LTE室內(nèi)場景下基于RNTP的協(xié)作資源分配算法

張緯棟，王艷君，秦智超

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

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工程與應(yīng)用

LTE室內(nèi)場景下基于RNTP的協(xié)作資源分配算法

張緯棟，王艷君，秦智超

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

在長期演進(jìn)系統(tǒng)(Long Term Evolution, LTE)室內(nèi)場景下，可針對小區(qū)中心用戶群和邊緣用戶群，通過動態(tài)波束賦型的方式形成相應(yīng)的專屬天線下傾角。本文以最大化系統(tǒng)的總吞吐量為目標(biāo)，提出一種聯(lián)合優(yōu)化的資源分配和下傾角調(diào)整的協(xié)作資源分配算法，從而協(xié)作調(diào)度小區(qū)間的功率、時頻資源塊(Resource Block, RB)和下傾角三維(3-Dimension, 3D)變量。這里，通過交互相關(guān)的窄帶傳輸功率(Relative Narrow Band Transmit Power, RNTP)信令的方式完成基站間協(xié)作。仿真結(jié)果表明，對比采用固定下傾角的聯(lián)合RB、功率分配策略，本文所提的3D協(xié)作資源分配算法能有效地提升LTE室內(nèi)場景下的小區(qū)吞吐量。

長期演進(jìn)系統(tǒng); 室內(nèi)場景; 下傾角; 功率; 時頻資源塊; 三維; 相關(guān)窄帶傳輸功率

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，用戶對寬帶業(yè)務(wù)的需求逐年增加，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足海量數(shù)據(jù)的通信需求。長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)技術(shù)是由第三代合作伙伴計(jì)劃(The 3rd Generation Partner Project, 3GPP)啟動的研發(fā)項(xiàng)目，旨在進(jìn)一步通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。大量研究表明，在新興的移動互聯(lián)網(wǎng)中，LTE室內(nèi)環(huán)境將會產(chǎn)生超過70%業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。因此，室內(nèi)環(huán)境下的用戶對通信速率的提升需求更加迫切[1]。

由于正交頻分多址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)關(guān)鍵技術(shù)是LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，LTE系統(tǒng)中不同基站間可以使用相同的資源，也因此會造成基站間的同頻干擾，從而使得小區(qū)用戶尤其是小區(qū)邊緣用戶的性能受到極大影響[2]。

目前有一些類似的文獻(xiàn)，研究協(xié)作的垂直波束賦型技術(shù)。在文獻(xiàn)[3]中，作者設(shè)計(jì)了協(xié)同的垂直波束賦型算法，但是并未考慮其他諸如功率和RB的分配問題。在文獻(xiàn)[4]中，作者研究了協(xié)同多點(diǎn)傳輸(COMP)技術(shù)在3D天線系統(tǒng)下的應(yīng)用，但是并未以優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量為目標(biāo)，提出相應(yīng)的資源管理算法?？梢钥闯?，需要研究通過垂直波束賦型方式的資源分配算法，從資源管理的角度聯(lián)合優(yōu)化下傾角，功率和時頻資源塊分配這三維變量。

在三維(3-Dimension, 3D)LTE室內(nèi)場景下，本文研究聯(lián)合優(yōu)化垂直下傾角、功率和RB分配的資源分配算法。小區(qū)中心用戶下傾角和小區(qū)邊緣用戶下傾角通過基站的波束成型形成，以最大化系統(tǒng)總吞吐量為目標(biāo)，系統(tǒng)的約束條件是小區(qū)中心用戶、小區(qū)邊緣用戶專屬下傾角限制以及基站發(fā)射功率。

研究表明，LTE室內(nèi)場景的信道在數(shù)百毫秒幅度才會有明顯變化。十分適合采用RNTP框架技術(shù)，頻域規(guī)劃在基站間以200ms為周期相互傳遞[5]。

因此，基于RNTP技術(shù)框架，各協(xié)作基站根據(jù)其從鄰小區(qū)接收到的RNTP比特圖，結(jié)合自身RNTP比特圖，規(guī)劃本小區(qū)的可用RB 組?；趧澐值腞B組，各基站獨(dú)立地完成下傾角和功率、RB三維變量的資源調(diào)度。仿真結(jié)果表明，對比采用固定下傾角的經(jīng)典注水和迭代注水算法，本章所提三維協(xié)作資源分配算法可以有效地提升小區(qū)中心和邊緣用戶的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，LTE室內(nèi)場景由兩個基站組成協(xié)作簇，協(xié)作簇基站間交互信令通過X2接口，多個協(xié)作簇構(gòu)成LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6]。

基站針對小區(qū)邊緣用戶群和中心用戶群，通過波束賦型的方式，分別生成邊緣小區(qū)用戶和中心用戶天線下傾角。小區(qū)的中心用戶和邊緣用戶下傾角由圖1中所示的θ1和θ2分別表示。N個正交RB是可用資源塊，各小區(qū)中心用戶和邊緣用戶的劃分方法是通過對比參考信號接收功率(RSRP)[6]。

圖1 LTE室內(nèi)場景模型圖

協(xié)作簇內(nèi)用戶的有用信息僅接收自單個基站，小區(qū)中心及邊緣用戶之間的可用頻段為正交狀態(tài)，協(xié)作簇小區(qū)間中心用戶頻率復(fù)用方案采用的復(fù)用因子為1，邊緣用戶的頻率復(fù)用方案采用的復(fù)用因子為α。m,c,m,e分別表示第m個基站中心用戶，邊緣用戶可用的RB集合，總RB集合m?m,c∪m,e。

第m小區(qū)內(nèi)使用資源塊n的中心用戶u受到來自協(xié)作簇相鄰小區(qū)在相同資源塊n的信號干擾，則中心用戶u的SINR表達(dá)式為：

(1)

其中θm,1代表第m小區(qū)對中心用戶形成的下傾角。σ2代表熱噪聲，第m小區(qū)內(nèi)使用資源塊n的邊緣用戶u的SINR表達(dá)式可寫為：

(2)

對于特定用戶u，采用香農(nóng)公式，其可獲得的數(shù)據(jù)速率為：

(3)

若用戶u是中心用戶則令θm=θm,1，若該用戶是邊緣用戶則令θm=θm,2。

中心用戶總吞吐量和邊緣用戶總吞吐量之和為協(xié)作簇網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量，結(jié)合公式(1)-(3)，以最大化網(wǎng)絡(luò)總吞吐量為目標(biāo)，滿足小區(qū)中心、邊緣用戶專屬下傾角及各基站功率限制的優(yōu)化問題可以表示為：

(4)

其中，k(m,n)表示在資源塊n上由第m個基站傳輸數(shù)據(jù)的用戶，ωk(m,n)≥0表示使用資源塊的用戶在第m個基站下的權(quán)重。不等式C1和C2分別表示發(fā)射功率限制和用戶專屬下傾角的調(diào)整限制。求解公式(4)，需找到m，p，k和θm的最優(yōu)解。

2 協(xié)作資源分配算法

2.1 資源塊劃分

定義RNTP比特圖為：

(5)

對于第m個基站，計(jì)算其所有邊緣用戶在RBn上的數(shù)據(jù)速率：

(6)

對于第m個小區(qū)邊緣用戶，最優(yōu)的RB選擇策略是使得Rm,n最大：

(7)

2.2 三維變量資源分配算法

基于可用RB組劃分，在接下來的RNTP信令交互周期聯(lián)合優(yōu)化下傾角調(diào)整和功率、RB分配。

本章提出一種次優(yōu)算法。次優(yōu)算法是將最優(yōu)化問題(4)分解為功率的分配、資源塊的分配和調(diào)整下傾角三個優(yōu)化子問題：

步驟1: RB分配給在其上增益最強(qiáng)的用戶，如下：

(8)

步驟2: 針對上個步驟選擇的集合k，分配各用戶最優(yōu)的功率方案。以功率約束C1為變量的拉格朗日優(yōu)化方程表示如下：

(9)

在公式(9)中，Λ(p,λ)表示以功率為變量的拉格朗日優(yōu)化函數(shù)，λ表示拉格朗日因子,λm表示第m個接入點(diǎn)的拉格朗日因子。采用對偶分解方法，可以得到最優(yōu)化功率分配策略：

(10)

(11)

(12)

λm應(yīng)滿足下式，這里，只有λm≥0是未知的，故可以通過二分法迭代出最終的功率分配結(jié)果。

(13)

由于對于λm公式(10)和(11)是遞減函數(shù)。采用二分法，基于公式(13)，求解得出最優(yōu)拉格朗日因子取值。

步驟3: 為確保基站形成對于小區(qū)中心用戶、邊緣用戶的垂直維度最優(yōu)波束賦型，小區(qū)中心用戶、邊緣用戶的專屬下傾角分別調(diào)整為：

(14)

(15)

(16)

(17)

在調(diào)整次優(yōu)算法的下傾角過程中，基站僅僅考慮給其服務(wù)用戶覆蓋更強(qiáng)的信號。經(jīng)過拉格朗日求解，小區(qū)中心用戶和邊緣用戶專屬下傾角可以由每個基站獨(dú)立地調(diào)整如式(16)和(17)所示。次優(yōu)算法的具體流程見算法2。算法2一直迭代，直到迭代t(l)-t(l-1)≤0.01，則完成迭代。所得功率和下傾角即為所求變量值。

3 仿真結(jié)果分析

采用LTE系統(tǒng)級仿真，評估本文所提基于RNTP的資源分配算法。室內(nèi)小區(qū)基站間的距離為200 m，最大的發(fā)射功率為23 dBm，設(shè)10 dB為劃分邊緣用戶和中心用戶的門限值[7]。

頻率復(fù)用方案參考文獻(xiàn)[6]和[7]。對比策略為基站下傾角固定15度情況下，采用傳統(tǒng)的迭代注水算法和基于RNTP協(xié)作資源分配RB和功率的2D RNTP算法。小區(qū)用戶SINR的歸一化對比曲線在圖2和圖3中給出。

在圖2中可以看出，本文所提算法相比其他兩種算法性能提升分別為3 dB和10 dB。

圖2 2D/3D資源分配算法小區(qū)用戶SINR歸一化曲線對比

圖3 2D/3D資源分配算法邊緣用戶SINR歸一化曲線對比

對于小區(qū)邊緣用戶而言，從圖3可以看出本文所提算法性能仍有2-10 dB的提升。

圖4 2D/3D資源分配算法的頻譜效率對比

在小區(qū)邊緣頻譜效率和下行小區(qū)平均頻譜效率方面，也有10%到23%的性能提升。這些仿真均證明所提協(xié)作資源分配策略不僅信令開銷低而且性能提升明顯。

4 結(jié) 語

在將LTE室內(nèi)場景的采用垂直波束賦型情況下，利用RNTP技術(shù)框架，小區(qū)間的協(xié)作僅通過X2接口交互RNTP比特圖。本文在LTE室內(nèi)場景中，研究優(yōu)化下傾角和資源分配的資源管理算法，從而獲得最大化的系統(tǒng)總吞吐量。仿真結(jié)果表明，所提的協(xié)作資源分配算法能有效地提升系統(tǒng)性能。

[1] Zyren J, McCoy W. Overview of the 3GPP long term evolution physical layer [J]. Freescale Semi-conductor, Inc., white paper, 2007.

[2] Boudreau G, Panicker J, Guo N, et al. Interference coordination and cancellation for 4G networks [J]. Communications Magazine, IEEE, 2009, 47 (4): 74-81.

[3] Safjan K, D’Amico V, Bultmann D, et al. Assessing 3GPP LTE-advanced as IMT-advanced technology: the WINNER+ evaluation group approach [J]. Communications Magazine, IEEE, 2011, 4(2): 92-100.

[4] D’Amico V, Botella C, Giese J, et al. Advanced interference management in ARTIST4G: Interference Avoidance [C]. In European Wireless Technology Conference, Paris, France, September 2010: 21-24.

[5] 3GPP. TS 36.211, Physical Channels and Modulation for E-UTRA,v10.5.0 [EB/OL]. 2012. fttp://ftp.3gpp.org.

[6] ITU-R Rep M2135. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced. 2009.

[7] Venturino L, Prasad N,Wang X. Coordinated scheduling and power allocation in downlink multicell OFDMA networks [J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2009, 58 (6): 2835-2848.

An RNTP Based Coordinated Resource Allocation Scheme in LTE Indoor Scenarios

ZHANG Wei-dong,WANG Yan-jun,QIN Zhi-chao

(China Academy of Electronic and Information Technology,Beijing 100041)

In LTE (Long Term Evolution) indoor scenarios, cell-center user and cell-edge user specic downtilts are accordingly partitioned through dynamic vertical beamforming. To maximize both the cell-center users’ and cell-edge users’ throughput, a coordinated resource allocation scheme is proposed where resource block (RB) assignment, power allocation and downtilts adjustment regarded as 3 dimension (3D) variables are jointly optimized. Here, such 3D resource allocation scheme is processed through interacting relative narrow-band transmit power (RNTP) indicators among base stations. Simulation results show that our proposed coordinated resource allocation scheme outperforms the interference coordination scheme withxed downtilts significantly.

LTE; Indoor Scenarios; Downtilts; Power; RB; 3D; RNTP

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.004

2017-04-04

2017-06-06

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA015701)，國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91338201)，工程院咨詢研究項(xiàng)目(2017-XY-04)

TN929.53

A

1673-5692(2017)03-241-05

張緯棟(1987—)，男，山東聊城人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橐苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò);

王艷君(1973—)，女，黑龍江佳木斯人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樘斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目經(jīng)理；

秦智超(1981—)，男，河北滄州人，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。