文 武 ，徐旭東

（1.重慶郵電大學 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065）

0 引言

隨著智能終端的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟪手笖?shù)形式增長，LTE-A提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1]。它是在宏基站(Macro eNB)內(nèi)引入低功率的節(jié)點，主要包括微基站(Pico eNB)、家庭基站等，部署在熱點和盲點區(qū)域。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署增強了盲點的覆蓋，提升了系統(tǒng)的性能[1-3]。但是微基站的覆蓋區(qū)域小，轉(zhuǎn)移宏基站負載的能力較低[1]。為了提高微小區(qū)的轉(zhuǎn)移負載能力，參考文獻[3]提出小區(qū)覆蓋增強技術(shù)(Range Expansion，RE)，擴大了微基站的覆蓋范圍，減少了宏基站的負載[4]。這時微基站可分為中心區(qū)域(Inner Cell，INC)和擴展區(qū)域(Cell Range Expansion，CRE)。 由于是同頻部署，微基站擴展區(qū)域用戶受到宏基站的嚴重干擾。

為此，參考文獻[5]提出增強型干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。通過宏基站在一些子幀不發(fā)送數(shù)據(jù)，減少擴展區(qū)域用戶的干擾，這些子幀稱為空白子幀(Almost Blank Subframe，ABSF)。LET協(xié)議中空白子幀配置沒有給定。對此參考文獻[6]分析了靜態(tài)設(shè)定對系統(tǒng)性能的影響。之后參考文獻[7]建議把空白子幀配置應(yīng)用于動態(tài)。參考文獻[8]提出基于中心用戶與擴展區(qū)域用戶比例的設(shè)定方法。參考文獻[9]從系統(tǒng)的角度提出最大化吞吐量的設(shè)定方法。但是為了追求系統(tǒng)吞吐量的最大化，會犧牲擴展區(qū)域用戶性能。基于以上不足，本文著眼系統(tǒng)公平性，提出兩種空白子幀配置方法。仿真結(jié)果表明，相比于靜態(tài)的配置方法，提出的這兩種動態(tài)的空白子幀配置方法有效地提升了系統(tǒng)的公平性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 干擾模型

在引入增強型干擾協(xié)調(diào)之后，宏基站在空白子幀不發(fā)送數(shù)據(jù)信號，微基站用戶(Pico UE，PUE)的信噪比可分為正常子幀和空白子幀兩種情形,表示如下：

宏基站只在正常子幀發(fā)送數(shù)據(jù)信號，所以宏基站用戶(Macro UE，MUE)信噪比表示如下：

那么用戶i所獲得的信息速率為：

1.2 空白子幀模型

在一個幀內(nèi)有Nsf子幀，假設(shè)空白子幀有Nsb個，則正常子幀的個數(shù)就為Nsn=Nsf-Nsb，令 θ為空白子幀比率，可表示如下：

空白子幀數(shù)為Nsb=θNsf，正常子幀數(shù)為 Nsn=(1-θ)Nsf。

1.3 用戶劃分模型

當宏基站與微基站子幀對齊，系統(tǒng)就存在空白子幀段和正常子幀段。MUE只能在正常子幀傳送數(shù)據(jù)。為了方便起見，規(guī)定INC用戶只在正常子幀傳輸。擴展區(qū)域用戶(CRE UE)只在空白子幀傳輸。

定義1：只在空白子幀時間段傳輸?shù)挠脩舴Q為ABSF用戶，只在正常子幀時間段傳輸?shù)挠脩舴Q為NSF用戶，其分類如表1所示。

很多文獻認為空白子幀的配置是減少宏基站的資源提升微基站的信道條件，是體現(xiàn)宏基站與微基站之間的權(quán)衡[7-9]。但并非如此，增大空白子幀配置比例的確減少了宏基站的發(fā)送時間，但是微基站INC用戶的發(fā)送時間也就相應(yīng)地較少，增多的只是CRE用戶的發(fā)送時間。所以增強型干擾協(xié)調(diào)技術(shù)體現(xiàn)的是ABSF用戶與NSF用戶的平衡，并給出如下定義。

表1 NSF用戶和ABSF用戶的分類

定義2：宏基站空白子幀的配置，本質(zhì)是ABSF用戶與NSF用戶達到競爭平衡。

空白子幀設(shè)定轉(zhuǎn)化為求解ABSF用戶和NSF用戶間的平衡。由此，提出基于ABSF用戶比的空白子幀設(shè)定和最大化公平性的空白子幀設(shè)定。

2 空白子幀配置

2.1 基于ABSF用戶比的配置

一般地如果ABSF用戶越多,那么空白子幀也應(yīng)該分配的越多,于是提出了基于ABSF用戶比的配置 (Rate of ABSF，BRABSF)，其公式表示如下：

其 中，Npu，n和 Npu，b分別表示在微小區(qū)p內(nèi)NSF用戶和ABSF用戶數(shù)。Nmu表宏基站m內(nèi)的宏基站用戶數(shù)。

2.2 最大化公平性的配置

空白子幀的配置是在一個幀內(nèi)進行的，由于本文只研究單小區(qū)的場景，沒有其他小區(qū)的干擾，同類型的子幀的吞吐量滿足廣義公平性，所以在一個幀內(nèi)NSF用戶吞吐量Thn(θ)和ABSF用戶吞吐量Thh(θ)可以分別表示如下：

式中S表示一個子幀，Sn和Sb分別表示一個幀內(nèi)的正常子幀集合和空白子幀集合。是在正常子幀內(nèi)NSF用戶的平均傳輸速率是在空白子幀內(nèi)ABSF用戶的平均傳輸速率，可以分別表示如下：

為了滿足速率的公平性，θ可以表示成：

把式(9)、式(10)帶入式(11)，最大化公平性的空白子幀配置(Max Fairness ABSF，MFABSF)，表示如下：

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)

仿真拓撲網(wǎng)絡(luò)規(guī)定每個宏基站小區(qū)內(nèi)有4個微基站小區(qū)、60個用戶。為了模擬熱點區(qū)域，2/3的UE分布在微基站的周圍。其他仿真參數(shù)見表2。對比方案為在不同的偏置值下對比靜態(tài)空白子幀配置(SABSF)和兩種動態(tài)的空白子幀配置。

表2 仿真參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 空白子幀比率

空白子幀比率如圖1所示，隨偏置值增加，微基站邊緣用戶越多，ABSF用戶比率不斷增大?；贏BSF用戶比的配置方法，空白子幀比率一直接近用戶ABSF用戶比率。而最大化公平性的配置，開始時空白子幀比率小于ABSF用戶比率，隨著CRE的增大，ABSF比率開始大于ABSF用戶比率，而且越來越明顯(如圖1)。這是由于隨著偏置值增大，ABSF用戶信道條件越來越差[6]。

圖1 空白子幀比率

3.2.2 吞吐量和公平性

圖2 NOR用戶和ABSF用戶的吞吐量

吞吐量仿真結(jié)果如圖2，空白子幀靜態(tài)配置時隨著偏置值的增大，ABSF用戶速率會下降，而NSF用戶速率不斷增加，這兩條曲線成X型?；贏BSF用戶比的配置考慮了ABSF用戶所占的比例，但是隨著偏置值的增加，ABSF用戶和NSF用戶的速率差異還是很大。最大化公平性的配置方法的兩種類型用戶平均速率曲線比較接近。系統(tǒng)公平性如圖3所示，從圖3也可以看出，整個系統(tǒng)的公平性有很大的提升，特別是當偏置值很大時，體現(xiàn)得更加明顯。

圖3 系統(tǒng)公平性

3.2.3 微基站的邊緣用戶性能

微基站5%的邊緣用戶吞吐量如圖4，微基站5%邊緣用戶的吞吐量先增后減，這是由于隨著偏置值增大，邊緣用戶信道先有所提升之后就不斷惡劣[7]。在偏置值比較大時，最大化公平性的空白子幀配置有效地提升了邊緣用戶傳輸速率。

圖4 微基站5%的邊緣用戶吞吐量

4 結(jié)論

本文研究了空白子幀動態(tài)設(shè)定問題，提出空白子幀的設(shè)定是為了達到ABSF用戶和NSF用戶性能的平衡。在此基礎(chǔ)上，提出基于ABSF用戶比的空白子幀配置和最大化公平性的空白子幀配置。仿真表明，這兩種方法有效地提升了公平性和邊緣用戶的吞吐量。文章還重點對比了這兩種配置方法，表明最大化公平性的配置有效地提升了用戶公平性，并減緩了隨偏置值增大邊緣用戶吞吐量減少的趨勢。

[1]3GPP TR 36.839 V11.1.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Mobility enhancements in heterogeneous networks[Z].2012.

[2]沈嘉.LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(9)：7-9.

[3]陳貝，陳發(fā)堂.LTE-A系統(tǒng)下行鏈路信道估計的性能評估[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(8)：115-117.

[4]3GPP.R1-083813，Range expansion for efficient support of heterogeneous networks[S].2008.

[5]GUVEND I/Capacity and fairness analysis of heterogeneous networks with range expansion and interference coordination[J].IEEE Commun，Letters，2011，12(5)：1084-1087.

[6]SHIRAKABE M，MORIMOTO M.Performance evaluation of inter-cell interference coordination and cell range expansion in heterogeneous networks for LTE-Advanced downlink[C].Proc.ISWCS，2011：844-848.

[7]MADAN R，BORRAN J，SAMPATH A.Cell association and interference coordination in heterogeneous LTE-A cellular networks[J].IEEE Areas Commun.，2010，28(9)：1479-1489.

[8]ABDALLAH K，CERUTTI I.Energy efficient coordinated sleep of LTE Cells[C].IEEE ICC Wireless Networks Symposium，2012：5238-5242.

[9]VASUDEVAN S，PUPALA R N.Dynamic eICIC-A proactive strategy for improving spectral efficiencies of heterogeneous LTE cellular networks by leveraging user mobility and traffic dynamics[J].IEEE Wireless Commun.Trans.，2013，12(10)：4956-4969.