LTE-A小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的分組干擾管理

王　路, 張道煦, 李　莉, 羅漢文,2

(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)

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LTE-A小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的分組干擾管理

王路1, 張道煦1, 李莉1, 羅漢文1,2

(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)

摘要:討論和研究了升級版長期演進(jìn)技術(shù)(Long-Term Evolution-Advanced,LTE-A)小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)(SCN)中的小區(qū)間相鄰信道的干擾問題,在此基礎(chǔ)上,給出了一種小小區(qū)分組關(guān)閉(SCGC)的方法.仿真結(jié)果表明,SCGC可以減少小小區(qū)相鄰信道的干擾,減少了功率消耗,從而有效地提高了系統(tǒng)吞吐量.

關(guān)鍵詞:干擾管理; LTE-A; 小小區(qū); 小小區(qū)分組關(guān)閉

數(shù)據(jù)量隨著用戶需求的增加而不斷地增加,因此,在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,如何提高系統(tǒng)的吞吐量越來越受到人們的關(guān)注.在由3GPP(3rd Generation Partnership Project)推進(jìn)的升級版長期演進(jìn)技術(shù)(LTE-A)中,將小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)(SCN)的引入作為標(biāo)準(zhǔn)制定的一項重要內(nèi)容.SCN可以提高宏小區(qū)覆蓋質(zhì)量,增加系統(tǒng)吞吐量.因此,未來的無線網(wǎng)絡(luò)中一個宏小區(qū)將包含大量的小小區(qū).

干擾管理是無線網(wǎng)絡(luò)中的一個基本問題[1].當(dāng)接口實現(xiàn)共享、頻率得到全復(fù)用和小小區(qū)部署密度被提高時,就需要管理小小區(qū)之間以及小小區(qū)與宏小區(qū)之間的干擾[2].針對宏小區(qū)與小小區(qū)之間的干擾問題,3GPP方案Rel.10中提出了增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(eICIC).還有的一些其他的干擾消除技術(shù),比如協(xié)作多點傳輸(CoMP)、干擾對齊(IA)技術(shù).由于CoMP和IA需要可靠的信道狀態(tài)信息,需要合作小區(qū)間的信息交流和高復(fù)雜度的計算.因此,它們在實際的SCN中的收益還是未知的[3].綜上所述,在實際的高密度部署的SCN中怎樣有效地減少小小區(qū)間的干擾仍然是一個有待研究的問題.

在通信系統(tǒng)中,如果扇區(qū)和小區(qū)在某些時候處于空閑模式或者暫時關(guān)閉這些扇區(qū)和小區(qū)時,可以減少功率密度,從而使干擾最小化[2].在家庭基站的概念出現(xiàn)后,就有學(xué)者開始研究在時分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中,通過關(guān)閉家庭基站的一些子幀來減少相鄰家庭基站之間的干擾,相應(yīng)地可以提高整個系統(tǒng)的吞吐量[4].小小區(qū)基站和家庭基站有很多類似之處,比如發(fā)射功率小、部署位置隨機(jī)等等.隨著LTE-A標(biāo)準(zhǔn)制定工作的不斷推進(jìn),人們開始討論在一個或多個子幀的時間內(nèi),對小小區(qū)基站進(jìn)行開關(guān)操作[5].

假設(shè)宏小區(qū)和小小區(qū)使用的是不同頻率段的資源,也就是說宏小區(qū)不會對小小區(qū)產(chǎn)生干擾.基于這個假設(shè),本文作者將提出的SCGC應(yīng)用在一個實際的SCN中.在實際的SCN中,該SCGC可以有效地消除小小區(qū)之間的干擾,降低功率消耗.通過系統(tǒng)級仿真驗證了所提出的SCGC的有效性.

其余部分安排如下:第1節(jié)介紹系統(tǒng)模型,描述SCN中的小小區(qū)之間的干擾問題.在第2節(jié)中具體介紹了SCGC的分組標(biāo)準(zhǔn)、小小區(qū)的關(guān)閉模式和分組干擾管理算法.第3節(jié)給出了仿真和結(jié)果分析.第4節(jié)總結(jié)全文.

1系統(tǒng)模型

圖1　SCN結(jié)構(gòu)

假設(shè)未來的一個宏小區(qū)中將高密度部署小小區(qū).那么,首先要確定一個宏小區(qū)部署多少個小小區(qū)才能稱作為高密度部署.根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究表明,當(dāng)宏小區(qū)內(nèi)的小小區(qū)部署超過10個時,系統(tǒng)的性能不會隨著部署密度的增加而顯著增加[3].所以,將討論一個宏小區(qū)內(nèi)部署20個小小區(qū)和100個用戶的干擾管理問題.SCN結(jié)構(gòu),如圖1所示.

假設(shè)每個小小區(qū)將相同的頻率資源平均分配給小小區(qū)內(nèi)的用戶.這就使得小小區(qū)基站在對其用戶進(jìn)行下行信號傳輸時會干擾其他小小區(qū)內(nèi)也在進(jìn)行下行信號接收的用戶.在圖1中,實線代表基站發(fā)送給覆蓋范圍內(nèi)用戶的下行傳輸信號,虛線代表基站對覆蓋范圍外用戶的干擾信號.此時,宏基站對小小區(qū)內(nèi)的用戶只進(jìn)行控制信號的傳輸.

2SCGC在實際SCN中的應(yīng)用

一般情況下,在LTE-A的SCN中每個用戶根據(jù)參考信號接收功率(RSRP)來選擇宏小區(qū)或者小小區(qū)作為自己的服務(wù)小區(qū).由于宏小區(qū)和小小區(qū)分別使用不同的頻段資源,所以如圖1所示,宏小區(qū)和小小區(qū)之間的干擾被排除在外.因此,將用戶記為k,用戶k的服務(wù)小區(qū)記為m,k接收到的每個小小區(qū)的功率記為q(i,k),i=1,2,3……N.每個用戶的SINR值可以寫成:

(1)

SCN內(nèi)用戶的吞吐量可以寫為:

(2)

其中BW為用戶的可用帶寬.

隨著小小區(qū)的部署密度的提高,一方面可以填補(bǔ)宏小區(qū)的覆蓋漏洞,但是另一方面相鄰小小區(qū)間用戶受到的干擾變得更嚴(yán)重.為了解決這個問題,本文作者給出了SCGC方法.

2.1小小區(qū)分組標(biāo)準(zhǔn)

在SCGC方法中,小小區(qū)首先被分為兩組,記為G1、G2.分組的標(biāo)準(zhǔn)可以是:

(1) 小小區(qū)內(nèi)用戶的平均信干噪比(SINR)值;

(2) 小小區(qū)服務(wù)的用戶數(shù)量;

(3) 小小區(qū)內(nèi)用戶的平均RSRP的值.

無論采用哪種方法分組,都通過宏基站進(jìn)行控制的.如果根據(jù)小小區(qū)內(nèi)用戶的平均SINR值進(jìn)行分組時,小小區(qū)基站將會在每次分組之前,計算出其服務(wù)用戶的平均SINR,并通過回程鏈路上報給宏基站.如果根據(jù)每個小小區(qū)基站的服務(wù)用戶數(shù)和用戶的平均RSRP值來進(jìn)行分組時,就不需要對小小區(qū)進(jìn)行計算.因為宏基站可以直接調(diào)用用戶服務(wù)基站信息.在(1)中,宏小區(qū)會將每個小小區(qū)內(nèi)用戶的平均SINR值進(jìn)行降序排列,將排在前面的10個小小區(qū)分為G1,其余的分為G2.(2)、(3)與(1)類似,就不在這里贅述了.

通過系統(tǒng)級仿真,發(fā)現(xiàn)不同的分組方法給系統(tǒng)帶來的增益將有所不同.

2.2關(guān)閉模式

圖2　關(guān)閉模式

在分組之后,宏小區(qū)就需要通過回程鏈路決定G2內(nèi)小小區(qū)采用的關(guān)閉模式,而G1內(nèi)的小小區(qū)不做任何開啟或關(guān)閉操作.如圖2所示,小小區(qū)可以根據(jù)它們的關(guān)閉模式選擇傳輸信號的開啟或關(guān)閉[4].關(guān)閉模式1事實上是G2中的小小區(qū)沒有進(jìn)行關(guān)閉操作.關(guān)閉模式2是關(guān)閉一個子幀,位置如圖2所示.關(guān)閉模式3～5也是關(guān)閉圖2中相應(yīng)的子幀來管理SCN中的小小區(qū)間的干擾.

當(dāng)G2處于開或關(guān)的時候,計算用戶的SINR的公式會發(fā)生變化.令SINR(1)、SINR(2)表示為G1中用戶分別在G2開和關(guān)時的SINR值,則:

SINR(1)(m,k)=

(3)

(4)

2.3分組干擾管理過程

針對實際的SCN結(jié)構(gòu),小小區(qū)的平均SINR分組干擾管理算法如下:

在給出的分組干擾管理過程中,一個管理周期為8個子幀.宏基站選擇關(guān)閉模式,并將關(guān)閉模式通知給其中一組的所有小小區(qū)基站,小小區(qū)根據(jù)宏基站選擇的關(guān)閉模式關(guān)閉相應(yīng)的幀,即在相應(yīng)的幀上不為用戶提供服務(wù),以減少對其他小小區(qū)的干擾.

平均SINR分組干擾管理算法如下:

1:初始化N0,K,N,則:

其中k=1,2,……K,K∈Φ;i=1,2,……N,N∈Φ,N0是高斯白噪聲功率,K是部署的用戶數(shù)目,N是部署的小小區(qū)數(shù)目.

2:計算每個用戶的SINR.

3:按SINR值降序排列分成兩組G1,G2.

4:宏基站選擇圖2中的關(guān)閉模式.

5:如果G2處于關(guān)閉模式:

如果G2處于開啟模式:

6:一次管理周期結(jié)束,返回1.

3仿真及結(jié)果分析

圖3　不同關(guān)閉模式下的吞吐量

通過分析,將不同的分組標(biāo)準(zhǔn),在不同的關(guān)閉模式下做了仿真.每次仿真都進(jìn)行隨機(jī)模擬,在宏小區(qū)中隨機(jī)地撒20個小小區(qū)和100個用戶.之后,每經(jīng)過8個子幀,更新一次用戶的位置,而小小區(qū)的位置在一次仿真中是固定不變的.當(dāng)G2關(guān)閉后,G2中的用戶選擇G1中RSRP最好的小小區(qū).這也符合實際的情況.如圖3所示,橫坐標(biāo)是關(guān)閉模式,縱坐標(biāo)是SCN中用戶的平均吞吐量.不同的分組方式在模式1到模式5上所獲得的吞吐量都是遞增的.可以看到,在采用關(guān)閉模式1、2、3、4時,使用c方案作為分組標(biāo)準(zhǔn),所獲得的吞吐量最大.當(dāng)采用關(guān)閉模式5時,使用a方案獲得的吞吐量超過了c方案.關(guān)閉模式5中G2組的小小區(qū),有一半的時間是處于關(guān)閉狀態(tài)的.而b方案,也就是根據(jù)小小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)來分組的方法,所獲得的吞吐量無論在哪個關(guān)閉模式下都是最低的.

4結(jié)論

本文作者討論了LTE-A網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)之間的干擾問題,提出了一種小小區(qū)密集部署場景下的分組干擾管理方法.在SCGC方法中,小小區(qū)根據(jù)平均SINR、平均RSRP和小小區(qū)用戶數(shù)量等不同的分組標(biāo)準(zhǔn)被分為兩組.通過系統(tǒng)級仿真,發(fā)現(xiàn)在不同的分組標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)閉模式下,可以得到的吞吐量大小關(guān)系.這有助于在不同的關(guān)閉模式下,選擇不同的分組標(biāo)準(zhǔn),使用戶吞吐量最大化.

當(dāng)然,本研究中,還有一些問題值得進(jìn)一步的探究.第一,由于所提出的分組標(biāo)準(zhǔn)并不是最佳的,可以尋找更加有效的分組標(biāo)準(zhǔn),使吞吐量最大化.第二,可以設(shè)計一種小小區(qū)和宏小區(qū)之間的分組模式.第三,分析考慮所提出方法中的回程性能的影響.

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(責(zé)任編輯：馮珍珍)

Grouping interference management in LTE-A networks

WANG Lu1, ZHANG Daoxu1, LI Li1, LUO Hanwen1,2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:In this paper,we discuss the interference between channels in the adjacent small-cells in the LTE-A small-cell networks.We present a small-cell group close (SCGC:Small Cell Group Close) approach according to above discussion.System-level simulation results show that SCGC can not only reduce small-cell interference with adjacent channels,but also reduce power consumption.We can conclude that SCGC can get greater throughput.

Key words:interference management; LTE-A; small-cell; SCGC

中圖分類號:TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-5137(2016)02-0133-04

通信作者:羅漢文,中國上海市閔行區(qū)東川路800號,上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,郵編:200240,E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

收稿日期:2016-03-03