異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下帶內(nèi)回程基站部署方案

徐昌彪,郭瑞博,鮮永菊

(重慶郵電大學(xué) a.通信與信息工程學(xué)院; b.光電工程學(xué)院,重慶 400065)

0 概述

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,有限的頻譜資源難以滿足劇增的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸需求,這使得研究人員利用各種技術(shù)提高頻譜效率(Spectral Efficiency,SE)。異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Cellular Network,HCN)作為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),在傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署大量低功率的小基站(Small Base Station,SBS),形成覆蓋區(qū)域重疊的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),使得用戶距離接入點(diǎn)更近,從而提高區(qū)域吞吐量,降低宏基站(Macro Base Station,MBS)的負(fù)載。同時(shí)同頻全雙工(Full Duplex,FD)通信[1-2]因能在相同的時(shí)頻資源上實(shí)現(xiàn)無(wú)線電信號(hào)的同時(shí)發(fā)送和接收,進(jìn)而有效提高頻譜效率而成為當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在文獻(xiàn)[3- 4]中,該技術(shù)也稱為帶內(nèi)全雙工(In-Band Full Duplex,IBFD)。IBFD在文獻(xiàn)[5]中被定義為無(wú)線終端在非正交復(fù)用(Non-Orthogonal Multiplexing,NOM)信道上同時(shí)發(fā)送和接收的能力。但是,由于自干擾(Self-Interference,SI)的存在限制了IBFD的應(yīng)用,因此隨著自干擾消除(Self-Interference Cancellation,SIC)技術(shù)的發(fā)展,天線端技術(shù)、模擬和數(shù)字消除技術(shù)已取得了重大進(jìn)展,如文獻(xiàn)[6]中SIC量已達(dá)到110 dB。

IBFD與HCN相結(jié)合能夠大幅提升系統(tǒng)頻譜效率,而HCN中大量小小區(qū)回程業(yè)務(wù)的有效轉(zhuǎn)發(fā)成為新的研究熱點(diǎn)。目前,小小區(qū)的回程方式主要有有線回程和無(wú)線回程。對(duì)于密集的小小區(qū)來(lái)說(shuō),有線連接(如光纖和DSL)的成本過(guò)高。而傳統(tǒng)無(wú)線回程通過(guò)微波和毫米波等鏈路傳輸,或使用諸如時(shí)分雙工(Time Division Duplex,TDD)或空分的正交復(fù)用(Orthogonal Multiplexing,OM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自回傳。微波鏈路的定向傳輸要求以及毫米波鏈路的穿透能力差使其在回程解決方案上存在一定局限性。與OM相比,使用基于NOM的IBFD技術(shù)[1]將頻譜資源同時(shí)用于接入鏈路和回程鏈路,可以在傳統(tǒng)自回程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)頻譜效率,也可消除SBS對(duì)宏小區(qū)用戶(Macro Cell User,MUE)的干擾。本文針對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中帶內(nèi)回程基站的部署問(wèn)題,研究如何合理部署帶內(nèi)回程基站,從而使系統(tǒng)容量最大化。

1 相關(guān)研究

IBFD通信有兩節(jié)點(diǎn)和三節(jié)點(diǎn)兩種傳輸模式。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)傳輸模式對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向傳輸,三節(jié)點(diǎn)傳輸模式對(duì)應(yīng)全雙工中繼[7]和以基站為中心的全雙工小區(qū)[8-9]。考慮到SIC的影響,IBFD通信在小蜂窩網(wǎng)絡(luò),尤其是覆蓋范圍小、發(fā)射功率低的HCN中的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

文獻(xiàn)[10-11]基于帶內(nèi)回程基站與傳統(tǒng)宏蜂窩基站組成的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率和平均傳輸速率。文獻(xiàn)[12]基于所有用戶的總體效用最大化,研究FD可行性條件,提出一個(gè)上/下行用戶調(diào)度方案。文獻(xiàn)[13]提出一種基于同信道反向時(shí)分雙工和動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用雙工的頻譜共享方案,用于回程干擾管理。文獻(xiàn)[9]提出一種部分全雙工(Fraction Full Duplex,FFD)資源分配方案。該方案將時(shí)頻資源劃分為半雙工(Half Duplex,HD)資源塊(Resource Block,RB)和FD-RB,然后根據(jù)所服務(wù)用戶的信道狀態(tài)信息對(duì)RB進(jìn)行分配。該方案只針對(duì)一維系統(tǒng)模型,具有一定的局限性。

文獻(xiàn)[14]研究了一個(gè)大規(guī)模MIMO無(wú)線回程網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由工作在混合帶內(nèi)/外全雙工(I/OBFD)模式下的小小區(qū)組成,每個(gè)SBS服務(wù)小小區(qū)用戶(Small Cell User,SUE),同時(shí)使用全雙工技術(shù)回程給MBS。研究結(jié)果表明,網(wǎng)絡(luò)中部署適當(dāng)比例的全雙工基站和足夠的SIC是獲得高速率覆蓋的關(guān)鍵因素,但沒(méi)有提出具體的回程干擾管理方案。文獻(xiàn)[15-16]描述了全雙工蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的干擾問(wèn)題,證明了FD模式對(duì)密集部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性。研究結(jié)果表明,為不同層網(wǎng)絡(luò)引入混合雙工能夠改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,但文中未給出具體的FD模式分配方案。

文獻(xiàn)[17]研究了HCN中SBS雙工模式的調(diào)度。針對(duì)特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),提出一種混合貪婪最大調(diào)度(H-GMS)算法。結(jié)合集中式和分布式機(jī)制,證明了H-GMS可使系統(tǒng)吞吐量最優(yōu),但文獻(xiàn)主要側(cè)重于設(shè)計(jì)新的媒體訪問(wèn)控制協(xié)議。文獻(xiàn)[18]對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的干擾進(jìn)行描述和分析,采用TDD的上下行雙工模式,將Massive MIMO和SBS有效結(jié)合,提出一種分布式圖形染色算法(Dustributed Graphics Coloring Algorithm,DGCA),使SBS獨(dú)立選擇全雙工模式。

為合理地部署帶內(nèi)回程基站以減少SBS對(duì)MUE的跨層干擾,并有效協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾,本文提出一種基于NOM的帶內(nèi)回程解決方案,通過(guò)在HCN中部署混合I/OBFD回程基站組成FFD進(jìn)一步提高系統(tǒng)頻譜效率,并有效協(xié)調(diào)干擾。本文貢獻(xiàn)在于:1)建立系統(tǒng)容量的最優(yōu)化模型;2)給出一種基于貪心算法的最優(yōu)化近似求解算法,也可采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)和文獻(xiàn)[18]提出的DGCA算法近似求解最優(yōu)化模型。

2 系統(tǒng)模型

圖1 兩層HCN無(wú)線回程部署模型Fig.1 Wireless backhaul deployment model for two-layer HCN

2.1 SBS雙工模式及干擾分析

系統(tǒng)中的SBS可以工作在兩種雙工模式:1)OBFD模式,接入鏈路和回程鏈路同一時(shí)間采用不同的頻帶傳輸;2)IBFD模式,接入鏈路和回程鏈路同一時(shí)間在相同的頻帶傳輸。由于MBS同時(shí)為MUE和SBS提供服務(wù),因此將相同的頻帶分配給這兩條鏈路會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的傳輸協(xié)調(diào)問(wèn)題。參照文獻(xiàn)[18,20],本文將總可用帶寬分成兩個(gè)相等的部分,分別表示為F1和F2。其中,F1頻帶由宏小區(qū)用戶接入鏈路利用,F2頻帶由回程鏈路占用,SUE接入鏈路在F1和F2之間的選擇直接決定了相應(yīng)SBS的雙工模式。如果SUE接入鏈路采用F2,則該SBS處于IBFD模式,反之亦然。

圖2 全部SBS均工作在OBFD模式下的干擾類型Fig.2 Interference types generated when SBS all work in OBFD mode

圖3 系統(tǒng)混合I/OBFD模式下的干擾類型Fig.3 Interference types generated when system works in I/OBFD mode

圖4 全部SBS均工作在IBFD模式下的干擾類型Fig.4 Interference types generated when SBS all work in IBFD mode

2.2 宏小區(qū)傳輸模型

參照文獻(xiàn)[19]對(duì)不同模式下的接入鏈路與回程鏈路的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)進(jìn)行分析。首先分析宏小區(qū)傳輸模型,即從MBS到MUE的下行鏈路。如圖2所示,第K個(gè)MUEK僅受到工作在OBFD模式下的SBS干擾,因此MUEK的接收SINR為:

(1)

2.3 小小區(qū)傳輸模型

考慮到SBS的不同雙工模式會(huì)導(dǎo)致不同的干擾問(wèn)題,因此需要對(duì)小小區(qū)的接收SINR分別進(jìn)行分析。

2.3.1 OBFD模式下的小蜂窩設(shè)計(jì)

OBFD模式下的小蜂窩設(shè)計(jì)具體如下:

(2)

(3)

2.3.2 IBFD模式下的小蜂窩設(shè)計(jì)

IBFD模式下的小蜂窩設(shè)計(jì)具體如下:

(4)

(5)

3 問(wèn)題建模及分析

根據(jù)SINR表達(dá)式,可以得到單位帶寬下系統(tǒng)鏈路的總?cè)萘繛?

(6)

本文研究目標(biāo)是如何部署帶內(nèi)回程基站以消除SBS對(duì)MUE的跨層干擾,并有效協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾,使得系統(tǒng)鏈路容量最大化。此外,要求系統(tǒng)總傳輸功率受限,蜂窩用戶有最低業(yè)務(wù)速率的基本傳輸要求。因此,目標(biāo)問(wèn)題可以建模為:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

C5:xi∈{0,1},?i∈N

(12)

其中:

上述模型表達(dá)的是一個(gè)關(guān)于xi∈{0,1}的非線性非凸組合優(yōu)化問(wèn)題,這是一個(gè)NP難問(wèn)題,傳統(tǒng)的暴力搜索算法的復(fù)雜度是O(2N)。對(duì)于超密集小區(qū),隨著基站數(shù)目的增多,算法復(fù)雜度將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為更好地求解該優(yōu)化問(wèn)題,本文提出一種基于貪心算法的雙工模式選擇算法(Duplex Mode Selection Algorithm,DMSA),也可采用遺傳算法(GA)和文獻(xiàn)[18]提出的分布式圖形染色算法(DGCA)近似求解最優(yōu)化模型。

4 基于混合雙工模式的基站部署方案

4.1 干擾圖

如圖2～圖4所示,考慮到大規(guī)模衰落,不同的雙工模式帶來(lái)不同類型的小區(qū)間干擾。

定義1SBSi和SBSj當(dāng)且僅當(dāng)ηi,j=1時(shí)產(chǎn)生小區(qū)間干擾,即:

(13)

其中,ri,j表示SBSi或SUEi接收到來(lái)自SBSj的干擾信號(hào)與有用信號(hào)的比值,Γth是干擾信號(hào)閾值。

直觀地說(shuō),當(dāng)所有SBS全部以IBFD或OBFD模式運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)遭受最嚴(yán)重的小區(qū)間干擾和跨層干擾,非相鄰SBS之間的干擾較小,可以忽略。將此定義應(yīng)用于所有SBS,就會(huì)生成一個(gè)系統(tǒng)的干擾圖。在此干擾圖的基礎(chǔ)上,如果要在該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中盡量減少SBS對(duì)MUE的跨層干擾,應(yīng)盡可能為產(chǎn)生干擾的SBS分配IBFD模式。另外,SBS之間也應(yīng)分配不同的雙工模式以減少小區(qū)間干擾。

4.2 干擾代價(jià)

本文與傳統(tǒng)模式選擇算法的不同之處主要是SBS基于產(chǎn)生不同干擾狀態(tài)的雙工模式進(jìn)行選擇,對(duì)不同模式所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)。因此,需要給出一種用于衡量干擾的代價(jià)機(jī)制。

定義2設(shè)Ci,I表示只有SBSi工作在IBFD模式下的系統(tǒng)容量,CO表示所有的SBS處于OBFD模式時(shí)的系統(tǒng)容量。定義SBSi工作在IBFD模式時(shí)的干擾代價(jià)為:

ξi=Ci,I-CO

(14)

同理可定義式(15)為產(chǎn)生跨層干擾時(shí)的代價(jià):

ω×2-ξi

(15)

其中,ω是一個(gè)比重因子,用來(lái)衡量跨層干擾在網(wǎng)絡(luò)中的比重。

4.3 基于貪心算法的DMSA

根據(jù)定義1和定義2,本文首先給出與SBSi所有相鄰的SBS,然后從SBSi與其相鄰SBSj的組合容量中,推導(dǎo)出所有與其相鄰SBS的組合容量。

定義3根據(jù)上述定義,給出SBSi與相鄰SBSj兩基站的系統(tǒng)容量為:

(16)

定義4SBSi與其所有相鄰SBS的系統(tǒng)容量為:

(17)

(18)

為最大化目標(biāo)函數(shù),合理選擇第i個(gè)基站SBSi的雙工模式(即部署帶內(nèi)回程基站),應(yīng)該在兩種雙工模式下分別計(jì)算系統(tǒng)的鏈路容量,并選擇最大鏈路容量的雙工模式作為部署方式,具體步驟如下:

步驟1設(shè)置干擾閾值,根據(jù)小區(qū)間信道增益和發(fā)射功率計(jì)算小區(qū)間干擾形成干擾圖,得到相鄰矩陣B=[ηi,j]N×N,?i,j∈S。

步驟2按照回程鏈路的信道增益將所有SBS進(jìn)行排序,記為{S1,S2,…,SN}。

步驟3按照序列{S1,S2,…,SN}執(zhí)行DMSA算法,保證快速收斂。

本文算法中還存在兩個(gè)參數(shù)Γth和ω,起著重要作用。在不同情況下,它們可能會(huì)有不同的最優(yōu)值。因此,需要評(píng)估Γth和ω的范圍,并選擇可獲得最佳性能的Γth和ω。根據(jù)以上結(jié)果,下面給出DMSA算法的具體流程。

算法1DMSA算法

輸入S={S1,S2,…,SN}

loop

solution=?;

for i←1 to N do{

X=select(S);

solution=union(solution,X);

else

continue;

}

return solution;

end loop

對(duì)于本文提出的DMSA算法,其收斂性證明如下:

將迭代次數(shù)記為t=1,2,…,那么DMSA的迭代過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)關(guān)于系統(tǒng)鏈路容量Ct的序列。如算法1所示,由于保證Ct+1≥Ct,因此容量Ct實(shí)際上是一個(gè)關(guān)于t的單調(diào)遞增序列。此外,還可以證明Ct有如下上界:

(19)

如算法1所示,DMSA的思想是在每一次迭代中,比較每個(gè)SBSi模式切換后帶來(lái)的系統(tǒng)吞吐量增益,并且使帶來(lái)最大吞吐量增益的SBSi模式切換為IBFD(帶內(nèi)回程基站),而當(dāng)最大吞吐量增益也為負(fù)數(shù)時(shí),迭代終止。在第t次迭代時(shí),需要做N-t次比較。

顯然,DMSA在每一次迭代中都做出了最優(yōu)選擇,然而卻不一定能夠得到全局最優(yōu)解。通常DMSA的性能好壞取決于生成的初始解質(zhì)量,在本文算法中也生成了大量的隨機(jī)初始解來(lái)比較DMSA的性能,其最終選擇最優(yōu)解驗(yàn)證本文算法性能。

5 仿真結(jié)果與分析

本文提出的基于DMSA的混合I/OBFD雙工方案也稱為部分全雙工(FFD)方案,使用Matlab仿真軟件進(jìn)行仿真分析,采用遺傳算法(GA)和文獻(xiàn)[18]提出的分布式圖形染色算法(DGCA)實(shí)現(xiàn)式(7)模型的近似求解。本節(jié)對(duì)采用上述3種算法所得近似解的性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析,仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameter setting

如圖5所示,SIC是IBFD應(yīng)用的基本要求。因此,當(dāng)SI非常強(qiáng)時(shí),FFD的SE與HD蜂窩網(wǎng)絡(luò)相同,這表明所有SBS都工作在HD資源塊中。另外,在相同的SE下,FFD所需的SIC要小于FD模式。為在SE上超越HD模式,本文模式的最小SIC約為-75 dB,而FFD模式的最小SIC約為-38 dB。因此,對(duì)于FFD模式可以適當(dāng)降低對(duì)于SI消除能力的要求,從而使其更符合實(shí)際應(yīng)用。

圖5 頻譜效率與自干擾消除量的關(guān)系Fig.5 Relationship between spectral efficiency and the amount of self-interference cancellation

如圖6所示,對(duì)比遺傳算法(GA)與文獻(xiàn)[18]提出的分布式圖形染色算法(DGCA),本文基于貪心算法的DMSA算法可以在相同基站密度下具有更高的全雙工基站部署比例,明顯提高系統(tǒng)頻譜效率。

圖6 不同算法下的IBFD回程基站占比Fig.6 Ratio of IBFD backhaul base stations under different algorithms

如圖7所示,計(jì)算所有SBS均工作在OBFD模式時(shí)的系統(tǒng)容量,將此系統(tǒng)容量作為一個(gè)下限(Lower Bound,LB),作為3種算法的對(duì)照基準(zhǔn)。此外,還將與GA和DGCA進(jìn)行比較。可以看出:1)與LB相比,DMSA、DGCA和GA均獲得了明顯的收益,這得益于部分雙工模式的選擇;2)采用DMSA與GA所得系統(tǒng)容量先是隨著基站密度增大快速增加,在達(dá)到一定值時(shí)增幅減緩,這是因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)變得更密集時(shí)網(wǎng)絡(luò)干擾也愈復(fù)雜,使得DMSA算法效率降低;3)基站數(shù)量在40～60時(shí),采用DMSA算法可以獲得較大的系統(tǒng)收益。另外,相比于GA,DMSA在獲得較好的系統(tǒng)收益的前提下明顯降低了計(jì)算復(fù)雜度。GA的總復(fù)雜度不低于O(S3),DMSA在步驟1～步驟4的復(fù)雜度為O(S2),總復(fù)雜度為O(S2)。因此,DMSA在獲得比GA更優(yōu)的性能的同時(shí),還明顯降低了計(jì)算復(fù)雜度。

圖7 不同算法下的系統(tǒng)容量對(duì)比Fig.7 Comparison of system capacities under different algorithms

6 結(jié)束語(yǔ)

基于IBFD通信技術(shù)在HCN無(wú)線回程中的應(yīng)用,本文建立部署IBFD基站問(wèn)題的最優(yōu)化模型,并設(shè)計(jì)一種混合I/OBFD模式選擇算法近似求解該模型。仿真結(jié)果表明,在較高SIC和適當(dāng)SBS密度的條件下,混合I/OBFD方案比HD方案及FD方案有更高的系統(tǒng)容量,可有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)干擾。下一步將研究帶內(nèi)無(wú)線回程中的功率分配問(wèn)題,通過(guò)宏基站與小基站之間的功率協(xié)調(diào)減少網(wǎng)絡(luò)干擾。