小小區(qū)場景基于目標(biāo)函數(shù)的上行功率控制算法

周 濤, 張慧杰, 李 莉, 張 靜,羅漢文，陳兆羽

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 200234；2.上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

小小區(qū)場景基于目標(biāo)函數(shù)的上行功率控制算法

周 濤1, 張慧杰1, 李 莉1, 張 靜1,羅漢文2，陳兆羽1

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 200234；2.上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

隨著大量智能終端的使用，人們對運營商提供的服務(wù)質(zhì)量提出了越來越高的要求。雖然LTE技術(shù)的崛起，帶來了一定數(shù)據(jù)速率的提高，但是傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很難滿足用戶的需求，促使人們對異構(gòu)技術(shù)的研究，然而異構(gòu)場景部署卻帶來了嚴(yán)重的干擾。針對小小區(qū)場景下，通過獲取當(dāng)前信道以及用戶參數(shù)，設(shè)置權(quán)衡系統(tǒng)性能和能源消耗的目標(biāo)函數(shù)，并通過梯度下降法求得各個發(fā)送功率的大小。最后，仿真也顯示了所提方案的有效性。

LTE；異構(gòu)；小小區(qū)；能源

隨著大量智能終端的發(fā)展，蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的沖擊主要來自兩個方面，一是覆蓋，二是容量。因此，面對這樣的需求，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。所謂異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)就是包含低功率節(jié)點，如家庭基站和中繼等，傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)發(fā)揮著能提供基本小區(qū)覆蓋的功能，室內(nèi)或者熱點區(qū)域則需要低功率節(jié)點提供更高的數(shù)據(jù)速率。迎合了未來移動通信的發(fā)展趨勢，由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地提供覆蓋和提高容量[1]，使得小小區(qū)場景成為未來移動通信的研究熱點。

小小區(qū)場景即為在熱點區(qū)域和室內(nèi)大量部署低功率基站，頻譜資源得到復(fù)用，將原蜂窩用戶切換到異構(gòu)小區(qū)內(nèi)，緩解了蜂窩基站的壓力。同時，由于縮短了基站與用戶的距離，從而改善了用戶的信道狀態(tài)，但是這種頻率復(fù)用會帶來很大的小區(qū)間干擾。當(dāng)用戶與服務(wù)基站發(fā)上行信息時，會受到其他小區(qū)的上行干擾，這種干擾總的概括來有兩個方面，一是跨層干擾即宏小區(qū)與小小區(qū)的干擾[2]，二是同層干擾即小小區(qū)之間的干擾[3]。使得接收端的信號干噪聲比(SINR)很小，使得服務(wù)質(zhì)量受到影響。那么，如何分配發(fā)射功率將會直接影響到系統(tǒng)性能。

現(xiàn)有文獻(xiàn)[4]中，提出一種自適應(yīng)信道狀態(tài)的動態(tài)功率控制算法，尋找最小中斷概率的功率控制。文獻(xiàn)[5]中，根據(jù)當(dāng)前基站的功率對鄰小區(qū)的干擾貢獻(xiàn)，以SINR作為優(yōu)化目標(biāo)，得出合適的發(fā)送功率，雖然損失本小區(qū)的容量，但獲取整個小區(qū)的容量提升。文獻(xiàn)[6]給出了在保證最小SINR的前提下，最小化功率消耗的功率控制算法，很好地節(jié)約了能量消耗，從資源節(jié)約的角度上，顯得尤為重要。文獻(xiàn)[7]給出了用戶的實時服務(wù)質(zhì)量，通過優(yōu)化用戶的功率，從而得到用戶在盡可能滿足需求下的功率。雖然這些方法都在一定程度上改善了系統(tǒng)性能，然而只是單方面的考慮一個性能。如當(dāng)用戶與基站的信號質(zhì)量較好時，采用最小功率消耗方法，得到的功率僅僅是滿足了最小服務(wù)質(zhì)量的需求，損失的是整體系統(tǒng)吞吐量。當(dāng)用戶與基站的信道質(zhì)量較差時，為了達(dá)到更高的服務(wù)質(zhì)量，消耗的功率也將增大。本文針對以上提出的問題，為了兼顧這兩個方面，考慮優(yōu)化一個目標(biāo)函數(shù)，此目標(biāo)包含功率和容量兩個因素。同時引入兩個參數(shù)，代表著兩個因素的權(quán)重，從而達(dá)到自適應(yīng)調(diào)整功率的目的。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮了一個小小區(qū)簇內(nèi)N個小基站的場景，部署在一些熱點區(qū)域，每個小小區(qū)基站服務(wù)一個用戶，假設(shè)用戶到基站的信道狀態(tài)是獲知的，在簇內(nèi)有一個簇頭，所有的信息發(fā)送到簇頭，經(jīng)過簇頭處理，再將功率分配方式發(fā)送給簇內(nèi)的每個基站。基站收到簇頭的信息，各個基站將這些信息發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)收到指示功率的大小來發(fā)送。假設(shè)蜂窩小區(qū)和小小區(qū)是異頻部署。小小區(qū)之間采用頻率復(fù)用。基站和用戶都配備單根天線。系統(tǒng)模型如圖1所示。小區(qū)間由于頻率復(fù)用，會帶來小區(qū)間干擾。

圖1 系統(tǒng)模型

這里假設(shè)宏基站與小小區(qū)基站異頻部署，同時考慮每個小區(qū)只有一個用戶，當(dāng)然可擴展應(yīng)用到多個用戶。為了表示方便，假設(shè)第i個小區(qū)下的用戶也記為i，則第i個基站收到的信號干噪聲比(SINR)如

(1)

式中：Pi表示第i個用戶的發(fā)射功率；PLi,j表示第j個用戶到第i個基站的路徑損耗。本文中不考慮快衰的影響。N0表示高斯白噪聲，服從均值為0，方差為1。路徑損耗建模成d-γ[6],其中d表示用戶到基站的距離，γ表示路徑損耗系數(shù)。

2 功率控制方案

本節(jié)內(nèi)容主要介紹幾種功率控制方案，有文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]方案，以及本文提出的方案。所用模型以及字母、變量的意義如上文所述。

首先討論文獻(xiàn)[5]所提的最小功率消耗算法，保證了基本的干噪比要求，滿足最小中斷概率。得到優(yōu)化目標(biāo)公式為

s.t.SINRth

(2)

由于式(2)是個典型的幾何規(guī)劃問題，可以用凸優(yōu)化工具包求解出最優(yōu)功率。從約束條件可以看出該目標(biāo)函數(shù)求出的結(jié)果僅滿足最小SINR要求，雖然功率分配結(jié)果能保留更多的能源，但這將會損失系統(tǒng)的吞吐量。

文獻(xiàn)[7]中，根據(jù)目標(biāo)服務(wù)質(zhì)量(QoS)來分配功率，此方法的重點是顧及了用戶的數(shù)據(jù)需求，這里的QoS以用戶請求的數(shù)據(jù)速率作為衡量。盡可能地滿足用戶需求。優(yōu)化目標(biāo)為

(3)

式中：Ri表示用戶i的數(shù)據(jù)速率，可由香農(nóng)公式求得；Rtarget表示用戶請求速率；Rth是用戶速率門限。從式中可以看出，雖然滿足了用戶的請求，但是很可能導(dǎo)致資源的浪費，如當(dāng)某個用戶信道較差時，還去滿足所請求大數(shù)據(jù)速率。

以上分析可以看出，尋找一種權(quán)衡兩者的功率控制算法顯得尤為重要。本文給出了一種權(quán)衡兩者的方案。通過引入兩個參數(shù)，來調(diào)節(jié)兩個因素的比重。首先考慮當(dāng)信道條件好時，應(yīng)該更多地關(guān)心系統(tǒng)總體的吞吐量，也就是提高信道條件好的吞吐量。其次，當(dāng)用戶端電量較少時，功率節(jié)省也成為優(yōu)化重點。因此得出

(4)

(5)

(6)

基于式(5)、(6)，得到式(4)中的比重參數(shù)

(7)

那么如何求解式(4)，傳統(tǒng)的窮搜法可以求出最優(yōu)的控制功率，但是帶來的復(fù)雜度隨著用戶數(shù)目增多而增大。這里給出了一種梯度下降法求解式(4)。首先求出目標(biāo)函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)[8]，即

(8)

對于式(4)，給出了梯度下降法的算法描述：

1)步驟1，初始化系統(tǒng)參數(shù)，獲取當(dāng)前用戶到基站的信道信息。

3)步驟3，根據(jù)式(8)計算出本小區(qū)優(yōu)化梯度信息，并收集鄰小區(qū)的優(yōu)化梯度信息，從而得到系統(tǒng)的優(yōu)化信息。

在此優(yōu)化過程中需要滿足一定條件，如最大功率約束，最小速率約束。t表示迭代步長，合理的迭代步長保證迭代點的可行性。

6)步驟6，如果記數(shù)器T的統(tǒng)計次數(shù)大于預(yù)設(shè)的門限，停止優(yōu)化。

3 仿真結(jié)果以及分析

本節(jié)基于MATLAB仿真，給出了本方案的一些性能仿真，仿真表明了本方案的可行性，在某些參數(shù)方面優(yōu)勝其他方案。這里將用戶與基站的距離以及用戶的剩余電量作為仿真條件，路徑損耗因子γ=-3.5，仿真了5個小小區(qū)場景，UE發(fā)送的最大功率設(shè)置為30dBm，歸一化用戶帶寬SINRth取0.4。方案1即為本文提出的方案，方案2為最大滿足QoS方案，方案3為最小功率消耗的方案。

圖2、圖3是在用戶電量900mA時的仿真結(jié)果。圖2給出了用戶與基站的距離與系統(tǒng)能源消耗的關(guān)系，用戶與基站的距離的變化反應(yīng)了用戶信道狀態(tài)好壞的變化，圖3給出了用戶與基站的距離與系統(tǒng)歸一化容量的關(guān)系。從圖2可以看出，隨著用戶與基站的距離越大，方案1的功率呈下降趨勢。作為本文的比較方案，方案2與方案3隨著距離的增大，功率消耗呈現(xiàn)上升趨勢，從理論分析上看，本文所提方案更符合要求。從圖3可以看出，本文所提方案1的系統(tǒng)容量始終高于方案3，與方案2相比，在基站與用戶距離在3m之前，系統(tǒng)容量優(yōu)于方案2，在3m之后，與方案3的系統(tǒng)容量幾乎相同，可以看出，本文方案更能適應(yīng)信道狀態(tài)，提高系統(tǒng)容量。結(jié)合圖2、圖3可以看出，相比之下，本文的方案能很好地兼顧系統(tǒng)能源與系統(tǒng)容量，獲得了系統(tǒng)性能的提升。

圖4和圖5給出了本文在實際情況下，用戶剩余電量對整個系統(tǒng)性能的影響，它們都是在用戶與基站的距離為2.5m時的仿真結(jié)果。

從圖3可以看出本方案隨著用戶的剩余電量增加，式(4)中的第2項比重減小，從而帶來第一項比重增大，目標(biāo)追求更大的系統(tǒng)容量，所以消耗的總功率會增加，相應(yīng)的得到圖4的系統(tǒng)容量也是遞增關(guān)系。表明了本方案是合理的，切合實際的，也是可行的。

圖2 用戶到基站距離與系統(tǒng)消耗的關(guān)系

圖3 用戶到基站距離與系統(tǒng)容量的關(guān)系

圖4 用戶剩余電量與系統(tǒng)消耗功率的關(guān)系

圖5 用戶剩余電量與系統(tǒng)容量的關(guān)系

4 結(jié)論

在未來移動網(wǎng)絡(luò)中，用戶高數(shù)據(jù)需求是未來的趨勢，本文考慮的是一個在small cell場景中的上行功率控制，宏基站和small cell不共道部署，small cell之間頻率復(fù)用。通過參數(shù)的引入，自適應(yīng)地調(diào)整用戶的發(fā)送功率，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的目的，與先前的方案比較中可以看出，此方案更好地考慮實際情況，兼顧系統(tǒng)性能。未來可以進(jìn)一步考慮共道場景下聯(lián)合功率控制、用戶調(diào)度、資源分配的干擾消除。

[1]DOUFEXI A，TAMEH E，NIX A，et al.Hotspot wireless LANs to enhance the performance of 3G and beyond cellular networks[J].IEEE Communications Magazine，2003，41(7)：58-65

[2]CHANDRASEKHAR V，ANDREWS J，MUHAREMOVIC T，et al.Power control in two-tier femtocell networks[J].IEEE Trans.Wireless Communications，2009，8(8)：4316-4328.

[3]CHANDRASEKHAR V，ANDREWS J，GATHERER A.Femtocell networks: a survey[J].IEEE Communications Magazine，2008，46(9)：59-67.

[4]NAMGEOL O，HAN S W，KIM H.System capacity and coverage analysis of femtocell networks[C]//Proc.Wireless Communications and Networking Conference (WCNC).[S.l.]：IEEE Press，2010：18-21.

[5]LI J.Uplink power control for heterogeneous networks[C]//Proc.Wireless Communications and Networking Conference (WCNC).[S.l.]：IEEE Press，2013：7-10.

[6]TAN C W.Optimal power control in Rayleigh-fading heterogeneous networks[C]//Proc.INFOCOM.[S.l.]：IEEE Press，2011：10-15.

[7]MATSUMURA Y，TEMMA K，ISHIHARA K，et al.Interference-aware channel segregation based dynamic channel assignment using SNR-based transmit power control[C]//Proc.Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS).[S.l.]：IEEE Press，2013：12-15.

[8]BOYD S，VANDENBERGHE L.Convex optimization[M].Cambridge，U.K.：Cambridge Univ.Press，2004.

Objective Function Based on Uplink Power Control Algorithm in Small Cell

ZHOU Tao1, ZHANG Huijie1, LI Li1, ZHANG Jing1, LUO Hanwen2, CHEN Zhaoyu1

(1.CollegeofInformationMechanicalandElectricalEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China; 2.DepartmentofElectronicEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

With using a large number of intelligent terminal, higher quality of service are required which is provided by the operator.Despite the rise of LTE technology, bring a data rate increase, but the traditional cellular networks has been difficult to meet the needs of customers.Encourage the study of heterogeneous technologies.However, heterogeneous networks deployment scenarios brings a serious interference, it in view of small cell scenario, through access to current channel and user parameters, set the objective function of the weighing system performance and energy consumption, and through the gradient descent method for each transmit power.Finally，the simulation also shows the effectiveness of the proposed scheme.

LTE; heterogeneous; small cell; energy

國家自然科學(xué)基金項目(61101209)；上海市自然科學(xué)基金項目(11ZR1426600)；上海師范大學(xué)重點學(xué)科資助項目(DZL126)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.021

2014-08-21

【本文獻(xiàn)信息】周濤, 張慧杰, 李莉,等.小小區(qū)場景基于目標(biāo)函數(shù)的上行功率控制算法[J].電視技術(shù),2015，39(5).

周 濤(1990— )，碩士生，主研自適應(yīng)信號處理與無線通信，LTE標(biāo)準(zhǔn)化。

責(zé)任編輯：許 盈