5G 異構網絡用戶關聯及回傳帶寬分配技術

呂運谷

（中國移動通信集團重慶有限公司永川分公司，重慶 402160）

0 引 言

在5G 超密異構網絡中，無線接入和無線回傳技術不但可以增加網絡的靈活性和降低網絡的部署費用，還可以為大規模設備的接入提供方便。5G 異構網絡中，無線回傳是一種對有線回傳進行補償的方法，適用于光纖難以達到的區域，以及對實時數據傳輸需求較低的區域[1]。另外，隨著毫米波寬帶、大規模天線陣、波束賦形等技術的日趨成熟，將為未來5G 基站的無線回傳打下堅實的基礎。5G 異構通信系統中，無線回傳技術是一種不可避免的發展方向。然而，目前5G 無線回傳技術還面臨著很多關鍵問題[2]。目前，對于5G 回傳網絡的需求多種多樣。因此，圍繞5G異構網絡中的干擾管理、異構網絡中的用戶和基站接入、回傳網和接入網中的時間頻率資源配置等問題展開研究，建立了5G 無線異構網絡模型，以此為基礎建立低頻鏈路容量數學模型，并提出了低頻系統的聯合優化算法，以期為5G 無線回傳網技術的深入發展提供理論基礎和技術支撐。

1 5G 無線異構網絡模型

構建一種雙層異構網，即在蜂窩單元中心布置一個宏基站，在其周圍布置多個小型基站，并在蜂窩單元內均勻布置多個終端。將宏基地臺至小型地臺的無線鏈路稱作回傳鏈路，將宏基地臺或小型地臺至用戶設備的無線鏈路稱作訪問鏈路，無論是接入鏈路還是回傳鏈路都使用空中端口技術，并且將宏基地臺至核心網的光纜連接。在此基礎上，提出一種基于移動終端的單天線與多天線相結合的設計方案。用戶設備可以采用宏基站與核心網絡相連，也可以采用小型基站與核心網絡相連，采用雙跳方式[3]。

層與層之間的干擾無線異構網無法避免。由于宏基站的發送功率比小基站要大，當2 個基站同在一個下行鏈路時，會給小基站的邊緣用戶造成嚴重的干擾。在此基礎上，提出了一種逆向時分雙工技術，即將宏基站的上下行時隙配置和小基站的上下行時隙配置進行倒置[4]。2 層異構網絡無線回傳鏈路與接入鏈路如圖1 所示。

圖1 2 層異構網絡無線回傳鏈路與接入鏈路

提出了一種基于三元多進多出的天線陣列，該陣列在橫向和縱向2 個方向都有一定的天線增益。關于天線陣列單元的橫向輻射方式的表達式為

式中：φ為方位角；AE,H(φ)為基站天線在φ方向的相對增益；φ3dB為3 dB 波束寬度；AH為天線正向和背向的損耗相差的分貝數。

天線陣元的垂直輻射公式為

式中：θ為仰角；θtilt為下傾角；AE,V(θ)為垂直方向增益；φ3dB為垂直方向增益的3dB 波束寬度；SLA為垂直方向圖的背向損耗。

由AE,H(φ)和AE,V(θ)可得三維輻射模式函數為

式中：GE,Max為天線陣列元素的增益，通常取值為8 dBi。

權重因子表達式為

相移V由水平方位角、垂直仰角以及天線陣列的幾何分布決定的，表達式為

均勻矩形陣列輻射模式如為

式中：AA(φ,θ)為輻射模式；ρ為陣元間相關性。

2 低頻鏈路容量模型

用變量xj,i表示第j個基站與第i個用戶的關聯關系，xj,i=0 表示不關聯，xj,i=1 表示關聯，表達式為

式中：U為用戶集合。此外，添加約束條件為

式中：B為小基站集合；qi為時延敏感指標。

在異構網絡環境下，采用小基站技術可以有效地解決覆蓋盲區問題，同時可以有效地緩解宏基站的工作負荷[5]。而小型基站占用了同樣的時間和頻率資源，會產生同層次的干擾，因此給出了功率約束為

式中：k為門限閾值，取值為1。

3 低頻系統的聯合優化算法設計

提出了一種新的聯合優化方法，該方法在充分考慮了異構網中的干擾管理的同時，將基站負載和資源容量等因素對用戶關聯的影響納入其中，從而實現了對用戶關聯和帶寬資源的聯合優化。低頻系統最優解是由布爾（0-1）矩陣X和連續變量β組成的混雜非線性最優解[6]。在此基礎上，通過分層分解和變量松弛等方法，將該問題分為2 個子問題，并分別求解2 個子問題，對2 個子問題分別進行用戶關聯矩陣X和無線反向資源配置因子的聯合優化β，并進行循環，直至得到最優解。

該問題為一類混合非線性優化問題，其目標函數為一凹函數，將0-1 變量xj,i與連續變量β分別作為2 個獨立的獨立變量，并將其轉化為一類凸約束。基于該背景，可以利用分解的方法，將該問題分解為多個子問題，并進行解決。該問題的解決思路可分3步進行。原問題的2 層分解如圖2 所示。首先，對該問題進行初始化分解，將其分為2 個子問題，一個是用戶關聯問題，另一個是無線反向傳輸的資源分配問題。其次，采用對偶分解法，將耦合約束條件轉化為拉格朗日函數，采用拉格朗日乘子對其進行優化，從而獲得用戶關系矩陣的最優解，并將其與拉格朗日對偶問題相結合，最終獲得用戶關系矩陣的最優解X*={xj,i；(j,i)∈B0×U}[7]。最后，利用RAP 算法對最優的用戶關系矩陣進行代換，得到最優的反向傳輸帶寬分配系數，并對其進行迭代，直至得到最優的反向傳輸帶寬分配系數β*[8,9]。

圖2 原問題的2 層分解

4 結 論

5G 無線回傳異構網絡需要解決的關鍵問題是干擾管理、無線異構網中的基站接入、無線異構網中時頻資源優化等。因此，首先建立了5G 無線異構網絡模型，其次建立低頻鏈路容量數學模型，最后提出了一種新型的求解算法，該算法可以有效地解決5G 異構網絡中的干擾管理、小基站接入和回傳帶寬分配等關鍵問題。該算法結合了當前技術優勢和算法特點，在性能上比現有的基于用戶接入和資源配置的算法更優。