王 輝，盧 清

(1.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065)

責(zé)任編輯:魏雨博

在多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，資源利用率和同頻干擾之間的協(xié)調(diào)是系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵。在LTE系統(tǒng)上行鏈路中，由于采用了SC－FDMA接入技術(shù)，所以不存在小區(qū)內(nèi)部的干擾，只存在區(qū)間干擾。為了解決小區(qū)間干擾，在LTE提案文獻(xiàn)中主要有兩種方式來實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào):軟頻率復(fù)用(SFR)和部分功率控制(FPC)。其中，前者側(cè)重于對(duì)資源調(diào)度的限制，而后者則是對(duì)發(fā)射功率的限制。目前3GPP LTE中已經(jīng)有很多此類研究，其中比較有代表性的是華為提出的軟頻率復(fù)用方案。它將系統(tǒng)頻率資源分為若干個(gè)集，并分配給特定的用戶，同時(shí)可以采用功率控制的方法，如小區(qū)中心的用戶可以采用較低的功率發(fā)射或接收，即使占用相同的頻率集也不會(huì)造成太大的小區(qū)間干擾，可以分配在復(fù)用因子為1的集中;小區(qū)邊緣的用戶由于受到路徑損耗等衰落的影響，需采用較高的功率發(fā)射或接收，分配在復(fù)用因子大于1的集中。此外，根據(jù)基站之間信息交互頻率，可以將干擾協(xié)調(diào)分為兩類:靜態(tài)協(xié)調(diào)、半靜態(tài)協(xié)調(diào)。靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式調(diào)整的頻率較慢，不能應(yīng)對(duì)小區(qū)邊緣短期業(yè)務(wù)量的激增和用戶分布過于集中小區(qū)邊緣的突發(fā)情況。因此本文研究的重點(diǎn)是半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式。

基于此，本文提出了一種基于高干擾指示的自適應(yīng)軟頻率復(fù)用方案，該方案通過X2接口交互相鄰eNodeB的高干擾指示信息(HII)［1］，當(dāng)面對(duì)小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)量激增時(shí)可以將鄰小區(qū)邊緣用戶不用的資源暫時(shí)“借”給服務(wù)小區(qū)的邊緣用戶使用，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

1 SFR在LTE上行的性能研究

在文獻(xiàn)［2］中，該文作者對(duì)軟頻率復(fù)用在LTE下行方向的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。其結(jié)論是在全負(fù)載下的軟頻率復(fù)用方案的系統(tǒng)吞吐量低于具有最好CQI調(diào)度的全頻率復(fù)用方案，以及在對(duì)軟頻率復(fù)用在不同負(fù)載下的邊緣吞吐量和小區(qū)中心吞吐量性能研究時(shí)，觀察到隨著小區(qū)負(fù)載的增加，小區(qū)邊緣吞吐量較優(yōu)于全頻率復(fù)用的邊緣吞吐量性能，但小區(qū)中心用戶的吞吐量漸漸開始下降并低于全頻率復(fù)用下的中心用戶吞吐量性能。因此使得軟頻率復(fù)用方案的系統(tǒng)吞吐量低于全頻率復(fù)用的吞吐量。

本文的主要目標(biāo)是研究LTE的上行干擾協(xié)調(diào)方案，與下行相鄰基站對(duì)用戶的干擾不同，上行干擾的產(chǎn)生主要是相鄰小區(qū)中占用同頻的用戶之間的干擾［3］。所以軟頻率復(fù)用是否能在LTE上行保持較好的性能或者在上行方向上是否有什么限制，都需要進(jìn)一步研究。

為了對(duì)軟頻率復(fù)用在LTE上行的性能進(jìn)行仔細(xì)的研究，首先對(duì)軟頻率復(fù)用和全頻率復(fù)用基于本文上行仿真平臺(tái)進(jìn)行了建模，并對(duì)軟頻率復(fù)用在上行方向的性能進(jìn)行了仿真。

圖1 為用戶分類閾值［4］在5 dB，7 dB，9 dB 下的吞吐量性能比較，隨著分類閾值的增大，小區(qū)邊緣用戶數(shù)增多，小區(qū)邊緣吞吐量增大，小區(qū)中心吞吐量下降。當(dāng)分類閾值從7～9 dB時(shí)，軟頻率復(fù)用方案的小區(qū)邊緣吞吐量保持不變，而系統(tǒng)吞吐量卻有所下降，說明了軟頻率復(fù)用方案不能適用于小區(qū)邊緣短期業(yè)務(wù)量的激增情況以及用戶分布過于集中小區(qū)邊緣的情況。

圖1 單小區(qū)撒入用戶數(shù)24的三種分類閾值下吞吐量性能比較

為了解決軟頻率復(fù)用方案在小區(qū)邊緣的限制，在保障小區(qū)系統(tǒng)吞吐量的前提下，進(jìn)行一定的改進(jìn)，使得軟頻率復(fù)用方案能夠適用于小區(qū)邊緣短期業(yè)務(wù)量的激增情況?；诖?，本文提出一種基于高干擾指示的上行SFR方案。

2 基于HII的上行自適應(yīng)SFR方案

2.1 方案總體描述

在LTE系統(tǒng)中，eNodeB調(diào)度器基于上行信道質(zhì)量(由上行Sounding RS測(cè)得)，利用調(diào)度算法為用戶分配連續(xù)的RB資源用于上行數(shù)據(jù)的傳輸［5］。為了降低小區(qū)間上行干擾，本方案將HII信令信息與軟頻率復(fù)用方案結(jié)合一起作為用戶在頻域資源分配的限制因素，在上行方向上動(dòng)態(tài)地協(xié)調(diào)不同小區(qū)中用戶的資源調(diào)度。由于是基于軟頻率復(fù)用技術(shù)，所以單小區(qū)用戶數(shù)過低時(shí)，該算法可以按照軟頻率復(fù)用方案保證較好的信道質(zhì)量;在單小區(qū)用戶數(shù)過高時(shí)候，將會(huì)啟用本方案的邊緣用戶和中心用戶分配算法，這樣可盡量保證每個(gè)用戶都能分配到信道質(zhì)量較高的資源，降低用戶接入阻塞，最大化系統(tǒng)的吞吐量和用戶吞吐量。其中高干擾指示信息(HII)可以通過X2接口進(jìn)行相互傳遞，如圖2所示。

根據(jù)以上論述，基于高干擾指示(HII)的自適應(yīng)軟頻率復(fù)用方案的流程如圖3，在圖中該方案通過移動(dòng)性管理，對(duì)邊緣用戶進(jìn)行了信道資源的優(yōu)先保證，然后擴(kuò)大中心用戶可調(diào)度的資源集合，最大地提高了小區(qū)內(nèi)用戶吞吐量。

具體流程描述如下:

Step0:初始化LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。

Step1:UE通過切換測(cè)量(RSRP測(cè)量)向服務(wù)小區(qū)上報(bào)UE接收到的服務(wù)小區(qū)的RSRP與最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)的RSRP值之間的差值以及對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)的ID。

Step2:eNodeB通過式(1)得到用戶在小區(qū)中的地理位置

其中，RSRPserving表示用戶接收到服務(wù)基站的RSRP值;RSRPmax－neighbour表示用戶接收到的最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)的RSRP值。當(dāng)式(1)成立時(shí)，則該用戶被認(rèn)為是小區(qū)邊緣用戶，否則為小區(qū)中心用戶。并利用傳統(tǒng)的軟頻率復(fù)用方案為用戶分配資源。

Step3:判斷是否還有邊緣用戶未被接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)中心帶寬還有剩余RB資源未被分配或禁用。

Step4:若Step3判斷為真，則進(jìn)行小區(qū)邊緣用戶資源分配算法。

Step5:若Step3判斷為假，則進(jìn)入Step6。

Step6:此次資源調(diào)度分配結(jié)束，同時(shí)將資源分配信息映射為對(duì)應(yīng)的HII信息:若用戶被劃分為邊緣用戶，并將該用戶所分配的RB上的HII置為1;否則用戶為小區(qū)中心用戶，其所占資源所對(duì)應(yīng)的HII置為0。在結(jié)束資源調(diào)度分配后，服務(wù)小區(qū)將HII=1的資源序號(hào)及占用該資源用戶對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)干擾小區(qū)ID和本小區(qū)ID封裝后通過X2接口發(fā)送給周圍鄰小區(qū)，進(jìn)行移動(dòng)性管理，更新用戶在網(wǎng)絡(luò)中位置或進(jìn)行小區(qū)間切換，并跳回Step1。

2.2 邊緣用戶資源分配算法

為了進(jìn)一步降低各個(gè)小區(qū)對(duì)相同資源在干擾敏感地理位置上調(diào)度的概率，同時(shí)最大程度地降低小區(qū)內(nèi)服務(wù)用戶的接入阻塞。本文提出了基于軟頻率復(fù)用的邊緣用戶資源分配改進(jìn)算法，該算法在對(duì)未被剩余的邊緣用戶進(jìn)行資源分配時(shí)需要兼顧兩個(gè)方面:一個(gè)方面為鄰小區(qū)為其與服務(wù)小區(qū)相鄰的邊緣用戶分配的RB集合對(duì)服務(wù)小區(qū)邊緣用戶分配RB資源的限制;另一個(gè)方面為服務(wù)小區(qū)調(diào)度某一個(gè)用戶到特定RB時(shí)會(huì)對(duì)離該用戶最近的鄰小區(qū)的干擾的限制。具體算法流程如圖4所示。

圖4 邊緣用戶資源分配算法流程

具體流程描述如下:

Step1:對(duì)在軟頻率復(fù)用方案下未分配到RB資源的小區(qū)邊緣用戶進(jìn)行定位，查看收到的最新HII信息集合確定兩種干擾限制集合:周圍鄰小區(qū)調(diào)度在該用戶的服務(wù)小區(qū)邊緣的高干擾指示信息集合，和該邊緣用戶接收到的最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)的全部HII信息集合。主要是因?yàn)檫吘売脩魧?duì)干擾較為敏感，如果服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)的邊緣在上行方向上同時(shí)使用相同的RB資源，由于服務(wù)小區(qū)內(nèi)同頻用戶與鄰小區(qū)內(nèi)的同頻用戶到鄰小區(qū)基站的信道增益相差較小，會(huì)導(dǎo)致鄰小區(qū)內(nèi)的同頻邊緣用戶的SINR惡化，降低了該邊緣用戶的吞吐量性能。所以，為服務(wù)小區(qū)的邊緣用戶進(jìn)行資源分配時(shí)，還需要考慮到該用戶對(duì)其接收到的最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)的干擾狀況。以7小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中心小區(qū)Cell 0為例，其邊緣用戶可以使用的RB集合可以表示為式(4)。

其中，Setue_m表示邊緣用戶m可用調(diào)度資源集合;Setservingcell表示服務(wù)小區(qū)總的資源集合;Setconstrain_m表示用戶m的資源限制調(diào)度集合;Setcell_i表示鄰小區(qū)i中邊緣用戶所使用資源集合;Setneighbour表示在鄰小區(qū)中與服務(wù)小區(qū)相鄰的邊緣用戶所使用資源集合;Setcelledge_j表示在鄰小區(qū)j中與服務(wù)小區(qū)相鄰的邊緣用戶使用的資源集合;Setalready表示服務(wù)小區(qū)用戶已經(jīng)使用的資源集合。為了方便描述算法，定義Setue_m集合為A集合，若集合A不為空，則小區(qū)邊緣用戶利用調(diào)度算法在資源集合A中進(jìn)行調(diào)度;若集合A為空，邊緣用戶的資源調(diào)度集合由式(5)確定。

此時(shí)，定義Setue_m為集合B，此時(shí)邊緣用戶在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，只保證用戶調(diào)度在該集合的資源上不會(huì)受鄰小區(qū)太大干擾，但是會(huì)對(duì)該用戶對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)干擾鄰小區(qū)造成一定的干擾，因?yàn)楸疚膶⒉捎蒙闲泄β士刂?，可以避免更大的干擾，所以在此不進(jìn)行降功率發(fā)送。

Step2:利用PF算法在資源集合A或B中進(jìn)行資源選擇。

Step3:將調(diào)度結(jié)束后的資源分配信息對(duì)應(yīng)的高干擾指示(HII)信息周期性地發(fā)送給周圍小區(qū)。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)配置

在本文第2部分對(duì)軟頻率復(fù)用在上行系統(tǒng)中的性能進(jìn)行了研究，并仿真對(duì)比了軟頻率復(fù)用和全頻率復(fù)用在中低負(fù)載和高負(fù)載下的上行性能。在第3部分中，提出了基于HII的上行軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案。在第4部分中，對(duì)其在小區(qū)吞吐量、小區(qū)邊緣吞吐量，以及在不同小區(qū)邊緣與小區(qū)中心分割比例下的性能進(jìn)行了仿真對(duì)比，其中，仿真中場(chǎng)景的具體仿真參數(shù)配置如表1所示。

3.2 性能仿真分析

從圖5和圖6中，可以看出本文研究的基于HII的軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案在中低負(fù)載時(shí)，性能與軟頻率復(fù)用一致;高負(fù)載時(shí)，由于小區(qū)邊緣用戶數(shù)的增多，而軟頻率復(fù)用方案由于小區(qū)邊緣帶寬的限制，不能夠接入更多的用戶或分配更多的資源用于小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)量激增情況，因此方案的吞吐量受到了一定的限制。而本文研究的方案是在傳統(tǒng)的SFR方案基礎(chǔ)上，通過“借”用干擾不敏感的鄰小區(qū)邊緣帶寬資源，因而也不會(huì)對(duì)其他用戶產(chǎn)生較大干擾，因此相對(duì)于軟頻率復(fù)用方案，提高了邊緣帶寬頻帶利用率、系統(tǒng)吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量。

表1 基于高干擾指示器的自適應(yīng)軟頻率復(fù)用方案和軟頻率復(fù)用方案仿真場(chǎng)景

圖5 用戶分類閾值7 dB下的小區(qū)平均吞吐量對(duì)比

圖7為單小區(qū)撒入用戶數(shù)24的三種用戶分類閾值吞吐量性能分析，從圖中可以看出，本文所研究的方案，在小區(qū)邊緣吞吐量和系統(tǒng)總吞吐量方面都能夠取得增益。因此，相對(duì)于軟頻率復(fù)用方案，本文方案能夠有效適應(yīng)于邊緣用戶數(shù)增多或邊緣業(yè)務(wù)量增大。

圖6 用戶分類閾值7 dB下的小區(qū)邊緣吞吐量對(duì)比

圖7 單小區(qū)撒入用戶數(shù)24的三種用戶分類閾值吞吐量性能

4 小結(jié)

本文結(jié)合了3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)，首先研究了軟頻率復(fù)用方案在上行方向上的性能，然后提出了基于HII的軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案，該方案通過小區(qū)間高干擾指示器來確定每個(gè)邊緣用戶的可用資源分配集合，使得相較于軟頻率復(fù)用技術(shù)得到了更多的資源分配而不產(chǎn)生過高干擾。本文對(duì)該方案進(jìn)行了仿真，并將其與全頻率復(fù)用和軟頻率復(fù)用方案進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

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