姜來為,吳宣利,張乃通
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異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)算法研究
姜來為,吳宣利,張乃通
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所,黑龍江哈爾濱150080)
研究了如何在LTE-Advanced系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中通過有效的增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)提高系統(tǒng)總吞吐量問題。通過分析網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾,建立數(shù)學(xué)模型,提出了一種基于減少發(fā)射功率幾乎空白子幀的小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)算法,利用優(yōu)化方法研究系統(tǒng)總吞吐量和減少發(fā)射功率幾乎空白子幀之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了最大化系統(tǒng)吞吐量,同時(shí)解決宏基站分配多少資源給微微小區(qū),以及用戶的接入選擇問題。仿真結(jié)果表明,所提方法和對比方法相比,系統(tǒng)總吞吐量有19.8%提升,可以達(dá)到算法上限的97.4%,適用于對系統(tǒng)總吞吐量要求較高,而邊緣用戶性能要求較低的場景。
LTE-Advanced;異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào);減少發(fā)射功率幾乎空白子幀
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,新的無線應(yīng)用和服務(wù)正在呈爆發(fā)式增長。3GPP在Release 8/9中已經(jīng)為LTE系統(tǒng)引入了一系列干擾協(xié)調(diào)機(jī)制,如部分頻率復(fù)用、軟頻率復(fù)用、基于X2接口的干擾協(xié)調(diào)機(jī)制等[1],但這些方法主要是針對同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏蜂窩(macrocell)之間的干擾。在未來網(wǎng)絡(luò)中,為了提供更高的系統(tǒng)容量、擴(kuò)大覆蓋范圍并降低系統(tǒng)面臨的需求壓力,宏蜂窩中還會(huì)部署大量低功率節(jié)點(diǎn),如微微小區(qū)(picocell),家庭基站(femtocell)和中繼(relay)。低功率節(jié)點(diǎn)與宏蜂窩采用相同的頻率,從而形成異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,它們之間將形成較強(qiáng)的同頻干擾。此外,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的引入雖然帶來了小區(qū)分裂增益并提高了系統(tǒng)性能,但同時(shí)也帶來了小區(qū)負(fù)載不平衡的問題。
面對上述問題,增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(eICIC, enhanced inter-cell interference cancellations)技術(shù)被提出[2~4],它是專門針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)低功率節(jié)點(diǎn)的一種時(shí)域干擾協(xié)調(diào)方法,核心思想是通過合理分配時(shí)域資源來減少宏基站對微微基站的干擾。通過利用幾乎空白子幀[5](ABS, almost blank subframe),使干擾源基站在ABS子幀時(shí)只發(fā)送控制信令而不發(fā)送數(shù)據(jù)信道信號(hào),這樣被干擾基站可以在此時(shí)調(diào)度被嚴(yán)重干擾的邊緣用戶進(jìn)行信號(hào)傳輸。它需要通過X2接口在宏基站和微微基站間傳遞ABS子幀圖樣(subframe pattern)。通過接口信令,微微基站可以獲得宏基站的ABS子幀圖樣,從而使處于小區(qū)邊緣的用戶傳輸信號(hào)時(shí)避免收到宏站的干擾。另外,針對小區(qū)間負(fù)載不平衡問題,小區(qū)范圍擴(kuò)展(CRE, cell range expansion)概念被提出并利用[6]。還有學(xué)者在時(shí)域和頻域干擾協(xié)調(diào)方法基礎(chǔ)上,提出了變換域干擾協(xié)調(diào)方法[7,8]。從進(jìn)一步提高時(shí)域資源利用率和提升系統(tǒng)性能的角度考慮,3GPP R11版本在幾乎空白子幀基礎(chǔ)上提出了減少發(fā)射功率幾乎空白子幀概念,即讓宏基站以低于正常發(fā)送功率的功率在原ABS子幀上發(fā)送控制信令和數(shù)據(jù)信道信息,以提高系統(tǒng)吞吐量。
文獻(xiàn)[9]在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提出了一種利用幾乎空白子幀的增強(qiáng)型小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)方法,通過合理分配ABS子幀數(shù)量可以獲得系統(tǒng)的最優(yōu)性能。然而ABS子幀的利用使系統(tǒng)時(shí)域資源沒有得到充分利用。從提高時(shí)域資源利用率和進(jìn)一步提升系統(tǒng)總吞吐量的角度考慮,本文利用減少發(fā)射功率幾乎空白子幀概念,分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾,建立數(shù)學(xué)模型,利用優(yōu)化方法研究系統(tǒng)總吞吐量與減少發(fā)射功率幾乎空白子幀之間的關(guān)系,在系統(tǒng)總吞吐量和系統(tǒng)邊緣用戶吞吐量之間尋求折中,同時(shí)解決了宏基站分配多少資源給微微小區(qū),以及用戶接入選擇問題。這樣雖然會(huì)犧牲邊緣用戶部分性能,但可以更充分地利用系統(tǒng)時(shí)域資源,獲得更大的系統(tǒng)總吞吐量。本文與文獻(xiàn)[9]中結(jié)果做對比,驗(yàn)證本文方法性能。
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。它是指在傳統(tǒng)蜂窩覆蓋的基礎(chǔ)上,通過在熱點(diǎn)區(qū)域布置一些低功率基站,形成宏蜂窩加低功率基站的分層組網(wǎng)方式來進(jìn)一步提升熱點(diǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸速率。
這種低功率節(jié)點(diǎn)的存在能夠使運(yùn)營商提供更高的數(shù)據(jù)速率,降低運(yùn)營成本,并向用戶提供更有吸引力的業(yè)務(wù)[10]。根據(jù)宏蜂窩和低功率節(jié)點(diǎn)使用頻率的異同,分層組網(wǎng)可以分為異頻組網(wǎng)和同頻組網(wǎng)兩類。異頻組網(wǎng)指宏蜂窩與低功率基站采用不同的載波頻率,這種方式可以有效地減少層間干擾,但降低了頻譜資源的利用率。本文考慮的是包括宏基站與pico基站的同頻組網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。圖2為宏基站與pico基站組網(wǎng)中ABS子幀圖樣示例。宏基站在ABS子幀中不發(fā)送有用信號(hào),pico基站可以在ABS子幀中為其邊緣用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí),雖然宏站在某些子幀上不發(fā)送數(shù)據(jù),降低了資源利用率,但pico基站可以獲得更好的性能,在合理配置情況下系統(tǒng)總體性能獲得明顯增益。
2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中幾乎空白子幀存在時(shí)的干擾分析
對于每個(gè)用戶UE-u,根據(jù)參考信號(hào)接收功率 (RSRP, reference signal receiving power),可以獲知其歸屬的宏基站或pico基站。在系統(tǒng)中存在幾乎空白子幀和正常子幀時(shí),存在的干擾分以下2種情況考慮。
1) 在幾乎空白子幀(即ABS子幀)時(shí),對于和宏基站相連的用戶,由于既可以收到其他宏基站的干擾信號(hào),又可以收到pico基站對其產(chǎn)生的干擾信號(hào),故信號(hào)與干擾噪聲比(SINR, signal-to- interference-plus-noise ratio)可以表示為
對于和pico基站相連的用戶,由于在ABS子幀時(shí)對其會(huì)產(chǎn)生干擾的宏基站只發(fā)送控制信令而不發(fā)送數(shù)據(jù)信息,因此來自宏基站的干擾可以忽略。從而與pico基站相連的用戶只會(huì)收到來自其他pico基站的干擾信號(hào)。假設(shè)以pico-為歸屬pico基站用戶集合,這些用戶的SINR可以表示為
2) 在正常子幀(即n-ABS子幀)時(shí),對于和宏基站相連的用戶,其收到的干擾與ABS子幀時(shí)并無差別,這些用戶的SINR表達(dá)式與式(1)相同。
對于和pico基站相連的用戶,在正常子幀時(shí)會(huì)對此pico產(chǎn)生干擾的宏基站信號(hào)正常發(fā)送,因此這些用戶此時(shí)既可以收到會(huì)對其產(chǎn)生干擾的宏基站發(fā)送來的干擾信號(hào),又可以收到其他會(huì)對其產(chǎn)生干擾的pico基站對其產(chǎn)生的干擾,SINR可以表示為
2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中減少發(fā)射功率幾乎空白子幀存在時(shí)的干擾分析
在幾乎空白子幀的基礎(chǔ)上,3GPP R11又提出了減少發(fā)射功率幾乎空白子幀,圖3為幾乎空白子幀和減少發(fā)射功率幾乎空白子幀示意。從圖中可以看出,減少發(fā)射功率幾乎空白子幀在幾乎空白子幀處將基站發(fā)射功率設(shè)置為低功率而非零。
目前在LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)中,減少發(fā)射功率幾乎空白子幀有以下3種常見設(shè)置方法。
1) 將宏基站的減少發(fā)射功率設(shè)置為定值,如30 dBm。
2) 將宏基站原始發(fā)射功率減去pico基站的CRE偏置值,得到減少發(fā)射功率值。
3) 基于宏基站和pico基站相對位置(如它們之間的距離)進(jìn)行設(shè)置。
在系統(tǒng)中存在減少發(fā)射功率幾乎空白子幀和正常子幀時(shí),存在的干擾可以分為2種。
1) 在減少發(fā)射功率幾乎空白子幀(即r-ABS子幀)時(shí),分析可知,不論用戶與宏基站還是pico基站相連,其SINR均可表示為
2) 在正常子幀(即n-ABS子幀)時(shí),
前面分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在幾乎空白子幀和減少發(fā)射功率幾乎空白子幀存在時(shí)系統(tǒng)存在的干擾。接下來利用上述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾分析,建立數(shù)學(xué)模型,提出一種小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)算法。
本文考慮的是宏基站與pico基站同頻組網(wǎng)方式。由于本文主要研究的是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在的下行干擾對系統(tǒng)性能影響和基于減少發(fā)射功率幾乎空白子幀的干擾協(xié)調(diào)方法,所以只考慮下行鏈路情況。
假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中共有個(gè)宏基站和個(gè)pico基站,以及個(gè)用戶。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知,一個(gè)ABS周期時(shí)間為40 ms,其中,包括了40個(gè)子幀。因此定義r-ABS周期。根據(jù)前述可知,利用RSRP,每個(gè)用戶可以獲知其歸屬宏基站和歸屬pico基站,而它只能與歸屬宏基站或歸屬pico基站相連,不能同時(shí)接入。因此對于每個(gè)用戶UE-
用戶UE-在一個(gè) r-ABS周期時(shí)間內(nèi)的吞吐量不會(huì)超過其通過與宏基站/pico基站連接時(shí)間與數(shù)據(jù)傳輸速率相乘得到的吞吐量大小,即
由上文可知,減少發(fā)射功率幾乎空白子幀需要通過X2接口在宏站和pico基站間傳遞子幀圖樣,以便宏基站與pico基站利用r-ABS子幀進(jìn)行聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)。對于每個(gè)pico基站來講,在一個(gè)r-ABS周期時(shí)間內(nèi),它所利用的r-ABS子幀個(gè)數(shù)與和它進(jìn)行聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)的任意宏基站所利用的n-ABS子幀個(gè)數(shù)之和不會(huì)超過r-ABS周期中子幀個(gè)數(shù),即
(9)
所有與macro-相連用戶在r-ABS周期時(shí)間內(nèi),分配時(shí)域資源之和不大于總時(shí)域資源,即
同樣,所有與pico-相連用戶在r-ABS周期時(shí)間內(nèi)分配時(shí)域資源之和不大于,即
(12)
由上述可知,系統(tǒng)限制條件為式(6)~式(12)。
根據(jù)文獻(xiàn)[11],加權(quán)比例公平可以兼顧系統(tǒng)吞吐量和用戶平均吞吐量,適用于LTE-Advanced系統(tǒng),并充分考慮不同用戶間的需求,因此本文優(yōu)化目標(biāo)選為加權(quán)比例公平最大化系統(tǒng)吞吐量,可以表示為
其中,R為用戶UE-獲得的平均吞吐量,w為對應(yīng)權(quán)重。
4.1 求解思路
綜上所述,本文要解決問題可以歸納為
1) 解松弛非線性規(guī)劃問題(NLP, nonlinear programming):忽略優(yōu)化變量和是整數(shù)的限制,并暫時(shí)忽略限制條件式(6),即假設(shè)用戶可以既與歸屬宏基站相連,又與歸屬pico基站相連。為了便于書寫,將此松弛非線性規(guī)劃問題記為rABS-RELAXED。
4.2 具體步驟
4.2.1 解松弛非線性規(guī)劃問題rABS-RELAXED
為了解決式(15)問題,可以采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中常用的基于對偶變量更新的方法[13],將問題分為幾個(gè)不相關(guān)的子問題來分別求解,最后得到整個(gè)問題的最終解,大大降低了算法的復(fù)雜度。對此松弛NLP問題引入拉格朗日乘子
(16)
其中,UE問題為
(18)
macro問題為
pico問題為
(20)
迭代開始時(shí),原始變量的初始值可以選擇定義域內(nèi)任意值,而對偶變量的初始值可以取零。用代表任意原始變量,代表任意對偶變量。在第1次迭代時(shí),原始變量依據(jù)以下公式進(jìn)行更新為
(22)
本方法的收斂性證明見文獻(xiàn)[9],在步長足夠小且迭代次數(shù)足夠多時(shí)收斂。
1) UE問題原始變量更新
根據(jù)式(18),在第次迭代時(shí),對每個(gè)UE-有
2) macro問題原始變量更新
根據(jù)式(19),在第次迭代時(shí),對每個(gè)macro-,有
(26)
利用式(25)~式(27),可以得到
(28)
3) pico問題原始變量更新
根據(jù)式(20),在第次迭代時(shí),對每個(gè)pico-,有
(31)
利用式(30)~式(32)可以得到
(33)
4.2.2 添加優(yōu)化變量A和N是整數(shù)的限制,以及限制條件式(6)
根據(jù)下面公式可以分別計(jì)算用戶UE-從其歸屬macro和pico基站獲得的吞吐量
(36)
定義取整函數(shù)
(38)
4.2.3 計(jì)算系統(tǒng)吞吐量和目標(biāo)函數(shù)
(41)
(42)
(43)
(45)
優(yōu)化目標(biāo)可以由下面公式計(jì)算
為了驗(yàn)證上述研究結(jié)果,本文使用Matlab仿真軟件,對上述模型及算法進(jìn)行仿真。
本文異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景是宏基站加pico基站,系統(tǒng)中有7個(gè)位置固定的宏基站,站址間距500 m,正常發(fā)送功率45 dBm。每個(gè)宏基站中隨機(jī)分布5個(gè)pico基站和120個(gè)用戶。根據(jù)文獻(xiàn)[1],pico基站發(fā)送功率一般在23~30 dBm,覆蓋范圍不超過300 m。本文pico基站發(fā)送功率為27 dBm(500 mW)。頻帶寬度10 MHz。每個(gè)r-ABS周期包括40個(gè)子幀,即。由于本文中用戶不同業(yè)務(wù)需求與優(yōu)先級不在考慮范圍,因此將所有用戶權(quán)重均設(shè)為1,即。由前述可知,目前在LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)中存在幾種常用的宏基站發(fā)射功率設(shè)置方法,本文采用設(shè)置宏基站的減少發(fā)射功率為定值的方法將其設(shè)置為30 dBm。
基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基站部署和UE位置確定以及上述已知條件,可以得到macro-pico干擾圖。對于每個(gè)用戶來講,亦可以獲得其歸屬宏基站在n-ABS子幀和r-ABS子幀的SINR以及歸屬pico基站在n-ABS子幀和r-ABS子幀的SINR。通過香農(nóng)公式可以將上述SINR轉(zhuǎn)化為對應(yīng)物理層數(shù)據(jù)傳輸速率,即得到本文優(yōu)化問題的輸入、、、。
本文與文獻(xiàn)[9]中結(jié)果做對比。文獻(xiàn)[9]在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提出了一種利用幾乎空白子幀的增強(qiáng)型小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)方法,而本文利用減少發(fā)射功率幾乎空白子幀,以提升系統(tǒng)總吞吐量為目標(biāo),在系統(tǒng)總吞吐量和系統(tǒng)邊緣用戶吞吐量之間尋求折中。圖4為所有用戶平均吞吐量比較,將得到的所有用戶平均吞吐量從小到大進(jìn)行排列,然后計(jì)算前5%、前50%和所有用戶的平均吞吐量。
根據(jù)圖4可知,本文提出方法與對比方法相比,對于前5%、50%和所有用戶平均吞吐量均有提升,其中,對前5%用戶平均吞吐量提升為13.7%,對前50%用戶平均吞吐量提升為27.8%,對系統(tǒng)所有用戶吞吐量平均提升為19.8%,即系統(tǒng)總吞吐量有19.8%提升。本文方法和對比方法相比,由于減少發(fā)射功率幾乎空白子幀的利用,在幾乎空白子幀處充分利用時(shí)域資源,雖然對pico用戶干擾增強(qiáng),但宏基站用戶利用了原空白子幀,接收到宏基站以減少功率發(fā)送來的有用信號(hào),所以系統(tǒng)總吞吐量有所提升。
圖5為本文方法與對比方法對邊緣用戶平均吞吐量的比較,將得到的邊緣用戶吞吐量從小到大進(jìn)行排列,然后計(jì)算前5%、前50%和所有邊緣用戶的平均吞吐量。根據(jù)圖5結(jié)果可知,本文提出方法與對比方法相比,對于前5%,50%和所有用戶均有下降,其中,對前5%用戶平均吞吐量下降2.3%,對前50%用戶平均吞吐量下降6.8%,對系統(tǒng)所有邊緣用戶吞吐量平均下降21%。這是因?yàn)闇p少發(fā)射功率幾乎空白子幀的利用,在r-ABS子幀宏基站對其用戶發(fā)送了有用信息,發(fā)射功率比幾乎空白子幀要大,即干擾增大,所以邊緣用戶吞吐量下降是必然的。本文方法得到的結(jié)果是系統(tǒng)總吞吐量和邊緣用戶吞吐量的折中,驗(yàn)證了本文方法的正確性,說明本文方法適用于對系統(tǒng)總吞吐量需求較高,而邊緣用戶性能要求較低的場景。
本文系統(tǒng)中有7個(gè)位置固定的宏基站,每個(gè)宏基站中有固定數(shù)量的pico基站和用戶??梢哉J(rèn)為位于中間位置的宏基站僅受到周圍6個(gè)宏基站的干擾,距離再遠(yuǎn)的基站對其影響忽略不計(jì)。此時(shí)位于中間位置的宏基站中的5個(gè)pico基站分別利用r-ABS子幀個(gè)數(shù)可以通過仿真結(jié)果得到,表1即參考r-ABS配置。這是在本文場景下,基于減少發(fā)射功率幾乎空白子幀小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)算法給出的r-ABS參考配置。此值與系統(tǒng)負(fù)載,干擾模型,基站發(fā)送功率等因素相關(guān),配置時(shí)需綜合考慮。
表1 參考r-ABS配置
利用仿真結(jié)果計(jì)算可知,本文提出方法可達(dá)到rABS-RELAXED輸出結(jié)果即算法上限的97.4%。
本文以提高系統(tǒng)總吞吐量為目標(biāo),分別分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在幾乎空白子幀和減少發(fā)射功率幾乎空白子幀存在時(shí)系統(tǒng)中存在的干擾,提出了一種基于減少功率幾乎空白子幀的小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)算法。從理論和仿真角度分別證明了所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)提高系統(tǒng)總吞吐量的效果。仿真結(jié)果顯示本文方法適用于對系統(tǒng)總吞吐量需求較高,而邊緣用戶性能要求較低的場景。
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Joint optimization algorithm for enhanced inter-cell interference coordination in heterogeneous networks
JIANG Lai-wei, WU Xuan-li, ZHANG Nai-tong
(Harbin Institute of Technology, Communication Technology Institute, Harbin 150080, China)
The total system throughput was improved by means of enhanced inter-cell interference coordination (eICIC) in heterogeneous networks(HetNets) in LTE-Advanced system. Through analyzing the existing system interference, a mathematical model was established and a joint optimization algorithm for eICIC was raised based on the reduced power almost blank subframe. By using this optimized method, the relationship between the total system throughput and the reduced power almost blank subframe was studied, so as to realize the maximized total system throughput and solve the problems of the amount of radio resources that macro cells should offer to pico cells and UE assignments. Simulation results show that, compared with the comparative method, the proposed method has 19.8% improvement in the total system throughput and the optimality gap is 97.4%. Conclusions can be drawn that the proposed method is suitable for the scene where the total system throughput requirement is relatively high while the performance of the edge user requirement is relatively low.
LTE-Advanced, heterogeneous networks, enhanced inter cell interference coordination, reduced power almost blank subframe
TN929.5
A
10.11959/j.issn.1000-436x.2016040
2015-01-06;
2015-05-20
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61171110);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(No.2013CB329003)
The National Natural Science Foundation of China (No.61171110), The National Basic Research Program of China (973 Program) (No.2013CB329003)
姜來為(1986-),女,黑龍江哈爾濱人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生,主要研究方向?yàn)長TE-A資源分配及干擾協(xié)調(diào)、認(rèn)知無線電、信號(hào)處理等。
吳宣利(1980-),男,滿族,黑龍江哈爾濱人,博士,哈爾濱工業(yè)大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槌瑢拵o線通信技術(shù)、LTE-A資源分配及干擾協(xié)調(diào)、協(xié)作通信等。
張乃通(1934-),男,江蘇揚(yáng)州人,中國工程院院士,哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槌瑢拵ㄐ?、衛(wèi)星通信、專用移動(dòng)通信、LTE-A系統(tǒng)等。