一種適用于SC-FDMA多小區(qū)系統(tǒng)的協(xié)作調(diào)度和功率控制算法

牛進(jìn)平蘇 濤

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071)

一種適用于SC-FDMA多小區(qū)系統(tǒng)的協(xié)作調(diào)度和功率控制算法

牛進(jìn)平*蘇 濤

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071)

該文針對長期演進(jìn)(LTE)上行單載波頻分多址(SC-FDMA)多小區(qū)系統(tǒng)的性能受限于小區(qū)間干擾的問題，提出一種綜合考慮協(xié)作調(diào)度和功率控制的方案。該方法分步執(zhí)行小區(qū)間的協(xié)作調(diào)度和功率控制，首先調(diào)度各小區(qū)中的用戶，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化用戶的發(fā)射功率。調(diào)度時首先估計小區(qū)間的干擾信息并分配頻率資源塊給每個小區(qū)內(nèi)的用戶，在優(yōu)化用戶的發(fā)射功率時，同時考慮由于用戶功率改變所造成的目標(biāo)小區(qū)和其他干擾小區(qū)性能的變化。進(jìn)一步提出一種低復(fù)雜度功率控制方案，在優(yōu)化目標(biāo)小區(qū)用戶的功率時，只考慮受目標(biāo)小區(qū)干擾影響最大的幾個小區(qū)性能的變化，其他干擾小區(qū)性能的變化則通過引入補(bǔ)償因子來估計。計算機(jī)仿真驗證了該文所提方法在系統(tǒng)吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量方面的性能優(yōu)勢顯著。

無線通信；長期演進(jìn)；上行鏈路；多小區(qū)；調(diào)度；功率控制

1 引言

長期演進(jìn)(LTE)下行系統(tǒng)采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)可以有效地對抗多徑衰落，提高頻譜效率，但是OFDMA技術(shù)面臨著高峰均功率比問題，對發(fā)射端設(shè)備中功率放大器的線性度提出了很高的要求，增大了設(shè)備的成本。為了降低上行系統(tǒng)中發(fā)射端即用戶終端設(shè)備的成本，并考慮上、下行系統(tǒng)的兼容性，LTE上行系統(tǒng)采用單載波頻分多址技術(shù)(SC-FDMA)[1]。和OFDMA技術(shù)相類似，LTE采用SC-FDMA技術(shù)時可以利用調(diào)度算法給不同的用戶分配不同的信道條件好的頻率資源，有效地避免了同一小區(qū)內(nèi)不同用戶之間的干擾[28]-，但是不能消除小區(qū)之間的干擾。然而，小區(qū)間干擾是限制多小區(qū)系統(tǒng)性能的主要因素，尤其限制著小區(qū)邊緣用戶的性能。

為了降低小區(qū)間干擾的負(fù)面效應(yīng)，文獻(xiàn)[9,10]提出利用分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用、軟頻率復(fù)用以及自適應(yīng)頻率復(fù)用等技術(shù)來應(yīng)對此問題。這些技術(shù)只使用了部分頻率資源，沒有利用全局頻率資源，無法滿足高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。文獻(xiàn)[11,12]采用全局頻率資源，利用協(xié)作調(diào)度方法來調(diào)節(jié)小區(qū)間干擾，但是未考慮閉環(huán)功率控制。文獻(xiàn)[13]中考慮了功率控制技術(shù)，但是采用迭代方法，計算復(fù)雜度高，而且忽略了LTE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的限制，不適用于實際的LTE系統(tǒng)。

針對上述問題，該文提出了一種新的適用于LTE上行多小區(qū)系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)作調(diào)度和功率控制方法。首先估計小區(qū)間的干擾信息并分配頻率資源塊給每個小區(qū)內(nèi)的用戶，然后對用戶的傳輸功率進(jìn)行控制來最大化系統(tǒng)的性能。為了進(jìn)一步降低計算復(fù)雜度，該文還提出了一種低復(fù)雜度功率控制算法，便于LTE上行系統(tǒng)的實際應(yīng)用和性能提升。因此，該文的主要創(chuàng)新點可歸納為以下兩點：(1)針對LTE系統(tǒng)，考慮LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的限制，提出了一種新的協(xié)作調(diào)度和功率控制方法；(2)在上述方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種低復(fù)雜度功率控制方法。

2 系統(tǒng)模型

在LTE上行多小區(qū)系統(tǒng)中，假設(shè)每個基站配置Nr個接收天線，每個用戶配置一個發(fā)射天線。在傳輸時間間隔t，目標(biāo)小區(qū)在頻率資源塊n上的接收信號可表示為

其中，hn,t為目標(biāo)小區(qū)在傳輸時間間隔t的Nr×1維復(fù)信道響應(yīng)向量，是從調(diào)度在目標(biāo)小區(qū)資源塊n上的用戶到目標(biāo)小區(qū)基站的信道；Pj,n,t是從調(diào)度在干擾小區(qū)j中的資源塊n上的用戶到目標(biāo)小區(qū)的發(fā)射功率；xj,n,t是從調(diào)度在干擾小區(qū)j中的資源塊n上的用戶到目標(biāo)小區(qū)的功率歸一化的發(fā)射信號；J是干擾小區(qū)的小區(qū)索引集合；hj,n,t, Pj,n,t和xj,n,t分別是從干擾小區(qū)j中資源塊n上的用戶到目標(biāo)小區(qū)的Nr×1維的復(fù)信道響應(yīng)向量、小區(qū)j中資源塊n上的用戶的發(fā)射功率和功率歸一化的發(fā)射信號；發(fā)射信號xj,n,t和xn,t都是均值為零、方差為1的獨立隨機(jī)變量；zn,t是目標(biāo)小區(qū)中資源塊n上的Nr×1維復(fù)高斯白噪聲向量。

從式(1)可以看出，目標(biāo)小區(qū)的接收信號yn,t受到小區(qū)間干擾的影響，因此，對用戶發(fā)射功率的配置、用戶的調(diào)度以及資源分配結(jié)果都會影響系統(tǒng)的性能。本文通過考慮多小區(qū)協(xié)作調(diào)度方法和功率控制方案來應(yīng)對小區(qū)間干擾的問題。

3 多小區(qū)調(diào)度和功率控制

由于聯(lián)合優(yōu)化多小區(qū)協(xié)作調(diào)度和功率控制復(fù)雜度高，不利于LTE系統(tǒng)的實際應(yīng)用，本文考慮分布執(zhí)行用戶調(diào)度和資源分配以及功率控制。

3.1 調(diào)度

首先估計在傳輸時間間隔1t+時在頻率資源塊n上來自其他小區(qū)的用戶對目標(biāo)小區(qū)所造成的干擾，可表示為

那么在傳輸時間間隔t目標(biāo)小區(qū)用戶k在頻率資源塊n上的信干噪比可表示為

其中，,ktP是在傳輸時間間隔t只有一個頻率資源塊分配給用戶k時由開環(huán)功率控制所配置的用戶k的發(fā)射功率，2

σ為加性高斯白噪聲(AWGN)的功率。則在傳輸時間間隔t用戶k在頻率資源塊n上的數(shù)據(jù)速率可表示為

其中，函數(shù)()G·將信干噪比映射為數(shù)據(jù)速率[14]。為簡便起見，在后續(xù)的描述中將省略時間傳輸間隔t。

記nx為目標(biāo)小區(qū)在頻率資源塊n上的資源分配結(jié)果，即如果頻率資源塊n分配給用戶k，則有xn=k。根據(jù)比例公平調(diào)度(Proportional Fair Scheduling, PFS)準(zhǔn)則，如果滿足：

則在傳輸時間間隔t內(nèi)，將頻率資源塊n將分配給用戶k。式(5)中，為用戶k在傳輸時間間隔t內(nèi)的指數(shù)滑動平均吞吐量，可表示為

式中，,ktT為用戶k在傳輸時間間隔t的實際吞吐量，β為指數(shù)滑動平均因子。

根據(jù)LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]，在SC-FDMA系統(tǒng)中，分配給每個用戶的頻率資源在頻域上必須是連續(xù)的。因此，當(dāng)一個小區(qū)初步確定了分配給每個用戶的頻率資源塊之后，再采用文獻(xiàn)[15]中的最大擴(kuò)展回歸(Recursive Maximum Expansion, RME)算法重新調(diào)整資源分配結(jié)果。

3.2 功率控制

當(dāng)用戶調(diào)度和資源分配完成之后，由閉環(huán)功率控制配置的用戶k在傳輸時間間隔t內(nèi)每個被分配的頻率資源塊上的發(fā)射功率可表示為[1]

式中，maxP為每個用戶的最大發(fā)射功率，0P為參考功率，α為路損補(bǔ)償因子，kN為分配給用戶k的頻率資源塊數(shù)，LP為下行鏈路路損，通過對參考信號接收能量(Reference Signal Received Power,RSRP)和用戶k的參考信號(Reference Signal, RS)的發(fā)射功率的測量獲得，f(Δ)為閉環(huán)功率控制累積量或絕對量修改項，可以為-1, 0, 1或者3 dB。

對目標(biāo)小區(qū)利用功率控制后，式(3)中調(diào)度在資源塊上n的用戶=xn的信干噪比將更新為

因為基于PFS準(zhǔn)則的調(diào)度方法可以折中地考慮用戶的吞吐量和用戶的公平性問題，適用于實際的LTE系統(tǒng)。本文將基于比例公平準(zhǔn)則考查多小區(qū)系統(tǒng)的性能，整個系統(tǒng)的功率控制問題可建模為

且滿足

其中，N是系統(tǒng)中的總資源塊數(shù)，Rj,n,和Pj,n分別是干擾小區(qū)j中分配在頻率資源塊n上的用戶的數(shù)據(jù)速率、平均吞吐量和發(fā)射功率，,jnP和分別是干擾小區(qū)j和目標(biāo)小區(qū)調(diào)度在頻率資源塊n上的用戶的可能的功率配置值集合。式(10)中的第1項計算目標(biāo)小區(qū)的比例公平準(zhǔn)則值，第2項計算其他干擾小區(qū)的總的比例公平準(zhǔn)則值。

上述的問題建模要求聯(lián)合考慮整個網(wǎng)絡(luò)中所有小區(qū)資源塊上所調(diào)度用戶的功率控制問題，非常復(fù)雜。為了簡化問題，在優(yōu)化目標(biāo)小區(qū)的功率配置問題時，進(jìn)一步假設(shè)其他小區(qū)中用戶的功率配置是固定的，這樣便于依次按單個小區(qū)的先后順序?qū)Ω鱾€小區(qū)的功率進(jìn)行優(yōu)化。簡化后的問題可建模為

且滿足

同一小區(qū)中，不同用戶的發(fā)射功率是相互獨立

式中，Nk為分配給用戶k的頻率資源塊索引集合且Nk=。根據(jù)每個用戶的功率配置值和式(7)中f(Δ)的變化量范圍，通過搜索確定目標(biāo)小區(qū)內(nèi)所有的，這意味著一個用戶發(fā)射功率的變化不影響本小區(qū)內(nèi)其他用戶功率的變化，因此可以針對每一個用戶進(jìn)行功率控制配置優(yōu)化，而不必和式(13)，式(14)一樣聯(lián)合優(yōu)化一個小區(qū)內(nèi)所有用戶的功率。因此，上述問題建?？蛇M(jìn)一步簡化為被調(diào)度的用戶發(fā)射功率，然后目標(biāo)小區(qū)將向干擾目標(biāo)小區(qū)的其他小區(qū)共享這些功率信息。利用同樣的方法即可完成其他小區(qū)中用戶功率的配置。

因此，多小區(qū)協(xié)作調(diào)度和功率控制方法可總結(jié)為如下幾步：

(1)根據(jù)式(2)～式(4)計算用戶數(shù)據(jù)速率；

(2)根據(jù)式(5)完成每個小區(qū)內(nèi)的資源分配，之后利用RME算法重新調(diào)整資源分配結(jié)果；

(3)根據(jù)式(7)～式(9)更新功率和信干噪比信息；

(4)根據(jù)式(15)來確定每個被分配資源的用戶的發(fā)射功率。

3.3 低復(fù)雜度算法

3.2 節(jié)中所描述的功率控制算法要求整個網(wǎng)絡(luò)中的所有小區(qū)共享資源分配信息和功率配置信息。在計算目標(biāo)小區(qū)已經(jīng)被分配資源的用戶的功率控制配置信息時，需要計算所有其他干擾小區(qū)相對應(yīng)的頻率資源塊上的目標(biāo)準(zhǔn)則值。本節(jié)提出一種低復(fù)雜度的功率控制方法。

低復(fù)雜度功率控制方法的主要思想在于，只計算受目標(biāo)小區(qū)中已分配資源的用戶產(chǎn)生的干擾影響最大的兩個鄰小區(qū)的目標(biāo)函數(shù)準(zhǔn)則值。其余小區(qū)的目標(biāo)函數(shù)準(zhǔn)則值則通過引入目標(biāo)函數(shù)補(bǔ)償因子λ來估計。

式(15)中對問題的建模需要考慮J個干擾小區(qū)由于目標(biāo)小區(qū)功率變化而引起的目標(biāo)函數(shù)準(zhǔn)則值的變化情況，共需要計算Nk×J項目標(biāo)準(zhǔn)則值，而式(16)中只需要考慮J1=＜J (本文中取J1=2)個小區(qū)的目標(biāo)準(zhǔn)則值，共需要計算Nk×J1項，降低了計算復(fù)雜度。另外，式(15)中的問題建模在配置完某個小區(qū)中用戶的發(fā)射功率之后需要向其他的J個小區(qū)分享功率信息來完成其他小區(qū)的功率配置，這樣的操作需要重復(fù)J次，而式(16)的建模只需要重復(fù)J1＜J次，降低了系統(tǒng)開銷。

多小區(qū)調(diào)度和低復(fù)雜度功率控制方法可以總結(jié)為如下幾個步驟：

(1)根據(jù)式(2)～式(4)計算用戶數(shù)據(jù)速率；

(2)根據(jù)式(5)完成每個小區(qū)內(nèi)的資源分配，之后利用RME算法重新調(diào)整資源分配結(jié)果；

(3)根據(jù)式(7)～式(9)更新功率和信干噪比信息；

(4)根據(jù)式(16)確定每個被分配資源的用戶的發(fā)射功率。

3.4 鏈路自適應(yīng)

當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)中的所有小區(qū)完成調(diào)度和功率控制配置之后，資源分配信息和功率控制信息將在整個網(wǎng)絡(luò)中共享。通過共享的信息，可以重新計算信號、干擾以及信干噪比信息。然后，鏈路自適應(yīng)算法將會根據(jù)這些更新后的信息為每個用戶自適應(yīng)地選擇調(diào)制和編碼方式(MCS)來進(jìn)行上行傳輸。

4 仿真結(jié)果分析

本節(jié)通過LTE系統(tǒng)級仿真驗證本文算法的有效性。正如引言部分所描述的，已有的算法大多未考慮LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的限制，因此，本文主要考慮本文算法和基于開環(huán)功率控制的單小區(qū)調(diào)度算法性能的比較。圖1給出了仿真平臺中小區(qū)的基本布局：蜂窩布局、7個站，每站3個小區(qū)，考慮了環(huán)繞式處理技術(shù)(wrap around)。本論文中所采用的LTE上行系統(tǒng)級仿真根據(jù)文獻(xiàn)[16]來建模，考慮了LTE物理層的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，包括混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ)、功率控制、SRS處理、公用參考信號(Common Reference Signal, CRS)測量以及外環(huán)鏈路適配 (Outer Loop Link Adaptation, OLLA) 算法。仿真中基于外環(huán)鏈路適配算法保證所有用戶的首次傳輸誤包率(First packet Error Rate, FER)為10 %。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)及其配置

圖1 仿真設(shè)置中的小區(qū)布局

圖2分別給出了考慮開環(huán)功率控制的單小區(qū)調(diào)度算法(Single-cell Scheduling, SS)，考慮開環(huán)功率控制的多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法(Multi-cell Scheduling, MS), LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法(Multi-cell Scheduling and Power Control, MSPC)以及低復(fù)雜度LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法(Low-complexity Multi-cell Scheduling and Power Control, LMSPC)的吞吐量累積量分布函數(shù)曲線。從圖2中可以看出，多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法的性能優(yōu)于單小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法。多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法性能的增益主要在于小區(qū)之間可以共享資源分配信息，因此可以為用戶選擇較理想的調(diào)制和編碼方式?？紤]了閉環(huán)功率控制之后，算法的性能相對變好。從圖2中可以看出，低復(fù)雜度LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法的性能和LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法的性能基本相同。

圖3給出了本文方法的性能增益，圖中的比較基準(zhǔn)為單小區(qū)調(diào)度算法。從圖3中可以看出，LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法考慮了來自其他小區(qū)的干擾，其性能最好。相比于單小區(qū)算法，小區(qū)邊緣性能提升了26%，小區(qū)平均吞吐量提升了31%。本文所提出的低復(fù)雜度算法的性能優(yōu)于多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法；和LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法相比，系統(tǒng)的10%吞吐量有所降低，但是損失較小，而二者的系統(tǒng)平均吞吐量性能相當(dāng)。

圖4給出了干擾熱噪聲比(Interference over Thermal, IoT)。從圖4中可以看出，不考慮閉環(huán)功率控制的單小區(qū)調(diào)度算法和多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法的干擾熱噪聲比分布相同，主要原因在于二者會把相同的頻率資源塊分配給相同的用戶，而這些用戶的功率配置相同。當(dāng)考慮了閉環(huán)功率控制之后，每個小區(qū)的干擾開始增大?；诘蛷?fù)雜度LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法的干擾熱噪聲比和考慮所有小區(qū)干擾的LTE多小區(qū)聯(lián)合協(xié)作調(diào)度與功率控制算法的然繞熱噪聲比分布相同，因而導(dǎo)致了二者的性能基本相同。

圖2 不同算法的吞吐量的累積量分布函數(shù)曲線

圖3 算法性能增益比較

圖4 干擾噪聲比IoT累積量分布函數(shù)曲線

5 結(jié)論

本文針對LTE上行多小區(qū)系統(tǒng)性能受限于小區(qū)間干擾的問題，提出了一種協(xié)作調(diào)度和功率控制方法和一種低復(fù)雜度的功率控制方法。所提算法基于估計的小區(qū)間干擾信息來調(diào)度每個小區(qū)中的用戶，然后考慮LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的限制，通過調(diào)節(jié)已分配資源的用戶的功率來最大化目標(biāo)函數(shù)。仿真結(jié)果驗證了本文算法優(yōu)于單小區(qū)調(diào)度算法和未考慮閉環(huán)功率控制的多小區(qū)協(xié)作調(diào)度算法。而本文所提出的低復(fù)雜度功率控制算法和未降低復(fù)雜的算法性能相當(dāng)。

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牛進(jìn)平： 女，1985年生，博士，研究方向為LTE無線通信系統(tǒng)中的資源分配問題、跨層優(yōu)化問題和干擾抑制技術(shù).

蘇 濤： 男，1968年生，教授，研究方向為資源分配、MIMO信號處理.

Multi-cell Cooperative Scheduling and Power Control in SC-FDMA Systems

Niu Jin-ping Su Tao
(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Inter-cell interference is a major factor that limits the performance of multi-cell systems. In this paper, a cooperative scheduling and power control algorithm for Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA) multi-cell systems is proposed to deal with the inter-cell interference in Long Term Evolution (LTE) uplink. It performs scheduling and power control for each cell separately, which schedules users first and then configures the transmit power for each user. The proposed algorithm performs scheduling by first estimating the inter-cell interference and then assigning resources to users. When optimizing the user’s transmit power, the performance variation of both the objective cell and other interfering cells is considered. Furthermore, a power control algorithm with low-complexity is proposed, which only considers the performance change of several cells interfered most by the objective cell and estimates the performance change of all other cells by introducing a compensation factor, when optimizing the transmit power of each user. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm in cell average and cell edge throughput.

Wireless communication; Long Term Evolution (LTE); Uplink; Multi-cell; Scheduling; Power control

TN92

A

1009-5896(2015)02-0411-06

10.11999/JEIT140542

2014-04-24收到，2014-09-05改回

*通信作者：牛進(jìn)平 njp.xiyou@163.com