基于ABS的干擾協(xié)調(diào)方案研究

胡 浩，趙天呈

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于ABS的干擾協(xié)調(diào)方案研究

胡 浩，趙天呈

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

異構(gòu)網(wǎng)通過(guò)運(yùn)用不同功率的基站同頻部署，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率及系統(tǒng)容量。但同時(shí)這種多層結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了小區(qū)間干擾問(wèn)題。ABS是一種時(shí)域上的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，解決了下行傳輸中高功率宏基站和低功率小基站共享頻域資源時(shí)的干擾問(wèn)題，但該技術(shù)的缺點(diǎn)是降低了宏基站的用戶容量。文中研究了一種從頻域、時(shí)域、功率三個(gè)維度聯(lián)合進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)的新型ABS解決方案。仿真結(jié)果證明該方案可以顯著增加宏基站用戶的吞吐量，同時(shí)不對(duì)小基站產(chǎn)生過(guò)多干擾。

異構(gòu)網(wǎng)；干擾協(xié)調(diào)；幾乎空白子幀

0 引言

對(duì)高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，極大地推動(dòng)了第四代蜂窩網(wǎng)技術(shù)LTE-A(LTE-Advanced)的標(biāo)準(zhǔn)化。為了解決系統(tǒng)容量不夠的問(wèn)題，在LTE-A中引入了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在引入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之前，通信系統(tǒng)是由以宏基站為主要部署的同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)組成。然而，這些傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被證明不足以應(yīng)付UE(User Equipment)分布及數(shù)據(jù)通信的復(fù)雜性[1]。對(duì)于上述問(wèn)題，一種解決方案是通過(guò)在高功率節(jié)點(diǎn)宏基站下增加部署諸如微微基站和毫微微基站之類的小基站。加入這些不同功率不同覆蓋范圍的小基站的網(wǎng)絡(luò)即為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Networks，HetNets)。然而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是多層網(wǎng)絡(luò)，且由于與微微基站關(guān)聯(lián)的毫微微基站和小區(qū)范圍擴(kuò)展區(qū)域的封閉接入性質(zhì)，共層和跨層的干擾問(wèn)題比較突出，從而帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)，例如小區(qū)選擇優(yōu)化的問(wèn)題、資源分配及干擾管理的問(wèn)題[2]。在LTE版本8和版本9中標(biāo)準(zhǔn)化的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)方法中，沒(méi)有專門說(shuō)明針對(duì)HetNets的設(shè)置和主要干擾場(chǎng)景，而在版本10中定義了增強(qiáng)的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(enhanced Inter-Cell Interference Coordination, eICIC)。eICIC技術(shù)主要面對(duì)共信道下的宏基站-小基站共同部署的場(chǎng)景，分為時(shí)域技術(shù)、頻域技術(shù)、功率控制技術(shù)[3]。

1 系統(tǒng)模型

幾乎空白子幀技術(shù)(Almost Blank Subframes，ABS)是一種時(shí)域eICIC方案，即將子幀劃分為兩種類型：普通子幀和幾乎空白子幀。該方案要求宏基站在ABS子幀段中不傳輸用戶數(shù)據(jù)，使得受干擾影響的小基站用戶可以在干擾減少的情況下傳輸數(shù)據(jù)，但宏基站的吞吐量會(huì)降低[4]。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樾』镜膫鬏敼β矢停赃B接到小基站的UE數(shù)目減少，而宏基站上通信負(fù)載過(guò)大。為了克服這個(gè)問(wèn)題，引入了小區(qū)擴(kuò)展技術(shù)(Cell Range Expansion，CRE)，擴(kuò)大了小基站的覆蓋區(qū)域。通過(guò)宏基站留出空白子幀不傳輸數(shù)據(jù)的方式，小基站擴(kuò)展區(qū)域的UE(受害用戶)可以使用這些子幀資源，從而受到較少的干擾影響[5]。如圖1，受害用戶和普通用戶為小基站用戶，宏基站對(duì)前者影響較大。

圖1 ABS資源調(diào)度模型

ABS算法的關(guān)鍵在于在小基站的干擾減少及宏基站吞吐量降低之間進(jìn)行權(quán)衡，改進(jìn)系統(tǒng)整體性能。更具體地說(shuō)，需要合理分配基站的時(shí)域資源，確定在ABS中將調(diào)度多少受害UE和對(duì)參與調(diào)度的受害UE的選擇[6]。經(jīng)典ABS算法多采用時(shí)域、頻域和功率分開(kāi)的控制方式，不能很好地解決宏基站吞吐量降低的問(wèn)題[7]，本文提出一種新型ABS聯(lián)合調(diào)度算法。該算法通過(guò)實(shí)施特定的小基站部署方式及在時(shí)域、頻域和功率上聯(lián)合的控制技術(shù)，使得宏基站的吞吐量大幅增強(qiáng)，獲得更好的系統(tǒng)資源利用效率。

本文研究的場(chǎng)景中，宏基站的集合為i=1,…,M，小基站的集合為k=1,…,S。UE分布在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，UE的集合為U，并形成一些UE密度比其他區(qū)域要高的熱點(diǎn)區(qū)域。UE和小區(qū)間的關(guān)聯(lián)與測(cè)量到的接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)及基站偏移門限Δ(dB)相關(guān)。與宏基站i關(guān)聯(lián)的UE的集合為UM,i，與小基站k關(guān)聯(lián)的UE的集合為US,k。將與小基站k關(guān)聯(lián)的UE進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子集。CRE中UE的集合為UCRE,k，是小基站k擴(kuò)展區(qū)域的UE的集合。該子集中的UE與小基站關(guān)聯(lián)，但是接收到更強(qiáng)的宏基站的信號(hào)。普通UE的集合UN,k，其中的UE與小基站關(guān)聯(lián)并且接收到小基站的信號(hào)更強(qiáng)?？芍猆CRE,k∪UN,k=US,k。

分析下行方向的通信鏈路。根據(jù)LTE的標(biāo)準(zhǔn)，資源塊的分配從時(shí)域和頻域兩個(gè)維度進(jìn)行劃分。資源塊在頻域上總共有numRB個(gè)子載波，帶寬為BRB=180 kHz。資源塊在時(shí)域上一個(gè)幀長(zhǎng)為10 ms，其中每個(gè)子幀為1 ms。因此，一幀中可以被利用的資源塊可以記為RB(f,t)，其中，f=1,…,numRB，t=1,…,10。每個(gè)基站傳輸?shù)拿繋及凑照{(diào)度算法將資源塊分配給UE。使用ABS技術(shù)時(shí)，用μ表示每幀中ABS子幀的數(shù)量。普通子幀即為非ABS子幀。

對(duì)于每名UEu(u∈U)傳輸?shù)馁Y源塊RB(f,t)，宏基站i中的UE傳輸時(shí)的總傳播損耗記為L(zhǎng)M,u,i,RB(f,t)，小基站k中UE傳輸時(shí)的總傳播損耗記為L(zhǎng)S,u,k,RB(f,t)。引起傳播損耗的原因包括由于多徑效應(yīng)引起的快衰落和陰影衰落。

2 新型基于ABS的eICIC解決方案

新型ABS聯(lián)合調(diào)度算法允許在特殊的限制條件下使用ABS子幀通信以避免對(duì)小基站產(chǎn)生過(guò)多的干擾，而不是讓宏基站在這些子幀中處于完全靜默狀態(tài)。對(duì)宏基站i及其覆蓋到的小基站根據(jù)不同案例采取的不同策略如圖2所示。

圖2 不同案例中的分配策略

圖2(a)中描述了案例1中的宏基站UE和小基站UE的資源塊分配標(biāo)準(zhǔn)。案例1中，無(wú)論何時(shí)，當(dāng)小基站的位置離宏基站距離較遠(yuǎn)時(shí)，即宏基站到距離宏基站最近的小基站的距離ds在一個(gè)固定的門限值Ths之上時(shí)，小基站UE受到來(lái)自宏基站的干擾原本就較少，在這種情況下，宏基站可以在ABS子幀上以較低的功率傳輸數(shù)據(jù)。為了利用ABS子幀，將宏基站的覆蓋區(qū)域分為中心區(qū)域和外側(cè)區(qū)域兩個(gè)部分。將宏基站UE與宏基站間的平均傳播損耗高于固定門限值Lth的UE劃分為外側(cè)區(qū)域UE，將UE與基站間的傳播損耗低于Lth的UE劃分為中心區(qū)域UE。宏基站i外側(cè)區(qū)域UE的集合為子集UO,i，中心區(qū)域UE的集合為子集UI,i。Lth值根據(jù)傳播損耗模型確定，根據(jù)Lth劃分出的宏基站中心區(qū)域的邊界要小于宏基站到最近的小基站的距離ds。

中心區(qū)域的UE使用μ個(gè)ABS子幀中的資源塊以較低的傳輸功率發(fā)送，而外側(cè)區(qū)域的UE只能使用普通子幀。此外，對(duì)于宏基站i使用的每個(gè)資源塊的傳輸功率，中心UE使用的ABS子幀的傳輸功率為PTM,i,Low，其他無(wú)論是中心UE還是外側(cè)區(qū)域UE，使用普通子幀的傳輸功率皆為PTM,i,High。

對(duì)于小基站的資源分配策略，CRE中UE僅使用ABS子幀，普通UE首選ABS子幀，但當(dāng)ABS子幀資源不足時(shí)，可以給其分配普通子幀。小基站k分配給每個(gè)小基站UE使用的每個(gè)資源塊的傳輸功率皆為PTS,k，無(wú)論是普通子幀還是ABS子幀。

對(duì)于案例2，如果宏基站的近距離范圍內(nèi)有小基站，即離宏基站最近的小基站到宏基站的距離ds小于門限值Ths，此時(shí)小基站的UE更加容易受到宏基站的干擾影響。案例2中對(duì)小基站UE和宏基站UE的分配策略如圖2(b)所示。即使宏基站使用低功率在ABS上傳輸數(shù)據(jù)，宏基站和小基站同時(shí)使用這些子幀傳輸數(shù)據(jù)也是行不通的。在這種情況下，可以使用一種在頻域上進(jìn)行分割的應(yīng)對(duì)策略。在每個(gè)ABS子幀中定義一些特殊的保留資源塊，保留資源塊的數(shù)目為ε≤numRB。這些保留資源塊將不會(huì)給宏基站用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。這些資源塊將主要留給小基站的CRE中UE使用，因?yàn)檫@些邊緣區(qū)域的UE對(duì)來(lái)自宏基站的干擾影響更加敏感。此外，給宏基站UE分配使用普通子幀和ABS的非保留資源塊(數(shù)量為numRB-ε)。通過(guò)這種設(shè)置，可以避免宏基站在ABS子幀期間處于完全靜默狀態(tài)，增加了宏基站的用戶容量。這個(gè)方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于保留資源塊數(shù)量ε的計(jì)算，應(yīng)當(dāng)根據(jù)CRE中UE的數(shù)目重新設(shè)定。在本文中對(duì)ε的估計(jì)如下：

ε=min([α·numCRE],numRB)

(1)

其中α為算法中的參量，numCRE為宏基站i覆蓋范圍下所有小基站的CRE中UE的總數(shù)量。[·]代表湊整運(yùn)算。

依照上述方案，在CRE中UE數(shù)量較少時(shí)，減少ε的值；當(dāng)CRE中UE數(shù)量增多時(shí)，采用傳統(tǒng)的ABS方案。宏基站不可使用ABS資源塊傳輸數(shù)據(jù)，即此時(shí)ε=numRB。小基站的CRE中UE僅被分配ABS中的保留資源塊，而小基站的普通UE優(yōu)先被分配ABS中所有資源塊，包括子幀中的保留資源塊和非保留資源塊。但是當(dāng)ABS資源不夠使用時(shí)，小基站普通UE也可以使用普通子幀。這個(gè)場(chǎng)景中，宏基站i所有子幀的每個(gè)資源塊的傳輸功率為PTM,i,High。對(duì)于小基站k每個(gè)資源塊的傳輸功率為PTS,k。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1仿真場(chǎng)景

仿真場(chǎng)景由一個(gè)宏基站和兩個(gè)小基站組成。場(chǎng)景中分布著90名UE。此外，如圖3所示，一部分UE形成熱點(diǎn)區(qū)域分布其中。

圖3 仿真場(chǎng)景

圖3中展示了兩個(gè)場(chǎng)景。兩個(gè)場(chǎng)景的不同之處在于小基站與宏基站間的距離。每次仿真時(shí)會(huì)改變熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的UE數(shù)量。

3.2參數(shù)設(shè)置

表1為調(diào)度算法中用到的不同參數(shù)。此外，對(duì)于場(chǎng)景2中保留資源塊數(shù)量ε的計(jì)算，由式(1)得出，其中α=2/μ。之所以這么設(shè)置，是考慮到每個(gè)CRE中UE傳輸數(shù)據(jù)時(shí)平均需要2個(gè)資源塊。宏基站的傳播損耗LM,u,i,RB(f,t)及小基站的傳播損耗LS,u,k,RB(f,t)由下面的一般傳播損耗模型計(jì)算：

L(dB)=128.1+37.6logd(km)+S-10logF

(2)

其中，d為UE與基站之間的物理距離。S(dB)為陰影衰落，服從標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ=6 dB的高斯隨機(jī)分布。F代表多徑引起的快衰落損耗，對(duì)于每一幀的每個(gè)資源塊，F(xiàn)是獨(dú)立的均值為1的指數(shù)變量。

場(chǎng)景1中用來(lái)將UE區(qū)分為中心區(qū)域UE和外側(cè)區(qū)域UE的門限值為L(zhǎng)th=101.8 dB，根據(jù)傳播損耗模型，該值對(duì)應(yīng)于中心區(qū)域的半徑為200 m。

用平均用戶容量作為性能指標(biāo)。一名UE在一幀上獲得的容量為Cu。平均用戶容量是一名UE在所有幀上獲得的Cu的平均值。Cu是該UEu在一幀中被分配到的資源塊的傳輸速率的總和，即：

(3)

式中，(S/N)u,RB(f,t)是UEu在資源塊RB(f,t)上的信號(hào)與干擾噪聲比。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.3結(jié)果分析

3.3.1場(chǎng)景1中的仿真情況

在該場(chǎng)景中，兩個(gè)小基站與宏基站之間的距離分別為400 m和150 m，如圖3(a)中所示。由于距離的門限值Ths=250 m，可以使用案例2中對(duì)頻域進(jìn)行劃分的解決算法。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著ABS子幀數(shù)目的增加，新方案相對(duì)于經(jīng)典方案的用戶容量增益也更大，當(dāng)μ=6時(shí)，增益達(dá)到45%。達(dá)到如此高增益的關(guān)鍵要素在于保留資源塊數(shù)量ε與小基站的CRE中UE數(shù)量間的匹配。尤其當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域UE數(shù)量與小基站UE總體數(shù)量相比較少時(shí)，算法中配置的每個(gè)ABS子幀中傳輸?shù)谋Ａ糍Y源塊的數(shù)量ε也非常少。相反，當(dāng)小基站UE數(shù)量增加時(shí)，算法趨向于增大保留資源塊數(shù)量ε的值。當(dāng)ABS子幀數(shù)為1時(shí)，該方案的性能表現(xiàn)與經(jīng)典ABS方案類似。因?yàn)檫@種情況下，算法中有ε=numRB，相當(dāng)于經(jīng)典算法，即宏基站不可使用ABS子幀傳輸數(shù)據(jù)。

圖4 平均用戶容量增益/%

3.3.2場(chǎng)景2中的仿真情況

在這個(gè)場(chǎng)景中，兩個(gè)小基站與宏基站之間的距離分別為400 m和320 m，如圖3(b)中所示。因?yàn)閮蓚€(gè)基站與宏基站之間的距離都高于門限值Ths=250 m，因此案例1適用于這種場(chǎng)景，此時(shí)宏基站使用兩種傳輸功率。從圖5中發(fā)現(xiàn)，新型方案優(yōu)于經(jīng)典方案，且獲得的增益隨著ABS子幀數(shù)目μ的增加而增加。當(dāng)μ=6時(shí)，這種案例下用戶容量增益可以高達(dá)16%。

圖5 平均用戶容量增益/%

新型方案下，場(chǎng)景2中UE獲得的增益與場(chǎng)景1相比略低。原因如下：(1)場(chǎng)景2中宏基站中心區(qū)域的UE在使用ABS子幀時(shí)使用的是較低的傳輸功率，同時(shí)它們受到相同的來(lái)自小基站UE的干擾，因此與場(chǎng)景1中運(yùn)用案例2的情況對(duì)比，場(chǎng)景2中宏基站的平均用戶容量增益降低；(2)場(chǎng)景2中小基站UE的用戶容量也降低了，但與場(chǎng)景1中情況相比，降低的程度較輕。這是因?yàn)椴煌谥唤oCRE中UE分配使用保留資源塊，場(chǎng)景2中允許這些UE使用ABS子幀所有的資源塊，然而由于小基站與宏基站相距較遠(yuǎn)，所以CRE中UE受到的干擾能夠保持在較低的水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種用于解決由宏基站和小基站組成的異構(gòu)網(wǎng)中的干擾問(wèn)題的新型干擾降低方案。從時(shí)域、頻域和功率聯(lián)合的角度提出解決方案，在小基站UE干擾降低和宏基站UE吞吐量降低之間取得平衡，得到更優(yōu)的系統(tǒng)性能。與經(jīng)典ABS方案相比，在小基站UE受宏基站影響較大的場(chǎng)景中，新型方案中平均用戶容量增益高達(dá)45%。系統(tǒng)資源的利用率更高，系統(tǒng)整體容量擴(kuò)大。但該方案對(duì)資源的利用方式及干擾的降低方式仍有改進(jìn)空間。對(duì)于一個(gè)小基站與宏基站距離較近的情況，該方案并未減輕小基站受到的干擾。

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A study on eICIC schemes based on almost blank subframes

Hu Hao, Zhao Tiancheng

(College of Communication & Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Heterogeneous Networks (HetNets) deployments, combining a variety of different cell sizes, are considered in order to enhance the coverage and capacity of cellular system. At the same time, this multi-layer structure also brings inter-cell interference. The use of Enhanced Inter-Cell Interference Coordinaton (eICIC) techniques such as Almost Blank Subframes (ABS) which is a time domain technique has been introduced in HetNets to protect the small cells from high interferences. However, this is done at the expense of lower macrocell user capacities.Then the thesis presents a novel scheme that exploits jointly the frequency, time and power dimensions for interference mitigation. Simulation results have shown that the novel scheme can increase throughput for macrocell users without generating severe interference to the small cell users.

heterogeneous network; interference coordination; almost blank subframes

TN911.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.020

胡浩，趙天呈.基于ABS的干擾協(xié)調(diào)方案研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：70-73.

2017-05-06)

胡浩(1991-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信號(hào)處理。趙天呈(1992-)，女，碩士，主要研究方向:信息處理。