基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作方案及容量分析?

王鵬，肖海林（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作方案及容量分析?

王鵬，肖海林
（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

針對無線蜂窩網(wǎng)中的小區(qū)間干擾問題，給出一種基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作傳輸方案。該方案將小區(qū)用戶劃分為中心用戶和邊緣用戶，中心用戶采用頻率復(fù)用因子為1的本地基站通信，邊緣用戶采用頻率復(fù)用因子為3的多基站協(xié)作通信，并通過對多個小區(qū)的基站進行功率控制，達到抑制小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)容量的目的。數(shù)值分析表明，相對于傳統(tǒng)多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)（Traditional Multi-Cell System，TMCS）和廣義分布式天線系統(tǒng)（Generalized Distributed Antenna System，GDAS），所提多小區(qū)協(xié)作蜂窩系統(tǒng)（Multi-Cell Cooperative System，MCCS）可以有效地克服小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)容量。關(guān)鍵詞：多小區(qū)協(xié)作；小區(qū)間干擾；部分頻率復(fù)用；功率控制；遍歷容量

1 引言

自無線通信誕生以來，干擾問題一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重要研究方向之一［1］。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)可以有效地抑制小區(qū)內(nèi)部干擾，但是小區(qū)間干擾（Inter-Cell Interference，ICI）依然存在，且對邊緣用戶影響較大［2］。因此，如何有效地降低傳統(tǒng)多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)（Traditional Multi-Cell System，TMCS）的ICI，提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量和系統(tǒng)容量，有著極為重要的現(xiàn)實意義［3］。

為了降低ICI對邊緣用戶的影響，增強信號覆蓋范圍，文獻［4］將多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)與分布式天線技術(shù)相融合，提出可以提高系統(tǒng)容量的廣義分布式天線系統(tǒng)（Generalized Distributed Antenna System，GDAS）。然而，當移動用戶靠近某根天線時，其余遠端天線不能帶來明顯增益，且隨著移動用戶數(shù)量的增多，其資源分配較困難［5］。為了在不增加工程實現(xiàn)難度的情況下降低ICI，研究人員提出了頻率復(fù)用技術(shù)［6］。在蜂窩小區(qū)中使用頻率復(fù)用可以有效抑制ICI對邊緣用戶的影響，然而該方法的頻率利用率較低［7］。為了在最大化頻帶利用率的前提下降低ICI，提高系統(tǒng)容量，多小區(qū)協(xié)作處理技術(shù)被提出［8］。相對于TMCS，多小區(qū)協(xié)作處理可以將鄰近小區(qū)的干擾變?yōu)榭捎眯盘?，有效改善邊緣用戶的接收信干噪比（SINR），提高系統(tǒng)總?cè)萘浚?］。文獻［10］提出一種由60°角扇區(qū)天線覆蓋成的三角形協(xié)作小區(qū)以及相應(yīng)的功率控制策略，該方案可以增大小區(qū)信號覆蓋面積并提高系統(tǒng)容量。然而，在實際的通信系統(tǒng)中，較難設(shè)計60°角定向天線［11］。文獻［12］研究了一種基于頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作機制，在提高邊緣用戶吞吐量的同時，該方案兼顧了用戶占用子信道的公平性，然而，文中并沒有從基站發(fā)射功率的角度對系統(tǒng)容量做具體討論。

綜合考慮實際的通信環(huán)境，本文給出一種基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作通信方案。該方案將小區(qū)的移動用戶分為中心用戶和邊緣用戶，中心用戶由本小區(qū)基站采用全頻帶復(fù)用進行通信，邊緣用戶采用頻率復(fù)用因子為3的復(fù)用方法，與相鄰的多個基站協(xié)作通信。并通過對各基站進行功率控制，達到降低ICI，提高系統(tǒng)容量的目的。從數(shù)值分析結(jié)果看出，該協(xié)作通信系統(tǒng)可以有效改善小區(qū)邊緣用戶的SINR，提高系統(tǒng)容量。

2 系統(tǒng)模型

在無線蜂窩網(wǎng)中，若用戶接收信號功率為Pr，小區(qū)內(nèi)部干擾信號功率為P′i，其他小區(qū)的同頻干擾信號功率為Pi，高斯白噪聲功率為Pn，則用戶的接收SINR可以表示為

若下行使用OFDM技術(shù)，則小區(qū)內(nèi)部干擾可以忽略，考慮到頻率復(fù)用，上式改寫為［13］

其中，kFRF為頻率復(fù)用因子。由香農(nóng)定理可得帶寬為W的平坦衰落信道的信道容量為

因此，當無線蜂窩網(wǎng)在使用不同的kFRF時，小區(qū)邊緣用戶的SINR和信道容量的變化曲線如圖1所示，其參數(shù)設(shè)置見表1。

從圖1看出，小區(qū)邊緣用戶的SINR隨kFRF的增大而逐步增大。在kFRF=3時，邊緣用戶的SINR明顯上升，此時小區(qū)的可用帶寬僅為總帶寬的1／3，但較高的SINR彌補了帶寬的損失，信道容量取得極大值；隨著kFRF的增加，SINR呈上漲趨勢，而SINR的增大并不能抵消因帶寬損失帶來的性能下降，故信道容量逐步減小。邊緣用戶的SINR和信道容量在kFRF=3時得到最佳折衷。因此，為了在降低ICI的同時保證較高的頻率利用率，可在受ICI影響輕微的小區(qū)中心取kFRF=1，而在受ICI影響嚴重的小區(qū)邊緣取kFRF=3。

由上述分析，得到基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作蜂窩系統(tǒng)（Multi-Cell Cooperative System，MCCS），如圖2所示。該系統(tǒng)將每個小區(qū)分成內(nèi)、外兩個部分，并將外部區(qū)域劃為3個扇區(qū)。各基站位于小區(qū)中央，配置1根全向天線和3根120°角定向天線。在半徑為R1的區(qū)域內(nèi)，用戶僅與本小區(qū)的單個基站通信，該區(qū)域稱為獨立通信區(qū)（Independent Communication Region，ICR）；超出ICR后，用戶與相鄰的3個基站聯(lián)合通信，稱該區(qū)域為協(xié)作通信區(qū)（Cooperative Communication Region，CCR）。扇區(qū)天線負責為各自的CCR服務(wù)，全向天線覆蓋整個ICR。MCCS的可用頻率資源劃分為F0、F1、F2、F34部分。ICR使用F0子頻段，基站以較低的發(fā)射功率滿足移動用戶服務(wù)質(zhì)量的需求。F1、F2、F3分別用于3個扇區(qū)天線。各基站通過光纖骨干網(wǎng)絡(luò)或其他高速傳輸媒介連接到中央控制單元，對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，以便各基站共享信道狀態(tài)、交換用戶數(shù)據(jù)以及協(xié)作聯(lián)合發(fā)射信號等。

3 功率控制方案

如上所述，MCCS根據(jù)基站天線到移動用戶的距離劃分為ICR和CCR兩部分。在這兩個區(qū)域內(nèi)，基站采用不同的發(fā)射功率服務(wù)移動用戶。各基站在小區(qū)內(nèi)與其距離為di的移動用戶使用的功率控制方案如下［10］：

式中，γ0為di=R1處移動用戶的平均接收SNR，α為路徑損耗因子。由式（4）可以看出，在ICR中，隨著移動用戶與基站距離的增加，基站天線的發(fā)射功率不斷增大。移動用戶進入CCR后，基站天線的發(fā)射功率不再改變。因此，各基站的最大發(fā)射功率為

在CCR中，3個相鄰小區(qū)的基站協(xié)作通信，將傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的ICI變?yōu)橛杏眯盘?，以提高邊緣用戶的通信質(zhì)量。

4 小區(qū)容量分析

多基站協(xié)作通信中，各天線間的大尺度衰落不均衡，Q根發(fā)射天線相距很遠，離散放置，而P根接收天線位于移動用戶，集中放置。移動用戶接收到的信號可以表示為

其中，Ceq表示信道容量，IP為P×P維的單位矩陣，ρ為接收天線的平均SNR。

若移動用戶只有1根天線，ICR的遍歷容量為C1，CCR的遍歷容量為C2，由圖3知，MCCS單小區(qū)的遍歷容量可以表示為

4.1 獨立通信區(qū)的遍歷容量C1

在第i個基站的ICR內(nèi)，移動用戶僅與該基站的單根全向天線通信。此時第i個基站與該用戶間的無線信道成為一個標量，即

因此，移動用戶的接收信號可以表示為

式中，第一項為有用信號，第二項表示其余小區(qū)基站對移動用戶的干擾信號，第三項為高斯白噪聲。

基站對ICR的平均發(fā)射功率為

因此，對于第i個基站的ICR內(nèi)的移動用戶，其干擾功率為

由式（7）可得，在圖3中ICR的某個固定位置M，移動用戶的遍歷容量為

4.2 協(xié)作通信區(qū)的遍歷容量C2

當移動用戶進入CCR后，將同時接收來自3個相鄰基站的發(fā)射信號。此時，移動用戶的接收信號可以表示為

式中，第一項為有用信號，第二項為高斯白噪聲。

移動用戶在圖3中CCR的某個固定位置M的遍歷容量可以表示為

綜上所述，整個MCCS單小區(qū)的遍歷容量可以表示為

5 數(shù)值分析

本節(jié)主要從移動用戶在小區(qū)中的位置對其接收SINR的影響、基站發(fā)射功率、路徑損耗因子對系統(tǒng)遍歷容量的影響三方面對MCCS、TMCS以及GDAS 3種小區(qū)結(jié)構(gòu)進行數(shù)值比較分析。GDAS采用文獻［4］中以移動用戶與最近的基站間距離為基準進行功率控制的方案，即各基站的發(fā)送功率均為Px=，其中dmin為移動用戶與其相距最近的基站的距離。在以下數(shù)值分析中，假設(shè)這三種小區(qū)有相同的硬件設(shè)施，令R=3R1，并將R1歸一化為1。

移動用戶在圖3中沿直線AD運動，即用戶由ICR進入CCR后，沿小區(qū)臨界處移動的各點的接收SINR變化曲線，如圖4所示。圖中橫坐標為移動用戶與基站1的距離，縱坐標為移動用戶的接收SINR。參數(shù)設(shè)置為γ0=20 dB，α=4。從圖4看出，在MCCS中，移動用戶的接收SINR分布在6.3～10.1 dB之間，相對均勻，受ICI影響較小。在d=R1處，用戶的接收SINR有一跳變，這是由于移動用戶進入CCR后，相鄰基站變干擾為有用信號，改善了用戶的接收SINR。在GDAS和TMCS中，移動用戶的接收SINR的分布區(qū)間為0.8～9.2 dB和-1.8～10.1 dB，變化劇烈，受ICI影響嚴重。

圖5 分析了移動用戶在圖3中沿直線AC運動，也即移動用戶由基站1附近沿直線移動到基站2附近的接收SINR的變化情況，參數(shù)設(shè)置與圖4相同。從圖5可以看出，移動用戶在各系統(tǒng)中的接收SINR的分布情況與圖4基本一致。另外，沿該路徑運動時，移動用戶在MCCS中的接收SINR均高于GDAS和TMCS。

對比不同的基站發(fā)射功率下，3種系統(tǒng)的遍歷容量變化情況，如圖6所示，設(shè)定α=4。從圖6可以看出，在γ0=5 dB，即低信噪比時，MCCS的遍歷容量均大于GDAS和TMCS；當5 dB＜γ0＜15 dB時，MCCS的遍歷容量增長速度明顯快于另外兩種系統(tǒng)，說明MCCS能夠更加有效地抑制因基站發(fā)送功率增大而帶來的ICI；在γ0大于15 dB后，各系統(tǒng)的遍歷容量保持穩(wěn)定，且MCCS的遍歷容量約為GDAS的3.2倍，約為TMCS的6.5倍。

圖7 分析了在γ0=10 dB和γ0=20 dB時，不同路徑損耗因子α對3種系統(tǒng)遍歷容量的影響。從圖中可以看出，隨著α的不斷增加，3種系統(tǒng)的遍歷容量均呈線性增長趨勢，并且各系統(tǒng)在圖6中的容量倍數(shù)關(guān)系仍然成立。

6 結(jié)束語

多小區(qū)協(xié)作處理是未來無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將頻率復(fù)用技術(shù)和多小區(qū)協(xié)作處理技術(shù)相結(jié)合，研究了一種基于部分頻率復(fù)用的多小區(qū)協(xié)作傳輸方案。從文中的分析結(jié)果看出，在基站最大發(fā)射功率受限、小區(qū)硬件設(shè)施完全相同的條件下，MCCS可以有效地抑制ICI對邊緣用戶的影響，提高系統(tǒng)總?cè)萘?。在今后的工作中，將對MCCS的功率分配方案進行深入研究。

［1］Gesbert D，Hanly S，Huang H，et al.Multi-cell MIMO cooperative networks：a neWlook at interference［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2010，28（9）：1380-1408.

［2］丁市召，張祖凡.LTE-Advanced中OFDM技術(shù)的研究進展［J］.電訊技術(shù)，2010，50（4）：112-116. DING Shi-zhao，ZHANG Zu-fan.Development progress of OFDMtechnology for LTE-advanced system［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（4）：112-116.（in Chinese）

［3］Ge X，Huang K，Wang C X，et al.Capacity analysis of a multi-cellmulti-antenna cooperative cellular network with cochannel interference［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10（10）：3298-3309.

［4］Wang X，Zhu P，Chen M.Antenna location design for generalized distributed antenna systems［J］.IEEE Communications Letters，2009，13（5）：315-317.

［5］Park J，Song E，Sung W.Capacity analysis for distributed antenna systems using cooperative transmission schemes in fading channels［J］.IEEE Transactions onWireless Communications，2009，8（2）：586-592.

［6］Novlan TD，Ganti R K，Ghosh A，et al.Analytical evaluation of fractional frequency reuse for OFDMA cellularnetworks［J］.IEEE Transactions onWireless Communications，2011，10（12）：4294-4305.

［7］Wang L C，Yeh C J.3-Cell network MIMO architectures with sectorization and fractional frequency reuse［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2011，29（6）：1185-1199.

［8］Bjerke B A.LTE-advanced and the evolution of LTE deployments［J］.IEEEWireless Communications，2011，18（5）：4-5.

［9］Tajer A，Wang X.Information exchange limits in cooperative MIMO networks［J］.IEEE Transactionson Signal Processing，2011，59（6）：2927-2942.

［10］呂星哉，王振，朱近康.三角形蜂窩小區(qū)的遍歷信息論容量分析［J］.電子與信息學(xué)報，2008，30（4）：801 -804. LV Xing-zai，WANG Zhen，ZHU Jin-kang.Ergodic information-theoretic capacity of triangular cell［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2008，30（4）：801-804.（in Chinese）

［11］Li P，Zhang C，F(xiàn)ang Y.The capacity of wireless ad hoc networks using directional antennas［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2011，10（10）：1374-1387.

［12］Li H，Luo H，Chen W，et al.Multi-cell cooperation with fairness constraint in the downlink OFDMA cellular networks［J］.IEICE Transactions on Communications，2010，93（6）：1653-1656.

［13］3GPPR1-050507，Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE［S］.

WANG Peng was born in Sanmenxia，Henan Province，in 1987.He received the B.S.degree froMHenan University in 2009.He is noWa graduate student.His research interests include personal communications andmobile communications.

Email：wp14767273＠163.com

肖海林（1976—），男，湖北黃岡人，1998年于武漢大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2004年于廣西師范大學(xué)獲碩士學(xué)位，2007年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教授，主要研究方向為智能天線、MIMO移動通信系統(tǒng)、協(xié)同通信技術(shù)。

XIAO Hai-lin was born in Huanggang，Hubei Province，in 1976.He received the B.S.degree froMWuhan University，the M.S.degree froMGuangxiNormal University，and the Ph.D.degree froMUniversity of Electronic Science and Technology of China in 1998，2004 and 2007，respectively.He is noWa professor.His research interests include MIMO wireless communications，cooperative communications and smart antenna techniques.

Email：xhl-xiaohailin＠yahoo.com.cn

Cooperative Scheme and Capacity Analysis of Multi-Cell SysteMBased on Fractional Frequency Reuse

WANGPeng，XIAO Hai-lin
（College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin 541004，China）

For the probleMof inter-cell interference（ICI）in wireless cellular networks，a strategy ofmulti-cell cooperative communication based on fractional frequency reuse（FFR）is presented.In this scheme，themobile users are divided into two categories，one is cell center user（CCU）and the other is cell edge user（CEU）.CCUs are served by local base station with universal frequency reuse and CEUs are supported by cooperative base stations with frequency reuse factor of 3.Based on FFR and power control for base station，the inter-cell interference is mitigated and system′s capacity is improved.Numerical results shoWthat compared with traditionalmulti-cell system（TMCS）and generalized distributed antenna system（GDAS），multi-cell cooperative system（MCCS）proposed in this paper can reduce the inter-cell interference efficiently，and also improve system′s capacity.

multi-cell cooperation；inter-cell interference（ICI）；fractional frequency reuse（FFR）；power control；ergodic capacity

The National Basic Research PrograMof China（2008CB317109）；The National Natural Science Foundation of China（No.61261018）；The Key PrograMof Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region（2011GXNSFD018028）；The Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region（0991241）；The Director Foundation of Key Laboratory of Wireless Broadband Communications and Information Processing of Guangxi Zhuang Autonomous Region（No.12111）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.11.011

王鵬（1987—），男，河南三門峽人，2009年于河南大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為個人通信與移動通信；

1001-893X（2012）11-1763-06

2012-04-05；

2012-05-23

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2008CB317109）；國家自然科學(xué)基金資助項目（61261018）；廣西自然科學(xué)基金重點項目（2011GXNSFD018028）；廣西科學(xué)基金資助項目（桂科自0991241）；廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室2012年度主任基金項目（12111）