異構網絡動態(tài)配置空白子幀干擾協(xié)調算法

張 新，張 艷，金春鳳

(1.西安郵電大學 電子工程學院，西安 710121；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安 710121)

異構網絡動態(tài)配置空白子幀干擾協(xié)調算法

張 新1，張 艷2，金春鳳2

(1.西安郵電大學 電子工程學院，西安 710121；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安 710121)

為了解決LTE-A系統(tǒng)下兩層異構網絡中的小區(qū)間干擾協(xié)調問題，提出了在增強小區(qū)中調度幾乎空白子幀的干擾方案;為了降低干擾和進一步提高信道利用率，設計了一種動態(tài)分配幾乎空白子幀的算法;該算法基于小區(qū)增強覆蓋技術，指出由增強小區(qū)用戶與總用戶的比例來動態(tài)的調整幾乎空白子幀比例;仿真結果對比了固定比例的幾乎空白子幀和動態(tài)設定幾乎空白子幀的算法，表明動態(tài)配置幾乎空白子幀的算法，提高了系統(tǒng)容量，改善了信道利用率。

異構網絡；小區(qū)間干擾；幾乎空白子幀

0 引言

隨著移動通信系統(tǒng)的不斷演進，網絡規(guī)模呈現(xiàn)爆炸式的增長，傳統(tǒng)的單一網絡拓撲結構下系統(tǒng)容量己達到理論極限[1]。統(tǒng)計表明，未來將會有80%以上的系統(tǒng)吞吐量發(fā)生在室內熱點場景，單一的網絡拓撲結構已不能滿足這種場景需求[2]。為了解決以上問題，新一代的移動通信系統(tǒng)在宏(Macro)基站覆蓋的小區(qū)內增加低功率節(jié)點，如微(Pico )基站、家庭基站(Femtocell)、中繼節(jié)點(Relay)等，這種由宏基站和低功率節(jié)點構成的網絡拓撲稱為異構網[3]。

在異構網絡中，由于基站類型不同、基站位置擺放的隨意性等因素使得異構網絡中同層、跨層干擾問題變得異常突出[4]。在相關文獻的研究工作中，文獻[5]針對載波聚合技術的小區(qū)選擇問題，提出了一種動態(tài)的成員載波小區(qū)選擇算法，提高了Pico小區(qū)的系統(tǒng)容量，但犧牲了Macro基站的用戶性能。文獻[6]考慮了宏小區(qū)層和Small Cell層自適應配置幾乎空白子幀(almost black scheme,ABS)的問題，指出以較小的系統(tǒng)吞吐量損失為代價，換取了邊緣用戶性能的改善。文獻[7]提出了在增強小區(qū)(range expansion,RE)內，對低功率節(jié)點的導頻信號加入偏置值，使得更多的用戶接入低功率節(jié)點。但是這種接入策略使低功率基站增強區(qū)內的用戶受到Macro基站強烈的下行干擾。文獻[8-9]給出了幾乎空白子幀(almost black scheme,ABS)干擾協(xié)調技術和RE技術對系統(tǒng)容量和公平性的影響，指出可以犧牲Macro用戶的性能換取Pico用戶的性能提升。文獻[8-9]雖然都指出了在一定比例的幾乎空白子幀上傳輸Pico數(shù)據，以達到降低干擾的目的，卻沒有指出如何確定ABS所占的比例。

基于上述研究工作，提出了一種基于增強小區(qū)用戶數(shù)動態(tài)確定ABS比例的下行干擾協(xié)調算法，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配，以獲得提升系統(tǒng)容量和增強小區(qū)用戶數(shù)據傳輸率的平衡。

1 兩層異構網絡場景部署及干擾分析

對于兩層異構網絡之間的相互干擾，文獻[10]介紹了20多種場景。這里主要討論兩層異構網絡中，用戶受到Macro基站與Pico基站的下行干擾情況。

Macro-Pico兩層異構網絡結構下行干擾如圖1所示，其中點畫線表示Macro小區(qū)的覆蓋范圍，虛線表示的未采用RE技術的Pico小區(qū)的覆蓋范圍，實線表示的是Pico增強小區(qū)的覆蓋范圍。從圖1可以看出，在未采用RE技術時，用戶UE1、UE3、UE4、UE5均接入基站macro；當用戶UE1進入基站pico2的增強區(qū)域內，此時用戶UE1受到基站Macro嚴重的下行干擾;用戶UE5由于接基站Pico1的覆蓋范圍但不在基站Pico1的覆蓋范圍內，受到基站Pico1的下行干擾。

圖1 兩層異構網絡下行干擾示意圖

2 基于用戶比例調度的ABS的下行干擾協(xié)調算法

2.1 增強小區(qū)系統(tǒng)容量分析

在異構網絡中，由于存在兩種基站的分布，小區(qū)中每個用戶依據檢測到Macro和Pico基站的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)來選擇接入小區(qū)[11]。

在圖1所示的場景中，宏基站下覆蓋Np個隨機放置的Pico基站，Nu為Macro-Pico基站覆蓋范圍內的小區(qū)總用戶數(shù)目。假設第i(1≤i≤Nu)個用戶接入第p(1≤p≤Np)個 Pico小區(qū)的信干噪比為ψi,p，定義ψ為Nu個用戶接入的Np個Pico小區(qū)的信干噪比，

針對同一用戶i，定義γi,p為此用戶在Macro基站和第p(1≤p≤Np)個Pico基站覆蓋下的信干噪比差，即

γi,p=ρi-ψi,p，

此時

當γi,p>0時，表示用戶選擇接入Macro基站；當γi,p<0時,表示用戶選擇接入Pico基站，此時用戶接入Pico基站的信干噪比為ψi,pmax，統(tǒng)計γi,p<0的個數(shù)即為接入Pico基站的用戶數(shù)。將γi,pMax的累積分布函數(shù)記為F(γi,pmax)，則接入到Pico小區(qū)的用戶數(shù)(NL-pue)也可表示為：

在RE技術中，通過在小區(qū)選擇參數(shù)中加入一個λ的偏置值，當Pico基站的信干噪比差小于Macro基站的信干噪比差時，由于增加了接收強度λ，原本接入Macro基站的部分用戶被強行接入Pico基站，因此，在RE技術下有更多的用戶接入Pico基站[12]。

在增強小區(qū)情況下的Macro基站與Pico基站信干噪比差記為：

同理，當γi,pλmax>0時，表示用戶選擇接入Macro基站；當γi,pλmax<0時，表示用戶選擇接入Pico基站，此時用戶的信干噪比為ψi,λpmax統(tǒng)計用戶γi,pλmax<0的個數(shù)，則考慮增強小區(qū)情況下的Pico基站的用戶總人數(shù)Npue為：

顯然，接入Pico基站的用戶總人數(shù)是關于λ的累積分布函數(shù)與用戶總人數(shù)的乘積。考慮使用比例公平(Proportional Fair，PF)調度算法，使調度用戶獲得平等的服務機會[13]，則單位帶寬下，Nu個用戶接入Macro基站的系統(tǒng)容量(單位為：bps/Hz)可以表示為λ的函數(shù)，即

(1)

其中：

則

同理，Nu個用戶接入Pico基站的系統(tǒng)容量可以寫成λ的函數(shù)，即

(2)

因此，在由Macro-Pico構成的兩層異構網絡場景中，由式(1)和(2)可知，Nu個用戶的系統(tǒng)總容量可以表述為：

2.2 增強小區(qū)中ABS動態(tài)配置的系統(tǒng)容量分析

從上述分析可知，增強小區(qū)覆蓋技術由于增加了λ值而擴大了其覆蓋范圍，提升了Pico基站的系統(tǒng)容量。增強型pico小區(qū)可劃分為中心小區(qū)和增強小區(qū)，增強小區(qū)的用戶由于是同頻部署將受到較為嚴重的Macro基站的下行干擾。

異構網絡干擾協(xié)調方案中ABS的資源配置是一種比較常見的時域干擾協(xié)調技術，Macro基站針對不同用戶的干擾情況，讓Macro基站的某些子幀上只含參考信號的信息而無Macro數(shù)據發(fā)送，以此來達到降低用戶干擾的目的。在3GPP中ABS子幀分配示意圖如圖2所示：Macro基站的子幀劃分為正常子幀和非正常子幀(也稱為ABS)。定義β為ABS占總信道數(shù)的比例，0<β<1。圖2以β=0.5的比例來說明Macro和Pico基站的子幀示意圖。其中，正常子幀用來發(fā)送Macro和Pico基站的數(shù)據，ABS只用來發(fā)送Pico基站的數(shù)據，由此可知，Macro基站的正常子幀、ABS與Pico基站的保護子幀和非保護子幀是一一對應的[14]。

圖2 3GPP中ABS子幀分配示意圖

固定的ABS比例值為0.5時相較于動態(tài)的ABS比例，分配過多的ABS子幀會導致服務于Macro基站的性能下降；ABS子幀較少時會降低增強用戶的數(shù)據傳輸率。因此如何確定ABS的比例是重中之重。在文獻[11]的基礎上，根據進入Pico增強小區(qū)的用戶數(shù)動態(tài)的確定ABS的比例，轉移了Macro基站的負載，降低了增強小區(qū)用戶受到的干擾，合理的利用了同頻資源，提高了小區(qū)系統(tǒng)容量。

根據用戶受干擾程度將接入pico小區(qū)的用戶分為高、低干擾用戶，定義增強小區(qū)的用戶為高干擾用戶,記為：NH-pue，中心小區(qū)的Pico用戶為低干擾用戶，記為：NL-pue。則高干擾用戶可以表示為：

根據ABS干擾協(xié)調技術，高干擾用戶將被分配至ABS中接收數(shù)據，此時,

也可以寫成：

β值的大小取決于高干擾用戶占接入Macro-Pico基站用戶總數(shù)的比例。此時單位帶寬下接入Macro基站的用戶總人數(shù)的系統(tǒng)容量可表述為：

Pico基站用戶在非保護子幀接收數(shù)據時，定義用戶接入Pico中心小區(qū)的信干噪比為ψnabs，Pico基站用戶在保護子幀接收數(shù)據時，定義用戶接入Pico增強小區(qū)的信干噪比為ψabs,此時，Pico基站的系統(tǒng)總容量為：

在增強小區(qū)動態(tài)配置ABS信道的情況下，則系統(tǒng)總容量可以表述為：

3 系統(tǒng)仿真結果及分析

3.1 仿真參數(shù)設置

系統(tǒng)采用一個Macro基站和Np個Pico基站構成的異構網絡場景。其中Macro基站的覆蓋半徑為600 m，Np個Pico基站位置隨機設置，共有100個用戶。其他部分仿真參數(shù)如下表所示，可以看出，仿真參數(shù)是依據LTE-Advanced標準制定的。

表1 仿真參數(shù)

3.2 仿真結果分析

基于上述的仿真場景，給出了一個Macro基站和多個Pico基站下用戶數(shù)的累積分布函數(shù)F(σi,mmax ,pmax)，對于某個給定的λ值，F(xiàn)(λ)表示接入Pico基站的用戶比例，1-F(λ)表示接入Macro基站的用戶比例。

圖3在Pico基站數(shù)等于3的情況下，可以看出，通過增加偏置值確實增加了Pico基站的用戶數(shù)，轉移了Macro基站的系統(tǒng)負載。當λ=3時，且沒有加入ABS的抗干擾技術，可以看出原本接入Pico基站的用戶比例約為18%，加入偏置值λ=3時，接入Pico基站的用戶總數(shù)提高到了35%左右；同理可以看到加入ABS的抗干擾技術時，接入 Pico基站的用戶總數(shù)達到了50%左右。

圖3 用戶累積分布函數(shù)

圖4為動態(tài)ABS配置的仿真，傳統(tǒng)ABS配置的β值一般取0.5，可以看出新算法中的β是隨著λ值的增大而增大的。λ值越大，表明有更多的用戶進入增強小區(qū)，需要分配更多的ABS來降低增強小區(qū)用戶的干擾。如果β值取得過大，會造成Macro用戶性能下降；如果β值取得過小，則又不能很好的降低增強小區(qū)用戶的干擾。所以，動態(tài)的ABS的比例，不僅能降低增強小區(qū)用戶受到的干擾，而且提高了Pico小區(qū)轉移負載的能力，使信道資源的利用更加合理。

在同一λ值下，不同的Pico基站數(shù)對應不同的β值，12個Pico基站下需要的β值小于3個Pico基站下的β值，這是因為Pico基站越多，但是高干擾用戶數(shù)反而更少，所以需要分配的ABS會少。

圖4 不同λ時的ABS動態(tài)比例

圖5為固定ABS比例和動態(tài)分配ABS比例情況下的系統(tǒng)容量對比。表明在3個微基站下，固定的幾乎空白子幀比例值下的系統(tǒng)容量基本沒有明顯變化，動態(tài)的幾乎空白子幀比例值下系統(tǒng)容量在一定范圍內有所增加，且動態(tài)的幾乎空白子幀比例值下系統(tǒng)容量高于固定的幾乎空白子幀比例值下的系統(tǒng)容量。

與固定的ABS子幀比例值為β=0.5情形相比，新算法增加了系統(tǒng)容量，不僅提高了信道資源利用率，同時提高了增強小區(qū)用戶的數(shù)據傳輸率。

圖5 宏基站和3個微基站下的系統(tǒng)總容量

4 結論

為了提高兩層異構網絡中下行信道資源的利用率，在增強小區(qū)中調度幾乎空白子幀的干擾協(xié)調方案的基礎上提出了一種動態(tài)確定幾乎空白子幀比例的算法。新算法通過增強小區(qū)用戶數(shù)與總用戶數(shù)的比例來確定的幾乎空白子幀比率，改善了信道資源的利用。仿真結果表明，新算法不僅提高了系統(tǒng)總容量，同時也實現(xiàn)了下行信道資源的合理利用。

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A Dynamic Almost Blank Subframes Allocation for Interference Coordination in Heterogeneous Networks

Zhang Xin1, Zhang Yan2，Jin Chunfeng2

(1.School of Electronic Engineering, Xi’an University of Post and Telecommunications,Xi’an 710121,China;2.School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China)

In order to solve the problem of Inter-cell interference coordination under the LTE-A system based on two-tier heterogeneous networks, an interference scheme of almost black subframes is scheduled in range expansion.To reduce interference and further improve the channel utilization,an algorithm of dynamic almost black subframes allocation is proposed.The algorithm is based on the cell enhancement technology, pointing out that expand users proportion of total subscribers to dynamically adjust the ratio of almost blank subframes.The simulation results show that the proposed algorithm achieves system capacity and the efficiency of channel improvements , comparing with a fixed proportion of the almost black subframes.

heterogeneous networks; inter-cell interference coordination; almost black subframes

2015-12-30；

2016-01-29。

國家自然科學基金資助項目(61272120)；西安市科技計劃資助項目(CXY1117(5))

張 新(1968-)，女，陜西西安人，博士，教授，主要從事異構網絡方向的研究。

1671-4598(2016)07-0215-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.058

TN913.2

A