家庭基站基于用戶公平性的高能效資源管理分配方法

王黨偉

摘要：在異構網絡當中，伴隨家庭基站的布置密集程度越來越高，家庭基站間發生的同層干擾以及家庭基站和宏基站間發生的跨層干擾現象越來越重，這對于系統的性能提高是不利的，因此需要一種基于用戶公平性的高能效資源管理分配方案來解決以上現象。

關鍵詞：家庭基站；異構網絡；資源管理分配

前言：室內已成為多種數據業務的聚集地，長期處于室內環境，則會因為遠距離的運輸以及穿透損耗使得宏基站的覆蓋變差。家庭基站在解決宏基站覆蓋問題同時，其密布問題又對不同的基站聯系間產生干擾。因此，本研究旨在研究基于用戶公平性的高能效資源管理分配方法，實現家庭基站之間的資源分配。

一、干擾模型建立

干擾模型是建立在雙層網絡的基礎上的，而雙層網絡又包括了多個家庭基站以及一個宏基站，家庭基站與宏基站均由多個相對應的用戶構成。在家庭基站用戶和宏基站用戶全部僅可以利用位數一個的子信道前提下，通過對3GPP進行相應的理論定位，一共可以得出六種干擾場景。這六種干擾場景分別是干擾源為家庭基站用戶上行時，受干擾者為宏基站上行；干擾源為家庭基站下行時，受干擾者為宏基站用戶下行；干擾源為宏基站用戶上行時，受干擾者為家庭基站上行；干擾源為宏基站下行時，受干擾者為家庭基站用戶下行；干擾源為家庭基站用戶上行時，受干擾者為家庭基站上行；干擾源為家庭基站下行時，受干擾者為其他家庭基站的家庭用戶下行。通過對這六種場景的分析，建立干擾模型，進一步提出解決同層干擾以及跨層干擾的對策。

二、博弈模型與算法描述

（一）博弈模型

為了使異構網絡中家庭基站與家庭基站之間的同層干擾以及家庭基站與宏基站之間的跨層干擾減少至最低程度，可利用對博弈模型的構建合理配置基站之間的無線資源。博弈模型的建立，其參與者為整體的家庭基站，為了達到所有家庭基站用戶對于無線網絡資源要求的滿意度，每個家庭基站用戶可以根據自身所獲得的無線資源效用，對自身的運輸帶寬以及運行功率進行相應調整。而對其能否做出最合理的調整，關鍵就在于能否獲得博弈的解，也就是每個家庭基站所配置的運行功率和頻率譜的資源。效用函數在一定程度上基于策略對效用進行描述，而效用則反映出博弈模型的參與者對其關于策略的抉擇滿意程度。為了提高家庭基站之間的高能效資源管理分配方法的用戶公平性。本研究主要通過對半合作博弈的構建，也就是一種次優化資源管理分配的方式，該種方式由協作頻譜分配和最優化功率分配組成。博弈模型可轉化為一類數學問題，因其目的在于將吞吐量最大化以及對宏基站用戶的干擾程度最小化。對每個家庭基站的約束條件為保證每個家庭基站用戶都可以獲得子信道且發射功率的值不能超過最大發射功率值，才能提高家庭基站用戶之間的公平性，并達到節能控制的目的。

（二）協作資源分配

相對于比較傳統的非合作博弈模型其獨立進行頻譜分配的方法而言，家庭基站之間利用了一種全新的協作資源分配方法，進而提高家庭基站之間的頻譜資源分配的公平性。其主要機制包括獨立性頻譜分配和協作性頻譜分配。[1]獨立性頻譜分配主要指家庭基站獨立進行子信道的初始資源分配，再假設已知功率的前提下，完成各自家庭基站之間的獨立性頻譜分配，進而完成其可用子信道集合的更新。協作性頻譜分配主要是按照家庭基站用戶之間的相互干擾關系，根據他們相關信息之間的相互作用來做出高能效的協作性頻譜分配。其主要內容包括產生相鄰干擾列表，對競爭子信道進行排除和對子信道的重新分配管理。產生相鄰干擾列表，主要通過在家庭基站用戶已接收到的RSRP信息基礎上建立相互干擾的關系，在出現多用戶的情況下，相應家庭基站應對其每一用戶所受到干擾的干擾源做出判斷確認以及儲存，并且對每一家庭基站用戶的干擾程度進行記錄。這樣就會產生相鄰干擾列表 ，相鄰干擾列表包括每一家庭基站用戶的干擾源數目和其ID信息以及個體干擾權重和總干擾權重。競爭子信道的排除主要是為了減少子信道的信令支出，而家庭基站之間的信息獨立性分配，只是將每一家庭基站用戶所具有的獨立性頻譜分配管理信息運送至每一家庭基站用戶的潛在干擾源。不同家庭基站之間的信息相互交流之后，每一家庭基站用戶可以知道自身家庭基站影響到的其他家庭基站用戶的子信道分配管理情況。知道交互情況之后，當某一干擾用戶使用的子信道與家庭基站相同，則這一子信道屬于競爭子信道，其存在則會導致不同家庭基站與家庭基站之間的同層干擾現象。但是在另一程度上分析，競爭子信道的排除就必然導致家庭基站之中的一方需要對這一子信道采取放棄措施，因此對于哪方需要對這一子信道進行放棄得根據其所占的優先權值來做出合理判定，優先權值比較低的家庭基站用戶相對于優先權值高的家庭基站用戶需要對子信道進行放棄。對子信道的重新分配，在排除競爭子信道的同時，必然會使得家庭基站用戶之間對競爭子信道采取放棄，因此會產生對競爭子信道放棄家庭的重新分配。對子信道的重新分配，在防止再次導致不同家庭基站用戶之間的同層干擾與宏基站和家庭基站之間的跨層干擾的同時，必須對可用的子信道進行更新。

三、仿真與性能分析

（一）仿真參數設置

仿真參數的設置在模型的建立中居于重要地位。在異構網絡中，家庭基站之間的同層干擾現象與宏基站和家庭基站之間的跨層干擾現象普遍存在，在這樣一種環境下，仿真平臺的搭建關鍵在于解決家庭基站布局密集帶來的路徑耗損過大的問題。因此，[2]綜合異構網絡的載波頻率、帶寬、子載波數、子載玻帶寬以及家庭基站與宏基站的最大發射功率等因素多方面考慮，仿真參數的設置遵循5x5網絡模型。

（二）仿真結果

通過對FCRAG方案與FNRAG方案二者進行比較，FNRAG方案屬于對家庭基站中的非合作資源分配管理博弈，每一家庭基站均傾向于干擾度低的子信道，對干擾進行相應的分配判定，進行運行功率與運行頻譜的分配管理。FCRAG方案相對于FNRAG方案其算法上升將近2%-13%的家庭基站比例所占的吞吐量，并且發現在家庭基站大于3的情況下，FCRAG方案可以非常明顯地提高整個家庭基站的吞吐量。分析家庭基站用戶之間的公平性，可以得出FCRAG方案的家庭基站中Raj Jain系數均在0.7～1的范圍之中，且該方案中家庭基站中所具有的公平性系數的分布相對來說比較不集中，并且只有58%的家庭基站用戶的Raj Jain分布系數在前者0.7～1的范圍之中。因此本研究可以得出FCRAG方案在整體效果上提高了家庭基站用戶之間的公平性程度。

四、結語

本研究在探討解決家庭基站之間的同層干擾與家庭基站和宏基站之間的跨層干擾方案層次上，在基于用戶公平性的家庭基站之間提出了高能效資源分配管理方法。通過對家庭基站之間的協作子信道分配和最優化功率分配進行仔細地闡述，同時借助平臺技術加以仿真操作并進行相應驗證。結果表明此優化策略可以在提高家庭基站和宏基站的吞吐量的程度上，同時提高用戶公平性。

參考文獻

[1]劉世超，唐倫，陳前斌.高密集場景中家庭基站基于用戶公平性的高能效資源管理分配方法[J].科學技術與工程，2015，15（12）：1-5.

[2]豆蕾萌.基于用戶公平性的家庭基站高能效資源管理分配方法研究[J].電信工程技術與標準化，2014，11（1）：2-3.