異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的一種動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)策略

盧純強(qiáng)，羅漢文

(1．上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海200234;2．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

0 引言

無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷提升，為了滿足這一趨勢(shì)，家庭基站作為一種改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)中城市用戶密集地區(qū)的吞吐量和數(shù)據(jù)速率的方法，引起了廣泛的研究．然而，由于存在嚴(yán)重的干擾問(wèn)題和較低的譜效率，家庭基站無(wú)法在目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下進(jìn)行大規(guī)模配置．因此，迫切需要有效的干擾協(xié)調(diào)方案來(lái)消除這些干擾問(wèn)題．

由于在LTE-A下行鏈路中采用了OFDMA接入技術(shù)，所以在這樣的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)內(nèi)的干擾可以忽略不計(jì)，而相鄰小區(qū)間采用了相同頻率的部分將會(huì)對(duì)小區(qū)用戶產(chǎn)生很大的影響．同時(shí)，不同層間使用了相同頻率也會(huì)對(duì)該層小區(qū)用戶QoS產(chǎn)生影響．目前，學(xué)術(shù)界提出了各種不同的方案解決以上難題，如最優(yōu)化小小區(qū)數(shù)量策略［1］、最優(yōu)傳輸功率策略［2］、頻率復(fù)用策略［3］等．然而，大多數(shù)的策略沒(méi)有兼顧譜效率、能效率和系統(tǒng)性能．

本文作者調(diào)查了許多關(guān)于軟頻率復(fù)用(SFR)的文獻(xiàn)，此策略可以利用小區(qū)資源塊分配來(lái)有效的消除小區(qū)間干擾，但由于小區(qū)邊緣用戶無(wú)法使用全部頻率資源導(dǎo)致系統(tǒng)譜效率不高．本文作者提出的調(diào)度策略是基于SFR和改進(jìn)的圖論資源分配來(lái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間干擾協(xié)作．在調(diào)度算法中，首先將干擾分為3類:宏小區(qū)間干擾、宏小區(qū)和家庭小區(qū)間干擾、家庭小區(qū)間干擾，然后通過(guò)SFR策略來(lái)減少宏小區(qū)間的干擾，同時(shí)在家庭基站干擾協(xié)調(diào)部分采用了一種改進(jìn)圖論資源分配算法．最后仿真結(jié)果顯示該干擾協(xié)調(diào)策略相比于ABS策略有更好的系統(tǒng)性能，表現(xiàn)為扇區(qū)的用戶平均速率．

1 系統(tǒng)模型

1．1 系統(tǒng)模型和干擾場(chǎng)景

如圖1(a)所示，考慮每個(gè)區(qū)域內(nèi)有N個(gè)宏小區(qū)和P個(gè)家庭小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路．宏小區(qū)由傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商裝配的基站組成，三區(qū)天線提供開(kāi)放接入和廣域覆蓋．家庭基站假定是具有全向天線的非傳統(tǒng)低功率接入點(diǎn)．如圖1(b)所示，存在3種干擾類型:宏小區(qū)間的干擾，家庭小區(qū)間的干擾，宏小區(qū)和家庭小區(qū)間的干擾．

圖1 系統(tǒng)模型和Het-Net的干擾場(chǎng)景

其中，圖1(a)的三角表示家庭基站(FB/FBS)，MBS表示宏基站，圓表示小區(qū)用戶，MUE和FUE分別表示宏小區(qū)用戶和家庭小區(qū)用戶．

1．2 作為比較的相關(guān)策略

LTE Rel-10提出了ABS策略，在時(shí)域上改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)速率．在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，子幀對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在不同層不可避免的存在重疊和影響．ABS策略中，宏小區(qū)內(nèi)幾乎空白子幀框的發(fā)送功率被調(diào)到0．如果ABS策略中，宏小區(qū)框架被分為普通框架和幾乎空白框架，那么，設(shè)置兩種不同的框架比值就將對(duì)資源分配產(chǎn)生不同影響．這里為了方便，將ABS策略的資源復(fù)用因子設(shè)置為0．5．然而，在時(shí)域上調(diào)度的ABS策略需要緊密的同步和復(fù)雜的信號(hào)交換，本文作者給出的是一種的頻域上的資源分配策略，在獲得相同或更好的性能的同時(shí)更容易操作．為了方便比較，設(shè)置該策略的頻率復(fù)用因子也為 0．5．

2 動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)策略

定義總帶寬為W，每個(gè)子信道的帶寬為B，很顯然，子信道數(shù)量為W/B，假定單個(gè)子信道的標(biāo)識(shí)為i，i∈I={1，2，…，W/B}，所以本文作者定義:

其中，RSRP指從基站i接收到的相關(guān)信號(hào)接收功率，bias是偏置值，其大小是可調(diào)的．

2．1 宏小區(qū)間基于SFR的干擾協(xié)調(diào)

給出策略的頻率復(fù)用因子為0．5，即留出一半的頻率資源僅為家庭小區(qū)所用．定義子信道I部分為宏小區(qū)服務(wù)，而子信道Ⅱ部分僅為家庭小區(qū)服務(wù)．接入宏小區(qū)的用戶稱為宏基站用戶(MUE)，在SFR中，宏基站用戶被分為小區(qū)內(nèi)部用戶和小區(qū)邊緣用戶，子信道I部分又被分配成3份，1/3給邊緣用戶，2/3給小區(qū)內(nèi)部用戶．相鄰小區(qū)的邊緣用戶分別被分配給不同的1/3頻帶，由此來(lái)避免相鄰宏小區(qū)間的干擾．另外，SFR策略中，給小區(qū)邊緣用戶分配更大的傳輸功率以抵消其更大的路損．

2．2 宏小區(qū)和家庭小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)

接入家庭小區(qū)的用戶稱為家庭用戶(FUE)，所有家庭用戶享用子信道Ⅱ部分的所有頻帶資源．因此同一宏小區(qū)內(nèi)的FUE和MUE使用了不同的頻段，那么在此策略下宏小區(qū)和家庭小區(qū)間的干擾不作考慮．

2．3 基于圖論的家庭小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

設(shè)計(jì)家庭小區(qū)的小區(qū)中心共享所有信道Ⅱ部分的頻帶資源，而家庭小區(qū)范圍擴(kuò)大部分的用戶共享信道I的頻帶資源．這將會(huì)導(dǎo)致家庭小區(qū)間嚴(yán)重的干擾，使FUE的數(shù)據(jù)速率大幅降低．本文作者提出一種基于干擾圖論的資源分配方法，該方法是為了確保在共享資源情況下獲得更好的信道質(zhì)量．小區(qū)范圍擴(kuò)大區(qū)域內(nèi)服務(wù)的用戶稱為受害用戶，家庭小區(qū)內(nèi)部服務(wù)的用戶稱為普通用戶．同時(shí)，一個(gè)FUE的干擾主要來(lái)自和它的服務(wù)家庭基站在同一扇區(qū)的家庭基站．接下來(lái)的部分，將考慮在一個(gè)特定扇區(qū)的家庭小區(qū)和它們服務(wù)的用戶(FUE)為一個(gè)基本單元來(lái)引出這一方法．在這一單元中，定義家庭小區(qū)的用戶群(FUEs)由 B(p)個(gè)用戶(FUE)組成，其中 p∈{1，2，…，p}．

2．3．1 建立干擾圖

首先，對(duì)在一個(gè)基本單元的家庭基站及其服務(wù)用戶(FUE)建立一個(gè)干擾圖．考慮一個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，定義干擾圖為G=(V，E)，其中，V代表所有在這個(gè)扇區(qū)的P個(gè)家庭小區(qū)，而E表示這些家庭小區(qū)的邊界區(qū)域的集合．考慮ep，d∈E，ep，d=1表示在家庭小區(qū)p和d間的邊界區(qū)域存在不可忍受的干擾，其中p，d∈V，否則，ep，d=0．

下面給出判斷一個(gè)家庭小區(qū)側(cè)用戶(FUE)bp受到鄰家庭小區(qū)不可忍受的干擾的標(biāo)準(zhǔn)ηb(p)，其中b(p)∈{1，2，…，B(p)}．定義 ηb(p)為:

其中Ptxfemto表示家庭基站的最大發(fā)送功率，PLp，b(p)表示FUE b(p)和它的服務(wù)家庭小區(qū)p之間的路徑損耗．PLd，b(p)表示FUE b(p)和家庭小區(qū)d之間的路徑損耗．再定義一個(gè)可調(diào)整的門限ηth，將ηb(p)和ηth進(jìn)行比較，如果式(3)不能滿足，b(p)除去最強(qiáng)的干擾家庭小區(qū)，并且把這個(gè)家庭小區(qū)的ID(IDentity，編號(hào))d加到干擾集FUEint erfb(p)，直到重新計(jì)算的ηb(p)大于給定的門限ηth，然后家庭小區(qū)p把ID d加到干擾集Femt int erfp，同時(shí)家庭小區(qū) d 把 ID p 加到干擾集 Femt int erfd．最后，ep，d被設(shè)為 1．如果 FUE b(p)的FUEint erfb(p)集為空集，則家庭小區(qū)p認(rèn)為這個(gè)FUE受到鄰家庭小區(qū)的可忽略干擾，并將這個(gè)FUE加入到FUE集ξ(p)nointerf，否則加入到FUE集ξ(p)interf中．

2．3．2 自適應(yīng)子信道分配

首先，依據(jù)圖形賦色算法［4－5］來(lái)對(duì)家庭小區(qū)進(jìn)行分組．在分好組后，家庭小區(qū)被分入K個(gè)組，稱為gk，其中 k∈{1，2，…，K}．所有可以分配給家庭小區(qū)的子信道 ID 為 w∈Ifemto={W/2B+1，…．，W/B}．由于不同的家庭小區(qū)組的頻率正交分配導(dǎo)致了較低的資源復(fù)用率，用一部分的可用子信道給在集ξ(p)nointerf中的FUEs復(fù)用，其中p∈{1，2，…，p}．假定這個(gè)復(fù)用集為λreuse，且家庭小區(qū)組k的子信道集為λk，其中在gk中的家庭小區(qū)可以調(diào)度在ξ(p)interf集中的FUEs．圖2列出了自適應(yīng)資源分配策略的部分工作流程:

圖2 自適應(yīng)資源分配程序

3 仿真與性能分析

建立了一個(gè)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并通過(guò)仿真采用不同小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)策略(ICIC)帶來(lái)的系統(tǒng)性能上的差異，來(lái)評(píng)估給出的干擾協(xié)調(diào)策略．

首先對(duì)系統(tǒng)配置的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，部分參考了文獻(xiàn)［6］:

表1 仿真參數(shù)

然后，把宏小區(qū)和家庭小區(qū)作為整體考慮，比較不同小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)策略的效果．

圖3 扇區(qū)吞吐量比較

圖4 10%小區(qū)邊緣用戶速率比較

圖3和圖4顯示，當(dāng)設(shè)定門限為5 dB時(shí)，在扇區(qū)平均吞吐量和10%小區(qū)邊緣用戶平均速率方面，采用提出策略的效果均優(yōu)于ABS策略．另外，扇區(qū)平均吞吐量在偏置為6時(shí)，所提策略獲得最大增益為11．43%，10%小區(qū)邊緣用戶平均速率在偏置為9和12時(shí)，所提策略獲得最大增益為22．04%．

4 結(jié)論

考慮家庭小區(qū)-宏小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的下行傳輸鏈路相互干擾的場(chǎng)景下，給出了一種頻率域上的小區(qū)間動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)策略．該策略首先考慮使用軟頻率復(fù)用的思想來(lái)消除宏小區(qū)間的干擾，然后分配一定部分的頻率給家庭小區(qū)來(lái)消除宏小區(qū)和家庭小區(qū)間的干擾．最后，給出了采用改進(jìn)的基于干擾圖論的方法來(lái)協(xié)調(diào)家庭小區(qū)間的嚴(yán)重干擾．仿真結(jié)果顯示，提出的資源調(diào)度策略比ABS策略有更好的系統(tǒng)性能，這在扇區(qū)平均吞吐量和10%小區(qū)邊緣用戶平均數(shù)據(jù)速率的增益上均有體現(xiàn)．

［1］KLESSING H，F(xiàn)EHSKE A J，F(xiàn)ETTWEISGP．Energy Efficiency gains in interference-limited heterogeneous cellular mobile radio networks with random micro site deployment:Sarnoff Symposium［C］．New Jersey:IEEE，2011．

［2］MCLAUGHLIN S，GRANT PM，THOMPSOM J S，et al．Techniques for improving cellular radio base station energy efficiency［J］．IEEE Wireless Commun，2011，18(5):10 －17．

［3］NOVLAN T D，GANTI R K，GHOSH A，et al．Analytical evaluation of fractional frequency reuse for hetergeneous cellular networks［J］．IEEE Trans．Commun，2012，60(70):2029 － 2039．

［4］CHANG Y J，TAO Z F，ZHANG J Y，et al．A grap-based approach to multi-cell OFDMA down link resource allocation:IEEE Global Telecommunications Conf［C］．New Orleans:IEEE，2008．

［5］BRELAZ D．New methods to color the vertices of a graph［J］．Communications of the ACM，1979，22(4):251 －256．

［6］3GPP TR 36．814 v9．0．0．Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)［S］．Valbonne:3GPP，2010．