LTE室内场景下基于RNTP的协作资源分配算法

张纬栋，王艳君，秦智超

(中国电子科学研究院, 北京 100041)



工程与应用

LTE室内场景下基于RNTP的协作资源分配算法

张纬栋，王艳君，秦智超

(中国电子科学研究院, 北京 100041)

在长期演进系统(Long Term Evolution, LTE)室内场景下，可针对小区中心用户群和边缘用户群，通过动态波束赋型的方式形成相应的专属天线下倾角。本文以最大化系统的总吞吐量为目标，提出一种联合优化的资源分配和下倾角调整的协作资源分配算法，从而协作调度小区间的功率、时频资源块(Resource Block, RB)和下倾角三维(3-Dimension, 3D)变量。这里，通过交互相关的窄带传输功率(Relative Narrow Band Transmit Power, RNTP)信令的方式完成基站间协作。仿真结果表明，对比采用固定下倾角的联合RB、功率分配策略，本文所提的3D协作资源分配算法能有效地提升LTE室内场景下的小区吞吐量。

长期演进系统; 室内场景; 下倾角; 功率; 时频资源块; 三维; 相关窄带传输功率

0 引 言

随着互联网+时代的到来，用户对宽带业务的需求逐年增加，传统的通信网络已经不能满足海量数据的通信需求。长期演进(Long Term Evolution, LTE)技术是由第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partner Project, 3GPP)启动的研发项目，旨在进一步通信网络的传输速率。大量研究表明，在新兴的移动互联网中，LTE室内环境将会产生超过70%业务数据。因此，室内环境下的用户对通信速率的提升需求更加迫切[1]。

由于正交频分多址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)关键技术是LTE系统的关键技术，LTE系统中不同基站间可以使用相同的资源，也因此会造成基站间的同频干扰，从而使得小区用户尤其是小区边缘用户的性能受到极大影响[2]。

目前有一些类似的文献，研究协作的垂直波束赋型技术。在文献[3]中，作者设计了协同的垂直波束赋型算法，但是并未考虑其他诸如功率和RB的分配问题。在文献[4]中，作者研究了协同多点传输(COMP)技术在3D天线系统下的应用，但是并未以优化系统的吞吐量为目标，提出相应的资源管理算法。可以看出，需要研究通过垂直波束赋型方式的资源分配算法，从资源管理的角度联合优化下倾角，功率和时频资源块分配这三维变量。

在三维(3-Dimension, 3D)LTE室内场景下，本文研究联合优化垂直下倾角、功率和RB分配的资源分配算法。小区中心用户下倾角和小区边缘用户下倾角通过基站的波束成型形成，以最大化系统总吞吐量为目标，系统的约束条件是小区中心用户、小区边缘用户专属下倾角限制以及基站发射功率。

研究表明，LTE室内场景的信道在数百毫秒幅度才会有明显变化。十分适合采用RNTP框架技术，频域规划在基站间以200ms为周期相互传递[5]。

因此，基于RNTP技术框架，各协作基站根据其从邻小区接收到的RNTP比特图，结合自身RNTP比特图，规划本小区的可用RB 组。基于划分的RB组，各基站独立地完成下倾角和功率、RB三维变量的资源调度。仿真结果表明，对比采用固定下倾角的经典注水和迭代注水算法，本章所提三维协作资源分配算法可以有效地提升小区中心和边缘用户的吞吐量。

1 系统模型

如图1所示，LTE室内场景由两个基站组成协作簇，协作簇基站间交互信令通过X2接口，多个协作簇构成LTE系统网络架构[6]。

基站针对小区边缘用户群和中心用户群，通过波束赋型的方式，分别生成边缘小区用户和中心用户天线下倾角。小区的中心用户和边缘用户下倾角由图1中所示的θ1和θ2分别表示。N个正交RB是可用资源块，各小区中心用户和边缘用户的划分方法是通过对比参考信号接收功率(RSRP)[6]。

图1 LTE室内场景模型图

协作簇内用户的有用信息仅接收自单个基站，小区中心及边缘用户之间的可用频段为正交状态，协作簇小区间中心用户频率复用方案采用的复用因子为1，边缘用户的频率复用方案采用的复用因子为α。m,c,m,e分别表示第m个基站中心用户，边缘用户可用的RB集合，总RB集合m≜m,c∪m,e。

第m小区内使用资源块n的中心用户u受到来自协作簇相邻小区在相同资源块n的信号干扰，则中心用户u的SINR表达式为：

(1)

其中θm,1代表第m小区对中心用户形成的下倾角。σ2代表热噪声，第m小区内使用资源块n的边缘用户u的SINR表达式可写为：

(2)

对于特定用户u，采用香农公式，其可获得的数据速率为：

(3)

若用户u是中心用户则令θm=θm,1，若该用户是边缘用户则令θm=θm,2。

中心用户总吞吐量和边缘用户总吞吐量之和为协作簇网络的总吞吐量，结合公式(1)-(3)，以最大化网络总吞吐量为目标，满足小区中心、边缘用户专属下倾角及各基站功率限制的优化问题可以表示为：

(4)

其中，k(m,n)表示在资源块n上由第m个基站传输数据的用户，ωk(m,n)≥0表示使用资源块的用户在第m个基站下的权重。不等式C1和C2分别表示发射功率限制和用户专属下倾角的调整限制。求解公式(4)，需找到m，p，k和θm的最优解。

2 协作资源分配算法

2.1 资源块划分

定义RNTP比特图为：

(5)

对于第m个基站，计算其所有边缘用户在RBn上的数据速率：

(6)

对于第m个小区边缘用户，最优的RB选择策略是使得Rm,n最大：

(7)

2.2 三维变量资源分配算法

基于可用RB组划分，在接下来的RNTP信令交互周期联合优化下倾角调整和功率、RB分配。

本章提出一种次优算法。次优算法是将最优化问题(4)分解为功率的分配、资源块的分配和调整下倾角三个优化子问题：

步骤1: RB分配给在其上增益最强的用户，如下：

(8)

步骤2: 针对上个步骤选择的集合k，分配各用户最优的功率方案。以功率约束C1为变量的拉格朗日优化方程表示如下：

(9)

在公式(9)中，Λ(p,λ)表示以功率为变量的拉格朗日优化函数，λ表示拉格朗日因子,λm表示第m个接入点的拉格朗日因子。采用对偶分解方法，可以得到最优化功率分配策略：

(10)

(11)

(12)

λm应满足下式，这里，只有λm≥0是未知的，故可以通过二分法迭代出最终的功率分配结果。

(13)

由于对于λm公式(10)和(11)是递减函数。采用二分法，基于公式(13)，求解得出最优拉格朗日因子取值。

步骤3: 为确保基站形成对于小区中心用户、边缘用户的垂直维度最优波束赋型，小区中心用户、边缘用户的专属下倾角分别调整为：

(14)

(15)

(16)

(17)

在调整次优算法的下倾角过程中，基站仅仅考虑给其服务用户覆盖更强的信号。经过拉格朗日求解，小区中心用户和边缘用户专属下倾角可以由每个基站独立地调整如式(16)和(17)所示。次优算法的具体流程见算法2。算法2一直迭代，直到迭代t(l)-t(l-1)≤0.01，则完成迭代。所得功率和下倾角即为所求变量值。

3 仿真结果分析

采用LTE系统级仿真，评估本文所提基于RNTP的资源分配算法。室内小区基站间的距离为200 m，最大的发射功率为23 dBm，设10 dB为划分边缘用户和中心用户的门限值[7]。

频率复用方案参考文献[6]和[7]。对比策略为基站下倾角固定15度情况下，采用传统的迭代注水算法和基于RNTP协作资源分配RB和功率的2D RNTP算法。小区用户SINR的归一化对比曲线在图2和图3中给出。

在图2中可以看出，本文所提算法相比其他两种算法性能提升分别为3 dB和10 dB。

图2 2D/3D资源分配算法小区用户SINR归一化曲线对比

图3 2D/3D资源分配算法边缘用户SINR归一化曲线对比

对于小区边缘用户而言，从图3可以看出本文所提算法性能仍有2-10 dB的提升。

图4 2D/3D资源分配算法的频谱效率对比

在小区边缘频谱效率和下行小区平均频谱效率方面，也有10%到23%的性能提升。这些仿真均证明所提协作资源分配策略不仅信令开销低而且性能提升明显。

4 结 语

在将LTE室内场景的采用垂直波束赋型情况下，利用RNTP技术框架，小区间的协作仅通过X2接口交互RNTP比特图。本文在LTE室内场景中，研究优化下倾角和资源分配的资源管理算法，从而获得最大化的系统总吞吐量。仿真结果表明，所提的协作资源分配算法能有效地提升系统性能。

[1] Zyren J, McCoy W. Overview of the 3GPP long term evolution physical layer [J]. Freescale Semi-conductor, Inc., white paper, 2007.

[2] Boudreau G, Panicker J, Guo N, et al. Interference coordination and cancellation for 4G networks [J]. Communications Magazine, IEEE, 2009, 47 (4): 74-81.

[3] Safjan K, D’Amico V, Bultmann D, et al. Assessing 3GPP LTE-advanced as IMT-advanced technology: the WINNER+ evaluation group approach [J]. Communications Magazine, IEEE, 2011, 4(2): 92-100.

[4] D’Amico V, Botella C, Giese J, et al. Advanced interference management in ARTIST4G: Interference Avoidance [C]. In European Wireless Technology Conference, Paris, France, September 2010: 21-24.

[5] 3GPP. TS 36.211, Physical Channels and Modulation for E-UTRA,v10.5.0 [EB/OL]. 2012. fttp://ftp.3gpp.org.

[6] ITU-R Rep M2135. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced. 2009.

[7] Venturino L, Prasad N,Wang X. Coordinated scheduling and power allocation in downlink multicell OFDMA networks [J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2009, 58 (6): 2835-2848.

An RNTP Based Coordinated Resource Allocation Scheme in LTE Indoor Scenarios

ZHANG Wei-dong,WANG Yan-jun,QIN Zhi-chao

(China Academy of Electronic and Information Technology,Beijing 100041)

In LTE (Long Term Evolution) indoor scenarios, cell-center user and cell-edge user specic downtilts are accordingly partitioned through dynamic vertical beamforming. To maximize both the cell-center users’ and cell-edge users’ throughput, a coordinated resource allocation scheme is proposed where resource block (RB) assignment, power allocation and downtilts adjustment regarded as 3 dimension (3D) variables are jointly optimized. Here, such 3D resource allocation scheme is processed through interacting relative narrow-band transmit power (RNTP) indicators among base stations. Simulation results show that our proposed coordinated resource allocation scheme outperforms the interference coordination scheme withxed downtilts significantly.

LTE; Indoor Scenarios; Downtilts; Power; RB; 3D; RNTP

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.004

2017-04-04

2017-06-06

国家863计划资助项目(2015AA015701)，国家自然科学基金资助项目(91338201)，工程院咨询研究项目(2017-XY-04)

TN929.53

A

1673-5692(2017)03-241-05

张纬栋(1987—)，男，山东聊城人，博士，工程师，主要研究方向为移动通信网络，天地一体化信息网络;

王艳君(1973—)，女，黑龙江佳木斯人，本科，工程师，主要研究方向为天地一体化信息网络项目经理；

秦智超(1981—)，男，河北沧州人，博士，高级工程师，主要研究方向为无线传感器网络。