一種小區(qū)動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法的研究

王淵 唐智靈 李思敏

摘? 要： 頻率復(fù)用技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)中提升系統(tǒng)容量和邊緣用戶通信質(zhì)量的核心技術(shù)，但是已有的方法無(wú)法根據(jù)相鄰小區(qū)邊緣用戶的分布調(diào)整頻率復(fù)用分配，導(dǎo)致邊緣用戶的信干噪比下降，其抗干擾能力減弱。文中提出一種動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，該方法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)需求選擇頻率復(fù)用模式，建立該方法的網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)也提出了對(duì)系統(tǒng)用戶的信干噪比和覆蓋率的評(píng)價(jià)方法。仿真結(jié)果表明，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)需求，該方法能夠有效地提高通信系統(tǒng)用戶的信干噪比及覆蓋率。

關(guān)鍵詞： 頻率復(fù)用; 覆蓋率提高; 干擾管理; 模式選擇; 網(wǎng)絡(luò)模型建立; 信干噪比評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： TN911.4?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）09?0001?04

Research on method of dynamic multi?mode frequency reuse in a cell

WANG Yuan1， TANG Zhiling1， LI Simin2

（1. School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China;

2. Institute of Electrical & Information Engineering， Guangxi University of Science & Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The frequency reuse technology is the core technology for improving system capacity and edge user communication quality in mobile communication systems. However， the existing methods cannot adjust frequency reuse allocation according to the distribution of neighboring cell edge users， resulting in a decrease of signal?to?influence plus noise ratio （SINR） of mobile communication systems held by the edge users. The anti?interference ability of their communication systems of the edge users is weakened. A dynamic multi?mode frequency reuse method is proposed in this paper， which can select the frequency reuse mode according to the real?time requirements of the network. The network model of the method is established， and also a method for evaluating SINR and coverage rate of the users′ communication systems is proposed. The simulation results show that the method can effectively improve the SINR and coverage rate of the users′ communication systems according to the real?time requirements of the network.

Keywords： frequency reuse; coverage rate improvement; interference management; mode selection; network model establishment; SINR evaluation

0? 引? 言

正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）廣泛應(yīng)用于下一代廣播無(wú)線通信系統(tǒng)。LTE的下行鏈路就采用OFDMA技術(shù)，因?yàn)樾^(qū)內(nèi)用戶彼此正交，避免了小區(qū)內(nèi)干擾[1]，但由于LTE是同頻組網(wǎng)，相鄰小區(qū)的兩個(gè)用戶有可能使用相同的時(shí)頻資源塊，從而產(chǎn)生同頻干擾，稱為小區(qū)間干擾（Inter Carrier Interference，ICI）[2]。

若用戶處在小區(qū)的邊緣位置，受到ICI的影響比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量下降，降低了整個(gè)通信系統(tǒng)的吞吐量，傳統(tǒng)解決ICI的辦法是采用頻率復(fù)用技術(shù)，其復(fù)用系數(shù)是固定的，較大的復(fù)用系數(shù)是通過(guò)犧牲頻譜效率為代價(jià)來(lái)抑制ICI，這不符合未來(lái)移動(dòng)通信的要求。

文獻(xiàn)[3]考慮到吞吐量、服務(wù)用戶數(shù)量和實(shí)際覆蓋面積，提出一種先進(jìn)的能效措施，模擬表明能源效率增加和最佳距離閾值隨著用戶數(shù)量的增加而減少。文獻(xiàn)[4]提出的方案為宏蜂窩部分分配更少的資源，其具有更多部署的毫微微蜂窩能盡可能地重用可用資源。文獻(xiàn)[5]以避開(kāi)主要干擾源的原則對(duì)用戶進(jìn)行分類，不同的用戶采用不同的復(fù)用因子來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)[6]提出了一種適用于毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)頻率復(fù)用方案，其目的是避免出現(xiàn)干擾和交叉干擾。文獻(xiàn)[7]考慮到用戶分布的隨機(jī)性，相鄰的3個(gè)小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整載波分配給邊緣用戶的可能性低。文獻(xiàn)[8]雖然在一定程度上增加了邊緣用戶的吞吐量，但大多只是固定地給邊緣用戶分配更多的頻率資源，這種資源分配方式會(huì)導(dǎo)致邊緣用戶吞吐量急劇下降。文獻(xiàn)[9]在多用戶場(chǎng)景中研究了如何通過(guò)資源分配來(lái)最小化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)時(shí)間。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種小區(qū)動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，其可根據(jù)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)需求選擇不同的頻率復(fù)用模式，提高系統(tǒng)用戶的信干噪比，使得用戶的抗干擾能力增強(qiáng)，從而提升了小區(qū)的覆蓋率。

1? 動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法

常用的頻率復(fù)用方式有部分頻率復(fù)用和軟頻率復(fù)用，由于小區(qū)間的同頻干擾隨著距離的增加而減小，小區(qū)的中心用戶受到的同頻干擾小，小區(qū)邊緣用戶受到同頻干擾大，通過(guò)理論分析得出：頻率復(fù)用因子越大，頻譜效率越低，干擾越小[10?11]。

由于在實(shí)際的蜂窩通信系統(tǒng)中，用戶的位置是時(shí)變且隨機(jī)的，故小區(qū)內(nèi)的中心用戶和邊緣用戶數(shù)目是變化的，這就導(dǎo)致了單一的頻率復(fù)用不能滿足現(xiàn)有小區(qū)的通信需求，所以本文提出了一種小區(qū)動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，通過(guò)4種不同復(fù)用模式的聯(lián)合，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需求選擇合適的頻率復(fù)用模式。

假設(shè)全網(wǎng)通信狀態(tài)同步，基站處于發(fā)射狀態(tài)，用戶處于接收狀態(tài)，通信網(wǎng)絡(luò)中會(huì)存在基站對(duì)基站的干擾和用戶對(duì)用戶的干擾。若相鄰小區(qū)的用戶使用同一頻譜資源時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生ICI。由于LTE網(wǎng)絡(luò)下行采用OFDMA，確保了小區(qū)內(nèi)信號(hào)間的正交性，避免了小區(qū)內(nèi)的干擾，所以信干比的計(jì)算公式為：

[SINR=PIother+N] （1）

式中：[Iother]是相鄰小區(qū)間的干擾;[N]是噪聲;[P]是用戶接收到的有用信號(hào)功率，其計(jì)算如式（2）所示：

[P=Pbs+G-Ploss-Pshadow] （2）

式中：[Pbs]為基站發(fā)射功率;[G]為天線的增益;[Ploss]為路徑損耗;[Pshadow]為陰影衰落。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)主要有：

1） 吞吐量

吞吐量的計(jì)算與調(diào)制方式有關(guān)[12]，調(diào)制編碼方式越高，信道質(zhì)量越好，傳輸?shù)乃俾试礁?。在這里假設(shè)一個(gè)用戶采用QPSK（正交相移鍵控）的調(diào)制方式，其編碼速率為[12]，則吞吐量計(jì)算公式為：

[Throughput=n×RbTf] （3）

式中：[n]為每個(gè)資源塊所包含的子載波個(gè)數(shù)，在后面的仿真中取48;[Rb]表示每個(gè)子載波的比特率，本文所采用的是QPSK調(diào)制方式且編碼速率為[12]，所以每個(gè)子載波的比特率為[2×12];[Tf]表示幀長(zhǎng)為5 ms;吞吐量指的是小區(qū)內(nèi)所有用戶的吞吐量之和。

2） 覆蓋率

設(shè)接收信號(hào)門(mén)限為[γ]，若接收信號(hào)大于或等于[γ]的用戶所占總用戶的百分比，就稱為覆蓋率，在后面的仿真實(shí)驗(yàn)中，以QPSK（正交相移鍵控）調(diào)制方式（[112]）對(duì)應(yīng)的信噪比值-3.14 dB為門(mén)限，如表1所示。

表1? 不同調(diào)制編碼方式的信干噪比閾值

[MCS ID MCS SINR /dB Slot Efficiency 1 QPSK（[112]） -3.14 1.6 2 QPSK（[16]） -0.73 3.2 3 QPSK（[13]） 2.09 6.4 4 QPSK（[12]） 4.75 9.6 5 QPSK（[23]） 7.86 12.8 6 16QAM（[12]） 9.94 19.2 7 16QAM（[23]） 13.45 25.6 8 64QAM（[12]） 18.6 38.4 9 64QAM（[23]） 24.58 48 ]

在頻率復(fù)用方案中，定義整個(gè)系統(tǒng)的頻率復(fù)用因子為[K]，它介于1和3之間，頻譜資源的有效利用反映了復(fù)用因子的大小，定義有效使用的頻譜利用因子為：

[Uspe=1S?Pmaxi∈SnPi] （4）

式中：[S]為總的子帶數(shù);[Pmax]為系統(tǒng)中子帶的最大發(fā)射功率;[Pi]為子帶[i]的發(fā)射功率。軟頻率復(fù)用因子與頻譜利用因子互為倒數(shù)，如式（5）所示：

[K=1Uspe] （5）

如果邊緣區(qū)域的帶寬是總帶寬的[13]，假設(shè)發(fā)射功率為[Pmax]，中心區(qū)域的帶寬是總帶寬的[23]，則發(fā)射功率為[αPmax（0≤α≤1]），則：

[Uspe=1S?PmaxS3?Pmax+2S3?αPmax=1+2α3] （6）

從式（5）和式（6）可以看出，頻譜利用率與軟頻率復(fù)用因子都可以通過(guò)發(fā)射功率比[α]來(lái)表示，[α]越大，復(fù)用因子越小，頻譜利用率越高。

小區(qū)動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法包含以下4種不同的復(fù)用模式：

模式1為頻率復(fù)用因子為1的普通復(fù)用方式，頻譜的利用率最高，但邊緣用戶受到干擾嚴(yán)重，覆蓋率最低;

模式2采用軟頻率復(fù)用，整個(gè)頻段分成高功率和低功率兩部分，其中，高功率是低功率的2倍;

模式3采用軟頻率復(fù)用，整個(gè)頻段分成高功率和低功率兩部分，其中，高功率是低功率的4倍;

模式4頻率復(fù)用因子為[13]，頻譜利用率低，受到同頻干擾小，覆蓋率變大。

在動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法的過(guò)程中，主要包括以下幾點(diǎn)：

每個(gè)基站由模式1開(kāi)始，本文仿真中以調(diào)制方式QPSK（[112]）對(duì)應(yīng)的信干噪比-3.14 dB為門(mén)限，由表1可知，若用戶信干噪比小于門(mén)限值，則不能接入，通過(guò)不能接入的用戶數(shù)量（根據(jù)式（7））來(lái)確定覆蓋率。

如基站處于模式1中，若檢測(cè)到問(wèn)題（當(dāng)前的吞吐量及覆蓋率小于模式2的吞吐量及覆蓋率），則保持不變;反之，則切換到模式2的復(fù)用方式。若基站處于模式2中檢測(cè)到不存在覆蓋問(wèn)題，基站則發(fā)消息給相鄰小區(qū)說(shuō)明它更傾向的模式，若相鄰小區(qū)所處的模式都是小于或等于該模式，它就降低到低級(jí)的模式。每種模式的覆蓋率都是逐漸增大，頻譜利用率逐漸減小。

[coverage=1-unaccess_numtotal_num] （7）

式中：coverage表示覆蓋率;unaccess_num表示用戶信噪比值小于-3.14 dB的用戶;total_num表示該小區(qū)內(nèi)的總用戶。

小區(qū)內(nèi)用戶的SINR利用式（8）進(jìn)行計(jì)算：

[SINR=SN+I] （8）

式中：[S]表示有用信號(hào)的功率;[N]為噪聲;[I]表示相鄰小區(qū)的干擾。

綜上所述，動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法的流程圖如圖1所示。

2? 仿真與討論

動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用仿真采用LTE中的4種模式的信道模型，自適應(yīng)調(diào)制編碼方式與信干噪比的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。本文采用一個(gè)由19個(gè)六邊形組成的LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)，仿真參數(shù)如表3所示。

4種模式的信干噪比分布曲線如圖2所示。仿真采用LTE中的4種模式的信道模型，根據(jù)不同的需求來(lái)確定適合的復(fù)用模式，由圖2與表4可得，模式1的頻譜利用率最高，但其ICI是最嚴(yán)重的，覆蓋率是最差的;若邊緣用戶量較大時(shí)，為了獲得更好的性能，應(yīng)該選擇模式2;在中心用戶業(yè)務(wù)量大的情況下，并且希望獲得較大的吞吐量，則可以采用模式3;若想使得ICI最小，實(shí)現(xiàn)覆蓋面積較大，則應(yīng)該采用模式4;圖3所示是系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的復(fù)用模式并進(jìn)行切換。4種模式及動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用吞吐量及覆蓋率的統(tǒng)計(jì)值如表4所示。由表4中可以看出，4種不同模式下，其各自吞吐量的值差異很大，這也使其能夠滿足動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法在提高了小區(qū)用戶SINR的同時(shí)也提高了覆蓋率。

將動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用、SFR與頻率復(fù)用因子為1進(jìn)行了仿真對(duì)比，由圖4和圖5可以看出，采用動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，小區(qū)全部用戶和小區(qū)邊緣用戶的SINR有了明顯的提升。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

傳統(tǒng)的頻率復(fù)用算法在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中不能根據(jù)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行頻率復(fù)用因子的調(diào)整。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，本文所提出的動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，能夠根據(jù)小區(qū)用戶實(shí)時(shí)的分布位置及業(yè)務(wù)量情況，通過(guò)選擇適合于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)需求的復(fù)用模式，提高通信系統(tǒng)用戶的信干噪比及覆蓋率。當(dāng)邊緣用戶量較大時(shí)，采用模式2會(huì)獲得更好的性能;若小區(qū)中心業(yè)務(wù)量大的情況下，并且希望獲得較大的吞吐量，則可以采用模式3;若想實(shí)現(xiàn)覆蓋面積大，則應(yīng)該采用模式4。本文所提出的動(dòng)態(tài)多模式頻率復(fù)用方法，在提高通信系統(tǒng)用戶的信干噪比的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的覆蓋率。

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