家庭基站基于用户公平性的高能效资源管理分配方法

王党伟

摘要：在异构网络当中，伴随家庭基站的布置密集程度越来越高，家庭基站间发生的同层干扰以及家庭基站和宏基站间发生的跨层干扰现象越来越重，这对于系统的性能提高是不利的，因此需要一种基于用户公平性的高能效资源管理分配方案来解决以上现象。

关键词：家庭基站；异构网络；资源管理分配

前言：室内已成为多种数据业务的聚集地，长期处于室内环境，则会因为远距离的运输以及穿透损耗使得宏基站的覆盖变差。家庭基站在解决宏基站覆盖问题同时，其密布问题又对不同的基站联系间产生干扰。因此，本研究旨在研究基于用户公平性的高能效资源管理分配方法，实现家庭基站之间的资源分配。

一、干扰模型建立

干扰模型是建立在双层网络的基础上的，而双层网络又包括了多个家庭基站以及一个宏基站，家庭基站与宏基站均由多个相对应的用户构成。在家庭基站用户和宏基站用户全部仅可以利用位数一个的子信道前提下，通过对3GPP进行相应的理论定位，一共可以得出六种干扰场景。这六种干扰场景分别是干扰源为家庭基站用户上行时，受干扰者为宏基站上行；干扰源为家庭基站下行时，受干扰者为宏基站用户下行；干扰源为宏基站用户上行时，受干扰者为家庭基站上行；干扰源为宏基站下行时，受干扰者为家庭基站用户下行；干扰源为家庭基站用户上行时，受干扰者为家庭基站上行；干扰源为家庭基站下行时，受干扰者为其他家庭基站的家庭用户下行。通过对这六种场景的分析，建立干扰模型，进一步提出解决同层干扰以及跨层干扰的对策。

二、博弈模型与算法描述

（一）博弈模型

为了使异构网络中家庭基站与家庭基站之间的同层干扰以及家庭基站与宏基站之间的跨层干扰减少至最低程度，可利用对博弈模型的构建合理配置基站之间的无线资源。博弈模型的建立，其参与者为整体的家庭基站，为了达到所有家庭基站用户对于无线网络资源要求的满意度，每个家庭基站用户可以根据自身所获得的无线资源效用，对自身的运输带宽以及运行功率进行相应调整。而对其能否做出最合理的调整，关键就在于能否获得博弈的解，也就是每个家庭基站所配置的运行功率和频率谱的资源。效用函数在一定程度上基于策略对效用进行描述，而效用则反映出博弈模型的参与者对其关于策略的抉择满意程度。为了提高家庭基站之间的高能效资源管理分配方法的用户公平性。本研究主要通过对半合作博弈的构建，也就是一种次优化资源管理分配的方式，该种方式由协作频谱分配和最优化功率分配组成。博弈模型可转化为一类数学问题，因其目的在于将吞吐量最大化以及对宏基站用户的干扰程度最小化。对每个家庭基站的约束条件为保证每个家庭基站用户都可以获得子信道且发射功率的值不能超过最大发射功率值，才能提高家庭基站用户之间的公平性，并达到节能控制的目的。

（二）协作资源分配

相对于比较传统的非合作博弈模型其独立进行频谱分配的方法而言，家庭基站之间利用了一种全新的协作资源分配方法，进而提高家庭基站之间的频谱资源分配的公平性。其主要机制包括独立性频谱分配和协作性频谱分配。[1]独立性频谱分配主要指家庭基站独立进行子信道的初始资源分配，再假设已知功率的前提下，完成各自家庭基站之间的独立性频谱分配，进而完成其可用子信道集合的更新。协作性频谱分配主要是按照家庭基站用户之间的相互干扰关系，根据他们相关信息之间的相互作用来做出高能效的协作性频谱分配。其主要内容包括产生相邻干扰列表，对竞争子信道进行排除和对子信道的重新分配管理。产生相邻干扰列表，主要通过在家庭基站用户已接收到的RSRP信息基础上建立相互干扰的关系，在出现多用户的情况下，相应家庭基站应对其每一用户所受到干扰的干扰源做出判断确认以及储存，并且对每一家庭基站用户的干扰程度进行记录。这样就会产生相邻干扰列表 ，相邻干扰列表包括每一家庭基站用戶的干扰源数目和其ID信息以及个体干扰权重和总干扰权重。竞争子信道的排除主要是为了减少子信道的信令支出，而家庭基站之间的信息独立性分配，只是将每一家庭基站用户所具有的独立性频谱分配管理信息运送至每一家庭基站用户的潜在干扰源。不同家庭基站之间的信息相互交流之后，每一家庭基站用户可以知道自身家庭基站影响到的其他家庭基站用户的子信道分配管理情况。知道交互情况之后，当某一干扰用户使用的子信道与家庭基站相同，则这一子信道属于竞争子信道，其存在则会导致不同家庭基站与家庭基站之间的同层干扰现象。但是在另一程度上分析，竞争子信道的排除就必然导致家庭基站之中的一方需要对这一子信道采取放弃措施，因此对于哪方需要对这一子信道进行放弃得根据其所占的优先权值来做出合理判定，优先权值比较低的家庭基站用户相对于优先权值高的家庭基站用户需要对子信道进行放弃。对子信道的重新分配，在排除竞争子信道的同时，必然会使得家庭基站用户之间对竞争子信道采取放弃，因此会产生对竞争子信道放弃家庭的重新分配。对子信道的重新分配，在防止再次导致不同家庭基站用户之间的同层干扰与宏基站和家庭基站之间的跨层干扰的同时，必须对可用的子信道进行更新。

三、仿真与性能分析

（一）仿真参数设置

仿真参数的设置在模型的建立中居于重要地位。在异构网络中，家庭基站之间的同层干扰现象与宏基站和家庭基站之间的跨层干扰现象普遍存在，在这样一种环境下，仿真平台的搭建关键在于解决家庭基站布局密集带来的路径耗损过大的问题。因此，[2]综合异构网络的载波频率、带宽、子载波数、子载玻带宽以及家庭基站与宏基站的最大发射功率等因素多方面考虑，仿真参数的设置遵循5x5网络模型。

（二）仿真结果

通过对FCRAG方案与FNRAG方案二者进行比较，FNRAG方案属于对家庭基站中的非合作资源分配管理博弈，每一家庭基站均倾向于干扰度低的子信道，对干扰进行相应的分配判定，进行运行功率与运行频谱的分配管理。FCRAG方案相对于FNRAG方案其算法上升将近2%-13%的家庭基站比例所占的吞吐量，并且发现在家庭基站大于3的情况下，FCRAG方案可以非常明显地提高整个家庭基站的吞吐量。分析家庭基站用户之间的公平性，可以得出FCRAG方案的家庭基站中Raj Jain系数均在0.7～1的范围之中，且该方案中家庭基站中所具有的公平性系数的分布相对来说比较不集中，并且只有58%的家庭基站用户的Raj Jain分布系数在前者0.7～1的范围之中。因此本研究可以得出FCRAG方案在整体效果上提高了家庭基站用户之间的公平性程度。

四、结语

本研究在探讨解决家庭基站之间的同层干扰与家庭基站和宏基站之间的跨层干扰方案层次上，在基于用户公平性的家庭基站之间提出了高能效资源分配管理方法。通过对家庭基站之间的协作子信道分配和最优化功率分配进行仔细地阐述，同时借助平台技术加以仿真操作并进行相应验证。结果表明此优化策略可以在提高家庭基站和宏基站的吞吐量的程度上，同时提高用户公平性。

参考文献

[1]刘世超，唐伦，陈前斌.高密集场景中家庭基站基于用户公平性的高能效资源管理分配方法[J].科学技术与工程，2015，15（12）：1-5.

[2]豆蕾萌.基于用户公平性的家庭基站高能效资源管理分配方法研究[J].电信工程技术与标准化，2014，11（1）：2-3.