孫長印,姜 靜,盧光躍

(西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,西安 710121)

1 引 言

異構(gòu)網(wǎng)可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能因而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,它主要通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋、小區(qū)業(yè)務(wù)分流,以及獲得小區(qū)分裂增益[1]。異構(gòu)網(wǎng)是由網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的高功率宏基站和位于其覆蓋之下具有自主擺放特點(diǎn)的低功率節(jié)點(diǎn)組成,低功率節(jié)點(diǎn)包括家庭基站、微微蜂窩,以及Relay站等。異構(gòu)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn),例如,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由于不同類型基站的功率、覆蓋不同、低功率節(jié)點(diǎn)的自主擺放特點(diǎn),使得不同基站的控制信道、業(yè)務(wù)信道的干擾問題非常突出。為此,在下一代演進(jìn)系統(tǒng)如3GPP-LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中[2],采用了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)來解決由此造成的干擾問題,即eICIC(Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Schemes)。e-ICIC是LTE-A標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志性的關(guān)鍵技術(shù)之一,如果沒有它,異構(gòu)網(wǎng)中覆蓋距離擴(kuò)展(Range Extension,RE)的概念[3]便失去了改善小區(qū)邊緣覆蓋、提供小區(qū)業(yè)務(wù)分流的作用。

LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中的eICIC主要分為兩類:第一類為基于載波聚合技術(shù)的eICIC方案,第二類為基于時域ABS(Almost Blank Subframes)的方案。ABS通過在干擾小區(qū)中配置ABS子幀實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)靜默,而被干擾小區(qū)則使用這些ABS子幀為原來在小區(qū)中受較強(qiáng)干擾的用戶提供業(yè)務(wù),從而實(shí)現(xiàn)了小區(qū)間干擾的協(xié)調(diào)。

載波聚合作為LTE-A的關(guān)鍵技術(shù)之一,除了在聚合形成的大帶寬上提供高速業(yè)務(wù)以外,還能在成員載波(Component Carrier,CC)分辨率級別實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻域干擾避免。為此,可以設(shè)想異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的帶寬由兩個成員載波組成:f1和f2。為了實(shí)現(xiàn)宏基站和微微基站的干擾協(xié)調(diào),可以將f1和 f2分別分配給宏基站和微微基站的用戶,從而實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)信道和控制信道的干擾避免。或者,微微基站的小區(qū)中心用戶可以分配和宏小區(qū)相同的成員載波,而邊緣用戶則分配與宏基站不同的成員載波。這種方案的缺點(diǎn)是只能被LTE-A用戶采用,不能兼容LTE用戶。

基于載波聚合的eICIC方案中,成員載波選擇可以基于靜態(tài)或半靜態(tài)方式。靜態(tài)或半靜態(tài)方案的優(yōu)點(diǎn)是簡單、信令開銷小,但是具有頻率復(fù)用效率低的突出缺點(diǎn)。到目前為止,文獻(xiàn)可見有關(guān)成員載波選擇、資源分配,以及干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的研究報道,但是,這些研究集中在同構(gòu)網(wǎng)場景,或異構(gòu)網(wǎng)中家庭基站的干擾協(xié)調(diào)。例如,文獻(xiàn)[4-6]提出了跨CC的比例公平調(diào)度算法,算法依據(jù)用戶對聚合載波支持能力、小區(qū)位置,以及載波的覆蓋范圍,將用戶分類或分組,在給不同類型(或分組)的用戶分配不同的CC的基礎(chǔ)上,同時保證了用戶之間的公平性。文獻(xiàn)[7-8]提出了異構(gòu)網(wǎng)(HetNet)情形家庭基站載波自主選擇算法ACCS(Autonomous Component Carrier Selection),算法基于測量背景干擾矩陣(Background Interference Matrices,BIM),為家庭基站選擇成員載波集,以減少對相鄰基站的干擾。

本文討論異構(gòu)網(wǎng)載波聚合系統(tǒng)動態(tài)成員載波選擇和干擾協(xié)同問題,考慮的對象由宏小區(qū)及其覆蓋之下的數(shù)個微微基站組成,同時,假設(shè)微微小區(qū)采用RE方式提高小區(qū)覆蓋。為了解決宏小區(qū)發(fā)射對微微小區(qū)用戶(特別是RE區(qū)域用戶)造成的小區(qū)間干擾,提高微微小區(qū)的平均吞吐量和邊緣用戶吞吐量,本文首先提出一種新的成員載波選擇和干擾協(xié)同方法,方法基于修正的載波公平比例準(zhǔn)則,動態(tài)地在小區(qū)間協(xié)同選擇成員載波。為了進(jìn)一步提高低功率節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)容量,設(shè)計了新的基于調(diào)和平均數(shù)的用戶小區(qū)選擇準(zhǔn)則及算法。仿真結(jié)果表明,與頻率復(fù)用因子為1的系統(tǒng)相比,設(shè)計的方法由于靜默了高功率節(jié)點(diǎn)用戶部分成員載波,從而使低功率節(jié)點(diǎn)用戶獲得更多的選擇機(jī)會,提高了低功率節(jié)點(diǎn)小區(qū)的容量。

2 算法描述

2.1 系統(tǒng)模型

本文考慮的異構(gòu)網(wǎng)具有以下特性:一個宏基站下覆蓋數(shù)個微微基站;微微基站自主擺放;M個用戶在宏小區(qū)覆蓋區(qū)域位置隨機(jī)分布。

本文考慮包含K個CC的載波聚合系統(tǒng)下行鏈路。為了分析問題方便,假設(shè)一個基站的各個CC的發(fā)射功率相同,即對基站q,為Pq。同時,令載波選擇矩陣為

其中,ak,m=1表示用戶 m選擇第k個CC;否則,ak,m=0。

進(jìn)一步地,假設(shè)Si,k,m表示第t時隙小區(qū)i到小區(qū)q的第m個用戶的信道增益,同時,假設(shè)此值在時隙內(nèi)不變,即信道為時間塊衰落。顯然 Sq,k,m為有用信號,而Si,k,m(i≠q)為干擾信號。假設(shè)發(fā)射信號為非相關(guān)隨機(jī)信號,其均值為0,方差為 Pq,則用戶m的信干噪比(SINR)為

式中,N0為高斯白噪聲信道(AWGN)的方差。

而總的用戶速率為

假設(shè)在時隙 t,基站q只調(diào)度一個用戶,則總的系統(tǒng)吞吐量(和速率)為

2.2 問題描述

本文的CC選擇和干擾協(xié)同問題是一個優(yōu)化問題,可表述為:系統(tǒng)根據(jù)某個準(zhǔn)則,通過聯(lián)合求解載波選擇矩陣A,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最大化。本文的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)吞吐量的前提下,同時獲得用戶之間的公平性,為此采用下述效用函數(shù):

上述最優(yōu)問題的求解如直接采用窮舉搜索,需要的計算量巨大,為此,本文提出新的求解方法。

首先,將N個小區(qū)分為G N個小區(qū)簇,對于某個小區(qū)簇Q,假設(shè)其余N-Q個小區(qū)產(chǎn)生的干擾近似為噪聲,則小區(qū)簇Q的和速率為

其中:

而IN為其余N-Q個小區(qū)產(chǎn)生的干擾,可以通過測量得到。

這樣,針對每個小區(qū)簇,只要求解下述問題,即可獲得問題求解:

2.3 小區(qū)選擇算法

在求解問題(7)之前,需首先解決小區(qū)q中的用戶選擇問題。在傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)中,用戶的服務(wù)小區(qū)選擇基于接收信號強(qiáng)度的測量。對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),由于不同類型的基站發(fā)射功率不同,路損各異,采用傳統(tǒng)方法限制了選擇低功率節(jié)點(diǎn)的用戶個數(shù),降低了小區(qū)分裂增益。為此,本文采用基于調(diào)和平均數(shù)的用戶小區(qū)選擇準(zhǔn)則及算法。由于小區(qū)的業(yè)務(wù)分流主要針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),所以,在此考慮盡力而為業(yè)務(wù)類型,即Best effort業(yè)務(wù)。用戶小區(qū)選擇準(zhǔn)則考慮如下:對于Best effort業(yè)務(wù),由于沒有時延等QoS服務(wù)質(zhì)量要求,所以,我們以平均吞吐量作為衡量指標(biāo),要求系統(tǒng)對各個用戶得到近似相同的對待。為此,定義小區(qū)b的調(diào)和平均業(yè)務(wù)速率Rhm,b為

式中,Ub為小區(qū)b的服務(wù)用戶集, Rb,i為用戶i在載波集合K上的速率和:

對于同構(gòu)網(wǎng)中小區(qū)b和小區(qū)b′,有

對于異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中的微微基站b′和宏基站b,令Rhm,b′=Rhm,b/NL,其中 NL為分流參數(shù),是一個反映微微基站b′和宏基站b發(fā)射功率不同、服務(wù)用戶數(shù)差異,以及用戶干擾不平衡的參數(shù),則對微微基站b′和宏基站b,有以下關(guān)系成立:

定義 Rb′,i=NL Rb′為微微基站等效用戶速率,對宏基站b,等效用戶速率則為 Rb,i= Rb,式(11)可表示如下:

基于上述分析定義,本文小區(qū)選擇算法流程如圖1所示。

圖1 小區(qū)選擇算法流程Fig.1 Flowchart of the proposed user cell association algorithm

上述流程中,設(shè)Qhm均值和方差分別為 μ和 σ,則選取門限 T=μ+σ×β,式中 β是任意常數(shù),而Qhm更新關(guān)系為Qhm=(UbQhm+1/( Rb,i))/(Ub+1)。

2.4 CC選擇和小區(qū)干擾協(xié)同算法

式中,a′k,m是t-1時隙的矩陣 A的第(k,m)個元素,而且假設(shè)CC的調(diào)度次序?yàn)閺?j=1到k-1,再到k。

為了獲得矩陣 A,依次求解以下子優(yōu)化問題:即從 j=1到K,首先得到 ak:

則矩陣A的最優(yōu)值為

基于上述分析,新算法流程如圖2所示。

圖2 貪婪算法流程Fig.2 Flowchart of greedy search algorithm

上述算法首先初始化 a0=[0]1×Q,同時定義向量元素值為(al)q=1的集合為S,在算法循環(huán)的每一步,依次取,同時保持上個循環(huán)得到的值不變,最后選取使得推廣的比例公平判據(jù)最大的q,使其(al)q=1。

3 系統(tǒng)性能仿真

為了驗(yàn)證本文算法的有效性,選取頻率復(fù)用因子為1的情形進(jìn)行比較。為了簡單起見,假設(shè)一個小區(qū)簇由一個宏小區(qū)和2個微微小區(qū)組成,宏小區(qū)半徑為500 m,共有40個用戶。其他仿真參數(shù)如表1所示?？梢钥闯?仿真參數(shù)符合LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的仿真假設(shè)。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

首先,假設(shè)用戶在宏小區(qū)均勻分布,此時,微微小區(qū)和宏小區(qū)的吞吐量累積分布函數(shù)(CDF)如圖3和圖4所示。為了比較,圖中給出了:本文的CC選擇和小區(qū)干擾協(xié)調(diào)算法(圖例用“new”);頻率復(fù)用因子為1的系統(tǒng)(圖例用“reuse1”);本文的小區(qū)選擇算法(圖例用“offload”)。

圖3 微微小區(qū)累積分布函數(shù),均勻分布Fig.3 CDF performances of Pico cell,uniform distribution

圖4 宏小區(qū)累積分布函數(shù),均勻分布Fig.4 CDF performances of Micro cell,uniform distribution

從圖中的比較可見,與頻率復(fù)用因子為1情形相比,本文算法大大增加了微微小區(qū)的吞吐量。同時我們也可以看到,對于宏小區(qū)而言,其小區(qū)吞吐量有所下降。進(jìn)一步觀察小區(qū)選擇算法的影響曲線發(fā)現(xiàn),由于更多的邊緣小區(qū)選擇微微基站,使得微微基站的吞吐量曲線在CDF 50%以下有一定改善,預(yù)示著邊緣用戶數(shù)據(jù)率的改善。

圖5～6為用戶非均勻分布時的性能曲線比較。此時用戶集中于約占宏小區(qū)12%面積的熱點(diǎn)區(qū)域,而兩個微微基站也位于此區(qū)域中。與上述情形相同,我們發(fā)現(xiàn)本文算法大大改善了微微小區(qū)的吞吐量,而對于宏小區(qū)而言,其小區(qū)吞吐量有所下降。

圖5 微微小區(qū)累積分布函數(shù),非均勻分布Fig.5 CDF performances of Pico cell,non-uniform distribution

圖6 宏小區(qū)累積分布函數(shù),非均勻分布Fig.6 CDF performances of Micro cell,non-uniform distribution

總體而言,兩種情形宏小區(qū)的吞吐量相對于復(fù)用因子為1情形有所降低,結(jié)果提示在進(jìn)行CC選擇時,由于采用了比例公平準(zhǔn)則,使得在兩種類型小區(qū)間存在干擾的時候,算法使得宏小區(qū)選擇部分CC靜默,減少了對微微小區(qū)用戶的干擾,以便微微小區(qū)用戶傳輸,結(jié)果使微微小區(qū)用戶獲得干擾消除增益。但是,在宏小區(qū)中,微微小區(qū)的干擾消除增益被宏小區(qū)用戶由于失去傳輸機(jī)會帶來的吞吐量損失所抵消,所以,宏小區(qū)用戶的吞吐量有所降低,這也是分流的效果。

4 結(jié) 論

本文首先提出一種新的成員載波選擇和干擾協(xié)同方法,方法基于修正的載波公平比例準(zhǔn)則,動態(tài)地在小區(qū)間協(xié)同選擇成員載波。為了進(jìn)一步提高低功率節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)容量,設(shè)計了新的基于調(diào)和平均數(shù)的用戶小區(qū)選擇準(zhǔn)則及算法。仿真結(jié)果表明,與頻率復(fù)用因子為1的系統(tǒng)相比,設(shè)計的方法由于靜默了高功率節(jié)點(diǎn)用戶成員載波,從而使低功率節(jié)點(diǎn)用戶獲得更多地選擇機(jī)會,提高了低功率節(jié)點(diǎn)小區(qū)的容量。

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