超密異構網絡中聯合虛擬波束形成的小區選擇算法*

張　洋， 孫長印， 劉　毓， 湯仕艷， 文芳艷

(西安郵電大學，陜西 西安 710061)

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5G超密異構網絡中聯合虛擬波束形成的小區選擇算法*

張洋， 孫長印， 劉毓， 湯仕艷， 文芳艷

(西安郵電大學，陜西 西安 710061)

摘要:隨著移動通信技術的發展，移動用戶設備呈爆炸性增長趨勢，使異構網中小區密集，造成小區間嚴重干擾，嚴重影響系統吞吐量。基于5G超密異構網絡結構，研究了以用戶為中心，基于動態小區選擇與聯合優化，提出了聯合虛擬波束形成的小區選擇算法。仿真結果表明：該算法協調了小區間干擾和頻譜效率的矛盾，提高了邊緣用戶的性能和小區的平均吞吐量。

關鍵詞：5G超密異構網絡； 虛擬波束形成； 干擾協調； 動態虛擬小區選擇； 聯合優化

0引言

目前，由于通信移動設備的猛增，造成了異構網中小區密集和小區間的嚴重干擾，因此，研究逐步認可小區選擇對干擾管理的作用十分重要。目前研究的小區選擇技術主要有：1)距離擴展(range expansion)技術[1]，該技術是在用戶接入時，通過參考信號接收功率(reference signal receiving power)判斷參數設置不同的偏移值,使更多用戶接入到小功率基站。2)協作靜默(cooperative silencing)技術[2]，它是通過在某些頻率資源上宏小區(MacroCell)降低發射功率或者完全靜默，以減小對小小區(PicoCell)用戶的干擾，提高系統吞吐量。3)采用載波選擇(CC selection)方案[3]，思想是將LTE-Advanced系統100 MHz帶寬分為5個20 MHz的成員載波(component carrier)，不同的層根據不同準則選擇不同的成員載波，達到小區間干擾避免、負載均衡等目的。異構網情形家庭基站載波自主選擇(autonomous component carrier selection,ACCS) 算法[3,4]，算法基于背景干擾矩陣(background interference matrices,BIM)，對邊緣用戶設置不同的載波選擇優先級[5]，提高邊緣用戶吞吐量。但上述研究基于低功率節點密度不高的假設，在5G超密度低功率節點場景的有效性未知。

本文將協作式動態虛擬小區選擇與小區分群思想相結合，提出一種新的基于聯合虛擬波束形成的小區選擇方法。基本思想是采用退耦合的方法將小區選擇與其他資源分配問題分離，考慮用戶自己的可達速率、對其他用戶的干擾，以及小區負載。可達速率計算中采用利他策略的虛擬波束形成，協調了小區間的干擾消除和頻譜效率的矛盾，進而提高了小區的平均吞吐量和邊緣用戶的性能，實現系統容量最大化。

1系統模型

本文討論網絡中下行鏈路的多基站協作傳輸，假設系統中包括M個基站和K個用戶，基站m(m∈M)有N根天線，用戶k(k∈K)是單天線。

多個基站組成的一個虛擬小區為用戶k服務，用戶k的虛擬基站群為Q={Mk，Mk∈M}。系統如圖1所示，為k1用戶服務的虛擬小區q1={m1,m2,m3}，為k2用戶服務的虛擬小區q2={m3,m4,m5}，為k3用戶服務的既可以是q1也可以是q2，這時就需要進行進一步選擇。

圖1　多基站協作式網絡系統Fig 1　Multi-basestation collaborative network system

在虛擬小區q中，用戶k接收信號表示如下

(1)

由式(1)可得用戶k的信干噪比(SINR)

(2)

可見信干噪比與聯合預編碼矩陣vk有關，則容量最大化基于下述預編碼矩陣和功率控制

(3)

式中P0為最大傳輸功率，wkq為可調系數，調整該系數，可實現小區容量最大化，‖·‖為歐幾里得范數。

為了解決vk中功率和預編碼的耦合性這個問題，用xkq∈{0,1}，表示小區選擇系數，若用戶k選擇小區q則xkq=1;否則,為0。式(3)轉化為

xkq∈{0,1},

Pkm>0,?m∈Mk,k∈Km.

(4)

2基于聯合虛擬波束形成的小區選擇算法

式(4)的聯合求解是非線性約束問題，最優解的獲得十分復雜，本文給出一種啟發式方法來獲得最優化算法，思想是將小區選擇問題的聯合預編碼和功率問題去耦合，利用小區選擇與功率問題處理時間尺度不同的特點，用平均容量代替瞬時可達容量

Pkq=lg(1+γk).

(5)

(6)式中E[·]為求數學期望，Rkq為用戶k在虛擬小區q中的可達速率，yq為連接到虛擬小區q的用戶數量，它代表了對同一資源競爭的用戶數。

xkq?{0,1}.

(7)

為求解E(Rkq)，需求解聯合預編碼矢量。

2.1多虛擬小區虛擬波束形成使容量最大化

式(7)主要求解波束形成矢量的方向，通過構造拉格朗日函數和KKT條件獲得。由主特征向量問題可知，用戶k采用下式的發射波束形成矢量bq將使得系統容量達到最大

(8)

Ik是用戶k接收到的干擾信號功率

(9)

式(8)中的容量最大是利己利他波束形成的一個平衡，它是利用一個簡單的利己利他平衡矩陣的線性組合實現的。

2.2聯合小區分群的虛擬波束形成的動態小區選擇

因為用戶k的E(Rkq)與其他用戶的虛擬小區波束形成矢量有關，以致用戶k的虛擬小區選擇與其它用戶的小區選擇結果相關。這時，考慮聯合虛擬波束形成，即為每個用戶選擇動態的虛擬小區作為服務小區，傳統網絡系統中的邊緣用戶在這里變成了某個虛擬小區q的中心用戶。

此時協動態選擇對其他小區用戶干擾功率之和的期望最小的E(Rkq)

(10)

此時，給定每個虛擬基站的用戶數量，即令Y=(ykq,k∈K,q∈Q)確定,則

(11)

此時將值代入下式

(12)

可得確定值，此時系統得解。

2.3聯合虛擬波束形成小區選擇算法步驟

1)令l=1，選擇用戶隊列中第l個用戶，計算其Q個備選虛擬小區的可達速率，選擇可達速率最大的虛擬小區作為其虛擬小區，同時，將該用戶從排隊序列中刪除。

2)令l=l+1，選擇用戶隊列中第l個用戶，計算其Q個備選虛擬小區的可達速率，選擇權值最大的虛擬小區作為其服務小區，同時，將該用戶從排隊序列中刪除；計算可達速率時，采用式(10)計算，其中，預編碼矢量利用式(8)計算，考慮對已經選擇虛擬小區的用戶干擾最小；統計其虛擬小區中的用戶數，利用式(11)計算在各個備選虛擬小區的權值。

3)上述過程持續進行，直到每個用戶隊列窮盡為止。

3聯合虛擬波束形成小區選擇算法仿真

為驗證算法的有效性，本文采用基于距離的小區選擇算法作為參考算法。異構網絡小區配置由2～22個不等的微小區(Pico)組成，Pico小區以田字形結構排列，Pico小區間隔200 m。用戶拋灑區域位于中心800 m，范圍-50～+50 m的帶狀區域，并隨機拋灑；信道模型采用SCM城市微小區信道模型。仿真假設見表1，可以看出仿真假設符合LTE-Advanced標準規定的仿真假設。

3.1仿真參數假設

仿真參數設置如表1。

表1　仿真參數基本假設

3.2仿真與分析

由圖2可見，概率為90 %以上，參考小區選擇算法可達容量為4.6×108bit/s，本文算法容量可達4.9×108bit/s。

圖2　6個小區50用戶結果比較曲線Fig 2　6 cells and 50 users result comparison curve

由圖3可見，概率90 %以上，參考算法可達容量為4.6×108bit/s，本文算法可達容量為5.0×108bit/s。從圖2、圖3仿真結果比較來看，在小區數目較少時，用戶多時，本文基于聯合虛擬波束形成的小區選擇算法比參考算法吞吐量有小幅提高。

圖3　6小區100用戶結果比較曲線Fig 3　6 cells and 100 users result comparison curve

由圖4可見，概率在90 %以上，參考算法可達容量為1.25×109bit/s，本文算法可達容量為1.4×109bit/s。

圖4　22小區50用戶結果比較曲線Fig 4　22 cells and 50 users result comparison curve

圖5中給出了22小區100整個系統在小區選擇新算法和參考算法下的性能比較。由圖5可見，概率在90%以上參考算法可達容量為1.4×109bit/s，本文算法可達容量為1.5×109bit/s。

圖5　22小區100用戶結果比較曲線Fig 5　22 cells and 100 users result comparison curve

仿真結果表明:用戶數目相同時，小區數目繼續增加時，相對于小區數量和用戶數較少的情形，可提供額外的增益。當小區數目相同時，用戶數量增加反而會獲得額外增益。這個增益來源分析：由于聯合虛擬波束形成算法將單天線覆蓋下小區邊緣用戶變為本文算法的中心用戶，解決了傳統干擾管理中邊緣用戶問題,帶來了系統吞吐量的提升。此外，在權值計算時引入與小區用戶數有關的因子，形成了小區的負載均衡功能。

4結束語

本文提出一種以聯合虛擬波束形成的小區選擇算法，并進行了深入的分析和仿真比較，在低功率高密度的異構網場景中，相對于參考小區選擇算法，聯合虛擬波束形成的小區選擇算法由于能使原本處于單基站邊緣的用戶變為虛擬小區的中心用戶，將小區分群更便于聯合調度和優化，使更多小區的邊緣用戶性能得到提升，實現了小區容量顯著地提升。仿真結果表明：由于小區選擇設計的選擇準則中包括了用戶自己的可達速率、對其他用戶的干擾，小區負載，以及可達速率計算中采用基于利他策略的聯合虛擬波束形成矢量，結果協調了小區間的干擾和頻譜效率的矛盾，進而提高了小區的平均吞吐量和邊緣用戶的性能。

參考文獻:

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張洋(1991-)，女，陜西西安人，碩士，主要研究方向為寬帶無線通信。

Cell selection algorithm in 5G superdense heterogeneous network with joint virtual beamforming*

ZHANG Yang, SUN Chang-yin, LIU Yu, TANG Shi-yan, WEN Fang-yan

(Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061，China)

Abstract:With the development of mobile communication technology,mobile user equipment show explosive growth trend,village populated in heterogeneous network, which causes serious interference between zones,and seriously affect system throughput.Therefore,based on 5G superdense heterogeneous network structure,study user-centric based on distributed virtual communities of dynamic selection and joint optimization of community,put forward joint area selection algorithm of virtual beamforming.Simulation results show that the algorithm coordinates conflict between interference between zones and spectrum efficiency,improve performance of edge users and average throughput of cell.

Key words:5G superdense heterogeneous network; virtual beamforming; interference coordination; dynamic virtual cell selection; joint optimization

作者簡介:

中圖分類號：TN 929.5

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0139—03

*基金項目：國家“863”計劃資助項目(2014AA01A703)；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2014JM8317)；國家自然科學基金資助項目(61102047)；中興產學研項目

收稿日期：2015—11—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0139—03