基于SDN的5G大規模MIMO網間頻譜共享機制研究

劉濤濤,禹 忠,王軍選,楊 鵬

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院,西安 710121; 2.中國信息通信研究院,北京 100191)

0 概述

5G毫米波(millimeter Wave,mmWave)系統設計理念不同于傳統的移動通信系統,其以更為廣泛的多點分布、多用戶通信、多天線系統和多小區合作為研究重點[1],力求在體系構架上尋求系統性能的大幅度提高,使系統提供超過10 Gb的峰值速率[2-3]。

隨著5G的到來,移動通信系統對無線電頻譜日益增長的需求與有限的可用頻譜之間的矛盾愈發突出,采用頻譜共享技術能夠使頻率資源在時間和空間上利用更加均衡。在5G頻譜共享方法中,專家學者對頻譜共享技術提出了諸多實現方法。一類是設置干擾閾值,通過次用戶復用主用戶非授權頻譜的方式提高頻譜效率[4-5],該方法預先設定相應的干擾閾值,當干擾值超出該閾值時,觸發干擾協調,在干擾協調過程中次用戶禁止復用主用戶頻譜[6]。另外一類是使用大規模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術實現波束成形以減小電磁波在其他方向的輻射規避干擾[7],大規模MIMO與現有MIMO技術相比,其所實現的空間分辨率明顯增強,能夠深度挖掘空間維度資源,實現空間復用,也可將波束寬度集中在較窄的范圍內,使基站側發射電磁波形成的波束主瓣方向對準期望用戶方向[7],從而大幅降低網間干擾水平。

文獻[8]論述基站端和用戶端采用大規模MIMO在頻譜共享網絡中的潛在優勢。文獻[9]建立大規模MIMO技術的多波束時空超分辨率波束成形框架,在波束指向方向產生大的增益并抑制同頻道干擾。文獻[10]提出認知無線電(Cognitive Radio,CR)的大規模MIMO新型空間頻譜共享策略,通過CR技術實現多個基站間的頻譜共享。

但是,在現有的頻譜共享方案中,采用簡單的大規模MIMO波束成形技術不能有效規避不同網絡間的干擾,特別是分布于住宅區、辦公室、體育場等室內通信系統中的復雜干擾。為解決該問題,本文采用軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)頻譜管理方案對各網間干擾鏈路進行集中式管理,結合gNB與UE波束成形技術獲取最佳干擾閾值,簡化干擾圖關系,優化貪心算法,并為各干擾鏈路分配正交的頻譜資源,從而規避網間鏈路的干擾。

1 SDN頻譜集中式管理方案設計

1.1 SDN管理層架構設計

SDN將控制平面與數據轉發平面分離,實現編程化控制[11]。本文設計集中式SDN無線鏈路資源控制層協調器(Control Layer Coordinator,CLC),CLC與各毫米波網絡相互連接,負責對各網絡無線鏈路資源進行統一分配管理,并為各個mmWave網絡鏈路分配可用的頻譜資源。各mmWave網絡中包含SDN基礎實施層協調器(Basic Implementation Layer Coordinator,BILC)和干擾數據庫(Data Base,DB)。本文集中式SDN鏈路干擾管理層結構如圖1所示。

圖1 集中式鏈路干擾管理層結構

在各mmWave網絡中,DB存儲該網絡中的鏈路干擾信息,BILC負責上傳DB中的干擾信息至CLC,同時接收CLC下發的協調信息。在各網絡中,BILC將干擾信息上傳至CLC,CLC將各網絡干擾鏈路集中構造成干擾圖,并采用貪心算法對干擾圖進行染色,統一對各個網絡資源(時間/頻率)實現重新規劃和分配,為受干擾鏈路分配相互正交的頻譜資源。

在圖2所示的網絡中,位于同一區域的網絡mmWaveA中鏈路i與網絡mmWaveB中鏈路j存在同頻干擾,當鏈路i所受的干擾超出最大干擾閾值時觸發干擾協調機制。協調指對應的干擾鏈路對(網絡mmWaveA的鏈路i和網絡mmWaveB的鏈路j)使用相同頻譜資源時傳輸受限制,需對頻譜資源進行重新分配。2個干擾網絡就這種資源劃分進行協議,并調用SDN控制層協調器對干擾鏈路進行資源的重新劃分。

圖2 網間用戶鏈路干擾示意圖

1.2 大規模MIMO數學模型

在gNB端和UE端均采用大規模MIMO,發射端采用波束成形技術產生特定角度波束指向接收端,接收端天線產生特定角度波束指向發射端,從而獲取最佳干擾閾值。gNB與UE波束對準示意圖如圖3所示。

圖3 gNB與UE波束對準示意圖

發射機i到接收機j波束成形增益可表示為:

(1)

其中,H(t,f)ij表示信道矩陣的第ij條鏈路,Wtxij表示發射機i與接收機j的波束成形向量,Wrxij表示接收機j從發射機i接收的接收向量。

用K個簇模擬MIMO信道模型,每個簇均包含L個子徑,信道模型H(t,f)表示為:

(2)

其中,urx表示接收端空間特征向量,utx表示發送端空間特征向量,gkl(t,f)表示小尺度衰落,其表示為:

(3)

其中,Plk表示功率擴展。

小尺度衰落與簇的數目、子徑的數量、多普勒頻移、功率、延遲傳播和到達角相關。

系統鏈路路徑損耗和陰影(單位為dB)表示為:

PL(d)=α+β×10×lgd+ξ,ξ～N(0,δ2)

(4)

波束成形信道干擾可表示為:

(5)

采用式(5)計算各鏈路對目標鏈路的干擾值并標記最大干擾對,從而形成控制層干擾協調決策的基礎。

1.3 SDN協調機制算法實現

系統引用反饋機制時,各網絡接入點通過干擾測量獲取相應的干擾對。CLC根據各mmWave網絡反饋的干擾信息對網絡中干擾鏈路重新分配相互正交的資源,以實現網間頻譜干擾協調管理。該過程具體步驟為:

步驟1網絡間的干擾檢測。通過干擾測量各mmWave網絡中可確定鏈路i對其他某個網絡鏈路用戶k的干擾情況,同時測量出其他mmWave網絡中鏈路j對自身網絡鏈路i的干擾情況。各網絡將干擾鏈路對信息存儲在該網絡的干擾數據庫中,用于形成SDN控制層干擾鏈路協調決策的基本條件。

步驟2實施層干擾信息傳輸。將各mmWave網絡中所測量的干擾信息與上述獲取的最佳干擾閾值進行比對,去除DB中干擾值小于干擾閾值的干擾信息,其中,每個鏈路干擾信息將被表示為鏈路id(例如,基站id+用戶id),每個mmWave網絡將測量結果發送給與其連接的BILC,BILC將接收到的所有需要被協調的信息集合發送至CLC,并由CLC完成統一的資源管理與協調。

步驟3控制層鏈路資源分配。各個BILC將干擾鏈路對上報至CLC,CLC通過邊和節點的關系建立干擾圖,邊G=(v,e),節點V={vn},節點最大的度為ΔG,1≤n≤N,e={en,m},n≠m,且1≤n,m≤N,其中,V和e分別表示圖的邊和頂點的集合。為避免不同鏈路間的干擾,應對相干擾鏈路分配正交的資源。若用不同的顏色代表不同的資源,該正交資源表示為C={c1,c2,…,ck},則干擾協調決策問題可表述為圖的著色問題[12]。圖的著色問題是最著名的NP完全問題之一,對于N個節點用K種顏色進行染色,可描述為:

(6)

滿足N>K,采用上述方式進行染色的算法復雜度為:

(7)

本文通過計算最佳干擾閾值簡化圖的關系,以對干擾圖進行著色,該過程如圖4所示。

圖4 著色算法流程

采用上述方式對干擾圖進行著色,算法復雜度為:

Cprop=O(KN2)

步驟4基礎實施層資源調度。SDN控制層完成干擾圖的著色后,CLC需要將干擾協調結果發送到每一個與之連接的BILC,BILC將干擾信息發送至對應的gNB,當gNB收到干擾協調決策報告后,將重新設定決策所分配的資源,如果一個鏈路沒有被協調,則該鏈路頻譜資源不做重新分配。

1.4 系統模型設置

本文系統使用網絡仿真器ns-3[13-14],系統頻率為26 GHz,其物理層幀結構與LTE幀結構[15]相似,一個幀長為10 ms,每個幀分為10個長度為1 ms的子幀,每個子幀劃分為8個長度為125 μs的時隙。在頻域中,將1 GHz的帶寬劃分為4個資源塊(Resource Block,RB),每個RB被細分為寬度為13.89 MHz的18個子帶,共72個子帶,每個子帶由48個子載波組成。

2 仿真結果與分析

仿真時選用室內環境,模擬一個長、寬、高分別為6 m、8 m、3 m的房間進行室內環境網絡間鏈路干擾仿真,如圖5所示,其中,僅畫出部分UE。在該環境中部署了2個不同的毫米波網絡mmWaveA和mmWaveB,在房間中總共放置20個UE,每個UE均隨機接入到一個mmWave網絡中。設置該場景下的UE以不同的速度緩慢移動,用此場景來模擬2個網絡中波束指向同一空間,且在同一時間內使用相同的頻譜資源時2個不同網絡間的鏈路干擾情況,從而驗證本文方案的可行性及性能。

圖5 系統仿真環境

當鏈路干擾值超出最大干擾閾值時,系統不觸發SDN鏈路干擾協調機制,僅使用大規模MIMO波束成形技術規避不同網絡間的鏈路干擾,即通過陣列天線產生指向不同方向用戶的波束,每個波束使用不同的頻譜資源來避免相互之間的干擾。但在用戶分布密集的區域,不同gNB的同頻波束可能指向相同的區域,在此區域的用戶則會受到網間同頻干擾。

對上述情境進行仿真,mmWaveA網絡與mmWaveB網絡仿真結果分別如圖6、圖7所示。其中,mmWaveA網絡中UE2所在鏈路i與mmWaveB網絡中UE1所在鏈路j使用相同的頻譜資源。從圖6可以看出,mmWaveA網絡中UE2受到mmWaveB網絡中UE1鏈路嚴重的同頻干擾,mmWaveA網絡中UE2信噪比僅為2 dB左右,明顯小于該網絡中未受干擾的UE1、UE3所在鏈路。由圖7可以看出,mmWaveB網絡中UE1所在鏈路同樣受到來自mmWaveA網絡的UE2所在鏈路的同頻干擾,UE3的用戶信噪比約為7 dB,相比于mmWaveB網絡中未受干擾的UE1、UE2所在鏈路,信噪比干擾較嚴重。隨著仿真程序的不斷運行,mmWaveA網絡與mmWaveB網絡中各用戶信噪比未發生明顯變化。

圖6 mmWaveA各鏈路干擾仿真結果

圖7 mmWaveB各鏈路干擾仿真結果

在保持上述室內仿真環境及相關參數不變的情況下,對場景增加特定鏈路干擾協調方案,當鏈路干擾值大于設置的干擾閾值時,觸發鏈路干擾協調機制,再次進行仿真,結果如圖8、圖9所示。

圖8 mmWaveA網絡各鏈路干擾協調仿真結果

圖9 mmWaveB網絡各鏈路干擾協調仿真結果

在圖8中,mmWaveA網絡未干擾鏈路UE1、UE3以及圖9中未干擾鏈路UE2、UE3的信噪比,在SDN控制層協調器觸發干擾協調前后無明顯變化。而圖8、圖9中mmWaveA網絡的UE2所在鏈路與mmWaveB網絡的UE3所在鏈路受到嚴重同頻干擾時,觸發SDN控制層協調機制。SDN控制器通過獲取不同gNB網絡中的干擾鏈路用戶,對所有網絡的網間干擾鏈路重新分配互不干擾的頻譜資源,從而解決了大規模MIMO因不同波束頻譜資源分配不協調而產生的網間用戶同頻干擾問題。在采用SDN對干擾鏈路資源集中管理調度方案后,mmWaveA網絡用戶UE2與mmWaveB中UE3干擾鏈路被重新分配資源,鏈路間相互干擾明顯減弱,干擾鏈路信噪比大幅提升,從而提高了干擾用戶的通信質量,有助于降低gNB與UE之間的數據傳輸誤碼率,最終有效提高系統中用戶通信質量。

3 結束語

本文提出一種大規模MIMO技術與SDN鏈路資源集中式管理方法。通過SDN控制層的集中式管理方案獲取網間干擾鏈路對信息,用網間干擾鏈路對組建干擾圖并對干擾圖進行著色、分配頻譜資源,對相干擾鏈路分配相互正交的頻譜資源,可以有效降低網間用戶干擾。與簡單的大規模MIMO頻譜資源共享機制相比,采用SDN鏈路協調機制能解決大規模MIMO中波束不能合理分配頻譜資源而導致的網間鏈路干擾問題,采用SDN與大規模MIMO相結合的方式,可以避免鏈路的同頻干擾,提高鏈路平均信噪比,最終提升用戶通信質量。