1、LTE系統自適應軟頻率復用技術 姓名：白志斌 學號：13125001LTE系統自適應軟頻率復用技術摘要 高小區邊緣用戶性能是蜂窩移動通信系統的經典難題。下一代蜂窩移動通信系統3GPP通過有效的小區間干擾協調以及頻率資源分配來改善小區邊緣用戶性能。提出一種自適應軟頻率復用算法，根據系統負載情況自適應地為各小區分配主、副載波及其發射功率，在實現系統吞吐量優化的同時保證小區中心和邊緣區域速率需求算法首先通過窮盡搜索和貪婪遞減策略，獲得單小區最優資源分配，然后在不同小區間迭代執行單小區算法直到系統吞吐量不變為止。仿真結果表明，算法通過多次迭代后，系統吞吐量保持不變并輸出一種優化的資源分配方案與同類頻率

2、分配算法相比，可以有效提升小區邊緣用戶的吞吐量，同時獲得更高的系統容量，更適用于高速率的LTE系統。關鍵詞 軟頻率復用；小區間干擾協調；資源分配；正交頻分多址；LTE 隨著全球移動用戶數量的急劇增加以及用戶對高速率業務應用需求的增長，促使移動通信系統需要更好地利用稀缺的頻率資源以提供更高的系統容量來保證用戶的服務質量。第3.9代(3.9G)蜂窩移動通信系統3GPP長期演進(10ng term evolution，LTE)E婦中提出通過頻率復用因子1來提升頻譜效率LTE采用正交頻分多址接人(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)口

3、。通過將頻率資源劃分為多個相互正交、互不干擾的子載波消除了小區內干擾。然而，頻率復用因子1使得相同的頻率資源被相鄰小區重復使用，小區間干擾(inter-cell interference，ICI)不可避免，小區邊緣用戶受到的ICI尤為嚴重。為了保證小區邊緣用戶性能，有效的小區間干擾協調(inter-cell interference coordination，ICIC)以及頻率資源分配方法成為關鍵問題。采用部分頻率復用(FFR)和軟頻率復用(SFR)，LTE系統可實現頻率復用因子趨近1，同時也能降低ICI基于FFR技術，提出了一種OFDMA系統用戶子載波分配算法通過同時考慮用戶子載波和功率分配

4、進一步提高了FFR系統性能。上述研究中，各小區中心和邊緣頻帶的劃分是預先定義的，不適用于非均勻負載場景。另外，FFR中各小區有部分系統頻率資源沒有使用，限制了FFR系統性能，造成了資源浪費相對FFR，SFR方法則能夠在每個小區內重復使用系統全部頻率資源。提出SFR的概念，其核心思想是在每個小區將系統頻率資源分為主載波和副載波兩個部分，主載波可用于整個小區，且相鄰小區間的主載波互不重疊，副載波只能被小區中心區域用戶使用，其發射功率低于主載波通過調整主、副載波的發射功率可以有效控制ICI，獲得比FFR方法更高的系統容量。提出了一種SFR系統中的主載波分配算法，但是該算法假設每個小區中副載波與主載波

5、的發射功率固定。1系統模型及目標1.1系統模型 考慮由C個小區(小區)構成的LTE系統中下行數據傳輸場景采用SFR作為頻率分配策略，系統帶寬B(共包含N個子載波)被劃分為多個互不重疊的頻帶每個小區i選取部分頻帶作為主載波，剩余頻帶為副載波，分別記作。和，主載波和副載波的發射功率分別定義為和戶，根據載波的發射范圍不同，每個小區被劃分為小區中心和小區邊緣兩個區域。本文將研究SFR頻率復用策略下，如何根據LTE系統中各小區的負載情況，自適應地為各小區分配主、副載波以及確定主、副載波發射功率為此，結合LTE系統特性作如下假設： 1)在進行資源分配時，僅考慮信道的慢衰落特性，包括路徑損耗和陰影衰落，進一

6、步假設各基站可以獲得信道的慢衰落信息，其僅與用戶位置有關，一旦用戶位置確定，則該用戶與基站間各信道上的信道響應都相同，因此，進行資源分配時僅需要考慮分配給小區i的主、副載波數量，分別用和,其中，。一旦主載波數量確定，可以根據相鄰小區主載波分配，隨機選取與相鄰小區主載波不重疊的個子載波作為主載波；2) 距離相隔較遠的小區間干擾可以忽略不計，僅考慮相鄰小區產生的干擾。 基于以上假設，對任一小區i，用戶在子載波N上接收到的信干SINR可以表示為:其中，表示小區i中子載波j上的發射功率，若子載波j為主載波，則,若子載波j為副載波，則；表示小區i的用戶在子載波j上從小區m獲得的信道增益；表示與小區i相鄰

7、的干擾小區集合；為系統熱噪聲功率。 在SFR系統中，對任一小區，主載波是其相鄰小區的副載波，因此，主載波上的干擾來自相鄰小區的副載波，那么，小區邊緣區域獲得的平均吞吐量可以表示為： 其中，表示小區i的用戶在所有主載波上從小區m獲得的平均信道增益；為子載波帶寬。 在SFR系統中，對任一小區，副載波是其相鄰小區的主載波或副載波，因此，副載波上的干擾可能來自相鄰小區的主載波或副載波，因此不同副載波上的干擾信號強度可能不同，在計算小區中心區域吞吐量時，為了簡化計算，本文假設副載波上干擾信號發射功率以取其可能的最大值，則小區中心區域獲得的平均吞吐量近似可以表示為： 其中，表示小區i的用戶在所有副載波上從

8、小區m獲得的平均信道增益。 2 多小區自適應資源分配算法 由于和為整數，小區邊緣和中心速率函數式是非凸函數，因此系統目標是非凸優化問題，不能通過傳統的凸優化理論解決。基于此，將尋找次優解決方案，以達到系統性能與計算復雜度的較好折巾。基本思想為：將多小區SFR優化問題分解為多個單小區SFR優化問題，計算單小區最優主、副載波以及功率分配，然后在不同小區間迭代執行單小區算法，直到找到系統最優SFR資源分配方案為止。21 單小區資源分配算法 單小區SFR優化問題目標是在相鄰小區資源分配固定的情況下，為給定小區分配主、副載波以及確定主、副載波發射功率，最大化單小區吞吐量，同時保證小區中心和邊緣區域最小速

9、率需求。將系統目標函數式i設置為1，則多小區SFR優化問題變為單小區SFR優化問題。1)初始資源分配過程初始資源分配過程將尋找單小區主、副載波分配以及確定最優的主、副載波發射功率，在保證小區中心和邊緣區域速率需求的前提下最小化給定小區的發射功率這一功率最小化問題可以表示為： 為 了使得給定小區主載波與其相鄰小區不重疊，保證給定小區的主載波小于門限值，當小區主、副載波分配固定，從中可以看出，主、副載波發射功率隨著速率的提高而增加，因此，當約束條件取等號時，系統所需發射功率最小。從約束條件式可以看出，當確定，以及也隨之確定對于給定(，小區總發射功率為 由于”與為整數，從約束條件可以看出，最多有N種

10、組合方式因此，采用窮盡搜索法，通過遍歷所有可能的組合，可以找到滿足小區速率要求下使得發射功率最小的資源分配方案。2)資源分配調整過程 若單小區SFR優化問題具有可行解，則初始資源分配過程中小區最小發射功率小于給定的最大值，資源分配調整過程采用貪婪遞減策略分配剩余可用功率給小區邊緣用戶，逐步減少小區主載波數量，最大化系統副載波數量以進一步提高系統吞吐量，直到小區使用的總功率達到為止在這一過程中通過提高主載波發射功率保證小區邊緣區域最低速率需求得到滿足。 完成剩余可用功率分配以及主、副載波調整后，根據新的小區資源分配，可以計算小區中心區域吞吐量，并將其作為下一次迭代過程中小區中心區域的速率需求。初

11、始資源分配和資源分配調整過程將迭代執行直至小區吞吐量不再變化。 2.2 多小區資源分配算法 可以看出，在單小區SFR資源分配過程中若小區速率要求和了。較大或相鄰小區干擾很嚴重，單小區SFR優化問題可能不存在可行解，即單小區SFR算法中獲得的滿足速率要求下的最小發射功率大于，在這種情況下，為了控制ICI，將為該小區尋找一種資源分配方式，獲得發射功率下的最大系統吞吐量，與單小區資源分配算法類似，這一資源重分配過程將通過遍歷所有可能的組合，尋找傳輸功率下使得小區吞吐量最大的資源分配方式。 單小區資源分配確定后，可以計算小區中心區域速率，同時更新下一次迭代過程中該小區中心區域的速率需求。 當系統全部C

12、個小區都完成資源分配后，若存在速率需求不能被滿足的小區，則對于小區中心區域速率，大于其最低速率需求，的小區i，減小其下一次迭代過程中的速率需求上述多小區資源分配過程將在系統各小區間迭代執行直至找到最優SFR資源分配方式為止。3 仿真實驗與分析算法有效性 圖下給出了隨迭代次數增加ASFR算法計算過程中對應的系統吞吐量的變化曲線。可以看出，在均勻和非均勻負載情況下，根據算法判斷流程，在經過一定次數迭代后，算法得到的資源分配結果對應的系統吞吐量將保持不變，可見，算法通過多次迭代后，可以正常結束并輸出一種優化的SFR資源分配方案。 參考文獻1The Third Generation Partnersh

13、ip Project(3GPP)EjUTRA and E-UTRAN Overall description：Stage 2(Release 8)，3GPP Teehnical Specifications TS 36300V82Zhou Yi qing，Wang Jiang zhou，Sawahashi MDownlinktransmission of broadband 0FCDM systems-part I：Hybriddetection EJIEEE Trans on Communications，2005，53(4)：7187293Zhou Yiqing，Wang Jiangzho

14、u，Sawahashi MDownlink transmission of broadband 0FCDM systems-part I：Hybrid detection EJIEEE Trans on Communications，2005，53(4)：71874 Zhu Huiling，Wang JiangzhouChunkbased resource allocLtion in OFDMA systems-Part I：Chunk allocationJIEEE Trans on Communications，2009，57(9)：273427445Ali S H，Leung V C MDynamic resource allocation in fractional frequency reused OFDMA networksJIEEE Trans on Wireless Communications，2009，8(8)：428642956The Third Generation Partnership Project(3GPP)，HuaweiSoft frequency reuse scheme for