基于信漏噪比的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)載波干擾協(xié)調(diào)技術(shù)?

黃嵐??，孫長(zhǎng)印，盧光躍，姜靜

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710061）

基于信漏噪比的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)載波干擾協(xié)調(diào)技術(shù)?

黃嵐??，孫長(zhǎng)印，盧光躍，姜靜

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710061）

針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)存在小區(qū)間干擾的問(wèn)題，提出了一種基于頻域載波聚合的干擾協(xié)調(diào)管理機(jī)制。該機(jī)制將所有小區(qū)的用戶分為中心用戶和邊緣用戶，采用可降低干擾的信漏噪比（SLNR）準(zhǔn)則，動(dòng)態(tài)調(diào)度用戶和選擇小區(qū)載波，并將每種小區(qū)載波選擇方案對(duì)應(yīng)一種調(diào)度用戶分組的機(jī)制，即對(duì)小區(qū)的中心用戶和邊緣用戶采用不同優(yōu)先級(jí)，以此有效避免小區(qū)間的干擾，其中優(yōu)先級(jí)采用比例公平和SLNR準(zhǔn)則。仿真結(jié)果表明，由于在系統(tǒng)目標(biāo)最大化時(shí)實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用增益和干擾消除增益間實(shí)現(xiàn)最佳的平衡，可有效取得系統(tǒng)流量的分流和總吞吐量的提升。

LTE-A；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；載波聚合；信漏噪比；干擾協(xié)調(diào)

1 引言

在LTE-A系統(tǒng)中部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是提高邊緣小區(qū)性能［1］的重要途徑之一。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是將微基站（Pico）等低功率節(jié)點(diǎn)部署在高功率節(jié)點(diǎn)如宏基站（Macro）小區(qū)內(nèi)部，形成由不同類型節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，其中Macro和Pico小區(qū)載波配置相同。由于Pico基站分布隨機(jī)、Pico與Macro發(fā)射功率差異較大以及傳輸路徑損耗等原因，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)普遍存在的問(wèn)題是小區(qū)間的干擾，解決的關(guān)鍵方案是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)管理。目前，3GPP-LTE致力于研究小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（Inter-cell Interference Coordination，ICIC）的標(biāo)準(zhǔn)化方案，核心是對(duì)無(wú)線資源在干擾基站間進(jìn)行時(shí)域、頻域和空分域的協(xié)調(diào)。ICIC在LTE-A中稱為增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（eICIC），它是實(shí)現(xiàn)基于覆蓋距離擴(kuò)展［2］的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升的根本。

載波聚合（Carrier Aggregation，CA）技術(shù)作為主要的頻域eICIC方案，不僅將多個(gè)獨(dú)立的成員載波（Component Carrier，CC）聚合為大帶寬，而且也使調(diào)度者可以采用靜態(tài)或半靜態(tài)方式在多個(gè)成員載波上任意快速切換，即可以在一個(gè)載波上發(fā)送控制信息的同時(shí)，在另一個(gè)載波上發(fā)送數(shù)據(jù)信息。因此可對(duì)Macro小區(qū)和Pico小區(qū)分別用不同的載波來(lái)調(diào)度控制信息和數(shù)據(jù)信息，以此有效避免干擾；當(dāng)干擾處于Pico小區(qū)中心用戶可接受范圍內(nèi)，可在同頻載波上調(diào)度Pico小區(qū)的中心用戶和Macro小區(qū)的用戶；當(dāng)干擾超出Pico小區(qū)中心用戶可承受的范圍，則可在不同載波上調(diào)度Pico小區(qū)和Macro小區(qū)的用戶。

已有文獻(xiàn)對(duì)載波資源的分配［3－5］、載波選擇［6－7］和干擾協(xié)調(diào)機(jī)制［8］進(jìn)行了研究，但上述文獻(xiàn)的研究主要針對(duì)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或家庭基站場(chǎng)景，沒(méi)有涵蓋室外異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，也沒(méi)有考慮如何更有效地避免干擾，且頻譜利用率較低。本文針對(duì)典型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，提出了基于信漏噪比（Signal-to-Leakage-plus-Noise Ratio，SLNR）準(zhǔn)則的動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)管理機(jī)制，并通過(guò)與文獻(xiàn)［10］的比較驗(yàn)證了該機(jī)制下方案的可行性。

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

本文研究的典型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景為：Macro小區(qū)內(nèi)包含若干個(gè)隨機(jī)分布的Pico小區(qū)，用戶隨機(jī)分布在小區(qū)中，如圖1所示。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景Fig.1 The scene of a heterogeneous network

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)有1個(gè)Macro小區(qū)和2個(gè)Pico小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中有M個(gè)用戶和K個(gè)載波。由于研究基于塊衰落場(chǎng)景，故信號(hào)功率在每個(gè)時(shí)隙保持不變。A＝｛ak，m｜ak，m∈｛0，1｝｝K×M為用戶的載波選擇矩陣，1表示用戶m選擇載波k，0表示未選中該載波。

假設(shè)處于小區(qū)q載波k上的用戶m在t時(shí)隙接收到本小區(qū)q的信號(hào)功率為Sq，k，m，接收鄰小區(qū)i的干擾信號(hào)為Si，k，m，i≠q，噪聲是零均值的高斯白噪聲，方差為N0，則用戶m的信噪比ξ為

用戶m的吞吐量由香農(nóng)公式得出：

則在某時(shí)隙t，系統(tǒng)總吞吐量為所有用戶吞吐量之和：

基于載波選擇的干擾管理機(jī)制在于兼顧用戶公平性的前提下為載波選擇ak，m使系統(tǒng)總吞吐量R最大。

3 基于SLNR準(zhǔn)則的載波干擾協(xié)調(diào)管理

為了抑制小區(qū)間的干擾，提高系統(tǒng)的吞吐量性能，本節(jié)在干擾協(xié)調(diào)管理機(jī)制中引入了SLNR準(zhǔn)則。

信漏噪比準(zhǔn)則中的泄漏是指?jìng)魉徒o目標(biāo)用戶的小區(qū)基站信號(hào)對(duì)其他激活小區(qū)用戶造成的干擾，用目標(biāo)用戶泄漏到其他小區(qū)用戶上的信號(hào)功率來(lái)度量。SLNR定義為用戶信號(hào)功率與用戶泄露到其他用戶功率和噪聲之和的比值。由圖1看出，當(dāng)Macro小區(qū)和兩個(gè)Pico小區(qū)用戶都處于激活狀態(tài)時(shí)，Macro小區(qū)用戶m的信漏噪比δ為

其中，Sq，k，n為處于小區(qū)i載波k上的用戶n在t時(shí)隙接收到基站q的信號(hào)功率，Ui為干擾小區(qū)用戶集合。

由于實(shí)際中要考慮系統(tǒng)整體吞吐量，則定義系統(tǒng)SLNRδ為系統(tǒng)中激活用戶的SLNR之和：

δ在某成員載波k上的值越大，說(shuō)明該系統(tǒng)中激活小區(qū)的用戶間干擾最小。而干擾是影響吞吐量的重要因素之一，因此可以通過(guò)最大化系統(tǒng)SLNR來(lái)最大化系統(tǒng)吞吐量。

3.1 用戶選擇小區(qū)及用戶分組

用戶小區(qū)選擇對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分裂增益影響極大，故在最大化式（5）前，首先要解決用戶服務(wù)小區(qū)選擇問(wèn)題，常見(jiàn)方式有3種，一是基于用戶到服務(wù)小區(qū)基站的路損最小，二是基于用戶接收到服務(wù)小區(qū)基站功率最大，三是基于用戶接收到服務(wù)小區(qū)基站信噪比最大。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，由于后兩種方式有上下行覆蓋不平衡的問(wèn)題，故本文采用簡(jiǎn)潔有效的基于路損最小的方式選擇用戶。實(shí)現(xiàn)用戶小區(qū)選擇的方法是首先計(jì)算所有用戶集合到各Pico小區(qū)基站的距離，其次由計(jì)算距離判斷用戶所屬服務(wù)小區(qū)，落在某一Pico小區(qū)半徑范圍之內(nèi)的用戶子集屬于該P(yáng)ico小區(qū)，用戶差集屬于Macro小區(qū)。

干擾協(xié)調(diào)時(shí)除了考慮用戶選擇小區(qū)的因素之外，由于考慮到邊緣小區(qū)用戶受鄰小區(qū)干擾極大，因此僅為用戶區(qū)分所屬小區(qū)是不夠的。本文研究基于SLNR準(zhǔn)則是在用戶小區(qū)選擇基礎(chǔ)上，將對(duì)同組其他用戶干擾最小的用戶分為一組，通過(guò)該方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)和載波的協(xié)調(diào)管理。為此，將各小區(qū)的用戶分為邊緣用戶與中心用戶，區(qū)分邊緣用戶和中心用戶同樣采用基于路損的方式。針對(duì)Macro基站用戶集合，若其到Pico小區(qū)基站的距離落在Pico小區(qū)半徑的110%范圍內(nèi)，如圖1用戶子集落在小區(qū)i外虛線范圍之內(nèi)，則說(shuō)明該用戶子集屬于Macro小區(qū)的邊緣用戶；對(duì)Pico小區(qū)用戶集合而言，若該小區(qū)用戶子集到該小區(qū)基站的距離大于小區(qū)半徑的90%，如圖1落在小區(qū)i內(nèi)虛線范圍之外，則該用戶子集屬于該P(yáng)ico小區(qū)的邊緣用戶。

3.2 基于SLNR準(zhǔn)則的協(xié)作小區(qū)載波選擇和用戶調(diào)度

式（5）求解包括求解最優(yōu)載波選擇向量ak，m和小區(qū)最佳用戶調(diào)度。由于這兩個(gè)問(wèn)題相互制約，難以直接求解，為此，分解為兩個(gè)子過(guò)程求解。

（1）對(duì)成員載波k，逐步增加各個(gè)小區(qū)在該載波上的干擾泄露，即令選擇向量集為

其中，｛1，1，0｝表示Macro小區(qū)和Pico1小區(qū)處于激活狀態(tài)，而Pico2小區(qū)處于靜默狀態(tài)；

（2）針對(duì)選擇向量集中各元素，在每個(gè)小區(qū)依據(jù)表1調(diào)度機(jī)制，選擇最佳用戶。本文采用基于SLNR的載波干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，在減小用戶間干擾和兼顧用戶間公平性的前提下調(diào)度用戶。

表1 協(xié)作小區(qū)調(diào)度用戶機(jī)制Table 1 Coordination cell user scheduling mech anism

4 仿真結(jié)果

本節(jié)仿真基于SLNR的載波干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，并與文獻(xiàn)［9］進(jìn)行對(duì)比。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包含1個(gè)Macro小區(qū)和2個(gè)Pico小區(qū)，用戶隨機(jī)散落在各小區(qū)?？紤]到方案的實(shí)用性，仿真參數(shù)基于LTE-A系統(tǒng)，即載波帶寬為10 MHz，Macro基站和Pico基站發(fā)射功率分別為43 dBm和20 dBm，陰影衰落方差為8 dB，每個(gè)小區(qū)配置2個(gè)載波，系統(tǒng)中共有40個(gè)用戶，其他具體仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖2是Macro小區(qū)在不同算法下的吞吐量累積概率分布（Cumulative Distribution Function，CDF）。為了比較，圖中同時(shí)給出了小區(qū)間頻率復(fù)用因子為1的載波配置性能曲線。當(dāng)系統(tǒng)中有40個(gè)用戶、Macro基站與Pico基站發(fā)射功率分別為43 dBm和20 dBm、小區(qū)半徑分別為500 m和130 m時(shí)，觀察在累積概率分布達(dá)到90%時(shí)，基于SLNR的小區(qū)吞吐量?jī)H為220 Mb／s，而基于修改PFS準(zhǔn)則和復(fù)用因子為1的吞吐量分別為230 Mb／s和270 Mb／s，這是由于Macro小區(qū)靜默了部分載波以降低Pico小區(qū)傳輸?shù)母蓴_，減少自身小區(qū)用戶傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)造成的，因而使得Macro小區(qū)吞吐量稍有降低。

圖2Macro小區(qū)吞吐量Fig.2 The throughput of Macro cell

圖3 和圖4是Pico1和Pico2小區(qū)在不同算法下的吞吐量CDF分布。仿真證明，基于SLNR準(zhǔn)則的Pico小區(qū)吞吐量與修改PFS算法相比均有所提升，從而說(shuō)明Pico基站的引入能夠?qū)⑾到y(tǒng)中部分用戶納入Pico小區(qū)，為Macro小區(qū)減少通信業(yè)務(wù)量，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)分流；同時(shí)也說(shuō)明，基于SLNR干擾協(xié)調(diào)機(jī)制與另外兩種機(jī)制相比，更加有效地量化干擾，從而可以有目的地調(diào)度小區(qū)與載波組合，以此降低了小區(qū)間的干擾，為Pico小區(qū)納入更多的用戶，因此大大提升了Pico小區(qū)容量。

圖3Pico1小區(qū)吞吐量Fig.3 The throughput of Pico1 cell

圖4Pico2小區(qū)吞吐量Fig.4 The throughput of Pico2 cell

圖5 是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不同算法整體吞吐量的CDF分布曲線。仿真結(jié)果說(shuō)明，SLNR準(zhǔn)則的引入，使得頻率復(fù)用增益和干擾消除增益取得最佳平衡，從而有效降低了小區(qū)間的干擾，提高了系統(tǒng)的總體吞吐量，較大程度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的擴(kuò)容。

圖5 系統(tǒng)總吞吐量Fig.5 The throughput of all cells

5 結(jié)束語(yǔ)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間的干擾嚴(yán)重降低用戶通信質(zhì)量，研究如何降低LTE-A系統(tǒng)小區(qū)間干擾具有重要意義。本文在Macro-Pico異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，研究了基于載波聚合的干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了基于SLNR的載波干擾協(xié)調(diào)管理機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度小區(qū)和載波，以及量化小區(qū)間干擾的方式，使得頻率復(fù)用增益和干擾消除增益取得最佳平衡，在兼顧用戶公平性的同時(shí)，合理利用頻譜資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的分流和吞吐量的提升。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性，適合于LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。但由于采用該機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)度小區(qū)和載波需占用較大系統(tǒng)開(kāi)銷，因此如何有效降低系統(tǒng)開(kāi)銷是下一步的研究重點(diǎn)。

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［3］Wang Y，Pedersen K I，S?rensen T B，et al.Carrier load balancing and packet scheduling for multi-carrier systems［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9（5）：1780－1789.

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HUANG Lan was born in Suizhou，Hubei Province，in 1988.She is now a graduate student. Her research interests include interference coordination technology based on carrier aggregation in heterogeneous networks.

Email：huangl0928＠163.com

孫長(zhǎng)印（1963—），男，陜西扶風(fēng)人，2000年于西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲博士學(xué)位，2001－2009年在中興通信從事無(wú)線通信領(lǐng)域的研發(fā)和預(yù)研工作，現(xiàn)為西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授，主要從事寬帶無(wú)線通信的研究；

SUN Chang-yin was born in in Fufeng，Shaanxi Province，in 1963.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2000.From 2001 to 2009.He was a senior engineer at ZTE Corporation.He is now an associate professor.His research concerns broadband wireless communication.

Email：changyin－sun＠163.com

盧光躍（1971—），男，河南南陽(yáng)人，1999年于西安電子科技大學(xué)獲信號(hào)與信息處理專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師、“楚天學(xué)者”特聘教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代移動(dòng)通信中的信號(hào)處理；

LU Guang-yue was born in Nanyang，Henan Province，in 1971. He received the Ph.D.degree from Xidian University in 1999.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns signal processing in modern mobile communications.

Email：tonylugy＠163.com

姜靜（1974—），女，陜西安康人，2010年于西北工業(yè)大學(xué)獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授，主要從事寬帶無(wú)線通信的研究。

JIANG Jing was born in Ankang，Shaanxi Province，in 1974. She received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical U-niversity in 2010.She is now an associate professor.Her research concerns broadband wireless communication.

Email：jiangjing18＠foxmail.com

Interference Coordination Technology Based on Signal-to-Leakage Plus-Noise Ratio with Carrier Aggregation in Heterogeneous Networks

HUANG Lan，SUN Chang-yin，LU Guang-yue，JIANG Jing
（School of Communication and Information Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710061，China）

In order to minimize inter-cell interference in heterogeneous networks，a new interference coordination mechanism based on carrier aggregation is proposed.The proposed method first divides the users into center users and edge users，then uses the signal-to-leakage-plus-noise ratio（SLNR）criterion to schedule the different users across the cells to share the same carrier resources.As a result，the method selects cells and carriers dynamically，and schedules users corresponding to each specific combination of carrier and cell.The scheduling method is based on modified PFS and SLNR criterion which gives different priority for center users and edge users.Simulation results show that the proposed scheme can realize the best tradeoff between the gain of frequency reuse and interference avoidance when maximizing the system objective，so as to effectively offload system flow from the Macro cell to Pico cell and improve system throughput.

LTE-A；heterogeneous network；carrier aggregation；SLNR；interference coordination

The National Natural Science Foundation of China（No.61102047，61271276）；The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China（2012ZX03001025－004）；The Natural Science Foundation of Education Department of Shaanxi Province（2013JK1045，11JK1016）

date：2013－01－08；Revised date：2013－03－19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61102047，61271276）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2012ZX03001025－004）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013JK1045，11JK1016）

??通訊作者：huangl0928＠163.comCorresponding author：huangl0928＠163.com

TN929.5

A

1001－893X（2013）07－0904－05

黃嵐（1988—），女，湖北隨州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楫悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)中載波干擾協(xié)調(diào)技術(shù)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.016

2013－01－08；

2013－03－19