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

長期演進(jìn)系統(tǒng)中改進(jìn)的軟頻率復(fù)用方案

傅玲莉, 張靜*

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

給出改進(jìn)型軟頻率復(fù)用(SFR)方案的目的在于提高邊緣區(qū)域的性能,改善傳統(tǒng)SFR無法適應(yīng)長期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的動態(tài)分布和頻譜分配靈活性低的缺點(diǎn).該方案將一部分頻譜資源劃分為共享頻段,邊緣區(qū)域?qū)ζ溆休^高的優(yōu)先權(quán).仿真結(jié)果表明,改進(jìn)方案能夠有效改善邊緣區(qū)域性能,提高了頻譜分配的靈活性.

軟頻率復(fù)用; 頻譜分配; 共享頻段; 長期演進(jìn)系統(tǒng)

0 引 言

隨著無線通信設(shè)備的普及以及移動業(yè)務(wù)需求的迅猛發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)速率、服務(wù)質(zhì)量的要求也越來越高,而抑制小區(qū)干擾是保證用戶服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵[1-2].目前,關(guān)于小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)已經(jīng)有較多的研究,軟頻率復(fù)用 (SFR)是其中備受關(guān)注的一種方案.SFR將頻譜分成主載波和副載波兩部分,且相鄰小區(qū)間的載波互不重疊[3].其中,主載波的發(fā)射功率高于副載波的發(fā)射功率且優(yōu)先分配給邊緣用戶使用,而副載波只能分配給中心用戶使用[4].SFR雖然在一定程度上解決了小區(qū)間的干擾,但小區(qū)主載波為固定分配,無法適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化,因此缺乏有效性和靈活性.本文作者基于參考文獻(xiàn)[5]給出一種改進(jìn)型的SFR方案,提高頻譜利用效率和頻譜分配的靈活性,抑制小區(qū)邊緣用戶的干擾,提升系統(tǒng)性能.

1 系統(tǒng)模型

圖1 LTE系統(tǒng)中小區(qū)間干擾模型

考慮由i個小區(qū)(i=1,2,…,C)構(gòu)成的長期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)傳輸場景,總用戶數(shù)為K.各用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)且每個小區(qū)總用戶數(shù)相同,并根據(jù)平均信干噪比將用戶分為中心用戶(CCU)和邊緣用戶(CEU).系統(tǒng)帶寬B(共包含N個子載波)被劃分為多個互不重疊的頻帶.LTE系統(tǒng)中小區(qū)間的干擾模型如圖1所示.

假設(shè)距離相隔較遠(yuǎn)的小區(qū)間干擾可以忽略不計,只考慮相鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾.對于任一小區(qū)i∈{1,2,…,C}用戶k在子載波j∈{1,2,…,N}上接收到的信干噪比可以表示為[6]:

(1)

依據(jù)香農(nóng)容量定理,用戶k在子載波j上的容量可以表示為:

(2)

式中B為子頻帶帶寬.

所以,服務(wù)小區(qū)的吞吐量為:

(3)

由正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)的特點(diǎn)可知,一個子載波在一個發(fā)送時間間隔(TTI) 內(nèi)只能分配給一個用戶.

2 改進(jìn)的SFR方案

2.1改進(jìn)方案的頻譜分配

為了解決傳統(tǒng)SFR方法無法適應(yīng)用戶負(fù)載變化的缺點(diǎn),基于文獻(xiàn)[4],作者提出一種改進(jìn)的SFR方法,如圖2所示,將整個系統(tǒng)的頻率資源劃分為4段,將其中一段設(shè)置為可共享頻段.對于小區(qū)1的邊緣用戶固定使用頻段1,中心用戶固定使用頻段2、3.對于共享頻段4,當(dāng)小區(qū)邊緣負(fù)載較小時,分配給中心用戶使用;當(dāng)小區(qū)邊緣負(fù)載較大時,則優(yōu)先分配給小區(qū)邊緣用戶,即對于共享頻段4,小區(qū)邊緣用戶比中心用戶有更高的優(yōu)先使用權(quán).小區(qū)2的邊緣用戶固定使用頻段2,中心用戶固定使用頻段1、4,頻段3則作為小區(qū)中心用戶和邊緣用戶共享的資源.小區(qū)3的邊緣用戶固定使用頻段4,中心用戶固定使用頻段2、3,頻段1則作為小區(qū)中心用戶和邊緣用戶共享的資源.

圖2 M-SFR頻率資源分配策略

2.2改進(jìn)方案的功率分配

為了降低小區(qū)間干擾,小區(qū)邊緣用戶的發(fā)射功率高于小區(qū)中心用戶的發(fā)射功率,如果每個小區(qū)中的邊緣子載波的功率定義為pe,那么中心子載波的功率為pc=αpe,其中α為功率比,其取值范圍為(0,1).

改進(jìn)方案中的功率分配會出現(xiàn)以下兩種極端的情況:

第一種:小區(qū)邊緣負(fù)載較小,沒有使用可共享的頻段

(4)

其中N為小區(qū)邊緣用戶數(shù),PT為發(fā)射功率.

由(4)式可得:

(5)

第二種:小區(qū)邊緣負(fù)載較大,完全使用可共享的頻段資源.

(6)

由(6)式可得:

(7)

因此,改進(jìn)的SFR方案中的邊緣子載波的功率取值范圍為pe∈[pe,2,pe,1].

3 仿真驗證和性能分析

本節(jié)通過仿真實驗評價改進(jìn)SFR算法的性能,評價指標(biāo)包括小區(qū)邊緣用戶吞吐量和小區(qū)中心吞吐量.在仿真實驗中與傳統(tǒng)SFR算法進(jìn)行性能對比.

3.1仿真場景

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真實驗中構(gòu)建由7個正六邊形結(jié)構(gòu)小區(qū)構(gòu)成的LTE系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.用戶隨機(jī)分布在不同小區(qū)中,各小區(qū)用戶數(shù)量相同.系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.為保證算法對比的同一性和不失一般性,當(dāng)上述軟頻率復(fù)用策略確定分配到各小區(qū)的資源后,各小區(qū)內(nèi)采用比例公平(PF)策略為其服務(wù)用戶分配資源.小區(qū)調(diào)度每1 ms執(zhí)行一次,共執(zhí)行1 000次.

3.2小區(qū)邊緣區(qū)域吞吐量

圖3 小區(qū)邊緣用戶吞吐量

圖3為小區(qū)邊緣用戶吞吐量隨著用戶數(shù)增加的變化曲線.可以看出,當(dāng)邊緣用戶數(shù)較少時,改進(jìn)的SFR算法的吞吐量與傳統(tǒng)SFR算法的沒有太大的差異,但隨著用戶數(shù)的增加,改進(jìn)SFR的吞吐量低于傳統(tǒng)的SFR,這是因為在改進(jìn)SFR中的可用頻帶少于傳統(tǒng)SFR.但隨著用戶數(shù)的繼續(xù)增加改進(jìn)SFR顯示出了更好的性能,這是因為在負(fù)載較大的情況下邊緣區(qū)域使用了共享頻段資源,這在一定程度上緩解了邊緣區(qū)域的頻譜需求.

3.3小區(qū)中心區(qū)域吞吐量

圖4 小區(qū)中心用戶吞吐量

圖4為小區(qū)中心用戶吞吐量隨著用戶數(shù)增加的變化曲線.可以看出,在邊緣用戶數(shù)較少的情況下改進(jìn)的SFR方案的吞吐量與傳統(tǒng)SFR方案的沒有太大的差異,但隨著用戶數(shù)的增加,改進(jìn)SFR的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的SFR,這是因為在改進(jìn)SFR中的可用頻帶多于傳統(tǒng)SFR.但隨著用戶數(shù)的繼續(xù)增加傳統(tǒng)SFR顯示出了更好的性能,這是因為在負(fù)載較大的情況下邊緣區(qū)域?qū)蚕眍l段資源有較高的優(yōu)先權(quán),邊緣區(qū)域使用了共享頻段這使得中心區(qū)域的可用頻段減少.

4 結(jié) 論

通過劃分出一段共享頻段,邊緣區(qū)域?qū)ζ溆休^高的優(yōu)先權(quán),以此來提高邊緣區(qū)域的吞吐量.通過仿真結(jié)果可以看到使用改進(jìn)SFR方案首先增加了頻譜利用的靈活性.其次,當(dāng)邊緣區(qū)域負(fù)載較大時,犧牲了部分中心區(qū)域的性能,但邊緣區(qū)域的性能得到了較大的提升并且改善傳統(tǒng)SFR無法適應(yīng)長期演進(jìn)系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的動態(tài)分布和頻譜分配靈活性低的缺點(diǎn).

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Animprovedsoftfrequencyreuseschemeinlongtermevolutionnetworks

Fu Lingli,ZhangJing*

(The College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai200234,China)

In this paper,a modified soft frequency reuse(SFR) scheme is given to improve the performance of edge area and to mitigate the shortcomings of traditional SFR such as low business agility which is unable to adapt to dynamic spectrum allocation and distribution in long term evolution(LTE) system.In our method,a part of spectrum resource is allocated as the shared frequency band,and the edge region has higher priority.The simulation results show that the proposed method can effectively improve the throughput for those users at the edge area and increase the flexibility of spectrum allocation.

soft frequency reuse; spectrum allocation; frequency sharing; long term evolution

2016-04-13

傅玲莉(1989-),女,碩士研究生,主要從事移動通信系統(tǒng)的軟頻率復(fù)用方面的研究.E-mail:863323135@qq.com.

導(dǎo)師簡介: 張 靜(1971-),女,博士,副教授,碩士導(dǎo)師,主要從事移動通信信號處理方面的研究,E-mail:jannety@shnu.edu.cn.

TN929.5

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:1000-5137(2017)04-0556-04

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