胡 浩，趙天呈

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于ABS的干擾協(xié)調方案研究

胡 浩，趙天呈

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

異構網通過運用不同功率的基站同頻部署，擴大了網絡覆蓋率及系統(tǒng)容量。但同時這種多層結構也帶來了小區(qū)間干擾問題。ABS是一種時域上的小區(qū)間干擾協(xié)調技術，解決了下行傳輸中高功率宏基站和低功率小基站共享頻域資源時的干擾問題，但該技術的缺點是降低了宏基站的用戶容量。文中研究了一種從頻域、時域、功率三個維度聯(lián)合進行干擾協(xié)調的新型ABS解決方案。仿真結果證明該方案可以顯著增加宏基站用戶的吞吐量，同時不對小基站產生過多干擾。

異構網；干擾協(xié)調；幾乎空白子幀

0 引言

對高數據速率應用的需求呈指數級增長，極大地推動了第四代蜂窩網技術LTE-A(LTE-Advanced)的標準化。為了解決系統(tǒng)容量不夠的問題，在LTE-A中引入了異構網絡。在引入異構網絡之前，通信系統(tǒng)是由以宏基站為主要部署的同質網絡組成。然而，這些傳統(tǒng)的網絡已經被證明不足以應付UE(User Equipment)分布及數據通信的復雜性[1]。對于上述問題，一種解決方案是通過在高功率節(jié)點宏基站下增加部署諸如微微基站和毫微微基站之類的小基站。加入這些不同功率不同覆蓋范圍的小基站的網絡即為異構網絡(Heterogeneous Networks，HetNets)。然而異構網絡是多層網絡，且由于與微微基站關聯(lián)的毫微微基站和小區(qū)范圍擴展區(qū)域的封閉接入性質，共層和跨層的干擾問題比較突出，從而帶來一系列挑戰(zhàn)，例如小區(qū)選擇優(yōu)化的問題、資源分配及干擾管理的問題[2]。在LTE版本8和版本9中標準化的小區(qū)間干擾協(xié)調方法中，沒有專門說明針對HetNets的設置和主要干擾場景，而在版本10中定義了增強的小區(qū)間干擾協(xié)調技術(enhanced Inter-Cell Interference Coordination, eICIC)。eICIC技術主要面對共信道下的宏基站-小基站共同部署的場景，分為時域技術、頻域技術、功率控制技術[3]。

1 系統(tǒng)模型

幾乎空白子幀技術(Almost Blank Subframes，ABS)是一種時域eICIC方案，即將子幀劃分為兩種類型：普通子幀和幾乎空白子幀。該方案要求宏基站在ABS子幀段中不傳輸用戶數據，使得受干擾影響的小基站用戶可以在干擾減少的情況下傳輸數據，但宏基站的吞吐量會降低[4]。

在異構網絡中，因為小基站的傳輸功率更低，所以連接到小基站的UE數目減少，而宏基站上通信負載過大。為了克服這個問題，引入了小區(qū)擴展技術(Cell Range Expansion，CRE)，擴大了小基站的覆蓋區(qū)域。通過宏基站留出空白子幀不傳輸數據的方式，小基站擴展區(qū)域的UE(受害用戶)可以使用這些子幀資源，從而受到較少的干擾影響[5]。如圖1，受害用戶和普通用戶為小基站用戶，宏基站對前者影響較大。

圖1 ABS資源調度模型

ABS算法的關鍵在于在小基站的干擾減少及宏基站吞吐量降低之間進行權衡，改進系統(tǒng)整體性能。更具體地說，需要合理分配基站的時域資源，確定在ABS中將調度多少受害UE和對參與調度的受害UE的選擇[6]。經典ABS算法多采用時域、頻域和功率分開的控制方式，不能很好地解決宏基站吞吐量降低的問題[7]，本文提出一種新型ABS聯(lián)合調度算法。該算法通過實施特定的小基站部署方式及在時域、頻域和功率上聯(lián)合的控制技術，使得宏基站的吞吐量大幅增強，獲得更好的系統(tǒng)資源利用效率。

本文研究的場景中，宏基站的集合為i=1,…,M，小基站的集合為k=1,…,S。UE分布在異構網絡場景中，UE的集合為U，并形成一些UE密度比其他區(qū)域要高的熱點區(qū)域。UE和小區(qū)間的關聯(lián)與測量到的接收信號強度(Received Signal Strength,RSS)及基站偏移門限Δ(dB)相關。與宏基站i關聯(lián)的UE的集合為UM,i，與小基站k關聯(lián)的UE的集合為US,k。將與小基站k關聯(lián)的UE進一步劃分為兩個子集。CRE中UE的集合為UCRE,k，是小基站k擴展區(qū)域的UE的集合。該子集中的UE與小基站關聯(lián)，但是接收到更強的宏基站的信號。普通UE的集合UN,k，其中的UE與小基站關聯(lián)并且接收到小基站的信號更強?？芍猆CRE,k∪UN,k=US,k。

分析下行方向的通信鏈路。根據LTE的標準，資源塊的分配從時域和頻域兩個維度進行劃分。資源塊在頻域上總共有numRB個子載波，帶寬為BRB=180 kHz。資源塊在時域上一個幀長為10 ms，其中每個子幀為1 ms。因此，一幀中可以被利用的資源塊可以記為RB(f,t)，其中，f=1,…,numRB，t=1,…,10。每個基站傳輸的每幀都按照調度算法將資源塊分配給UE。使用ABS技術時，用μ表示每幀中ABS子幀的數量。普通子幀即為非ABS子幀。

對于每名UEu(u∈U)傳輸的資源塊RB(f,t)，宏基站i中的UE傳輸時的總傳播損耗記為LM,u,i,RB(f,t)，小基站k中UE傳輸時的總傳播損耗記為LS,u,k,RB(f,t)。引起傳播損耗的原因包括由于多徑效應引起的快衰落和陰影衰落。

2 新型基于ABS的eICIC解決方案

新型ABS聯(lián)合調度算法允許在特殊的限制條件下使用ABS子幀通信以避免對小基站產生過多的干擾，而不是讓宏基站在這些子幀中處于完全靜默狀態(tài)。對宏基站i及其覆蓋到的小基站根據不同案例采取的不同策略如圖2所示。

圖2 不同案例中的分配策略

圖2(a)中描述了案例1中的宏基站UE和小基站UE的資源塊分配標準。案例1中，無論何時，當小基站的位置離宏基站距離較遠時，即宏基站到距離宏基站最近的小基站的距離ds在一個固定的門限值Ths之上時，小基站UE受到來自宏基站的干擾原本就較少，在這種情況下，宏基站可以在ABS子幀上以較低的功率傳輸數據。為了利用ABS子幀，將宏基站的覆蓋區(qū)域分為中心區(qū)域和外側區(qū)域兩個部分。將宏基站UE與宏基站間的平均傳播損耗高于固定門限值Lth的UE劃分為外側區(qū)域UE，將UE與基站間的傳播損耗低于Lth的UE劃分為中心區(qū)域UE。宏基站i外側區(qū)域UE的集合為子集UO,i，中心區(qū)域UE的集合為子集UI,i。Lth值根據傳播損耗模型確定，根據Lth劃分出的宏基站中心區(qū)域的邊界要小于宏基站到最近的小基站的距離ds。

中心區(qū)域的UE使用μ個ABS子幀中的資源塊以較低的傳輸功率發(fā)送，而外側區(qū)域的UE只能使用普通子幀。此外，對于宏基站i使用的每個資源塊的傳輸功率，中心UE使用的ABS子幀的傳輸功率為PTM,i,Low，其他無論是中心UE還是外側區(qū)域UE，使用普通子幀的傳輸功率皆為PTM,i,High。

對于小基站的資源分配策略，CRE中UE僅使用ABS子幀，普通UE首選ABS子幀，但當ABS子幀資源不足時，可以給其分配普通子幀。小基站k分配給每個小基站UE使用的每個資源塊的傳輸功率皆為PTS,k，無論是普通子幀還是ABS子幀。

對于案例2，如果宏基站的近距離范圍內有小基站，即離宏基站最近的小基站到宏基站的距離ds小于門限值Ths，此時小基站的UE更加容易受到宏基站的干擾影響。案例2中對小基站UE和宏基站UE的分配策略如圖2(b)所示。即使宏基站使用低功率在ABS上傳輸數據，宏基站和小基站同時使用這些子幀傳輸數據也是行不通的。在這種情況下，可以使用一種在頻域上進行分割的應對策略。在每個ABS子幀中定義一些特殊的保留資源塊，保留資源塊的數目為ε≤numRB。這些保留資源塊將不會給宏基站用來傳輸數據。這些資源塊將主要留給小基站的CRE中UE使用，因為這些邊緣區(qū)域的UE對來自宏基站的干擾影響更加敏感。此外，給宏基站UE分配使用普通子幀和ABS的非保留資源塊(數量為numRB-ε)。通過這種設置，可以避免宏基站在ABS子幀期間處于完全靜默狀態(tài)，增加了宏基站的用戶容量。這個方案的關鍵點在于保留資源塊數量ε的計算，應當根據CRE中UE的數目重新設定。在本文中對ε的估計如下：

ε=min([α·numCRE],numRB)

(1)

其中α為算法中的參量，numCRE為宏基站i覆蓋范圍下所有小基站的CRE中UE的總數量。[·]代表湊整運算。

依照上述方案，在CRE中UE數量較少時，減少ε的值；當CRE中UE數量增多時，采用傳統(tǒng)的ABS方案。宏基站不可使用ABS資源塊傳輸數據，即此時ε=numRB。小基站的CRE中UE僅被分配ABS中的保留資源塊，而小基站的普通UE優(yōu)先被分配ABS中所有資源塊，包括子幀中的保留資源塊和非保留資源塊。但是當ABS資源不夠使用時，小基站普通UE也可以使用普通子幀。這個場景中，宏基站i所有子幀的每個資源塊的傳輸功率為PTM,i,High。對于小基站k每個資源塊的傳輸功率為PTS,k。

3 仿真及結果分析

3.1仿真場景

仿真場景由一個宏基站和兩個小基站組成。場景中分布著90名UE。此外，如圖3所示，一部分UE形成熱點區(qū)域分布其中。

圖3 仿真場景

圖3中展示了兩個場景。兩個場景的不同之處在于小基站與宏基站間的距離。每次仿真時會改變熱點區(qū)域內的UE數量。

3.2參數設置

表1為調度算法中用到的不同參數。此外，對于場景2中保留資源塊數量ε的計算，由式(1)得出，其中α=2/μ。之所以這么設置，是考慮到每個CRE中UE傳輸數據時平均需要2個資源塊。宏基站的傳播損耗LM,u,i,RB(f,t)及小基站的傳播損耗LS,u,k,RB(f,t)由下面的一般傳播損耗模型計算：

L(dB)=128.1+37.6logd(km)+S-10logF

(2)

其中，d為UE與基站之間的物理距離。S(dB)為陰影衰落，服從標準偏差為σ=6 dB的高斯隨機分布。F代表多徑引起的快衰落損耗，對于每一幀的每個資源塊，F是獨立的均值為1的指數變量。

場景1中用來將UE區(qū)分為中心區(qū)域UE和外側區(qū)域UE的門限值為Lth=101.8 dB，根據傳播損耗模型，該值對應于中心區(qū)域的半徑為200 m。

用平均用戶容量作為性能指標。一名UE在一幀上獲得的容量為Cu。平均用戶容量是一名UE在所有幀上獲得的Cu的平均值。Cu是該UEu在一幀中被分配到的資源塊的傳輸速率的總和，即：

(3)

式中，(S/N)u,RB(f,t)是UEu在資源塊RB(f,t)上的信號與干擾噪聲比。

表1 仿真參數設置

3.3結果分析

3.3.1場景1中的仿真情況

在該場景中，兩個小基站與宏基站之間的距離分別為400 m和150 m，如圖3(a)中所示。由于距離的門限值Ths=250 m，可以使用案例2中對頻域進行劃分的解決算法。從圖4可以發(fā)現，隨著ABS子幀數目的增加，新方案相對于經典方案的用戶容量增益也更大，當μ=6時，增益達到45%。達到如此高增益的關鍵要素在于保留資源塊數量ε與小基站的CRE中UE數量間的匹配。尤其當熱點區(qū)域UE數量與小基站UE總體數量相比較少時，算法中配置的每個ABS子幀中傳輸的保留資源塊的數量ε也非常少。相反，當小基站UE數量增加時，算法趨向于增大保留資源塊數量ε的值。當ABS子幀數為1時，該方案的性能表現與經典ABS方案類似。因為這種情況下，算法中有ε=numRB，相當于經典算法，即宏基站不可使用ABS子幀傳輸數據。

圖4 平均用戶容量增益/%

3.3.2場景2中的仿真情況

在這個場景中，兩個小基站與宏基站之間的距離分別為400 m和320 m，如圖3(b)中所示。因為兩個基站與宏基站之間的距離都高于門限值Ths=250 m，因此案例1適用于這種場景，此時宏基站使用兩種傳輸功率。從圖5中發(fā)現，新型方案優(yōu)于經典方案，且獲得的增益隨著ABS子幀數目μ的增加而增加。當μ=6時，這種案例下用戶容量增益可以高達16%。

圖5 平均用戶容量增益/%

新型方案下，場景2中UE獲得的增益與場景1相比略低。原因如下：(1)場景2中宏基站中心區(qū)域的UE在使用ABS子幀時使用的是較低的傳輸功率，同時它們受到相同的來自小基站UE的干擾，因此與場景1中運用案例2的情況對比，場景2中宏基站的平均用戶容量增益降低；(2)場景2中小基站UE的用戶容量也降低了，但與場景1中情況相比，降低的程度較輕。這是因為不同于只給CRE中UE分配使用保留資源塊，場景2中允許這些UE使用ABS子幀所有的資源塊，然而由于小基站與宏基站相距較遠，所以CRE中UE受到的干擾能夠保持在較低的水平。

4 結束語

本文研究了一種用于解決由宏基站和小基站組成的異構網中的干擾問題的新型干擾降低方案。從時域、頻域和功率聯(lián)合的角度提出解決方案，在小基站UE干擾降低和宏基站UE吞吐量降低之間取得平衡，得到更優(yōu)的系統(tǒng)性能。與經典ABS方案相比，在小基站UE受宏基站影響較大的場景中，新型方案中平均用戶容量增益高達45%。系統(tǒng)資源的利用率更高，系統(tǒng)整體容量擴大。但該方案對資源的利用方式及干擾的降低方式仍有改進空間。對于一個小基站與宏基站距離較近的情況，該方案并未減輕小基站受到的干擾。

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A study on eICIC schemes based on almost blank subframes

Hu Hao, Zhao Tiancheng

(College of Communication & Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Heterogeneous Networks (HetNets) deployments, combining a variety of different cell sizes, are considered in order to enhance the coverage and capacity of cellular system. At the same time, this multi-layer structure also brings inter-cell interference. The use of Enhanced Inter-Cell Interference Coordinaton (eICIC) techniques such as Almost Blank Subframes (ABS) which is a time domain technique has been introduced in HetNets to protect the small cells from high interferences. However, this is done at the expense of lower macrocell user capacities.Then the thesis presents a novel scheme that exploits jointly the frequency, time and power dimensions for interference mitigation. Simulation results have shown that the novel scheme can increase throughput for macrocell users without generating severe interference to the small cell users.

heterogeneous network; interference coordination; almost blank subframes

TN911.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.020

胡浩，趙天呈.基于ABS的干擾協(xié)調方案研究[J].微型機與應用，2017,36(19)：70-73.

2017-05-06)

胡浩(1991-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信號處理。趙天呈(1992-)，女，碩士，主要研究方向:信息處理。