胡海東，張 靜

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

異構(gòu)Femtocell網(wǎng)絡(luò)中基于用戶公平性的干擾協(xié)調(diào)

胡海東，張 靜

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

為使含有家庭基站和宏基站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)中各用戶的服務(wù)質(zhì)量需求都能滿足并達(dá)到用戶間的公平性，在功率限制條件下對(duì)宏用戶中最小的用戶數(shù)據(jù)速率最大化，將此最小用戶速率提供給家庭基站用戶，獲得各家庭基站用戶的目標(biāo)信干噪比(SINR)，再利用對(duì)分法調(diào)整家庭基站的發(fā)射功率。仿真結(jié)果表明，該方法能夠保證最小的宏用戶數(shù)據(jù)速率且提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶間的公平性。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；家庭基站；功率控制；公平性

在最近的幾十年里，對(duì)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)速率和更好的服務(wù)質(zhì)量的需求不斷增長(zhǎng)。為滿足這些需求，移動(dòng)通信系統(tǒng)正在由單一的網(wǎng)絡(luò)演變成多種網(wǎng)絡(luò)融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)架構(gòu)，宏-毫微微傳輸是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中主要的場(chǎng)景之一[1]。宏-毫微微異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻帶的部署主要有兩種方案：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用不同資源的專(zhuān)用信道部署以及家庭基站和宏基站分享共同帶寬的共同信道部署兩種方案。專(zhuān)用信道部署可避免宏基站和家庭基站之間的共信道干擾(CCI)，但是頻譜效率會(huì)降低；而在共同信道部署時(shí)，只要CCI能夠被有效地管理，就可以獲得更高的頻譜效率。

為了減少CCI，毫微微基站之間的協(xié)作調(diào)度的方法已經(jīng)被應(yīng)用。在這些協(xié)作調(diào)度算法中，當(dāng)宏基站和家庭基站共享帶寬時(shí)，依靠功率控制來(lái)減小CCI是尤其有效的[2]。常見(jiàn)的方案有固定功率控制方案和基于距離的功率控制方案[3]。雖然這兩種方案在實(shí)際系統(tǒng)中簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)數(shù)據(jù)速率性能提高不大，而且欠缺公平性。第三代合作伙伴計(jì)劃已經(jīng)推出幾個(gè)基于測(cè)量的功率控制策略，這些策略用來(lái)減輕宏用戶受到的來(lái)自家庭基站的干擾，主要有降低干擾宏基站的家庭基站的最強(qiáng)接收功率以及提高來(lái)自最近的宏用戶的參考信號(hào)接收功率[4]。這些策略雖然能在系統(tǒng)的整體性能上有所改善，但這些方案也沒(méi)有考慮用戶之間的公平性，從而導(dǎo)致異構(gòu)網(wǎng)中的一些用戶尤其是家庭基站用戶不能得到很好的服務(wù)。

本文對(duì)家庭基站進(jìn)行功率控制即在宏基站和家庭基站間進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，使網(wǎng)絡(luò)中各用戶之間具有較好的公平性。該方法對(duì)宏用戶建立最大化最小的用戶速率這一優(yōu)化公式，獲得該數(shù)據(jù)速率后提供給家庭基站來(lái)調(diào)整發(fā)射功率，家庭基站利用對(duì)分法來(lái)調(diào)節(jié)自身功率以降低宏基站和家庭基站間信息交換的復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)下行的LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)宏基站和N個(gè)家庭基站組成，家庭基站部署在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，宏基站采用正交頻分復(fù)用接入方式，和家庭基站共信道部署。在每個(gè)傳輸時(shí)間間隔(TTI)中，整個(gè)系統(tǒng)共有K個(gè)宏用戶和N個(gè)家庭用戶(每個(gè)家庭基站只有一個(gè)用戶)處在活動(dòng)中。各用戶接收到的信號(hào)和所受到的干擾情況如圖1所示。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與干擾模型

當(dāng)家庭基站有發(fā)射功率時(shí)，就會(huì)對(duì)該宏用戶產(chǎn)生干擾，影響它的數(shù)據(jù)速率。宏基站用戶k在資源塊s上可獲得的數(shù)據(jù)速率如

(1)

對(duì)于家庭基站用戶，它受到的干擾來(lái)自于該宏小區(qū)中其余的N-1個(gè)家庭基站和宏基站。第i個(gè)家庭基站用戶可獲得的數(shù)據(jù)速率表示為

(2)

2 問(wèn)題建立

對(duì)上述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的宏基站和家庭基站進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，就是在滿足宏用戶和家庭用戶的服務(wù)質(zhì)量要求時(shí)對(duì)宏基站和家庭基站的發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化。這是一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化參數(shù)有N+1個(gè)，獲得最優(yōu)解很難。由于家庭基站用戶的信道條件往往較好，可獲得較高的數(shù)據(jù)速率，而宏基站的用戶信道條件較差，數(shù)據(jù)速率較低。為了達(dá)到宏用戶和家庭基站用戶間的公平性，本文首先考慮最大化最小的宏用戶數(shù)據(jù)速率，再把這個(gè)數(shù)據(jù)速率作為家庭基站用戶的目標(biāo)速率，然后調(diào)整家庭基站的發(fā)射功率來(lái)滿足這個(gè)目標(biāo)速率。

對(duì)于宏用戶，其優(yōu)化問(wèn)題可以建立為

(3)

(4)

求解式(4)可采用帶有限制條件的拉格朗日乘子法，得到次優(yōu)近似解。

2.2 家庭基站的功率控制

令rtarget為式(4)的近似解。由于家庭基站和它的用戶的傳輸鏈路一般可以認(rèn)為是直視鏈路，并且用戶比較靠近家庭基站，所以家庭基站用戶的數(shù)據(jù)速率可以用高SINR近似法來(lái)近似，即

(5)

(6)

再有，對(duì)家庭基站用戶定義公平系數(shù)F[5]如

(7)

該系數(shù)反映了各家庭基站用戶之間的數(shù)據(jù)速率，F(xiàn)越接近1，表示公平性越高。

“跨區(qū)域”協(xié)調(diào)是四大區(qū)域戰(zhàn)略最明顯的特征，即打破區(qū)域行政壁壘，構(gòu)建新時(shí)代區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的新機(jī)制。它有利于推動(dòng)各地充分發(fā)揮比較優(yōu)勢(shì)，極大地提高區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總體效率。

2.3 家庭基站功率的對(duì)分分配

在上文的高SINR近似方法中，家庭基站之間需要大量的信道狀態(tài)信息交換，提高了計(jì)算復(fù)雜度。在這種情況下，為降低復(fù)雜度，采用對(duì)分法調(diào)整功率，即在家庭基站用戶滿足目標(biāo)速率和家庭基站之間沒(méi)有信道狀態(tài)信息交換的情況下，家庭基站自動(dòng)地控制發(fā)射功率。

鑒于家庭基站部署在室內(nèi)，當(dāng)它干擾相鄰基站時(shí)，干擾信號(hào)至少要穿透兩層墻面，同時(shí)宏基站的發(fā)射功率通常是家庭基站功率的幾倍，所以家庭基站之間的干擾實(shí)際上可以忽略不計(jì)。在忽略家庭基站之間的干擾后，將式(2)簡(jiǎn)化為

(8)

對(duì)其中一個(gè)家庭基站采用對(duì)分法調(diào)整發(fā)射功率的具體步驟是：設(shè)置家庭基站的最小和最大發(fā)射功率即l和u后，根據(jù)式(8)，計(jì)算家庭基站的最小和最大數(shù)據(jù)速率，分別記為 rfi-ign(l) 和rfi-ign(u)，并設(shè)置可允許的功率差值ε=u-l；比較rfi-ign(l)與rtarget，若rfi-ign(l)>rtarget，則設(shè)置pfi=l；比較rfi-ign(u)與rtarget，若rfi-ign(u)ε時(shí)， 令q=(u+l)/2，再用該q值根據(jù)式(8)計(jì)算rfi-ign(q)，比較rfi-ign(q)與rtarget，若比rtarget大則設(shè)置l=q，反之，u=q。重復(fù)該步驟直至u-l<ε，此時(shí)的l就是家庭基站的發(fā)射功率。對(duì)N個(gè)家庭基站都采用此方法進(jìn)行功率調(diào)整。具體的流程圖如圖2所示。

圖2 對(duì)分法的具體流程圖

3 仿真結(jié)果與分析

考慮如圖1所示的基于LTE-A的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)兩層分布模型，在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)分布了K個(gè)宏用戶和N個(gè)家庭基站。假設(shè)家庭基站用戶分布在家庭基站的10 m范圍內(nèi)，采用ITU-R Indoor-A的室內(nèi)信道模型，宏用戶處在家庭基站覆蓋范圍之外，采用瑞利信道模型。詳細(xì)的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

仿真的具體過(guò)程如下：利用拉格朗日乘子法得到次優(yōu)的宏基站發(fā)射功率，計(jì)算此時(shí)的數(shù)據(jù)速率rtarget，再把rtarget通知給這個(gè)異構(gòu)網(wǎng)中的所有家庭基站，然后每個(gè)家庭基站基于rtarget進(jìn)行功率調(diào)整。將該方案與文獻(xiàn)[3]中兩種傳統(tǒng)功率控制方案，即固定功率控制和基于距離的功率控制作對(duì)比。

圖3是該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用不同的功率控制方案所獲得的最小用戶速率的對(duì)比情況，與固定功率控制方案和基于距離的功率控制方案相比，本文對(duì)分法方案可獲得更高的最小用戶數(shù)據(jù)速率。當(dāng)家庭基站數(shù)量是50時(shí)，對(duì)比固定的20 dBm發(fā)射功率控制方案，本文方案的最小用戶數(shù)據(jù)速率有近109%的提高，再對(duì)比高SINR近似法，本文方案的最小用戶速率大約有85%的提高。

圖3 異構(gòu)網(wǎng)中家庭基站數(shù)目和最小用戶速率的關(guān)系

圖4表示家庭基站用戶間的公平系數(shù)。由于本文方案將宏基站的最小用戶數(shù)據(jù)速率提供給各家庭基站，使各家庭基站用戶之間的數(shù)據(jù)速率差異減小，從而導(dǎo)致了家庭基站用戶間的更高的公平性。在家庭基站個(gè)數(shù)為50時(shí)，對(duì)比固定的20 dBm發(fā)射功率方案，本文方案的公平系數(shù)提高了近18%，雖然高SINR近似法的公平系數(shù)可提高近22%，但是最小的用戶數(shù)據(jù)速率低于本文方案。本文方案同時(shí)還可保證宏基站用戶和家庭基站用戶間的公平性。

圖4 異構(gòu)網(wǎng)中家庭基站數(shù)目和公平系數(shù)的關(guān)系

表2為4種功率控制方案的計(jì)算復(fù)雜度。本文方案的復(fù)雜度介于高SINR近似和基于距離的方案之間。盡管傳統(tǒng)方案有比較低的復(fù)雜度，但是比較所提方案，用戶公平性較低。高SINR近似方案公平性較高，但是在所有家庭基站之間需要大量的信道狀態(tài)信息交換，從而使得復(fù)雜度提高。然而對(duì)分法不僅有較高的用戶公平性，還有較低的計(jì)算復(fù)雜度。

表2 4種方案復(fù)雜度比較

4 總結(jié)

本文針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)利用功率控制所做的干擾協(xié)調(diào)方案，在滿足宏用戶的服務(wù)質(zhì)量需求的前提下來(lái)調(diào)整家庭基站的功率，采用的對(duì)分法功率調(diào)節(jié)方法能減小信息交換的復(fù)雜度和算法的復(fù)雜度。該方案可使網(wǎng)絡(luò)中的各用戶在公平性上得到較好的協(xié)調(diào)。

[1] 隗合建，張欣，曹亙，等. LTE-A 增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].現(xiàn)代電信科技，2011，41(8)：38-44.

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責(zé)任編輯：許 盈

Interference Coordination Based on Users’ Fairness in Heterogeneous Femtocells Networks

HU Haidong, ZHANG Jing

(DepartmentofInformationandElectronic,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

To make the service quality requirements of each user in heterogeneous network (HetNet) which contains femtocells and macro base stations meet and achieve the fairness among users, under the condition of power constraints, and it’s effective to maximize minimum user data rate among Macro users, this user minimum rate to station users in home base is provided, the target SINR of users among home base station is obtained. And finally adjusting transmission power of the base stations by using bisection method will meet requirements. The simulation results show that this method can guarantee a minimum data rate and improve the user fairness in heterogeneous network.

heterogeneous network; femtocell; power control; fairness

【本文獻(xiàn)信息】胡海東，張靜.異構(gòu)Femtocell網(wǎng)絡(luò)中基于用戶公平性的干擾協(xié)調(diào)[J].電視技術(shù),2015，39(13).

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101209)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11ZR1426600)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.13.014

2014-12-25