LTE系統(tǒng)自適應(yīng)軟頻率復(fù)用

1、LTE系統(tǒng)自適應(yīng)軟頻率復(fù)用技術(shù) 姓名：白志斌 學(xué)號：13125001LTE系統(tǒng)自適應(yīng)軟頻率復(fù)用技術(shù)摘要 高小區(qū)邊緣用戶性能是蜂窩移動通信系統(tǒng)的經(jīng)典難題。下一代蜂窩移動通信系統(tǒng)3GPP通過有效的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)以及頻率資源分配來改善小區(qū)邊緣用戶性能。提出一種自適應(yīng)軟頻率復(fù)用算法，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況自適應(yīng)地為各小區(qū)分配主、副載波及其發(fā)射功率，在實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化的同時保證小區(qū)中心和邊緣區(qū)域速率需求算法首先通過窮盡搜索和貪婪遞減策略，獲得單小區(qū)最優(yōu)資源分配，然后在不同小區(qū)間迭代執(zhí)行單小區(qū)算法直到系統(tǒng)吞吐量不變?yōu)橹?。仿真結(jié)果表明，算法通過多次迭代后，系統(tǒng)吞吐量保持不變并輸出一種優(yōu)化的資源分配方案與同類頻率

2、分配算法相比，可以有效提升小區(qū)邊緣用戶的吞吐量，同時獲得更高的系統(tǒng)容量，更適用于高速率的LTE系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 軟頻率復(fù)用；小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)；資源分配；正交頻分多址；LTE 隨著全球移動用戶數(shù)量的急劇增加以及用戶對高速率業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的增長，促使移動通信系統(tǒng)需要更好地利用稀缺的頻率資源以提供更高的系統(tǒng)容量來保證用戶的服務(wù)質(zhì)量。第3.9代(3.9G)蜂窩移動通信系統(tǒng)3GPP長期演進(10ng term evolution，LTE)E婦中提出通過頻率復(fù)用因子1來提升頻譜效率LTE采用正交頻分多址接人(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)口

3、。通過將頻率資源劃分為多個相互正交、互不干擾的子載波消除了小區(qū)內(nèi)干擾。然而，頻率復(fù)用因子1使得相同的頻率資源被相鄰小區(qū)重復(fù)使用，小區(qū)間干擾(inter-cell interference，ICI)不可避免，小區(qū)邊緣用戶受到的ICI尤為嚴(yán)重。為了保證小區(qū)邊緣用戶性能，有效的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(inter-cell interference coordination，ICIC)以及頻率資源分配方法成為關(guān)鍵問題。采用部分頻率復(fù)用(FFR)和軟頻率復(fù)用(SFR)，LTE系統(tǒng)可實現(xiàn)頻率復(fù)用因子趨近1，同時也能降低ICI基于FFR技術(shù)，提出了一種OFDMA系統(tǒng)用戶子載波分配算法通過同時考慮用戶子載波和功率分配

4、進一步提高了FFR系統(tǒng)性能。上述研究中，各小區(qū)中心和邊緣頻帶的劃分是預(yù)先定義的，不適用于非均勻負(fù)載場景。另外，F(xiàn)FR中各小區(qū)有部分系統(tǒng)頻率資源沒有使用，限制了FFR系統(tǒng)性能，造成了資源浪費相對FFR，SFR方法則能夠在每個小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用系統(tǒng)全部頻率資源。提出SFR的概念，其核心思想是在每個小區(qū)將系統(tǒng)頻率資源分為主載波和副載波兩個部分，主載波可用于整個小區(qū)，且相鄰小區(qū)間的主載波互不重疊，副載波只能被小區(qū)中心區(qū)域用戶使用，其發(fā)射功率低于主載波通過調(diào)整主、副載波的發(fā)射功率可以有效控制ICI，獲得比FFR方法更高的系統(tǒng)容量。提出了一種SFR系統(tǒng)中的主載波分配算法，但是該算法假設(shè)每個小區(qū)中副載波與主載波

5、的發(fā)射功率固定。1系統(tǒng)模型及目標(biāo)1.1系統(tǒng)模型 考慮由C個小區(qū)(小區(qū))構(gòu)成的LTE系統(tǒng)中下行數(shù)據(jù)傳輸場景采用SFR作為頻率分配策略，系統(tǒng)帶寬B(共包含N個子載波)被劃分為多個互不重疊的頻帶每個小區(qū)i選取部分頻帶作為主載波，剩余頻帶為副載波，分別記作。和，主載波和副載波的發(fā)射功率分別定義為和戶，根據(jù)載波的發(fā)射范圍不同，每個小區(qū)被劃分為小區(qū)中心和小區(qū)邊緣兩個區(qū)域。本文將研究SFR頻率復(fù)用策略下，如何根據(jù)LTE系統(tǒng)中各小區(qū)的負(fù)載情況，自適應(yīng)地為各小區(qū)分配主、副載波以及確定主、副載波發(fā)射功率為此，結(jié)合LTE系統(tǒng)特性作如下假設(shè)： 1)在進行資源分配時，僅考慮信道的慢衰落特性，包括路徑損耗和陰影衰落，進一

6、步假設(shè)各基站可以獲得信道的慢衰落信息，其僅與用戶位置有關(guān)，一旦用戶位置確定，則該用戶與基站間各信道上的信道響應(yīng)都相同，因此，進行資源分配時僅需要考慮分配給小區(qū)i的主、副載波數(shù)量，分別用和,其中，。一旦主載波數(shù)量確定，可以根據(jù)相鄰小區(qū)主載波分配，隨機選取與相鄰小區(qū)主載波不重疊的個子載波作為主載波；2) 距離相隔較遠(yuǎn)的小區(qū)間干擾可以忽略不計，僅考慮相鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾。 基于以上假設(shè)，對任一小區(qū)i，用戶在子載波N上接收到的信干SINR可以表示為:其中，表示小區(qū)i中子載波j上的發(fā)射功率，若子載波j為主載波，則,若子載波j為副載波，則；表示小區(qū)i的用戶在子載波j上從小區(qū)m獲得的信道增益；表示與小區(qū)i相鄰

7、的干擾小區(qū)集合；為系統(tǒng)熱噪聲功率。 在SFR系統(tǒng)中，對任一小區(qū)，主載波是其相鄰小區(qū)的副載波，因此，主載波上的干擾來自相鄰小區(qū)的副載波，那么，小區(qū)邊緣區(qū)域獲得的平均吞吐量可以表示為： 其中，表示小區(qū)i的用戶在所有主載波上從小區(qū)m獲得的平均信道增益；為子載波帶寬。 在SFR系統(tǒng)中，對任一小區(qū)，副載波是其相鄰小區(qū)的主載波或副載波，因此，副載波上的干擾可能來自相鄰小區(qū)的主載波或副載波，因此不同副載波上的干擾信號強度可能不同，在計算小區(qū)中心區(qū)域吞吐量時，為了簡化計算，本文假設(shè)副載波上干擾信號發(fā)射功率以取其可能的最大值，則小區(qū)中心區(qū)域獲得的平均吞吐量近似可以表示為： 其中，表示小區(qū)i的用戶在所有副載波上從

8、小區(qū)m獲得的平均信道增益。 2 多小區(qū)自適應(yīng)資源分配算法 由于和為整數(shù)，小區(qū)邊緣和中心速率函數(shù)式是非凸函數(shù)，因此系統(tǒng)目標(biāo)是非凸優(yōu)化問題，不能通過傳統(tǒng)的凸優(yōu)化理論解決?；诖?，將尋找次優(yōu)解決方案，以達到系統(tǒng)性能與計算復(fù)雜度的較好折巾?；舅枷霝椋簩⒍嘈^(qū)SFR優(yōu)化問題分解為多個單小區(qū)SFR優(yōu)化問題，計算單小區(qū)最優(yōu)主、副載波以及功率分配，然后在不同小區(qū)間迭代執(zhí)行單小區(qū)算法，直到找到系統(tǒng)最優(yōu)SFR資源分配方案為止。21 單小區(qū)資源分配算法 單小區(qū)SFR優(yōu)化問題目標(biāo)是在相鄰小區(qū)資源分配固定的情況下，為給定小區(qū)分配主、副載波以及確定主、副載波發(fā)射功率，最大化單小區(qū)吞吐量，同時保證小區(qū)中心和邊緣區(qū)域最小速

9、率需求。將系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)式i設(shè)置為1，則多小區(qū)SFR優(yōu)化問題變?yōu)閱涡^(qū)SFR優(yōu)化問題。1)初始資源分配過程初始資源分配過程將尋找單小區(qū)主、副載波分配以及確定最優(yōu)的主、副載波發(fā)射功率，在保證小區(qū)中心和邊緣區(qū)域速率需求的前提下最小化給定小區(qū)的發(fā)射功率這一功率最小化問題可以表示為： 為 了使得給定小區(qū)主載波與其相鄰小區(qū)不重疊，保證給定小區(qū)的主載波小于門限值，當(dāng)小區(qū)主、副載波分配固定，從中可以看出，主、副載波發(fā)射功率隨著速率的提高而增加，因此，當(dāng)約束條件取等號時，系統(tǒng)所需發(fā)射功率最小。從約束條件式可以看出，當(dāng)確定，以及也隨之確定對于給定(，小區(qū)總發(fā)射功率為 由于”與為整數(shù)，從約束條件可以看出，最多有N種

10、組合方式因此，采用窮盡搜索法，通過遍歷所有可能的組合，可以找到滿足小區(qū)速率要求下使得發(fā)射功率最小的資源分配方案。2)資源分配調(diào)整過程 若單小區(qū)SFR優(yōu)化問題具有可行解，則初始資源分配過程中小區(qū)最小發(fā)射功率小于給定的最大值，資源分配調(diào)整過程采用貪婪遞減策略分配剩余可用功率給小區(qū)邊緣用戶，逐步減少小區(qū)主載波數(shù)量，最大化系統(tǒng)副載波數(shù)量以進一步提高系統(tǒng)吞吐量，直到小區(qū)使用的總功率達到為止在這一過程中通過提高主載波發(fā)射功率保證小區(qū)邊緣區(qū)域最低速率需求得到滿足。 完成剩余可用功率分配以及主、副載波調(diào)整后，根據(jù)新的小區(qū)資源分配，可以計算小區(qū)中心區(qū)域吞吐量，并將其作為下一次迭代過程中小區(qū)中心區(qū)域的速率需求。初

11、始資源分配和資源分配調(diào)整過程將迭代執(zhí)行直至小區(qū)吞吐量不再變化。 2.2 多小區(qū)資源分配算法 可以看出，在單小區(qū)SFR資源分配過程中若小區(qū)速率要求和了。較大或相鄰小區(qū)干擾很嚴(yán)重，單小區(qū)SFR優(yōu)化問題可能不存在可行解，即單小區(qū)SFR算法中獲得的滿足速率要求下的最小發(fā)射功率大于，在這種情況下，為了控制ICI，將為該小區(qū)尋找一種資源分配方式，獲得發(fā)射功率下的最大系統(tǒng)吞吐量，與單小區(qū)資源分配算法類似，這一資源重分配過程將通過遍歷所有可能的組合，尋找傳輸功率下使得小區(qū)吞吐量最大的資源分配方式。 單小區(qū)資源分配確定后，可以計算小區(qū)中心區(qū)域速率，同時更新下一次迭代過程中該小區(qū)中心區(qū)域的速率需求。 當(dāng)系統(tǒng)全部C

12、個小區(qū)都完成資源分配后，若存在速率需求不能被滿足的小區(qū)，則對于小區(qū)中心區(qū)域速率，大于其最低速率需求，的小區(qū)i，減小其下一次迭代過程中的速率需求上述多小區(qū)資源分配過程將在系統(tǒng)各小區(qū)間迭代執(zhí)行直至找到最優(yōu)SFR資源分配方式為止。3 仿真實驗與分析算法有效性 圖下給出了隨迭代次數(shù)增加ASFR算法計算過程中對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量的變化曲線?？梢钥闯?，在均勻和非均勻負(fù)載情況下，根據(jù)算法判斷流程，在經(jīng)過一定次數(shù)迭代后，算法得到的資源分配結(jié)果對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量將保持不變，可見，算法通過多次迭代后，可以正常結(jié)束并輸出一種優(yōu)化的SFR資源分配方案。 參考文獻1The Third Generation Partnersh

13、ip Project(3GPP)EjUTRA and E-UTRAN Overall description：Stage 2(Release 8)，3GPP Teehnical Specifications TS 36300V82Zhou Yi qing，Wang Jiang zhou，Sawahashi MDownlinktransmission of broadband 0FCDM systems-part I：Hybriddetection EJIEEE Trans on Communications，2005，53(4)：7187293Zhou Yiqing，Wang Jiangzho

14、u，Sawahashi MDownlink transmission of broadband 0FCDM systems-part I：Hybrid detection EJIEEE Trans on Communications，2005，53(4)：71874 Zhu Huiling，Wang JiangzhouChunkbased resource allocLtion in OFDMA systems-Part I：Chunk allocationJIEEE Trans on Communications，2009，57(9)：273427445Ali S H，Leung V C MDynamic resource allocation in fractional frequency reused OFDMA networksJIEEE Trans on Wireless Communications，2009，8(8)：428642956The Third Generation Partnership Project(3GPP)，HuaweiSoft frequency reuse scheme for