基于TD-LTE系統(tǒng)的小區(qū)間干擾抑制策略研究

師彥靜，張浩

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

基于TD-LTE系統(tǒng)的小區(qū)間干擾抑制策略研究

師彥靜，張浩

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

針對TD-LTE系統(tǒng)存在的小區(qū)間干擾問題，提出一種基于博弈論思想的結(jié)合上行鏈路功率控制（UPC）和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）的小區(qū)間干擾抑制策略：首先將小區(qū)中用戶作為博弈參與者，為每個(gè)用戶分配一個(gè)合適的游戲者身份；然后為每個(gè)游戲者分配合適的UPC和ICIC算法使其參與博弈，最終達(dá)到抑制小區(qū)間干擾，且最大化系統(tǒng)吞吐量的目的.

TD-LTE；小區(qū)間干擾；博弈；功率控制；干擾協(xié)調(diào)

1 引言

作為TD-SCDMA的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，TD-LTE可以提供超過百兆的下行速率、更高的頻譜效率、更小的時(shí)延、自組織的網(wǎng)絡(luò)等.TD-LTE下行采用OFDMA技術(shù)，上行采用SC-FDMA技術(shù)，可以保證小區(qū)內(nèi)符號(hào)之間的正交性，有效降低了小區(qū)內(nèi)部的相互干擾.而為了節(jié)約有限的頻譜資源，TD-LTE采用同頻組網(wǎng)方式，這樣就帶來了嚴(yán)重的小區(qū)間干擾[1].因此，如何抑制小區(qū)間干擾（ICI）成為TD-LTE的研究熱點(diǎn).

小區(qū)間干擾源于資源的有限性，即有限的頻率、時(shí)間、碼字等資源，導(dǎo)致使用相同資源的用戶產(chǎn)生相互影響的干擾信號(hào).小區(qū)邊緣用戶由于受到較大的噪聲或來自相鄰小區(qū)的干擾導(dǎo)致SINR較低.避免或減輕小區(qū)間干擾（ICI），才能提高小區(qū)邊緣用戶性能，增加小區(qū)吞吐量.我們的目標(biāo)是通過適應(yīng)無線傳輸信道的特性，包括路徑損耗，陰影衰落和快衰落，以及克服來自其他小區(qū)用戶的干擾，從而使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大[2].

ICIC（Inter-Cell interference coordination）技術(shù)是解決TD-LTE同頻干擾的重要技術(shù)方案，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注.其基本思想是通過管理無線資源使小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個(gè)小區(qū)中資源使用和負(fù)載等情況而進(jìn)行的多小區(qū)無線資源管理方案.具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個(gè)小區(qū)中無線資源的使用進(jìn)行限制，包括限制時(shí)頻資源的使用或者在一定的時(shí)頻資源上限制其發(fā)射功率等[3].文獻(xiàn)[4]結(jié)合3GPP相關(guān)提案，按時(shí)間順序分三個(gè)階段，對LTE小區(qū)間干擾控制技術(shù)演進(jìn)進(jìn)程進(jìn)行介紹和總結(jié).文獻(xiàn)[5]提出了一種軟頻率復(fù)用的優(yōu)化算法，將外區(qū)用戶的軟頻率復(fù)用因子和分配給內(nèi)外區(qū)用戶的信道帶寬的聯(lián)合問題進(jìn)行簡化，從而得出對干擾協(xié)調(diào)和頻譜資源分配進(jìn)行聯(lián)合最優(yōu)化的方法.文獻(xiàn)[6]主要是從SFR沒有考慮用戶的QOS出發(fā)，提出了一種改進(jìn)的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)算法，同時(shí)考慮用戶的QOS和系統(tǒng)的吞吐量.G Li等[7]從概念角度給出了OFDMA系統(tǒng)的小區(qū)干擾模型，并從直觀思路出發(fā)給出處理多小區(qū)干擾的算法.文獻(xiàn)[8]提出了一種OFDMA系統(tǒng)上行鏈路子載波和功率分配算法，但是只考慮了單小區(qū)情況.

本文提出的方法是基于博弈理論方法，采用一定的游戲規(guī)則，結(jié)合上行鏈路功率控制（UPC）和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）算法使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu).該方法中用戶被定義為博弈參與者（player），每個(gè)游戲者有一些預(yù)定義的參數(shù)，例如，用戶的活動(dòng)、位置、業(yè)務(wù)類型、服務(wù)質(zhì)量、用戶的滿意度等.每個(gè)游戲者分配特定UPC和ICIC方法的組合，以達(dá)到所需的效用函數(shù)，并最大限度地提高系統(tǒng)的整體性能.

2 UPC和ICIC結(jié)合的博弈模型

2.1 為用戶分配游戲者身份

建立游戲者的主要目的是提供一個(gè)簡單的方法來管理使用UPC和ICIC規(guī)則的用戶組.上行鏈路小區(qū)間干擾控制是一個(gè)向UE分配角色的動(dòng)態(tài)過程.對于每個(gè)游戲者，UPC和ICIC規(guī)則是預(yù)先定義的，它具有專門面向游戲者的特性.為了提高系統(tǒng)性能，每個(gè)UE可以有多個(gè)游戲者身份，讓每個(gè)游戲者盡自己的最大可能來改善自己的性能.

根據(jù)用戶的類型、用戶到基站的距離、系統(tǒng)的負(fù)荷、業(yè)務(wù)類型等方面給用戶分配不同的游戲者身份.

從表1中可看出，每個(gè)用戶選擇使自身效用最大的游戲者身份.所以這個(gè)游戲者可以用下式來描述：

這里UETi是UEi的類型，∑UEAj是用戶i的行動(dòng)（即小區(qū)負(fù)載），UELoci是UEi的位置，fi是用戶i的效用函數(shù)，STi是服務(wù)類型，比如語音、數(shù)據(jù)、短消息、傳真、圖像和視頻等，pi是UEi的功率，Pn是整個(gè)小區(qū)的功率極限值.

2.2 為游戲者分配特定UPC和ICIC

下面以七小區(qū)蜂窩系統(tǒng)為例，我們認(rèn)為相當(dāng)小的小區(qū)在干擾受限的情況下，除了噪聲，ICI也會(huì)造成SINR減少[4].UE位于小區(qū)邊緣這種情況下僅僅應(yīng)用UPC可能是沒有幫助的，因?yàn)閷χ苓呅^(qū)的載波間干擾的功率也將增加.因此，結(jié)合UPC和ICIC的游戲者博弈論方法是可行的.

該方案是六邊形蜂窩布局，UE均勻分布，他們的效用函數(shù)不因服務(wù)基站的改變而改變.在這里，我們只考慮小區(qū)邊緣的UE.對于這些UE，采用開環(huán)功率控制（OLPC）和全頻率復(fù)用（FFR）.當(dāng)UE從小區(qū)中心移動(dòng)到小區(qū)邊緣時(shí)，由于來自相鄰基站的路徑損耗和干擾的增加，SINR降低.在這種情況下的SINR為[9]：

表1 各個(gè)時(shí)隙用戶分配的游戲者（player）身份

這里，α是路徑損耗因子，Pj是eNB的傳輸功率，n是相鄰的eNB的數(shù)目，Pk是來自相鄰基站的干擾功率，rj是UE到服務(wù)基站的距離，rk是UE到每個(gè)相鄰基站的距離，N0B是背景噪聲，其中N0是熱噪聲，B是系統(tǒng)帶寬.

為了簡單說明UPC和ICIC方法組合的作用，我們將小區(qū)邊緣分成六個(gè)區(qū)域，每個(gè)邊緣區(qū)域分別標(biāo)有一個(gè)與其相鄰的小區(qū)對應(yīng)的小字母.OLPC在這里被建模為一個(gè)簡單的補(bǔ)償程序.如果用戶是位于中央?yún)^(qū)域，則功率控制機(jī)制是關(guān)閉的.在小區(qū)邊緣的UE收到補(bǔ)償與其角色相應(yīng)的相關(guān)功率電平pi.同樣，對于小區(qū)中心UE、ICI被忽略[9-11].小區(qū)中心的用戶對資源的使用沒有任何限制，有權(quán)使用所有可用的頻譜資源.如果用戶位于小區(qū)邊緣，根據(jù)其游戲者身份，具有較低干擾的用戶將優(yōu)先使用分配給這個(gè)區(qū)域的頻率資源，以使其效用函數(shù)最大化.為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，有必要通知相鄰小區(qū)該小區(qū)所使用的頻率資源情況.這可以通過一個(gè)簡單的鄰基站之間的信息交流實(shí)現(xiàn).

如圖1所示，對于一個(gè)給定的頻率資源接收信號(hào)110100，該信號(hào)意思是頻率資源A、B、D在eNB中使用，而頻率資源C、E、F沒有被使用.實(shí)際上，該信號(hào)可以被認(rèn)為是“活動(dòng)系數(shù)”，表示給定的頻率資源的利用系數(shù).類似的信息可用于網(wǎng)絡(luò)中的所有資源.收到此信息后，所謂的“權(quán)重系數(shù)（Weight）”被確定為每個(gè)扇區(qū)的每個(gè)載波頻率.它們是每個(gè)相鄰基站區(qū)域中的位置.在這個(gè)例子中權(quán)重系數(shù)如表2所示.將資源分配給在一個(gè)給定扇區(qū)具有最小權(quán)重系數(shù)（即干擾最?。┑囊粋€(gè)用戶.例如，如果我們假設(shè)在當(dāng)前的時(shí)刻，所有的資源是可用的，用戶在區(qū)域a，從表2中可以看出實(shí)現(xiàn)最佳SINR是權(quán)重系數(shù)為7的情況.

在上述考慮的基礎(chǔ)上，我們假定所有的基站采用相等傳輸功率（pj=pk），UE位于小區(qū)邊緣區(qū)域a.假設(shè)有嚴(yán)重的ICI干擾，那么背景噪聲N0B可以忽略.引入權(quán)重系數(shù)Wk及相應(yīng)每個(gè)相鄰的eNB（A，B，C，D，E，F(xiàn)）的活動(dòng)系數(shù)，SINR方程可以改寫為

圖1 結(jié)合UPC和ICIC的七小區(qū)模型

表2 與圖1對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)圖1，如果我們考慮信令為110100，根據(jù)所述UE的位置可以得出其權(quán)重系數(shù)，SNIR可以表示為

根據(jù)分析，小區(qū)邊緣（距離eNB 800 m～1000 m的距離）的SINR強(qiáng)烈依賴于負(fù)載.

從上述例子可以看出不同游戲者的UE根據(jù)其位置參數(shù)UELoci的不同，SINR強(qiáng)烈地依賴于用戶的活動(dòng)，實(shí)施UPC和ICIC取決于UE被分配的游戲者身份.在這種情況下，所謂的權(quán)重系數(shù)的功能劃分為不同的區(qū)域和不同的位置參數(shù).我們可以進(jìn)一步考慮，通過引入不同的集中區(qū)圍繞服務(wù)基站.根據(jù)位置參數(shù)，用戶活動(dòng)，包括在這個(gè)博弈場景中UE的請求，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)組合的UPC和ICIC算法.因此，我們根據(jù)方程（1）和表1中所示引入更多的參數(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)用戶最佳滿意度，當(dāng)然這取決于其最大效用函數(shù)定義的游戲者類型.

3 博弈過程描述

具體的游戲博弈過程如圖2所示.

在eNB中登記的用戶設(shè)備（UE）-UEi被分配一個(gè)初始游戲者身份P1，其相應(yīng)的ICIC和UPC算法-UPCA1.對于第一時(shí)隙，游戲者P1應(yīng)被分配eNB關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI），在第一個(gè)時(shí)隙的質(zhì)量評估中應(yīng)收集統(tǒng)計(jì)P1的作用.之前完成的第一個(gè)時(shí)隙計(jì)算UEi的效用函數(shù)值，決定是否采取改變目前分配的游戲者身份P1.如果效用函數(shù)的值在各自的質(zhì)量性能的置信區(qū)間的框架范圍內(nèi)，其身份應(yīng)予以保留至下一個(gè)時(shí)隙，如果它超越了范圍，游戲者身份從P1改變?yōu)镻j，進(jìn)而選擇適當(dāng)?shù)乃惴▉韴?zhí)行Pj-UP?CAj.

對于所提方法的有效實(shí)施，是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)挠螒蛘呱矸莺退惴橄乱粫r(shí)隙的UEi所用.另一個(gè)要考慮的問題是持續(xù)時(shí)間，即時(shí)隙，在此期間，一個(gè)游戲者進(jìn)行了LTE的UPC和ICIC具體計(jì)算效用函數(shù)的時(shí)間，不改變位置或當(dāng)前UEi的活動(dòng).因此，每個(gè)UEi形成一個(gè)動(dòng)態(tài)游戲者身份的繼承，這是依據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷與時(shí)間獲取、UEi類型、UEi的活動(dòng)、以及UEi位置方面的改變.在這個(gè)意義上LTE合并UPC和ICIC變成一個(gè)過程，并根據(jù)UEi的當(dāng)前活動(dòng)，UEi之間的相互關(guān)系，對每個(gè)時(shí)隙、每個(gè)UEi實(shí)際價(jià)值進(jìn)行間接評估.

圖2 游戲者博弈過程

4 結(jié)束語

本文提出的小區(qū)干擾抑制策略適用于TD-LTE上行鏈路通信，通過引入博弈論思想為用戶分配不同的游戲者身份，并為每個(gè)用戶分配合適的UPC和ICIC算法，求解速度快，系統(tǒng)復(fù)雜度低，易于工程實(shí)現(xiàn).在每個(gè)時(shí)隙游戲者身份是動(dòng)態(tài)的，這在很大程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性，減小了小區(qū)間干擾，提高了系統(tǒng)吞吐量.

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Inter-cell Interference Suppression Strategy Based on TD-LTE Communication Systems

SHI Yan-jing,ZHANG Hao
(Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

To solve the inter-cell interference problem in TD-LTE systems,a inter-cell interference suppression strategy is proposed based on game theory combination of uplink power control(UPC)and inter-cell interference coordination(ICIC)for TD-LTE communication systems.The main approach is divided into two steps.First,the users in the cell act as the game participants,and each user is assigned an appropriate identity of the player.Sec?ond,each player is assigned the UPC and ICIC algorithm makes its participation in the game,which can ultimate?ly inhibit the purpose of inter-cell interference and maximize system throughput.

TD-SCDMA Long Term Evolution,inter-cell interference,game theory,power control,inter-cell inter?ference coordination

TN929.5

A

1008-2794（2013）04-0095-05

2013-04-24

國家重大科技專項(xiàng)“基于TD-LTE系統(tǒng)的公網(wǎng)集群業(yè)務(wù)方案及關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012ZX03004009）；重慶市教委優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（Kjzh11206）

師彥靜，碩士，研究方向：移動(dòng)通信，E-mail：shiyanjing531@163.com.