一种基于动态子载波分配的软频率复用方案

刘 辉，刘 波

(1.重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆400065;2.重庆信科设计有限公司，重庆400065)

软频率复用技术(Soft Frequency Reuse，SFR)［1］是LTE中小区间干扰协调技术(Inter－Cell Interference Coordinate，ICIC)所采用的频率复用方案，通过对频谱使用率和干扰来源的折中来提升小区的频谱效率。与传统的复用方案相比，不仅可以提升小区边缘用户的吞吐量，还能够通过功率比的调整来适应小区负载的变化。

在SFR方案中，一个小区的频率资源被分为两部分:一部分为小区的中心用户资源，供小区的中心用户使用，称为主子载波，本文称为中心子载波;另一部分为小区的边缘用户资源，供小区边缘用户使用，并且也能以次优先级供小区中心用户使用，称为主子载波，本文称为边缘子载波。相邻小区的边缘子载波相互正交，结合功率控制，可以很好地减少边缘用户受到的干扰。

传统的边缘子载波划分是固定给每个小区划分一段相互正交的资源，这样的分配方式简单固定，但是却不能根据每个小区的实际信道条件合理利用资源。而动态子载波划分方案可以将载波动态地分配给不同小区，获得多用户选择增益，提升频谱效率，但必须周期性地根据每个小区的信道条件进行重新划分。因为每个用户经历的信道衰落是彼此独立的，在各个子载波上能够获得的增益是不同的，通过合理的载波划分和资源分配，可以提升资源的利用率，改善边缘用户的性能。

文献［2］给出了边缘载波进行分布式划分的构想，但是只有在载波分配能够动态变化时才有意义，但文中并未给出具体的分配原则。文献［3］则提出了一种近似贪婪算法的载波划分方法，能够给出一个较好的载波划分的次优解。文献［4］提出了一种通过获得小区全部信息来最大化吞吐量的方法，但是两种方案都未考虑小区负载的影响和用户的QoS需求，损失了用户公平性。文献［5］提出了一种下行链路中分布式的子载波分配方式，把载波分配分为小区间的载波分配和小区内部的资源分配，该方案虽然能够较好地提升频谱效率和保证用户的公平性，但却需要每个小区所有用户的信道质量信息，信息交互量和算法复杂度却大大增加了。

本文提出一种联合边缘载波分配和小区内边缘资源分配方案，小区之间只需要交互边缘载波上的最优信噪比而非全部用户的信道质量信息，并在追求频谱效率的同时引进了小区内用户资源分配方案，使得频谱效率和用户速率保证达到一个均衡。

1 系统模型和问题描述

1.1 系统模型

考虑一个无线系统中有L个小区，总的用户为M。用户随机分布在小区内且每个小区总用户数相同，并根据RSRP值区分为中心用户(Cell Centre Users，CCU)和边缘用户(Cell Edge Users，CEU)。系统的总带宽为W，一共有N个物理资源块(Physical Resource Block，PRB)。

1)小区内的载波都严格正交，不考虑小区内的干扰。

2)基站可以获得完美的信道状态信息(Channel Station Information，CSI)。

3)调度的最小资源为PRB，即频域上的12个子载波，时域上的一个时隙，并在计算信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)和传输速率时为了简便直接采用归一化的方式处理。

4)在一个调度周期内，一个PRB只能被一个用户使用。

5)如果用户速率低于最小速率，则用户被定义为阻塞。

那么用户m在资源块n上可达速率为

用户m的总可达速率为

1.2 问题描述

在单小区LTE系统中，小区不用考虑资源分配方案给其他小区带来的干扰，只需要根据小区内的用户需求和信道条件合理分配资源即可。但是在多小区的LTE系统中，相邻小区的边缘资源需要正交来减少同频干扰，同时边缘用户信道条件差，对信道条件变化也较敏感。因此如何最优地将资源合理分配给各个小区边缘从而提升频谱效率，并在内部分配资源时满足用户速率要求就是本文需要研究的问题。因此整个系统的优化问题可以描述为

以上问题很难进行一步求解，因为小区间的边缘载波分配是相互制约的，但是小区内的边缘资源却是相互独立的。因此本文将以上优化模型分成2个步骤来进行优化:第1部分是小区间边缘子载波划分算法的最优化;第2部分则是小区内边缘用户的资源分配算法。

2 动态子载波分配算法

对于小区间的边缘载波分配来说，最主要的目的就是通过小区间资源分配的正交性来降低小区间的干扰。虽然固定式的载波分配方案也能保证资源的正交性，但却不能实时地获得多用户选择增益。本文提出了一种基于负载优先级的分配算法进行小区间载波划分，可以动态地将正交的载波分配给不同小区，尽可能地使各小区的边缘载波最优化。

对于小区内的边缘用户资源分配来说，最主要的目的就是通过用户的业务需求和信道条件合理地将资源分配给用户，并尽可能提升频谱效率。本文通过基于信道条件优先级来进行资源的分配，优先给平均信道增益差的用户分配资源，尽可能保证信道条件差的用户性能，并将富余资源分配给在此资源上增益最大的用户，从而提升频谱效率。

2.1 小区间边缘载波划分算法

在本文中，系统通过动态划分边缘载波来获得多用户选择增益，提升频谱效率。最理想的情况下，每个小区边缘都能获得自己最佳的边缘子载波，这时每个小区都能获得最好的边缘性能。但是在通常的情况下，各个小区的最优集合都存在竞争关系，这个时候就有必要引入一定的优先级来进行规划。

本文分为2层优先级:第1优先级是小区已分配载波数目，数目越少优先级越高;第2优先级为已分配载波数目相同时，边缘负载越高，优先级越高。

1)收集各个小区在N个资源块上最大SINR值。

2)收集完资源SINR后，形成3×N的信干噪比信息矩阵。通过一定的分配算法找出各个小区增益最多的N/3个资源块，且小区边缘子载波之间相互正交。具体按方式如下:

(1)每个小区先找出N/3个拥有最大信道SINR值的资源块。

(2)如果一个小区的最大SINR值的资源块不和相邻小区最大SINR值的资源块冲突，则将这个资源划分给此小区作为边缘子载波;如果资源冲突，则保留资源进行第2轮的分配。

(3)第2轮的资源分配就是对剩余资源的划分，根据已获得资源数目和小区边缘负载情况进行优先级的确定。已获得资源数目越少，选择资源的优先级就越高;已获得资源数目相同，边缘负载越高，优先级越高。以此循环划分，直至边缘载波划分完毕。最后每个小区的边缘载波集合为。

这里给出了一个基于实际仿真数据的载波分配方案的实例。如表1，表格中的数据为小区在资源块1～6上的最大SINR值。其中小区1边缘用户数为3，小区2边缘用户为2，小区3边缘用户为1。

表1 小区资源上最大SINR值 dB

1)找出每个小区SINR值最大的2个资源块。如果不存在任何冲突，则将资源块分给该小区;如果存在冲突，则保留到下一次分配。则经过第一次分配后，小区1得到资源块5，小区2得到资源块1，小区3没有得到资源块。

2)进行资源新一轮分配，小区3的资源数目最少，拥有最高优先级。则小区3获得资源2。此时小区1，2，3都有1个资源块，而根据小区负载优先级判断，小区1拥有较高优先级进行选择，则将资源块4分配小区1，资源块6分配小区2，资源块3分配给小区3。最终分配方式如表2。

表2 小区间边缘载波划分结果

2.2 小区内的边缘用户分配算法

每个小区在得到了自己的边缘子载波分配方案之后，就能进行独立的资源分配，根据用户在这些资源上平均增益的大小确定优先级。为了尽可能保证信道环境较差的用户性能，本文采用的是用户的平均增益越小，优先级越高的方式来进行资源的分配。其分配过程如下:

1)根据小区内的边缘用户在边缘资源上平均信道增益的大小，对用户的优先级由高到低进行排序。平均信道增益越小的用户，优先级越高。

2)根据调度序列逐个取出用户进行分配，每次分配的时候都选出该用户信道增益最大的资源。如果用户已经满足最低速率要求，则给下个用户分配资源。否则，便继续给该用户分配资源，直至达到个资源数目后选择下一个用户。是为了均衡频谱效率和用户速率保证，防止牺牲过多的资源去保证性能差的用户。

3)如果小区还有剩余资源，则将资源分配给信道增益最大的用户，从而提升频谱效率。具体伪代码如下:

如果剩余资源则分配给在此资源上信道质量最好的用户。

end

3 仿真验证和性能分析

3.1 仿真场景和参数

仿真场景和参数如表3所示。

表3 系统仿真参数

3.2 仿真结果和分析

本文的仿真将所提算法与静态载波分配算法和文献［3］算法进行了仿真对比，通过对小区边缘用户的吞吐量、小区边缘用户频谱效率和小区中心用户信道质量的比较来验证算法的有效性。

如图1所示，静态边缘载波分配方式的边缘吞吐量最低，这是因为小区边缘载波是固定的，不能动态适应用户信道环境的变化。而文献［3］算法可以达到最大，因为该算法最大化了资源的利用率，但却没有考虑小区内用户的速率保证要求。本文的算法虽然在保证用户速率时，牺牲了一定的吞吐量，但是较静态式边缘载波分配方案有很大的增益。

图1 边缘用户吞吐量

从图2可以看出，文献［3］的算法在阻塞率上是最高的，且一直处于较高的水平，这是因为该算法未对用户的速率公平性进行保证。静态的载波分配算法虽然并未影响用户之间的公平性，却因为固定式的载波分配使得小区边缘无法获得最合适的资源，因此小区边缘阻塞率也较大。本文通过联合小区内资源分配算法，尽可能地保证用户的最低速率，因此小区的边缘阻塞率是最低的。

图2 边缘用户阻塞率的时间分布

从图3可以看出3种算法开始都随着用户数目的增加而增大，因为随着用户数增多，多用户选择增益也会增大。而本文算法和静态载波分配算法因为考虑了用户最低速率的要求，当用户数目增大到一定值后，性能好的边缘用户占用资源的数目会变少，频谱效率会有一定程度的下降。而文献［3］算法只需要考虑资源的最大化利用，因此随着用户的增加，频谱效率会一直增加到极限值。

从图4可以看出3种边缘载波划分方案对小区中心用户的性能影响很小。因为小区中心用户距离本基站较近，本身的信道环境较好，多用户的选择增益并不明显，即使变换载波也不会对其产生较大的影响。

图3 系统频谱效率

图4 中心用户平均SINR

4 小结

本文提出一种动态软频率边缘子载波分配算法，联合了小区间载波分配和小区内资源分配。通过一定的小区间信息交互，动态载波分配可以获得提升边缘的频谱效率，提升边缘吞吐量。仿真结果证明了所提算法可以在不影响小区中心用户性能的前提下，较大地提升小区边缘频谱效率，并且尽可能保证用户的最低速率要求。因此该算法在软频率边缘载波划分中具有较好的性能增益。

［1］ 3GPP TSG RANWG1 R1－050507，Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE［S］.2005.

［2］ 3GPPTSGRANWG1 R1－050629，Inter－cell interferencemitigation［S］.2005.

［3］ JIA Deli，WU Gang，LI Shaoqian，et al.Dynamic soft－frequency reuse with inter－cell coordination in OFDMA networks［C］//Proc.20th International Conference on Computer Communications and Network.Maui，HI:IEEE Press，2011:1－6.

［4］ DENGGang，ZOU Ting，XU Ning，et al.A downlink radio resource allocation algorithm based on inter－cell interferencemitigation formulti－cell OFDMA system［C］//Proc.First International Conference on Communications and Networking in China.Beijing，China:IEEE Press，2006:1－5.

［5］邱涛，贺自强，牛凯，等.多小区OFDMA系统下行链路的分布式子载波分配［C］//2009年通信理论与信号处理学术年会论文集.北京:中国通信学会，2009:56－59.

［6］ KIM Y，NAM H，WOMACK B F.An adaptive grouped－subcarrier allocation algorithm using comparative superiority［C］//Proc.IEEE Military Communications Conference.Atlantic City，NJ:IEEE Press，2005:963－969.

［7］ ERMOLOVA N Y，MAKREVITGH B.Performance of practical subcarrier allocation schemes for OFDMA［C］//Proc.IEEE 18th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.Athens:IEEE Press，2007:1－4.

［8］赵训威，林辉，张明，等.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范［M］.北京:人民邮电出版社，2010.