李 棟

(集美大學計算機工程學院，福建 廈門 361000)

0 引 言

為提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋范疇及擴大可承載容量，近年來運營商大力推進5G微站的部署工作。雖然取得了一定成效但也暴露出了服務(wù)質(zhì)量(QoS)級的潛在問題。諸如，高密度的5G微站分布使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)中鄰區(qū)微站出現(xiàn)同頻干擾而引發(fā)噪聲。因此有必要開展資源重構(gòu)研究在解決噪聲問題的同時增加5G全網(wǎng)的承載量。以文獻[1]為例，提出了一種5G微站服務(wù)輪詢方案。該方案以移動臺速率需求為導向通過任意輪詢微站的計算資源來隨機分配無線頻譜。此方案在輕量級接入的情形下具有良好的QoS成效。但由于該方案并未對微站開展分區(qū)部署，在應(yīng)對大規(guī)模移動臺接入時依然導致鄰區(qū)微站噪聲出現(xiàn)。針對此不足，文獻[2]提出了層次化小區(qū)管理技術(shù)。該技術(shù)通過協(xié)同方式計算出干擾噪聲較大的微站并將其分布在非鄰接的小區(qū)內(nèi)，為其分配無線頻譜。各小區(qū)通過無線頻譜復(fù)用來提升容量。但該技術(shù)并未對微站對之間的噪聲大小做區(qū)分建模，也未顧及小區(qū)之間的干擾對于微站噪聲的效力。因此普適性欠缺。文獻[3]提出了一種全局調(diào)度算法。該算法通過評估全網(wǎng)微站噪聲來測算處理任意移動臺間的干擾，再引入自適應(yīng)微站分區(qū)部署模型對分區(qū)內(nèi)的微站開展同頻干擾管理。該技術(shù)下的QoS有所改善但算法所涉及移動臺協(xié)同降噪測算管理將隨著移動臺接入規(guī)模的增加，算法復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級上升。顯然這并不科學?；诖?，本文構(gòu)思一種基于雙效約束的5G微站重構(gòu)技術(shù)，旨在切實提升系統(tǒng)吞吐量[4]的同時有效降低小區(qū)和微站之間的噪聲干擾。

1 數(shù)學模型

假設(shè)在一個分配了高頻[5]的宏站小區(qū)內(nèi)，部署了頻帶寬度為B的低頻微站集合A={1,2,3,...,a,...,i,..,m,...A}。每個低頻微站內(nèi)接入一個移動臺且采用相同的無線頻譜，相應(yīng)地產(chǎn)生了無線信道集合C={1,2,3,...,c,...,C}。對于微站個體a而言，要為那些具備相同屬性a的移動臺提供資源響應(yīng)。對于移動臺a而言將同時接收到有效信號和鄰區(qū)信號兩類信號。

假設(shè)微站a下發(fā)給移動臺i和移動臺a的數(shù)據(jù)分別為d1和d2，微站i和微站a到移動臺a的路由衰耗[6]αR1和αR2，微站i和微站a到移動臺a的小尺度衰耗分別為αF1和αF2。引入高斯噪聲N，遵循δ2≥N≥0。則在下行方向上移動臺獲取的信號為式(1)：

(1)

(2)

2 微站重構(gòu)方案

將存在同頻干擾的5G微站對之間的連線表征為邊E， 將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的5G微站表征為頂點V，將同頻干擾的嚴重程度表征為權(quán)值σ，權(quán)值參數(shù)越小意味著噪聲影響力越小。于是可將上述系統(tǒng)數(shù)學模型轉(zhuǎn)化成無向圖G=(V,E,σ)來表示。由于權(quán)值總是因微站對之間傳輸信號能量變動而發(fā)生實時變化，這將導致微站頻繁地分區(qū)重構(gòu)。此舉不利于算法時間復(fù)雜度和全網(wǎng)開銷資源。故此處通過微站對之間的平均信號強度來測算噪聲的歸一化強度。

假設(shè)微站m和移動臺i間的無線信道增益為g1，微站m和移動臺m間的無線信道增益為g2，微站i和移動臺i間的無線信道增益為g3，微站m和微站i的工作功率分別為p3和p4。求得微站對之間的噪聲權(quán)值為p3·g1·(p4·g3)-1+p4·g1·(p3·g2)-1。將權(quán)值[8]相對較小的微站對部署在同一小區(qū)內(nèi)以降低小區(qū)內(nèi)的噪聲干擾。

令當前小區(qū)微站密度為ρ，遵循雙效約束的最小信噪比為SNRth，則在保證QoS[9]前提條件下的全網(wǎng)分區(qū)規(guī)模Q需遵循Q=argmin{g3·p1·[N+G(Q,A,ρ)]-1}，其中SNRth<=g3·p1·[N+G(Q,A,ρ)]-1。在求得全網(wǎng)分區(qū)規(guī)模Q后微站將被相繼部署在這些規(guī)模的小區(qū)內(nèi)。假設(shè)每個微站可用于無線接入的有效信道有Q個。則微站分區(qū)問題可轉(zhuǎn)化成圖論中的最大切問題的求解，也就是最小化相同分區(qū)內(nèi)的噪聲影響，最大化不同分區(qū)之間的噪聲影響。假設(shè)第k個微站分區(qū)為Xk，微站編號為y。在結(jié)合構(gòu)思的5G系統(tǒng)數(shù)學模型，可將微站分區(qū)問題轉(zhuǎn)化成如下目標函數(shù)來求解。

(3)

在為微站規(guī)劃好分區(qū)規(guī)模后還需為分區(qū)內(nèi)的微站部署無線載頻信道。正如前文所述，分區(qū)內(nèi)的微站采用相同的無線頻帶資源進行復(fù)用旨在最大程度地提升系統(tǒng)容量。假設(shè)，使分區(qū)Xy容量達到峰值狀態(tài)下的無線信道為c。在此無線信道上的移動臺i信號的信噪比為SNR2。令標識變量t為無線信道c部署情況。若標識為0，表示該無線信道c并未部署給分區(qū)Xy；若標識為1，表示該無線信道c部署給分區(qū)Xy。于是，成就系統(tǒng)最大容量的目標可轉(zhuǎn)化為求解如下目標函數(shù)式(4)：

(4)

3 方案測試

為考察微站重構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，將重構(gòu)技術(shù)運行在Matlab平臺上與文獻[1]，文獻[2]的研究方案展開對比。所運行的環(huán)境做如下部署：微站工作頻道、工作電平、頻帶寬度分別為5GHz，15dBm，7MHz；宏站工作頻道和工作電平分別為3GHz，32dBm。微站在邊長均為300m的正方形區(qū)域內(nèi)遵循泊松[12]分布來部署方位。每個微站接入一個移動臺，故只涉及同頻[13]干擾，其干擾的信噪比門限為7dB。系統(tǒng)每赫茲的噪聲密度為-150dBm。

根據(jù)引言所敘，文獻[1]所述輪詢方案雖然圍繞移動臺服務(wù)速率來為微站分配無線頻譜取得一定成效，卻因忽略鄰區(qū)微站頻譜資源的相關(guān)性使其缺乏普適性。文獻[2]所述層次化小區(qū)管理技術(shù)思想在于通過協(xié)作計算將存在干擾的微站不加以程度區(qū)分就部署到非鄰接小區(qū)。這樣的頻譜擴容機制并不長效。兩種技術(shù)存在方案設(shè)計的不足在本組測試中所采集的數(shù)據(jù)曲線走勢上得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。圖1描述的是5G全網(wǎng)分區(qū)內(nèi)無線載頻使用情況。使用率越高意味著微站頻譜效率越高，擴容成效越好。數(shù)據(jù)曲線走勢顯示隨著微站規(guī)模持續(xù)增加，三種技術(shù)下的無線頻譜效率總體減弱但本文構(gòu)思的微站重構(gòu)技術(shù)卻相對最好。究其原因，重構(gòu)技術(shù)部署了基于可用信道區(qū)分的微站分區(qū)機制，輔以微站干擾排序機制開展微站重構(gòu)編排方案。這樣的甄選理念是輪詢方案和層次化小區(qū)管理技術(shù)所不具備的，因此重構(gòu)技術(shù)在擴容成效方面表現(xiàn)出了相對優(yōu)勢。

圖1 無線載頻使用情況

圖2描述了部署三種技術(shù)的5G分區(qū)網(wǎng)絡(luò)差異化降噪機制對于分區(qū)有效容量的影響力。微站規(guī)模持續(xù)增加必然同步增加分區(qū)規(guī)模、無線載頻規(guī)模，由此導致的累積性噪聲影響力也同步增大。最終使得分區(qū)有效容量逐漸縮小。這樣的總體趨勢是所有技術(shù)方案不可避免的。圖中曲線走勢也證明了這樣的規(guī)律，但相比之下重構(gòu)技術(shù)卻表現(xiàn)出了相對優(yōu)勢。這是因為重構(gòu)技術(shù)在規(guī)劃微站方位策略時采用了基于微站干擾差異化的分區(qū)部署機制，并增加考慮了在滿足噪聲約束下的系統(tǒng)達到最大容量時的無線信道資源部署情況。然而輪詢方案的目標僅僅是為微站順利適配到無線頻譜即可，缺乏QoS。相比之下，層次化小區(qū)管理技術(shù)雖在微站分區(qū)時做了改進，效率有所提升但在降噪措施上的考量依然不及重構(gòu)技術(shù)的精細。因此在本組測試中重構(gòu)技術(shù)依然表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，并且這種優(yōu)勢將隨著微站規(guī)模增加而更加凸顯。

圖2 差異化降噪機制對分區(qū)有效容量的影響

圖3描述的是三種技術(shù)下的5G全網(wǎng)移動臺接收信號信噪比的累積性函數(shù)分布值。輪詢方案因缺乏固有的微站干擾和分區(qū)干擾區(qū)分機制，導致其降噪擴容成效最弱，移動臺信噪比分布曲線位居最高。層次化小區(qū)管理技術(shù)雖和重構(gòu)技術(shù)都在微站噪聲管理方面有所改進，但層次化小區(qū)管理技術(shù)并不具備重構(gòu)技術(shù)中基于權(quán)值排序的微站分區(qū)組網(wǎng)優(yōu)勢。因此，對于部署了層次化小區(qū)管理技術(shù)的5G分區(qū)網(wǎng)絡(luò)而言，其移動臺信噪比分布曲線依然比重構(gòu)技術(shù)的曲線走勢要高一些。

圖3 接收信號情況

4 結(jié) 語

重構(gòu)技術(shù)通過為5G微站部署分區(qū)和頻帶資源來實現(xiàn)移動臺的低噪聲接入服務(wù)。該技術(shù)所建立的雙效管理目標模型不僅約束了微站之間、分區(qū)之間的噪聲影響力，同時在部署微站方位上通過引入權(quán)值排序機制確保了微站部署成效，提升了系統(tǒng)服務(wù)移動臺的吞吐量。實驗表明，重構(gòu)技術(shù)在實施5G移動臺高效接入方面具有良好的穩(wěn)健性和長效性。