一種同頻異構(gòu)網(wǎng)中上行干擾集中調(diào)度方案

王增鑫，邱玲

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027）

一種同頻異構(gòu)網(wǎng)中上行干擾集中調(diào)度方案

王增鑫，邱玲

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027）

異構(gòu)技術(shù)，即在同一區(qū)域部署使用相同頻段的宏基站和微基站技術(shù)，可以有效地提升系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。然而，微基站的上行吞吐量，會由于上下行不平衡而受到嚴(yán)重影響。定義對微基站上行吞吐量影響巨大的高干擾用戶，提出一種基于現(xiàn)有WCDMA協(xié)議的高干擾用戶識別方案。通過針對性地對這些高干擾用戶進(jìn)行集中調(diào)度，可以減少對微基站上行造成嚴(yán)重干擾的子幀數(shù)，進(jìn)而提升微基站上行吞吐量。

異構(gòu)網(wǎng)；上下行不平衡；高干擾用戶；上行干擾集中調(diào)度

0 引言

WCDMA系統(tǒng)中上下行干擾的識別與其解決方案一直是3GPP關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)的研究條目之一。本文聚焦于同頻異構(gòu)部署中，由于上下行不平衡，導(dǎo)致的微基站上行吞吐量受宏基站用戶影響嚴(yán)重的問題。

上下行不平衡［1］，其起因在于微基站與宏基站的發(fā)射功率相差較大，而用戶歸屬依據(jù)下行導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致宏基站覆蓋范圍較大而微基站覆蓋范圍較小。這樣，部分距離微基站較近而離宏基站較遠(yuǎn)的用戶卻歸屬到宏基站中。這部分用戶在向宏基站發(fā)送上行數(shù)據(jù)時，會造成微基站收到的干擾信號強(qiáng)度大于宏基站收到的有用信號的強(qiáng)度，這會對微基站造成嚴(yán)重干擾，本文將這些宏基站用戶定義為高干擾用戶。

為了克服同頻異構(gòu)網(wǎng)中的上下行不平衡問題，可以采用小區(qū)擴(kuò)展［2－4］和抬升上行發(fā)射功率［5］等方案。

小區(qū)擴(kuò)展是指用戶歸屬時可以在接收到的微基站下行導(dǎo)頻信號相對宏基站較弱時，依舊選擇接入微基站。這樣可以緩解上下行不平衡問題，然而Khandekar［6］指出，小區(qū)擴(kuò)展會導(dǎo)致額外的下行問題。

高通公司［5］提出了一種通過增加微基站用戶的發(fā)射功率來降低來自周圍小區(qū)干擾的方案。然而，此方案會給周圍小區(qū)引入干擾并縮短微基站用戶的電池壽命。

本文提出一種基于WCDMA協(xié)議中同頻測量事件的方案來識別高干擾用戶，并提出一種宏基站上行調(diào)度方案，在不損失宏基站性能的基礎(chǔ)上提升微基站上行吞吐量。理論上的分析和仿真結(jié)果表明，本文所提方案可以有效提升微基站上行吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

典型的異構(gòu)網(wǎng)部署如圖1所示，圖中用戶1、用戶2和用戶3都?xì)w屬到宏基站，而用戶4歸屬到微基站，其中用戶2和用戶3就是之前所定義的高干擾用戶。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)部署

設(shè)某小區(qū)在子幀u中，被某微基站調(diào)度到的微用戶共有Np，u個，被宏基站調(diào)度到的該微基站的高干擾用戶（它們是宏用戶）共有Nh，u個。

記pR，k，u為微基站在子幀u中接收到的來自微用戶k的接收功率；pH，i，u為微基站在子幀u中接收到的來自高干擾宏用戶i的接收功率。p0，u包含了微基站接收到的來自宏基站其他用戶的干擾和鄰基站的干擾以及熱噪聲，根據(jù)文獻(xiàn)［7］，在WCDMA系統(tǒng)中可以將其建模為：

式中，ξ為小區(qū)復(fù)用因子。

于是微基站用戶k在第u個子幀上的信干噪聲比可以表示為：

2 干擾集中調(diào)度算法

傳統(tǒng)的上行調(diào)度方案有輪詢調(diào)度、比例公平調(diào)度和最大信干比調(diào)度等。比例公平調(diào)度和最大信干比調(diào)度等都是選擇信道條件較好的上行用戶進(jìn)行調(diào)度以達(dá)到較好的吞吐量等。但在實際系統(tǒng)中，上行用戶可以通過控制自身發(fā)射功率以抵消信道帶來的影響，因此采用最為公平的輪詢調(diào)度作為對比方案。

2.1 干擾集中調(diào)度算法

上行輪詢調(diào)度方案并不關(guān)心高干擾用戶，宏基站可能會在很多子幀上調(diào)度到它們，這會導(dǎo)致相應(yīng)的微基站可能在很多子幀上遭受強(qiáng)干擾。干擾集中算法首先是識別對應(yīng)每個微基站的高干擾宏用戶，之后通過劃分子幀的方法將高干擾宏用戶集中在若干特定的子幀上調(diào)度，這樣微基站用戶可以在更多的子幀上不再遭受高干擾用戶帶來的強(qiáng)干擾，進(jìn)而提升微基站用戶總的吞吐量。進(jìn)一步，由于只是改變宏用戶的調(diào)度順序，因此不會影響宏用戶的性能。

2.2 識別高干擾用戶

在WCDMA系統(tǒng)實際部署中，如果宏用戶距離微基站距離很近，那么它會觸發(fā)軟切換條件，進(jìn)而成為軟切換區(qū)域用戶［8］，這些用戶可以接收微基站的功控，因此不再是高干擾用戶。而那些距離微基站較近卻不足以觸發(fā)軟切換條件的宏用戶就是前述所定義的高干擾用戶。

通過放松軟切換的條件，此時新觸發(fā)軟切換的用戶就是高干擾用戶。為了不影響系統(tǒng)中軟切換技術(shù)的正常使用（軟切換通過同頻測量事件1a0和1b0識別軟切換區(qū)域用戶），新定義測量事件1a0如下：

測量事件1b0如下：

式中，PCO為新定義的參數(shù)，是指高干擾用戶對微基站的干擾強(qiáng)度，PCO越小，軟切換條件放松得越小，則識別的高干擾用戶對微基站干擾越大，識別出來的高干擾用戶數(shù)目越少；反之，識別的高干擾用戶對微基站干擾越小，數(shù)目越大。其他參數(shù)的意義與測量事件1a和1b相同。

當(dāng)某宏用戶觸發(fā)關(guān)于某微基站的1a0事件時，將其標(biāo)記為該微基站的高干擾用戶；當(dāng)某高干擾用戶觸發(fā)關(guān)于相應(yīng)微基站的1b0事件時，將其標(biāo)記為普通用戶，不再是高干擾用戶。

2.3 調(diào)度宏基站用戶

首先，宏基站將宏用戶劃分為普通用戶和高干擾用戶2組。如果小區(qū)內(nèi)有多個微基站，那么再次劃分高干擾用戶，使得每個微基站對應(yīng)一組其相應(yīng)的高干擾用戶。之后，宏基站按照普通用戶和高干擾用戶的比例將上行數(shù)據(jù)幀劃分為普通子幀和高干擾子幀。如果有多個高干擾用戶組（對應(yīng)多個微基站），那么再次根據(jù)每個組內(nèi)的用戶數(shù)等比例劃分高干擾子幀。

宏基站在普通子幀上只調(diào)度普通的宏用戶，在高干擾子幀上只調(diào)度相應(yīng)的高干擾用戶，這樣可以實現(xiàn)高干擾用戶的集中調(diào)度。再次，宏基站可以和微基站協(xié)作，當(dāng)宏基站調(diào)度相應(yīng)的高干擾用戶時，通知相應(yīng)的微基站，使其微用戶抬升其發(fā)射功率，如文獻(xiàn)［4］中方法，這可以作為進(jìn)一步的研究方向。

2.4 干擾集中算法的理論增益

WCDMA系統(tǒng)上行調(diào)度受熱噪聲抬升（RoT）這一參數(shù)的控制，RoT定義為：

式中，Itotal、I0分別為基站接收到的全部功率和基站背景熱噪聲。

為了保證實際系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，小區(qū)的RoT不能超過門限值RoTtarget。在采用高速上行分組技術(shù)（HSUPA）后，用戶的調(diào)度被放在Node B處理，這樣可以更加靈活有效地利用上行資源RoT。于是，可以假設(shè)實際中RoT＝RoTtarget［9］。

設(shè)宏基站在U個子幀上可以完成小區(qū)內(nèi)所有Tm個宏用戶的一次調(diào)度，每個子幀上調(diào)度Nm個宏用戶，根據(jù)文獻(xiàn)［4］的建議，這些宏用戶均分所有的RoT資源，設(shè)宏用戶中一共有Th個是某微基站的高干擾用戶。設(shè)該微基站于此同時也調(diào)度了U個子幀，每個子幀上調(diào)度的用戶數(shù)Np，u＝Np。

簡便起見，設(shè)在干擾集中算法中，宏基站在開始的U1個子幀調(diào)度高干擾用戶，在之后的U～U1個子幀中調(diào)度普通用戶。

考察微基站用戶在這U個子幀中的可達(dá)速率，輪詢算法中為：

在干擾集中算法中為：

式中，

其中，

如前所述，采用HSUPA技術(shù)后，可以迅速充分地利用上行資源，因此在每個子幀上微基站的接收功率都達(dá)到目標(biāo)接收功率［9］，于是，

由以上信干噪比的式（1）、式（4）和式（5）可以得到：

比較干擾集中算法與輪詢算法的微基站用戶可達(dá)速率的差值：

將式（1）、式（2）和式（5）帶入可得：

由式（6）容易推出：

于是可以得到Δr≥0恒成立。這證明了在微基站用戶上行可達(dá)速率上，干擾集中算法相對于輪詢算法總是有非負(fù)的增益。

關(guān)于干擾集中算法對宏用戶的影響，可以從宏用戶被調(diào)度的次數(shù)考慮。

在輪詢算法中，保證了調(diào)度次數(shù)不變也就保證了宏用戶的可達(dá)速率不會受到影響。

3 仿真結(jié)果分析

本節(jié)采用仿真對干擾集中算法的性能進(jìn)行驗證，主要的仿真參數(shù)采用文獻(xiàn)［10－12］建議，其中接收帶寬為3.84 MHz，小區(qū)距離為1 km，每扇區(qū)用戶數(shù)16，用戶分布方式為3／4熱點分布，微站和宏站的發(fā)射功率分別為30 dBm和43 dBm。

分別使用輪詢和干擾集中方案時，宏基站用戶的平均上行吞吐量如表1所示。由表1可以看出，如同理論分析，干擾集中方案對宏基站用戶的性能沒有影響。

表1 宏基站用戶上行平均吞吐量

分別使用輪詢和干擾集中方案時，微基站用戶的平均上行吞吐量如表2所示，其中使用了輪詢方案的性能做了歸一化。由表2可以看出，干擾集中方案可以得到明顯的性能增益。而且，增益與PCO明顯相關(guān)。這是因為當(dāng)PCO較小時，如前所述，只是識別干擾很強(qiáng)的用戶，導(dǎo)致識別出的高干擾用戶數(shù)目很少，因此增益較小；當(dāng)PCO逐漸變大時，可以識別出較多的高干擾用戶，因此增益逐漸變大；當(dāng)PCO過大時，會將某些普通用戶誤判為高干擾用戶，導(dǎo)致增益變小。

表2 微基站用戶上行平均吞吐量

4 結(jié)束語

提出了一種異構(gòu)網(wǎng)中可以有效提升微基站用戶上行吞吐量的干擾集中宏用戶調(diào)度方案，并通過理論分析和仿真驗證了其性能。值得注意的是，PCO參數(shù)對仿真結(jié)果影響較大，實際中應(yīng)設(shè)置合適的值。之后的研究點可以是當(dāng)宏基站調(diào)度高干擾用戶時，相應(yīng)的微基站可以做出協(xié)調(diào)，比如抬升微用戶的發(fā)射功率等。

［1］SUN H，WANG R，KAPOOR R，et al.Introducing Hete RogeneousNetworksinHspa［C］∥Communication（ICC）.2012 IEEE International Conference on.IEEE，2012：6 045－6 050.

［2］GUVENC I.Capacity and Fairness Analysis of Heterogene-ous Networks with Range Expansion and Interference Coordination［J］.Communicati ons Letters，IEEE，2011，15（10）：1 084－1 087.

［3］R1－083813.Range Expansion for Efficient Support of HeterogeneousNetworks.3GPPTSGRANWG1［S］，2008.

［4］侯 煜，梁曉雯.一種基于預(yù)編碼的異構(gòu)網(wǎng)下行干擾協(xié)調(diào)方法［J］.無線電工程，2014，34（5）：1－4.

［5］R1－131574.Adaptive LPN UL Padding in Cochannel HetNets Deployment［S］，2013.

［6］KHANDEKAR A，BHUSHAN N，TINGFANG J，et al.Lte-ad vanced：Heterogeneous Networks［C］∥Wireless Con-ference（EW），2010 European.IEEE，2010：978－982.

［7］LEE J S，MILLER L E.CDMA Systems Engineering Hand-book［M］.Artech House，Inc.，1998.

［8］汪力波，邱 玲.一種HSDPA異構(gòu)網(wǎng)中軟小區(qū)自適應(yīng)協(xié)作算法［J］.無線電工程，2014，44（7）：1－3.

［9］HOLMA H，TOSKALA A.HSDPA／HSUPA for UMTS：High Speed Radio Access For Mobile Comm-unications［M］.John Wiley＆Sons，2007.

［10］R1－125312.TP on Simulation Assumptions for Evaluation of HSPA Heterogeneous Networks［S］，2013.

［11］R1－124624.Skeleton of UMTS Heterogeneous Networks. Technical Report Huawei HiSilicon［S］，2012.

［12］R1－121436.Study on UMTS Heterogenerous Networks. Huawei Hisilion Qualcomm［S］，2012.

A Novel Uplink Interference Coordination Scheme in Co-channel HetNets Deployment

WANG Zeng-xin，QIU Ling
（University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230027，China）

Heterogeneous deployment is a promising solution to enhance both system capacity and coverage，where the existing macro cell is overlaid with Low Power Nodes（LPNs），such as pico cells.However，the performance of heterogeneous networks，especially the performance of pico cells，is seriously decreased due to the Downlink-Uplink（DL-UL）imbalance.In order to improve the uplink throughput of pico cells，this paper proposes a novel uplink interference coordination scheme by distinguishing High Interference UEs and scheduling them together.Moreover，the proposed scheme does not affect the uplink throughput of the macro cell.Both theoretical analysis and simulation results show the significant gain of the proposed scheme compared with traditional schedule schemes.

heterogeneous network；DL-UL imbalance；high interference UE；uplink interference coordination

TN92

A

1003－3106（2015）11－0001－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.01

王增鑫，邱玲.一種同頻異構(gòu)網(wǎng)中上行干擾集中調(diào)度方案［J］.無線電工程，2015，45（11）：1－4.

王增鑫男，（1990—），碩士。主要研究方向：無線資源管理和無線干擾管理。

2015-07-28

中國科大—華為合作基金資助項目（YB2012110120）。

邱 玲女，（1963—），教授。主要研究方向：擴(kuò)頻通信、無線資源管理、多用戶MIMO、中繼協(xié)作通信和綠色通信。