5G 异构网络用户关联及回传带宽分配技术

吕运谷

（中国移动通信集团重庆有限公司永川分公司，重庆 402160）

0 引 言

在5G 超密异构网络中，无线接入和无线回传技术不但可以增加网络的灵活性和降低网络的部署费用，还可以为大规模设备的接入提供方便。5G 异构网络中，无线回传是一种对有线回传进行补偿的方法，适用于光纤难以达到的区域，以及对实时数据传输需求较低的区域[1]。另外，随着毫米波宽带、大规模天线阵、波束赋形等技术的日趋成熟，将为未来5G 基站的无线回传打下坚实的基础。5G 异构通信系统中，无线回传技术是一种不可避免的发展方向。然而，目前5G 无线回传技术还面临着很多关键问题[2]。目前，对于5G 回传网络的需求多种多样。因此，围绕5G异构网络中的干扰管理、异构网络中的用户和基站接入、回传网和接入网中的时间频率资源配置等问题展开研究，建立了5G 无线异构网络模型，以此为基础建立低频链路容量数学模型，并提出了低频系统的联合优化算法，以期为5G 无线回传网技术的深入发展提供理论基础和技术支撑。

1 5G 无线异构网络模型

构建一种双层异构网，即在蜂窝单元中心布置一个宏基站，在其周围布置多个小型基站，并在蜂窝单元内均匀布置多个终端。将宏基地台至小型地台的无线链路称作回传链路，将宏基地台或小型地台至用户设备的无线链路称作访问链路，无论是接入链路还是回传链路都使用空中端口技术，并且将宏基地台至核心网的光缆连接。在此基础上，提出一种基于移动终端的单天线与多天线相结合的设计方案。用户设备可以采用宏基站与核心网络相连，也可以采用小型基站与核心网络相连，采用双跳方式[3]。

层与层之间的干扰无线异构网无法避免。由于宏基站的发送功率比小基站要大，当2 个基站同在一个下行链路时，会给小基站的边缘用户造成严重的干扰。在此基础上，提出了一种逆向时分双工技术，即将宏基站的上下行时隙配置和小基站的上下行时隙配置进行倒置[4]。2 层异构网络无线回传链路与接入链路如图1 所示。

图1 2 层异构网络无线回传链路与接入链路

提出了一种基于三元多进多出的天线阵列，该阵列在横向和纵向2 个方向都有一定的天线增益。关于天线阵列单元的横向辐射方式的表达式为

式中：φ为方位角；AE,H(φ)为基站天线在φ方向的相对增益；φ3dB为3 dB 波束宽度；AH为天线正向和背向的损耗相差的分贝数。

天线阵元的垂直辐射公式为

式中：θ为仰角；θtilt为下倾角；AE,V(θ)为垂直方向增益；φ3dB为垂直方向增益的3dB 波束宽度；SLA为垂直方向图的背向损耗。

由AE,H(φ)和AE,V(θ)可得三维辐射模式函数为

式中：GE,Max为天线阵列元素的增益，通常取值为8 dBi。

权重因子表达式为

相移V由水平方位角、垂直仰角以及天线阵列的几何分布决定的，表达式为

均匀矩形阵列辐射模式如为

式中：AA(φ,θ)为辐射模式；ρ为阵元间相关性。

2 低频链路容量模型

用变量xj,i表示第j个基站与第i个用户的关联关系，xj,i=0 表示不关联，xj,i=1 表示关联，表达式为

式中：U为用户集合。此外，添加约束条件为

式中：B为小基站集合；qi为时延敏感指标。

在异构网络环境下，采用小基站技术可以有效地解决覆盖盲区问题，同时可以有效地缓解宏基站的工作负荷[5]。而小型基站占用了同样的时间和频率资源，会产生同层次的干扰，因此给出了功率约束为

式中：k为门限阈值，取值为1。

3 低频系统的联合优化算法设计

提出了一种新的联合优化方法，该方法在充分考虑了异构网中的干扰管理的同时，将基站负载和资源容量等因素对用户关联的影响纳入其中，从而实现了对用户关联和带宽资源的联合优化。低频系统最优解是由布尔（0-1）矩阵X和连续变量β组成的混杂非线性最优解[6]。在此基础上，通过分层分解和变量松弛等方法，将该问题分为2 个子问题，并分别求解2 个子问题，对2 个子问题分别进行用户关联矩阵X和无线反向资源配置因子的联合优化β，并进行循环，直至得到最优解。

该问题为一类混合非线性优化问题，其目标函数为一凹函数，将0-1 变量xj,i与连续变量β分别作为2 个独立的独立变量，并将其转化为一类凸约束。基于该背景，可以利用分解的方法，将该问题分解为多个子问题，并进行解决。该问题的解决思路可分3步进行。原问题的2 层分解如图2 所示。首先，对该问题进行初始化分解，将其分为2 个子问题，一个是用户关联问题，另一个是无线反向传输的资源分配问题。其次，采用对偶分解法，将耦合约束条件转化为拉格朗日函数，采用拉格朗日乘子对其进行优化，从而获得用户关系矩阵的最优解，并将其与拉格朗日对偶问题相结合，最终获得用户关系矩阵的最优解X*={xj,i；(j,i)∈B0×U}[7]。最后，利用RAP 算法对最优的用户关系矩阵进行代换，得到最优的反向传输带宽分配系数，并对其进行迭代，直至得到最优的反向传输带宽分配系数β*[8,9]。

图2 原问题的2 层分解

4 结 论

5G 无线回传异构网络需要解决的关键问题是干扰管理、无线异构网中的基站接入、无线异构网中时频资源优化等。因此，首先建立了5G 无线异构网络模型，其次建立低频链路容量数学模型，最后提出了一种新型的求解算法，该算法可以有效地解决5G 异构网络中的干扰管理、小基站接入和回传带宽分配等关键问题。该算法结合了当前技术优势和算法特点，在性能上比现有的基于用户接入和资源配置的算法更优。