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陳  賡，姚文靜，郭銀景，夏瑋瑋

（1．山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院青島266590；

2．東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210096）

摘要：針對(duì)macro-femto同頻融合網(wǎng)絡(luò)中基于資源分配的干擾抑制問(wèn)題，提出一種聯(lián)合子信道和功率分配算法來(lái)抑制同頻干擾。該算法通過(guò)對(duì)MU進(jìn)行功率控制并采用跨層切換消除同頻跨層干擾，對(duì)FU進(jìn)行聯(lián)合信道和功率分配消除同頻層內(nèi)干擾；跨層切換問(wèn)題是在每一層網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)中斷概率約束下通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量實(shí)現(xiàn)，而基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制問(wèn)題是在切換MU的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率和其他MU以及FU干擾門限約束下，通過(guò)優(yōu)化FU的和速率實(shí)現(xiàn)。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法能夠提高FU的和速率，增大femtocell的網(wǎng)絡(luò)容量，并可增加femtocell的部署數(shù)目。

關(guān)鍵詞：同頻融合網(wǎng)絡(luò)：子信道分配；功率分配；同頻干擾抑制

1  引言

    如何改善室內(nèi)覆蓋為用戶提供高速數(shù)據(jù)速率和具有QoS保證的業(yè)務(wù)需求，是發(fā)展未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)。在macrocell（宏蜂窩）網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)femtocell（毫微微蜂窩）網(wǎng)絡(luò)，形成具有兩層重疊覆蓋結(jié)構(gòu)的macro-femto融合網(wǎng)絡(luò)，是提高覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量的有效方法，有利于改善室內(nèi)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的接收質(zhì)量。femtocell又稱為家庭基站，是一種短距離、低成本、低功耗的接人點(diǎn)，可以用來(lái)克服macrocell網(wǎng)絡(luò)由于室內(nèi)覆蓋不均勻所產(chǎn)生的覆蓋盲區(qū)問(wèn)題。因此，通過(guò)在macrocell網(wǎng)絡(luò)中部署FAP(femtocell access point)以增強(qiáng)macrocell網(wǎng)絡(luò)的性能，被認(rèn)為是提高室內(nèi)覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量增益、提升數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率的有效方式，femtocell也將成為滿足未來(lái)對(duì)高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)需求不斷增長(zhǎng)的有效途徑。然而，為了提高整個(gè)頻譜的利用效率，femtocell網(wǎng)絡(luò)通常采用同頻部署的方式，這樣femtocell網(wǎng)絡(luò)與macrocell網(wǎng)絡(luò)就工作在相同的頻段下，使得同頻跨層干擾、同頻層內(nèi)干擾以及小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾非常嚴(yán)重，會(huì)極大地降低macro-femto網(wǎng)絡(luò)的性能。

    參考文獻(xiàn)[1，2]研究基于OFDMA的多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)下行傳輸?shù)淖有诺篮凸β事?lián)合分配問(wèn)題，提出一種集中控制的改進(jìn)的迭代注水算法來(lái)抑制多小區(qū)間的同頻干擾，在各個(gè)基站功率約束下通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化同頻用戶選擇和功率分配最大化加權(quán)系統(tǒng)和速率，數(shù)值結(jié)果顯示，所提策略能提供較大的性能增益。

    參考文獻(xiàn)[3]研究?jī)蓪觤acro-femto網(wǎng)絡(luò)上行傳輸?shù)淖有诺篮凸β事?lián)合分配問(wèn)題，提出一種子信道和功率聯(lián)合分配方案，在異構(gòu)femtocell用戶(FU)QoS需求和跨層macrocell干擾限制的約束下最大化用戶的容量，通過(guò)松弛子信道共享約束將混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，并采用對(duì)偶分解法求得子信道和功率的最優(yōu)解。

    參考文獻(xiàn)[4]研究基于OFDMA的多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)下行傳輸?shù)淖有诺纼杉?jí)分配問(wèn)題，提出一種在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(radio network controller，RNC)和BS (base station，基站)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配的無(wú)線資源控制(radio resource control，RRC)方案，該方案基于半分布式通過(guò)RNC決策各個(gè)BS使用的子信道和各個(gè)BS決策分配給各個(gè)用戶的子信道實(shí)現(xiàn)兩級(jí)子信道分配，并將RNC和BS的子信道分配分別建模為兩個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，數(shù)值分析顯示了所提算法對(duì)扇區(qū)干擾抑制和動(dòng)態(tài)干擾避免的折中結(jié)果。

    參考文獻(xiàn)[5]研究密集部署的femtocell網(wǎng)絡(luò)下行傳輸?shù)墓β屎妥有诺缆?lián)合分配問(wèn)題，基于得到的密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下最優(yōu)功率和子信道分配的特征，提出了一種二進(jìn)制功率分配(binary power allocation，BPA)方法，該方法令一個(gè)子信道只分配給一個(gè)基站，以避免小區(qū)間干擾并平均分配基站功率，基于BPA方法提出了一種功率和子信道聯(lián)合分配方案。仿真和數(shù)值結(jié)果表明，所提方案能夠增大系統(tǒng)容量。

    參考文獻(xiàn)[6'7]針對(duì)基于OFDMA的macro-femto網(wǎng)絡(luò)下行傳輸，提出一種聯(lián)合子信道和功率分配算法，在保證macrocell網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)，最大化所有FU的總吞吐量，所提算法采用一個(gè)迭代方法在迭代過(guò)程的各步交替分配和優(yōu)化基站的子信道和傳輸功率。

    參考文獻(xiàn)[8，9]針對(duì)基于OFDMA的多小區(qū)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下行傳輸，提出一種新的子信道和功率聯(lián)合分配算法，考慮多個(gè)次用戶和主用戶共存于多小區(qū)環(huán)境的實(shí)際模型中小區(qū)間干擾和小區(qū)內(nèi)干擾問(wèn)題，并通過(guò)在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)地分配子信道和功率加以解決，其中子信道分配基于初始功率分配并在次用戶吞吐量和主用戶SINR約束下通過(guò)匈牙利法完成，功率分配通過(guò)迭代注水算法完成。仿真結(jié)果顯示，所提算法極大地提高了網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率。

    參考文獻(xiàn)[10，11]研究基于OFDMA的密集部署的femtocell網(wǎng)絡(luò)在同層和跨層同頻干擾以及最小數(shù)據(jù)速率需求約束下的功率和子信道聯(lián)合分配問(wèn)題，將問(wèn)題描述為一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)數(shù)值方法得到優(yōu)化解。對(duì)比分析所提的基于分簇的聯(lián)合資源分配算法與分布式資源分配以及集中式資源分配的性能，數(shù)值結(jié)果顯示，所提算法提高了femtocell網(wǎng)絡(luò)的和速率容量。

    參考文獻(xiàn)[12]研究干擾受限的基于OFDMA的兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)上下行傳輸?shù)淖有诺篮凸β事?lián)合分配問(wèn)題，將其描述為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，在macrocell用戶(MU)干擾門限和時(shí)延敏感用戶最小數(shù)據(jù)速率需求約束下，最大化用戶的吞吐量并提高femtocell基站的功率效率。

    參考文獻(xiàn)[13]研究基于OFDMA的多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)下行傳輸?shù)姆植际阶赃m應(yīng)信道和功率分配問(wèn)題，提出一種分布式自適應(yīng)的干擾協(xié)調(diào)算法。所提算法對(duì)用戶分布和業(yè)務(wù)負(fù)載實(shí)現(xiàn)有效的頻譜復(fù)用并適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)干擾情形，通過(guò)分解多小區(qū)優(yōu)化問(wèn)題為分布式單小區(qū)優(yōu)化問(wèn)題來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜度。

    參考文獻(xiàn)[14]研究基于OFDMA的兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)分布式的子信道、速率和功率分配問(wèn)題，將問(wèn)題描述為通過(guò)聯(lián)合調(diào)整用戶的子信道、速率和功率在跨層干擾約束下最大化FU的加權(quán)和速率，并提出一種基于拉格朗日對(duì)偶法的最優(yōu)分布式資源分配算法。仿真結(jié)果顯示，所提算法提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

    綜上所述，采用資源管理的方式合理分配macro-femto網(wǎng)絡(luò)中的頻譜和功率資源是抑制同頻干擾的有效方式，提出了一種基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法，以避免同頻跨層和層內(nèi)干擾。從異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)資源管理的角度出發(fā)，引入基于分布式干擾估計(jì)的跨層切換機(jī)制和基于抑制干擾的資源分配方法，研究基于OFDMA的兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)中femtocell的接人控制和資源共享問(wèn)題，提出一種基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法，解決網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾問(wèn)題。具體如下。

    對(duì)MU進(jìn)行功率控制并采用跨層切換方法消除同頻跨層干擾，即在每一層網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)中斷概率的約束條件下最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量；對(duì)FU進(jìn)行聯(lián)合信道和功率分配消除同頻層內(nèi)干擾，即在切換MU的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率和其他MU以及FU同頻干擾門限的約束條件下，最大化FU的和速率。該算法能夠有效消除網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，提高FU的和速率，改善femtocell中的網(wǎng)絡(luò)容量并可增加femtocell的部署數(shù)目，使網(wǎng)絡(luò)中信道和功率資源得到有效利用。

2  macro-femto網(wǎng)絡(luò)模型和同頻干擾分析模型

macro-femto同頻異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示�？梢钥闯�, macro-femto上行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)模型由一個(gè)macrocell和多個(gè)femtocell異構(gòu)共同覆蓋而成，其中MBS（宏基站）和FAP分別為MU和FU提供上行服務(wù)。假設(shè)macro-femto網(wǎng)絡(luò)中有K個(gè)femtocell（FAP的數(shù)目同樣是K），每個(gè)femtocell中FU的數(shù)目和子信道的數(shù)目分別是M和N;假設(shè)macro-femto網(wǎng)絡(luò)中所有可用頻譜的網(wǎng)絡(luò)帶寬為WHz，子信道的帶寬為B Hz，則macro-femto網(wǎng)絡(luò)中macrocell和每個(gè)femtocell可用的子信道數(shù)目為N=[W/B]。此外，為了避免小區(qū)內(nèi)的同頻干擾，假定每個(gè)子信道在給定的時(shí)隙內(nèi)只能分配給一個(gè)用戶使用，但一個(gè)用戶可以同時(shí)使用多個(gè)分配的子信道。

基于此得到的同頻干擾分析模型如圖2所示，其中hkj為用戶j與接入點(diǎn)k間的信道增益。對(duì)于上行傳輸?shù)耐�頻干擾分析，MBS受到來(lái)自FU的干擾I，，，若接收SINR低于中斷門限值y。，將使MU通信產(chǎn)生中斷；同時(shí)，F(xiàn)AP受到來(lái)自MU的干擾L。和femtocell外部FU的干擾b，若FAP的接收SINR低于中斷門限值yF，將使FU通信產(chǎn)生中斷，將MBS和FAP上考慮同頻干擾的接收SINR作為跨層切換的決策因素。

    在圖1中，MU,位于FAP,附近，F(xiàn)U，需要增加其發(fā)射功率來(lái)克服MU,對(duì)其產(chǎn)生的同頻干擾，同時(shí)FU．將對(duì)MBS產(chǎn)生更大的同頻干擾，這種場(chǎng)景下的同頻干擾甚為嚴(yán)重，考慮了FU,對(duì)MBS的同頻干擾問(wèn)題。如果這個(gè)場(chǎng)景下的同頻干擾不加以消除，將會(huì)形成一個(gè)帶有正反饋的閉合干擾環(huán)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能嚴(yán)重下降。

    本文研究將根據(jù)MBS和FAP,上接收的SINR和切換SINR門限值將MU,切換到femtocell中，由FAP,為其提供服務(wù)，這樣可以消除兩邊的同頻干擾，打破閉合干擾環(huán)的影響，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能；當(dāng)MU．切換到femtocell中時(shí)，在FAP,上采用抑制同頻干擾的資源分配方法，基于聯(lián)合信道和功率分配的抑制同頻干擾的資源分配方法，減小同頻層內(nèi)及小區(qū)內(nèi)干擾。

3基于分布式干擾估計(jì)的跨層切換優(yōu)化

    采用基于干擾估計(jì)的跨層切換算法來(lái)減小同頻跨層干擾：通過(guò)對(duì)MU進(jìn)行功率控制，實(shí)現(xiàn)功率分配并采用跨層切換方法，根據(jù)同頻干擾分析結(jié)果以及所設(shè)置的切換閾值對(duì)跨層切換做出決策，移動(dòng)終端根據(jù)跨層切換決策完成跨層切換過(guò)程來(lái)消除同頻跨層干擾。

    (1)將基于用戶接收SINR的跨層切換問(wèn)題描述為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題

在每一層網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)中斷概率的約束條件下最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并基于用戶接收信號(hào)干擾噪聲比門限值決策跨層切換的執(zhí)行。同頻干擾抵消的跨層切換優(yōu)化表示為：

4基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法

    當(dāng)MU,切換到femtocell中時(shí)，在FAP,上采用基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法來(lái)減小同頻層內(nèi)及小區(qū)內(nèi)干擾：對(duì)FU進(jìn)行聯(lián)合信道和功率分配，通過(guò)最大化femtocell中FU的和速率得到最優(yōu)的信道分配和功率分配方案，消除同頻跨層和層內(nèi)干擾。

4.1  問(wèn)題描述

采用基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法，將基于聯(lián)合信道和功率分配的抑制同頻干擾的資源分配問(wèn)題描述為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題：在切換MU的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率和其他MU以及FU同頻干擾門限的約束條件下最大化femtocell中FU的和速率。抑制同頻干擾的聯(lián)合信道和功率分配優(yōu)化表示為：

    其中，pm.。表示用戶m使用子信道n的傳輸功率；pm。表示用戶m的子信道分配，pm,。=1表示子信道孔分配給用戶m，pm。=0表示子信道凡不分配給用戶m。式(6)是聯(lián)合信道和功率分配下femtocellk中所有FU的和速率，其中‰。是用戶m使用子信道n在FAPh上的接收SINR；式(7)表示每個(gè)子信道在給定的時(shí)隙內(nèi)只能分配給一個(gè)用戶使用；式(8)表示分配給femtocell%中所有用戶的子信道數(shù)目不能超過(guò)每個(gè)femtoceU可用的子信道的總數(shù)目Ⅳ；式(9)表示femtocell%中所有用戶總的發(fā)射功率的約束；式(10)表示切換到femtocell的MU的速率要達(dá)到ro；式(11)和式(12)表示femtocellk中聯(lián)合信道和功率分配對(duì)femtocell/ j≠k）和macrocell中使用子信道n的FU和MU產(chǎn)生的最大同頻干擾的約束。

4.2子信道分配優(yōu)化

    (1)子信道分配理論

    基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法中，采用比例公平調(diào)度算法得到信道分配的最優(yōu)解，從而得到最優(yōu)的信道分配方案。子信道分配要滿足如下條件：

    采用比例公平調(diào)度算法【J5~17]得到子信道分配來(lái)最大化femtocell七中所有FU的和速率，子信道分配表示為：

    其中，SUk,M表示femtocell%中為其分配子信道的用戶集合；C。表示分配給用戶m∈SUh,M的子信道的集合；Rm’表示用戶m在前一時(shí)隙的平均數(shù)據(jù)速率：T表示比例公平調(diào)度的平均窗口大小。

    (2)子信道迭代分配過(guò)程

    在femtocellk中提出一種子信道分配的迭代算法得到子信道分配的次最優(yōu)解，切換MU的子信道分配根據(jù)femtocellk中空閑子信道數(shù)目，采用如下兩種方式。

1. 載情況下的子信道分配（Ma。≤N-l）

其中，Q。>0表示子信道n被占用；m。表示活動(dòng)干擾的FU數(shù)目。

    ②過(guò)載情況下的子信道分配(M。≥Ⅳ)

其中，S，表示同頻干擾功率門限；s。表示子信道n的干擾功率。

4.3功率分配優(yōu)化

    基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法中，采用加權(quán)注水算法得到功率分配的最優(yōu)解，得到最優(yōu)的功率分配方案，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合信道和功率分配。在得到子信道的分配SUk,M和Cm后，采用迭代的加權(quán)注水算法優(yōu)化得到femtocellk中可用子信道上的功率分配。

5數(shù)值仿真及討論

通過(guò)仿真和數(shù)值分析，分別研究FU的和速率與femtocell中可用的子信道的數(shù)目Ⅳ、femtocell容納的FU的數(shù)目M和部署的femtocell的數(shù)目K的數(shù)量關(guān)系，以此評(píng)估所提算法的性能。仿真場(chǎng)景如圖1所示，表1給出了性能評(píng)估所用到的仿真參數(shù)。為了便于評(píng)估，分別采用封閉接入(closed access，CA)方式、切換接入(handover access，HA)方式和所提的基于資源分配抑制同頻干擾的切換接入（interference-aware handover access，IAHA）方式得到的仿真和數(shù)值結(jié)果。

圖4給出了FU和速率與femtocell中可用的子信道數(shù)目Ⅳ之間的關(guān)系曲線（當(dāng)M=10、K=20時(shí)）。仿真和數(shù)值結(jié)果顯示，采用所提的IAHA算法得到的femtocell中FU的平均和速率要遠(yuǎn)大于CA和HA方式。這是因?yàn)樗�提的IAHA算法中采用了跨層切換機(jī)制以及聯(lián)合優(yōu)化信道和功率分配，可極大地抑制同頻跨層和層內(nèi)干擾，同時(shí)，隨著femtocell中可用子信道數(shù)目Ⅳ的增加，每個(gè)子信道可以唯一分配給一個(gè)用戶使用來(lái)有效避免femtocell間和femtocell小區(qū)內(nèi)的同頻干擾，因此極大提高了FAP上的接收SINR以最大化FU的和速率。此外，從圖4還可以看出，所提IAHA算法的理論結(jié)果與迭代結(jié)果是一致的，證明了所提算法的準(zhǔn)確性。

圖5給出了FU和速率與femtocell容納的FU數(shù)目M之間的關(guān)系曲線（當(dāng)Ⅳ=10、K=20時(shí)）。可以看出，在femtocell容納的FU數(shù)目M較小(M∈[0'19])時(shí)，采用IAHA算法得到的FU的平均和速率是最大的，而采用HA和CA算法得到的FU的平均和速率的增幅都較��；然而，當(dāng)femtocell容納的FU數(shù)目M較大(M∈[20，40])時(shí)，與HA和CA算法相比，采用所提的IAHA算法得到的FU的平均和速率下降的幅度非常大。這是因?yàn)椋��?dāng)FU的數(shù)目M較小時(shí)．IAHA算法可以通過(guò)信道和功率分配聯(lián)合優(yōu)化來(lái)有效抑制小區(qū)內(nèi)的同頻干擾，然后，當(dāng)FU的數(shù)目M較大時(shí)，不能保證每個(gè)子信道唯一分配給一個(gè)用戶使用，這將導(dǎo)致femtocell間和femtocell小區(qū)內(nèi)的同頻干擾增大。從圖5還可以看出，對(duì)于給定網(wǎng)絡(luò)中FU的平均和速率，所提IAHA算法能有效增大femtocell的網(wǎng)絡(luò)容量。

圖6給出了FU和速率與部署的femtocell數(shù)目K之間的關(guān)系曲線（當(dāng)N=10、M=20時(shí)）�？梢钥闯�，隨著部署的femtocell數(shù)目K的增大，F(xiàn)U的平均和速率將逐步減小，但采用IAHA算法得到的平均和速率減小得最慢。這是因?yàn)樗�提IAHA算法的信道和功率分配聯(lián)合優(yōu)化過(guò)程中，式(11)和式(12)對(duì)femtocell/ j≠k）和macrocell中使用子信道n的FU和MU．分別設(shè)置了最大同頻干擾功率門限值8nF和8nM來(lái)減小同頻層內(nèi)干擾，因而提高了FAP上的接收SINR,以最大化FU的和速率。從圖6還可以看出，對(duì)于給定網(wǎng)絡(luò)中FU的平均和速率，所提IAHA算法有利于部署更多的femtocell。

6結(jié)束語(yǔ)

    本文提出一種基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制算法，抑制融合網(wǎng)絡(luò)中上行傳輸?shù)耐�頻干擾。該算法基于所提的網(wǎng)絡(luò)模型和同頻干擾分析模型，將基于干擾估計(jì)的跨層切換問(wèn)題建模為在每一層網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)中斷概率約束下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化問(wèn)題，將基于聯(lián)合信道和功率分配的同頻干擾抑制問(wèn)題建模為在切換MU的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率和其他MU以及FU同頻干擾門限約束下的FU和速率優(yōu)化問(wèn)題，并采用比例公平調(diào)度算法得到信道分配的次最優(yōu)解和采用加權(quán)注水算法得到功率分配的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合信道和功率分配。理論分析和仿真結(jié)果顯示，所提算法能夠有效消除網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，提高FU的和速率，增大femtocell的網(wǎng)絡(luò)容量并可增加femtocell的部署數(shù)目，使同頻融合網(wǎng)絡(luò)中信道和功率資源得到有效利用。