一種基于動態子載波分配的軟頻率復用方案

劉 輝，劉 波

(1.重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶400065;2.重慶信科設計有限公司，重慶400065)

軟頻率復用技術(Soft Frequency Reuse，SFR)［1］是LTE中小區間干擾協調技術(Inter－Cell Interference Coordinate，ICIC)所采用的頻率復用方案，通過對頻譜使用率和干擾來源的折中來提升小區的頻譜效率。與傳統的復用方案相比，不僅可以提升小區邊緣用戶的吞吐量，還能夠通過功率比的調整來適應小區負載的變化。

在SFR方案中，一個小區的頻率資源被分為兩部分:一部分為小區的中心用戶資源，供小區的中心用戶使用，稱為主子載波，本文稱為中心子載波;另一部分為小區的邊緣用戶資源，供小區邊緣用戶使用，并且也能以次優先級供小區中心用戶使用，稱為主子載波，本文稱為邊緣子載波。相鄰小區的邊緣子載波相互正交，結合功率控制，可以很好地減少邊緣用戶受到的干擾。

傳統的邊緣子載波劃分是固定給每個小區劃分一段相互正交的資源，這樣的分配方式簡單固定，但是卻不能根據每個小區的實際信道條件合理利用資源。而動態子載波劃分方案可以將載波動態地分配給不同小區，獲得多用戶選擇增益，提升頻譜效率，但必須周期性地根據每個小區的信道條件進行重新劃分。因為每個用戶經歷的信道衰落是彼此獨立的，在各個子載波上能夠獲得的增益是不同的，通過合理的載波劃分和資源分配，可以提升資源的利用率，改善邊緣用戶的性能。

文獻［2］給出了邊緣載波進行分布式劃分的構想，但是只有在載波分配能夠動態變化時才有意義，但文中并未給出具體的分配原則。文獻［3］則提出了一種近似貪婪算法的載波劃分方法，能夠給出一個較好的載波劃分的次優解。文獻［4］提出了一種通過獲得小區全部信息來最大化吞吐量的方法，但是兩種方案都未考慮小區負載的影響和用戶的QoS需求，損失了用戶公平性。文獻［5］提出了一種下行鏈路中分布式的子載波分配方式，把載波分配分為小區間的載波分配和小區內部的資源分配，該方案雖然能夠較好地提升頻譜效率和保證用戶的公平性，但卻需要每個小區所有用戶的信道質量信息，信息交互量和算法復雜度卻大大增加了。

本文提出一種聯合邊緣載波分配和小區內邊緣資源分配方案，小區之間只需要交互邊緣載波上的最優信噪比而非全部用戶的信道質量信息，并在追求頻譜效率的同時引進了小區內用戶資源分配方案，使得頻譜效率和用戶速率保證達到一個均衡。

1 系統模型和問題描述

1.1 系統模型

考慮一個無線系統中有L個小區，總的用戶為M。用戶隨機分布在小區內且每個小區總用戶數相同，并根據RSRP值區分為中心用戶(Cell Centre Users，CCU)和邊緣用戶(Cell Edge Users，CEU)。系統的總帶寬為W，一共有N個物理資源塊(Physical Resource Block，PRB)。

1)小區內的載波都嚴格正交，不考慮小區內的干擾。

2)基站可以獲得完美的信道狀態信息(Channel Station Information，CSI)。

3)調度的最小資源為PRB，即頻域上的12個子載波，時域上的一個時隙，并在計算信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)和傳輸速率時為了簡便直接采用歸一化的方式處理。

4)在一個調度周期內，一個PRB只能被一個用戶使用。

5)如果用戶速率低于最小速率，則用戶被定義為阻塞。

那么用戶m在資源塊n上可達速率為

用戶m的總可達速率為

1.2 問題描述

在單小區LTE系統中，小區不用考慮資源分配方案給其他小區帶來的干擾，只需要根據小區內的用戶需求和信道條件合理分配資源即可。但是在多小區的LTE系統中，相鄰小區的邊緣資源需要正交來減少同頻干擾，同時邊緣用戶信道條件差，對信道條件變化也較敏感。因此如何最優地將資源合理分配給各個小區邊緣從而提升頻譜效率，并在內部分配資源時滿足用戶速率要求就是本文需要研究的問題。因此整個系統的優化問題可以描述為

以上問題很難進行一步求解，因為小區間的邊緣載波分配是相互制約的，但是小區內的邊緣資源卻是相互獨立的。因此本文將以上優化模型分成2個步驟來進行優化:第1部分是小區間邊緣子載波劃分算法的最優化;第2部分則是小區內邊緣用戶的資源分配算法。

2 動態子載波分配算法

對于小區間的邊緣載波分配來說，最主要的目的就是通過小區間資源分配的正交性來降低小區間的干擾。雖然固定式的載波分配方案也能保證資源的正交性，但卻不能實時地獲得多用戶選擇增益。本文提出了一種基于負載優先級的分配算法進行小區間載波劃分，可以動態地將正交的載波分配給不同小區，盡可能地使各小區的邊緣載波最優化。

對于小區內的邊緣用戶資源分配來說，最主要的目的就是通過用戶的業務需求和信道條件合理地將資源分配給用戶，并盡可能提升頻譜效率。本文通過基于信道條件優先級來進行資源的分配，優先給平均信道增益差的用戶分配資源，盡可能保證信道條件差的用戶性能，并將富余資源分配給在此資源上增益最大的用戶，從而提升頻譜效率。

2.1 小區間邊緣載波劃分算法

在本文中，系統通過動態劃分邊緣載波來獲得多用戶選擇增益，提升頻譜效率。最理想的情況下，每個小區邊緣都能獲得自己最佳的邊緣子載波，這時每個小區都能獲得最好的邊緣性能。但是在通常的情況下，各個小區的最優集合都存在競爭關系，這個時候就有必要引入一定的優先級來進行規劃。

本文分為2層優先級:第1優先級是小區已分配載波數目，數目越少優先級越高;第2優先級為已分配載波數目相同時，邊緣負載越高，優先級越高。

1)收集各個小區在N個資源塊上最大SINR值。

2)收集完資源SINR后，形成3×N的信干噪比信息矩陣。通過一定的分配算法找出各個小區增益最多的N/3個資源塊，且小區邊緣子載波之間相互正交。具體按方式如下:

(1)每個小區先找出N/3個擁有最大信道SINR值的資源塊。

(2)如果一個小區的最大SINR值的資源塊不和相鄰小區最大SINR值的資源塊沖突，則將這個資源劃分給此小區作為邊緣子載波;如果資源沖突，則保留資源進行第2輪的分配。

(3)第2輪的資源分配就是對剩余資源的劃分，根據已獲得資源數目和小區邊緣負載情況進行優先級的確定。已獲得資源數目越少，選擇資源的優先級就越高;已獲得資源數目相同，邊緣負載越高，優先級越高。以此循環劃分，直至邊緣載波劃分完畢。最后每個小區的邊緣載波集合為。

這里給出了一個基于實際仿真數據的載波分配方案的實例。如表1，表格中的數據為小區在資源塊1～6上的最大SINR值。其中小區1邊緣用戶數為3，小區2邊緣用戶為2，小區3邊緣用戶為1。

表1 小區資源上最大SINR值 dB

1)找出每個小區SINR值最大的2個資源塊。如果不存在任何沖突，則將資源塊分給該小區;如果存在沖突，則保留到下一次分配。則經過第一次分配后，小區1得到資源塊5，小區2得到資源塊1，小區3沒有得到資源塊。

2)進行資源新一輪分配，小區3的資源數目最少，擁有最高優先級。則小區3獲得資源2。此時小區1，2，3都有1個資源塊，而根據小區負載優先級判斷，小區1擁有較高優先級進行選擇，則將資源塊4分配小區1，資源塊6分配小區2，資源塊3分配給小區3。最終分配方式如表2。

表2 小區間邊緣載波劃分結果

2.2 小區內的邊緣用戶分配算法

每個小區在得到了自己的邊緣子載波分配方案之后，就能進行獨立的資源分配，根據用戶在這些資源上平均增益的大小確定優先級。為了盡可能保證信道環境較差的用戶性能，本文采用的是用戶的平均增益越小，優先級越高的方式來進行資源的分配。其分配過程如下:

1)根據小區內的邊緣用戶在邊緣資源上平均信道增益的大小，對用戶的優先級由高到低進行排序。平均信道增益越小的用戶，優先級越高。

2)根據調度序列逐個取出用戶進行分配，每次分配的時候都選出該用戶信道增益最大的資源。如果用戶已經滿足最低速率要求，則給下個用戶分配資源。否則，便繼續給該用戶分配資源，直至達到個資源數目后選擇下一個用戶。是為了均衡頻譜效率和用戶速率保證，防止犧牲過多的資源去保證性能差的用戶。

3)如果小區還有剩余資源，則將資源分配給信道增益最大的用戶，從而提升頻譜效率。具體偽代碼如下:

如果剩余資源則分配給在此資源上信道質量最好的用戶。

end

3 仿真驗證和性能分析

3.1 仿真場景和參數

仿真場景和參數如表3所示。

表3 系統仿真參數

3.2 仿真結果和分析

本文的仿真將所提算法與靜態載波分配算法和文獻［3］算法進行了仿真對比，通過對小區邊緣用戶的吞吐量、小區邊緣用戶頻譜效率和小區中心用戶信道質量的比較來驗證算法的有效性。

如圖1所示，靜態邊緣載波分配方式的邊緣吞吐量最低，這是因為小區邊緣載波是固定的，不能動態適應用戶信道環境的變化。而文獻［3］算法可以達到最大，因為該算法最大化了資源的利用率，但卻沒有考慮小區內用戶的速率保證要求。本文的算法雖然在保證用戶速率時，犧牲了一定的吞吐量，但是較靜態式邊緣載波分配方案有很大的增益。

圖1 邊緣用戶吞吐量

從圖2可以看出，文獻［3］的算法在阻塞率上是最高的，且一直處于較高的水平，這是因為該算法未對用戶的速率公平性進行保證。靜態的載波分配算法雖然并未影響用戶之間的公平性，卻因為固定式的載波分配使得小區邊緣無法獲得最合適的資源，因此小區邊緣阻塞率也較大。本文通過聯合小區內資源分配算法，盡可能地保證用戶的最低速率，因此小區的邊緣阻塞率是最低的。

圖2 邊緣用戶阻塞率的時間分布

從圖3可以看出3種算法開始都隨著用戶數目的增加而增大，因為隨著用戶數增多，多用戶選擇增益也會增大。而本文算法和靜態載波分配算法因為考慮了用戶最低速率的要求，當用戶數目增大到一定值后，性能好的邊緣用戶占用資源的數目會變少，頻譜效率會有一定程度的下降。而文獻［3］算法只需要考慮資源的最大化利用，因此隨著用戶的增加，頻譜效率會一直增加到極限值。

從圖4可以看出3種邊緣載波劃分方案對小區中心用戶的性能影響很小。因為小區中心用戶距離本基站較近，本身的信道環境較好，多用戶的選擇增益并不明顯，即使變換載波也不會對其產生較大的影響。

圖3 系統頻譜效率

圖4 中心用戶平均SINR

4 小結

本文提出一種動態軟頻率邊緣子載波分配算法，聯合了小區間載波分配和小區內資源分配。通過一定的小區間信息交互，動態載波分配可以獲得提升邊緣的頻譜效率，提升邊緣吞吐量。仿真結果證明了所提算法可以在不影響小區中心用戶性能的前提下，較大地提升小區邊緣頻譜效率，并且盡可能保證用戶的最低速率要求。因此該算法在軟頻率邊緣載波劃分中具有較好的性能增益。

［1］ 3GPP TSG RANWG1 R1－050507，Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE［S］.2005.

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