分层异构网络中子载波分配技术研究*

李　倩，李　屹

（1.山东工业职业学院 电气工程系，山东 淄博256414；2.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100876）

分层异构网络中子载波分配技术研究*

李倩1，李屹2

（1.山东工业职业学院 电气工程系，山东 淄博256414；2.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100876）

分层异构网络中小区层次较多，在分布密度、覆盖范围、服务能力等方面差异较大，彼此重叠覆盖、相互影响，形成了复杂时变的通信环境，要实现网络吞吐量的显著提升，还有一些重要的技术问题亟待解决。以增强网络吞吐量为核心目标，分析比较了分层异构网络中典型的子载波分配算法，指出了当前算法的优缺点，进一步提出算法的改进思路，即基于干扰抑制的子载波预测及自组织配置，为提高网络吞吐量、改善频谱与能量效率提供了理论参考。

分层异构网络；子载波预测；自组织分配；干扰抑制

0　引言

未来80%的数据将在室内和热点区域产生，覆盖、频段和制式分层的异构网络(Heterogeneous Network，HetNet)是应对流量需求的必然选择。HetNet架构呈低功率、多天线的特征，一般用同频部署提高频谱效率，但同时也导致同层和跨层干扰以及低功率基站的不规则部署和密集分布，使子载波最优配置变得困难。鉴于此，本文对 HetNet中已有的典型子载波配置算法进行了分析比较，进而提出用预测机制实现子载波自组织配置的改进算法。

1　子载波分配机制的现状分析

HetNet中有较严重干扰，有效的子载波配置可减小同层和跨层干扰[1]。子载波分配方式有集中式和分布式。集中式分配随低功率基站的增加，宏基站的计算开销显著增大。分布式分配可应对低功率基站大量部署和分布不均的问题，但不保证子载波分配的合理性。德州大学研究人员用泊松点过程描述网络拓扑变化，准确描述了低功率基站部署的随机性和密集性[2]。韩国研究人员提出的低复杂度子载波分配算法提高了数据速率[3]。文献[4]的子载波分配机制有较好的 QoS性能和频谱效率。低功率基站与宏基站也可工作于不同频段[5]，但这会使频谱利用率较低，故可考虑部分频率复用[6]。

2　子载波分配机制的改进方法

HetNet中子载波自组织分配的改进算法先预测分层小区的子载波状态，根据预测结果对低功率基站分簇，进而协作完成子载波最优分配。

其中，w∈Rc为权向量，b∈R为偏差(门限或阈值)。将训练样本代入上式得：

支持向量机回归估计可归结为如下的规划问题[7]：

其中，γ＞0是惩罚系数，c(ξn)是损失函数，观测值和预测值间的误差不超过给定的正数 ε，ξn和是松弛变量。该优化问题可转化为对偶问题求解，并得到最优Largrange乘子和an。满足-an≠0的训练样本即为支持向量，则最优回归估计函数为：

偏差b可用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件计算。

将最小二乘引入支持向量机，优化指标用ξ的平方函数表示，用等式约束代替标准支持向量机的不等式约束[8]，于是有：

此时 ε=0，求出 an和b，则最优回归估计函数为：

如此简化了计算复杂度，求解速度相对加快。

进一步引入Largrange函数求解优化问题：

其中 an是Largrange乘子。根据 KKT条件得到[3]：

对于n=1，2，…，N，消去w和ξ得线性方程：

其中 a=[a1，a2，…，aN]T，y=[y1，y2，…，yN]T，G=[φ(x1)T，φ(x2)T，…，φ(xN)T]。按 Mercer条件，存在核函数满足 K(xi，xj)= φ(xi)Tφ(xj)，于是有：

求解得到参数 aN(n=1，2，…，N)和 b，则最优回归估计函数为：

其中K(xi，xj)=φ(xi)Tφ(xj)为核函数，因此基于最小二乘支持向量机的非线性预测决策函数为：

低功率基站通过子载波预测获得可用子载波集，预测结果重叠会造成同层干扰，可利用因子图对低功率基站进行自组织分簇。预测结果相似度高的在同一簇，由簇头进行子载波分配以降低干扰。设Ai为第i个低功率基站预测的可用子载波集，定义第i个和第j个低功率基站间相似度为：

设F为所有低功率基站的集合，Fi表示第i个簇。分簇结果应满足。cij表示不同低功率基站间的关系，cij=1表示第 i个低功率基站是以第j个为簇头的簇成员，每个低功率基站只能关联到一个簇头，即。当某低功率基站被选作簇头，它应代表自己，即若 cjj=0，则 cij=0，目标是通过分簇使所有低功率基站与簇头间的相似度之和最大，以最小化低功率基站间的干扰。此问题可建模为一个最优化问题：

对第一和第三个约束条件进行转化，可得：

于是，原最优化目标函数转化为：

式(17)可通过因子图法求解。基于因子图最大和算法，计算从局部函数f到变量x及相反的过程如下：

其中n(x)为连接到x的功能节点集合，n(f)为连接到f的变量节点集合，x为1×|n(f)|向量。

完成分簇后，设簇内可分配的子载波集为C，低功率基站集为S，簇头可获得低功率基站与用户间的实时信道信息hij和不同用户的业务需求Qi。Ti为分配给第i个低功率基站的子载波，为第m个子载波上低功率基站与用户间的信道增益。第i个低功率基站在第m个子载波上的速率为：

利用分支定界法可以求得最优问题的解。

3　仿真结果

本节给出HetNet中两种子载波分配机制的仿真结果，一是传统的分布式子载波分配机制，二是本文提出的改进的子载波分配机制。仿真场景设置如下：宏基站1个，发射功率为40 W；家庭基站2个，发射功率均为0.1 W；宏基站带宽5 MHz，2个家庭基站的总带宽也是5 MHz。背景噪声功率谱密度-174 dBm/Hz，噪声系数9 dB。假设宏基站、家庭基站和终端均按独立泊松点过程随机分布，其密度分别为λ1=(π5002)-1/m2、λ2=2λ1和λu=5～45λ2。

图1给出了改进机制与传统机制用户遍历速率对比图，图2给出了改进机制与传统机制网络吞吐量的对比图。易见，本文提出的机制由于改进了资源利用率和频谱效率，有效抑制了干扰，其用户速率和网络吞吐量性能比传统机制有较明显提升。

图1　不同子载波分配机制对应的遍历用户速率

图2　不同子载波分配机制对应的网络吞吐量

4　结束语

本文考虑子载波占用状态的连续波动性，引入最小二乘支持向量机模型构建区域子载波占用预测态势图，再根据预测结果进行低功率基站的动态分簇和协同资源调配，设计了HetNet中一种改进的子载波自组织分配算法。分析与仿真结果表明：相对已有的HetNet分布式子载波分配机制，本文提出的算法有效减小了干扰，提高了频谱效率。

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[8]CRISTIANINI N，SHAWE-TAYLOR J.An introduction to support vector machines and other Kernel-based learning methods[M].Cambridge University Press，2000.

Study of sub-carrier allocation scheme for heterogeneous networks

Li Qian1，Li Yi2
(1.Department of Electrical Engineering，Shandong Vocational College of Industry，Zibo 256414，China；2.School of Information and Communication Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China)

In heterogeneous cellular networks,because of the different distribution density,coverage area and serving capability of different tiers,the network deployment causes complex and variable communication environments.There are key problems have to be solved for overall throughput improving.In order to enhancing the system throughput,this article compares existing representative sub-carrier allocation algorithms.The advantages and disadvantages of these schemes are addressed and the improvement strategy is elaborated in this paper.The proposed scheme is a sub-carrier self-organizing distribution based prediction,which can restrain interference,and provide theoretical reference for improving throughput,spectrum and energy efficiency.

heterogeneous networks；sub-carrier prediction；self-organizing distribution；interference suppression

TN929.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.025

山东省高校科技计划自筹经费项目（J15ln76）

李倩（1982-），通信作者，女，硕士，讲师，主要研究方向：电子与通信，E-mail：mingyuezhaoyang@163.com。

李屹（1977-），男，博士，副教授，研究生导师，主要研究方向：无线通信、未来网络、物联网。

中文引用格式：李倩，李屹.分层异构网络中子载波分配技术研究[J].电子技术应用，2016，42(5)：90-92，96.

英文引用格式：Li Qian，Li Yi.Study of sub-carrier allocation scheme for heterogeneous networks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：90-92，96.