異構(gòu)網(wǎng)絡中軟頻率復用場景下的干擾管理

傅玲莉, 張 靜

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

異構(gòu)網(wǎng)絡中軟頻率復用場景下的干擾管理

傅玲莉, 張 靜

(上海師范大學 信息與機電工程學院,上海 200234)

將軟頻率復用(SFR)引入到由毫微微小區(qū)和宏小區(qū)組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡中,提出基于軟頻率復用的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)方案.先根據(jù)SFR方法對宏小區(qū)進行頻率資源分配,然后使毫微微小區(qū)用戶使用宏小區(qū)用戶未占用的頻率資源.仿真結(jié)果表明:該方案能有效地解決宏小區(qū)和毫微微小區(qū)間的同頻干擾問題.

異構(gòu)網(wǎng)絡; 共信道干擾; 頻率資源分配; 軟頻率復用; 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

0 引 言

隨著移動用戶對數(shù)據(jù)需求的快速增長,無線資源短缺的問題日益凸顯.為了解決無線資源匱乏與用戶需求之間的矛盾,異構(gòu)網(wǎng)絡應運而生[1].異構(gòu)網(wǎng)絡技術(shù)融合了宏小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)、中繼站和射頻單元節(jié)點等多種不同類型的基站,其中的毫微微小區(qū)用來解決室內(nèi)覆蓋問題已經(jīng)成為研究熱點.

然而,在現(xiàn)有的宏小區(qū)中布置大量毫微微小區(qū)的過程中存在許多問題,其中之一是如何在宏小區(qū)和毫微微小區(qū)共存時進行頻譜資源分配[2].相比于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡,異構(gòu)網(wǎng)絡中的干擾情況更加復雜,在傳統(tǒng)網(wǎng)絡干擾的基礎上又新增了幾種新的干擾情況:1)毫微微小區(qū)與鄰近家庭用戶之間的干擾;2)宏小區(qū)用戶與鄰近毫微微小區(qū)之間的干擾;3)家庭用戶與鄰近宏小區(qū)之間的干擾.若小區(qū)間相互干擾的問題不能夠得到解決,異構(gòu)網(wǎng)絡中毫微微小區(qū)就不能發(fā)揮優(yōu)勢.

軟頻率復用(SFR)[3-4]是解決小區(qū)間干擾問題的有效方法之一,該方法與其他部分頻率復用方法不同的是它給小區(qū)內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域分配不同的功率.Yoon等[5]提出一種通過控制基站發(fā)射功率來解決毫微微小區(qū)干擾問題的方法.Yusuf等[6]提出一種部分頻率復用方法來解決毫微微小區(qū)與宏小區(qū)間的跨層干擾問題.Zahir等[7]采用SFR為宏小區(qū)用戶分配頻域資源,然后讓毫微微小區(qū)使用全部帶寬為家庭用戶分配頻譜資源.[5-6]均能解決毫微微小區(qū)帶來的干擾,但是在頻譜利用率方面還不夠充分,而[7]雖然在頻譜利用率方面有所提高,但系統(tǒng)內(nèi)的共信道干擾比較嚴重,尤其在大量部署毫微微小區(qū)時.

本文作者從減小雙層網(wǎng)絡間干擾的角度出發(fā),以提高整個系統(tǒng)吞吐量為目的,基于[7]的頻譜分配算法,提出一種基于SFR的,適用于LTE通信中的宏小區(qū)和毫微微小區(qū)雙層異構(gòu)網(wǎng)絡間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)的方案.先通過 SFR對宏小區(qū)分配頻譜資源,然后讓各毫微微小區(qū)選用未被宏小區(qū)占用的子帶頻譜資源,達到避免干擾的目的,從而提高系統(tǒng)吞吐量.

1 系統(tǒng)模型

圖1 加載毫微微小區(qū)的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡

考慮由19個宏小區(qū)以及毫微微小區(qū)組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡,如圖1所示.每個宏基站位于每個宏小區(qū)的中心,毫微微小區(qū)均勻地、相互分隔地分布在每個宏小區(qū)中.為了簡化復雜度,一個毫微微小區(qū)用戶的干擾基站只考慮距離此用戶最近的宏小區(qū)和同一小區(qū)內(nèi)的其他毫微微小區(qū);而對于宏用戶而言,其他所有的宏小區(qū)以及同一小區(qū)內(nèi)的各毫微微小區(qū)都是該用戶的干擾基站.宏小區(qū)M內(nèi)的宏小區(qū)用戶m在使用子載波k進行下行信號傳輸時的信號與信號與干擾加噪聲比(SINR)為

(1)

式中PM,k和PM′,k分別為所在的宏小區(qū)M以及鄰近的宏小區(qū)M′在子載波k上的傳輸功率.Gm,M,k為宏小區(qū)用戶m和服務它的宏小區(qū)M之間的在子載波k上的信道增益,由路徑損耗L決定:

(2)

且室內(nèi)和室外的路徑損耗不同.室外的路徑損耗為

(3)

式中d是用戶到服務基站的距離.室內(nèi)的路徑損耗為

(4)

式中Lwalls是由墻壁的厚度引起的穿墻損耗.Gm,M′,k為其他相鄰宏小區(qū)在子載波k上的信道增益.同理,PF,k為相鄰毫微微小區(qū)F在子載波k上的傳輸功率.Gm,F,k為宏小區(qū)用戶m和相鄰毫微微小區(qū)F之間在子載波k上的信道增益.N0為白噪聲的功率譜密度.f為子載波的譜寬值.

對毫微微小區(qū)用戶來說,它受到距離最近的宏小區(qū)和鄰近的毫微微小區(qū)的干擾.所以,一個毫微微小區(qū)用戶f在子載波k上的SINR為

(5)

依據(jù)香農(nóng)定理,宏用戶m在子載波k上的容量為

(6)

所以,宏小區(qū)M的總吞吐量為:

(7)

式中βm,k指示子載波是否成功分配給宏用戶,取值可為1或0.

類似地,可以得到家庭小區(qū)F的吞吐量為:

(8)

2 算法提出

2.1 宏小區(qū)的SFR方法

圖2 基于毫微微小區(qū)的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡的SFR方案

在本文作者所提出的宏小區(qū)的SFR方法中,一個宏小區(qū)被劃分為兩個區(qū)域,并且每個區(qū)域都被劃分為3個扇區(qū):中心區(qū)域C1、C2、C3和邊緣區(qū)域E1、E2、E3.小區(qū)用戶根據(jù)其接收到的SINR將用戶劃分為中心用戶和邊緣用戶兩大類,即如果一個移動用戶報告的SINR超過了預先設定的SINR閾值,基站就認為該移動用戶是中心用戶;反之,則認為是邊緣用戶.每個小區(qū)將系統(tǒng)頻率資源分為主載波和副載波兩個部分,主載波可用于整個小區(qū),且相鄰小區(qū)間的主載波互不重疊,副載波只能被小區(qū)中心區(qū)域用戶使用,其發(fā)射功率低于主載波.圖2為宏小區(qū)用戶和毫微微小區(qū)用戶SFR的頻譜分配方法,整個頻譜為A+B+C+D,代表全部的頻譜,其中B=C=D.對宏小區(qū)而言,每個宏小區(qū)根據(jù)SFR分配不同的頻譜.中心區(qū)域的復用因子為1,而邊緣區(qū)域的復用因子為3.中心區(qū)域C1、C2、C3使用子頻帶A,邊緣區(qū)域E1、E2、E3分別使用子頻帶B、C、D.

2.2 毫微微小區(qū)間頻譜劃分和位置確認

在對宏小區(qū)使用SFR方法的基礎上,本文作者給出一種改進的毫微微小區(qū)間的頻譜劃分方法.首先根據(jù)毫微微小區(qū)接收到其所屬宏小區(qū)在各子頻帶A、B、C、D上的發(fā)射功率相關(guān)信息,比較接收信號強度指示(RSSI) 來確定它的位置:若其在子帶A上的RSSI最大時,則它位于小區(qū)中心區(qū)域;若其在子帶B上的RSSI次大,那么位于小區(qū)中心C1區(qū)域;若其在子帶A上的RSSI 非最大,那么它位于小區(qū)邊緣區(qū)域,然后再通過 RSSI 最大值對應區(qū)域,確定它位于邊緣區(qū)域E1、E2 或E3.在確認毫微微小區(qū)位置的情況下,毫微微小區(qū)選用各個宏小區(qū)子區(qū)域沒有占用的子頻帶.當毫微微小區(qū)位于宏小區(qū)中心區(qū)域時,毫微微小區(qū)不能使用同一扇區(qū)邊緣區(qū)域占用的頻譜資源.例如,當一個毫微微小區(qū)位于邊緣區(qū)域E1時,它可以使用的頻域資源為A、C、D,而宏小區(qū)用戶占用頻域資源為B;如果當一個 毫微微小區(qū)位于小區(qū)中心區(qū)域C1,此時它可以使用未被宏小區(qū)用戶占用的頻帶C、D.為了減小中心區(qū)域的干擾,位于小區(qū)中心的毫微微小區(qū)并沒有使用中心帶寬A.同時,為了減小對邊緣用戶的干擾,毫微微小區(qū)沒有使用頻帶B,因為B上的接收信號功率強度對此毫微微小區(qū)來說比較強.

3 仿 真

3.1 仿真場景和參數(shù)設計

從吞吐量的角度評估該本方案的性能.采用的網(wǎng)絡布局是19個基站3個扇區(qū)模型(圖1).仿真參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù)設置

3.2 仿真結(jié)果和分析

將所提的方案與[7]方案和不采用SFR(No-SFR)的方案進行了仿真對比,通過獲得某一個特定小區(qū)的SINR和總吞吐量來驗證方案的有效性.仿真結(jié)果如圖3和4所示.

圖3 各方案的總吞吐量對比圖

圖4 毫微微小區(qū)平均用戶SINR

圖3是隨著毫微微小區(qū)接入數(shù)量的不同,各ICIC方案下LTE 毫微微小區(qū)系統(tǒng)總吞吐量對比.對比[7]方案與本方案的仿真曲線,本方案的系統(tǒng)吞吐量比[7]方案高;對比No-SFR方案和本方案兩條曲線,本方案得到的系統(tǒng)吞吐量相對比較高.因為,對于No-SFR方案和[7]方案,雖然毫微微小區(qū)可調(diào)用的頻譜資源較多,但由于其不同類型用戶間干擾嚴重,致使信道質(zhì)量下降、重傳次數(shù)增加,進而系統(tǒng)吞吐量下降.而在本方案中,毫微微用戶所使用的是沒有被宏用戶所占用的子頻帶,因此,該方案與另外兩種方案相比,減小了不同類型用戶間的干擾,從而提高了系統(tǒng)吞吐量.

從圖4可以看出,本算法與其他兩種方案相比具有最高的平均用戶SINR.

4 總 結(jié)

當宏小區(qū)采用軟頻率復用場景時,為減小由毫微微小區(qū)和宏小區(qū)組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡間的干擾并提高整個系統(tǒng)的吞吐量,給出了基于軟頻率復用的干擾解決方案.將頻譜劃分為4段給宏小區(qū)的中心用戶和邊緣用戶以復用的方式分配,然后使毫微微小區(qū)用戶使用宏小區(qū)未占用的頻譜資源.仿真結(jié)果表明,該方案能有效地解決宏小區(qū)和毫微微小區(qū)間的同頻干擾問題.

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(責任編輯：顧浩然,包震宇)

Soft frequency reuse for interference management in heterogeneous network

Fu Lingli, Zhang Jing

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanhai 200234,China)

In this paper,soft frequency reuse (SFR) is introduced as an effective Inter-cell Interference Coordination (ICIC) scheme to overcome interference among femtocells and macrocells.While a macrocell allocates frequency band using a SFR map,femtocell chooses sub-bands which are not used by the macrocell sub-area users to avoid interference.Simulation results show that the proposed scheme can solve the problem of interference among macrocells and femtocells.

heterogeneous network; co-channel interference; frequency allocation; soft frequency reuse; inter-cell interference coordination

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.010

2016-11-29

傅玲莉(1989-),女,碩士研究生,主要從事移動通信系統(tǒng)軟頻率復用方面的研究.E-mail:863323135@qq.com

導師簡介: 張 靜(1971-),女,博士,副教授,碩士生導師,主要從事移動通信信號處理方面的研究.E-mail:jannety@shnu.edu.cn(通信聯(lián)系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0054-05