异构网络动态配置空白子帧干扰协调算法

张 新，张 艳，金春凤

(1.西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121；2.西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安 710121)

异构网络动态配置空白子帧干扰协调算法

张 新1，张 艳2，金春凤2

(1.西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121；2.西安邮电大学 通信与信息工程学院，西安 710121)

为了解决LTE-A系统下两层异构网络中的小区间干扰协调问题，提出了在增强小区中调度几乎空白子帧的干扰方案;为了降低干扰和进一步提高信道利用率，设计了一种动态分配几乎空白子帧的算法;该算法基于小区增强覆盖技术，指出由增强小区用户与总用户的比例来动态的调整几乎空白子帧比例;仿真结果对比了固定比例的几乎空白子帧和动态设定几乎空白子帧的算法，表明动态配置几乎空白子帧的算法，提高了系统容量，改善了信道利用率。

异构网络；小区间干扰；几乎空白子帧

0 引言

随着移动通信系统的不断演进，网络规模呈现爆炸式的增长，传统的单一网络拓扑结构下系统容量己达到理论极限[1]。统计表明，未来将会有80%以上的系统吞吐量发生在室内热点场景，单一的网络拓扑结构已不能满足这种场景需求[2]。为了解决以上问题，新一代的移动通信系统在宏(Macro)基站覆盖的小区内增加低功率节点，如微(Pico )基站、家庭基站(Femtocell)、中继节点(Relay)等，这种由宏基站和低功率节点构成的网络拓扑称为异构网[3]。

在异构网络中，由于基站类型不同、基站位置摆放的随意性等因素使得异构网络中同层、跨层干扰问题变得异常突出[4]。在相关文献的研究工作中，文献[5]针对载波聚合技术的小区选择问题，提出了一种动态的成员载波小区选择算法，提高了Pico小区的系统容量，但牺牲了Macro基站的用户性能。文献[6]考虑了宏小区层和Small Cell层自适应配置几乎空白子帧(almost black scheme,ABS)的问题，指出以较小的系统吞吐量损失为代价，换取了边缘用户性能的改善。文献[7]提出了在增强小区(range expansion,RE)内，对低功率节点的导频信号加入偏置值，使得更多的用户接入低功率节点。但是这种接入策略使低功率基站增强区内的用户受到Macro基站强烈的下行干扰。文献[8-9]给出了几乎空白子帧(almost black scheme,ABS)干扰协调技术和RE技术对系统容量和公平性的影响，指出可以牺牲Macro用户的性能换取Pico用户的性能提升。文献[8-9]虽然都指出了在一定比例的几乎空白子帧上传输Pico数据，以达到降低干扰的目的，却没有指出如何确定ABS所占的比例。

基于上述研究工作，提出了一种基于增强小区用户数动态确定ABS比例的下行干扰协调算法，实现动态频谱分配，以获得提升系统容量和增强小区用户数据传输率的平衡。

1 两层异构网络场景部署及干扰分析

对于两层异构网络之间的相互干扰，文献[10]介绍了20多种场景。这里主要讨论两层异构网络中，用户受到Macro基站与Pico基站的下行干扰情况。

Macro-Pico两层异构网络结构下行干扰如图1所示，其中点画线表示Macro小区的覆盖范围，虚线表示的未采用RE技术的Pico小区的覆盖范围，实线表示的是Pico增强小区的覆盖范围。从图1可以看出，在未采用RE技术时，用户UE1、UE3、UE4、UE5均接入基站macro；当用户UE1进入基站pico2的增强区域内，此时用户UE1受到基站Macro严重的下行干扰;用户UE5由于接基站Pico1的覆盖范围但不在基站Pico1的覆盖范围内，受到基站Pico1的下行干扰。

图1 两层异构网络下行干扰示意图

2 基于用户比例调度的ABS的下行干扰协调算法

2.1 增强小区系统容量分析

在异构网络中，由于存在两种基站的分布，小区中每个用户依据检测到Macro和Pico基站的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)来选择接入小区[11]。

在图1所示的场景中，宏基站下覆盖Np个随机放置的Pico基站，Nu为Macro-Pico基站覆盖范围内的小区总用户数目。假设第i(1≤i≤Nu)个用户接入第p(1≤p≤Np)个 Pico小区的信干噪比为ψi,p，定义ψ为Nu个用户接入的Np个Pico小区的信干噪比，

针对同一用户i，定义γi,p为此用户在Macro基站和第p(1≤p≤Np)个Pico基站覆盖下的信干噪比差，即

γi,p=ρi-ψi,p，

此时

当γi,p>0时，表示用户选择接入Macro基站；当γi,p<0时,表示用户选择接入Pico基站，此时用户接入Pico基站的信干噪比为ψi,pmax，统计γi,p<0的个数即为接入Pico基站的用户数。将γi,pMax的累积分布函数记为F(γi,pmax)，则接入到Pico小区的用户数(NL-pue)也可表示为：

在RE技术中，通过在小区选择参数中加入一个λ的偏置值，当Pico基站的信干噪比差小于Macro基站的信干噪比差时，由于增加了接收强度λ，原本接入Macro基站的部分用户被强行接入Pico基站，因此，在RE技术下有更多的用户接入Pico基站[12]。

在增强小区情况下的Macro基站与Pico基站信干噪比差记为：

同理，当γi,pλmax>0时，表示用户选择接入Macro基站；当γi,pλmax<0时，表示用户选择接入Pico基站，此时用户的信干噪比为ψi,λpmax统计用户γi,pλmax<0的个数，则考虑增强小区情况下的Pico基站的用户总人数Npue为：

显然，接入Pico基站的用户总人数是关于λ的累积分布函数与用户总人数的乘积。考虑使用比例公平(Proportional Fair，PF)调度算法，使调度用户获得平等的服务机会[13]，则单位带宽下，Nu个用户接入Macro基站的系统容量(单位为：bps/Hz)可以表示为λ的函数，即

(1)

其中：

则

同理，Nu个用户接入Pico基站的系统容量可以写成λ的函数，即

(2)

因此，在由Macro-Pico构成的两层异构网络场景中，由式(1)和(2)可知，Nu个用户的系统总容量可以表述为：

2.2 增强小区中ABS动态配置的系统容量分析

从上述分析可知，增强小区覆盖技术由于增加了λ值而扩大了其覆盖范围，提升了Pico基站的系统容量。增强型pico小区可划分为中心小区和增强小区，增强小区的用户由于是同频部署将受到较为严重的Macro基站的下行干扰。

异构网络干扰协调方案中ABS的资源配置是一种比较常见的时域干扰协调技术，Macro基站针对不同用户的干扰情况，让Macro基站的某些子帧上只含参考信号的信息而无Macro数据发送，以此来达到降低用户干扰的目的。在3GPP中ABS子帧分配示意图如图2所示：Macro基站的子帧划分为正常子帧和非正常子帧(也称为ABS)。定义β为ABS占总信道数的比例，0<β<1。图2以β=0.5的比例来说明Macro和Pico基站的子帧示意图。其中，正常子帧用来发送Macro和Pico基站的数据，ABS只用来发送Pico基站的数据，由此可知，Macro基站的正常子帧、ABS与Pico基站的保护子帧和非保护子帧是一一对应的[14]。

图2 3GPP中ABS子帧分配示意图

固定的ABS比例值为0.5时相较于动态的ABS比例，分配过多的ABS子帧会导致服务于Macro基站的性能下降；ABS子帧较少时会降低增强用户的数据传输率。因此如何确定ABS的比例是重中之重。在文献[11]的基础上，根据进入Pico增强小区的用户数动态的确定ABS的比例，转移了Macro基站的负载，降低了增强小区用户受到的干扰，合理的利用了同频资源，提高了小区系统容量。

根据用户受干扰程度将接入pico小区的用户分为高、低干扰用户，定义增强小区的用户为高干扰用户,记为：NH-pue，中心小区的Pico用户为低干扰用户，记为：NL-pue。则高干扰用户可以表示为：

根据ABS干扰协调技术，高干扰用户将被分配至ABS中接收数据，此时,

也可以写成：

β值的大小取决于高干扰用户占接入Macro-Pico基站用户总数的比例。此时单位带宽下接入Macro基站的用户总人数的系统容量可表述为：

Pico基站用户在非保护子帧接收数据时，定义用户接入Pico中心小区的信干噪比为ψnabs，Pico基站用户在保护子帧接收数据时，定义用户接入Pico增强小区的信干噪比为ψabs,此时，Pico基站的系统总容量为：

在增强小区动态配置ABS信道的情况下，则系统总容量可以表述为：

3 系统仿真结果及分析

3.1 仿真参数设置

系统采用一个Macro基站和Np个Pico基站构成的异构网络场景。其中Macro基站的覆盖半径为600 m，Np个Pico基站位置随机设置，共有100个用户。其他部分仿真参数如下表所示，可以看出，仿真参数是依据LTE-Advanced标准制定的。

表1 仿真参数

3.2 仿真结果分析

基于上述的仿真场景，给出了一个Macro基站和多个Pico基站下用户数的累积分布函数F(σi,mmax ,pmax)，对于某个给定的λ值，F(λ)表示接入Pico基站的用户比例，1-F(λ)表示接入Macro基站的用户比例。

图3在Pico基站数等于3的情况下，可以看出，通过增加偏置值确实增加了Pico基站的用户数，转移了Macro基站的系统负载。当λ=3时，且没有加入ABS的抗干扰技术，可以看出原本接入Pico基站的用户比例约为18%，加入偏置值λ=3时，接入Pico基站的用户总数提高到了35%左右；同理可以看到加入ABS的抗干扰技术时，接入 Pico基站的用户总数达到了50%左右。

图3 用户累积分布函数

图4为动态ABS配置的仿真，传统ABS配置的β值一般取0.5，可以看出新算法中的β是随着λ值的增大而增大的。λ值越大，表明有更多的用户进入增强小区，需要分配更多的ABS来降低增强小区用户的干扰。如果β值取得过大，会造成Macro用户性能下降；如果β值取得过小，则又不能很好的降低增强小区用户的干扰。所以，动态的ABS的比例，不仅能降低增强小区用户受到的干扰，而且提高了Pico小区转移负载的能力，使信道资源的利用更加合理。

在同一λ值下，不同的Pico基站数对应不同的β值，12个Pico基站下需要的β值小于3个Pico基站下的β值，这是因为Pico基站越多，但是高干扰用户数反而更少，所以需要分配的ABS会少。

图4 不同λ时的ABS动态比例

图5为固定ABS比例和动态分配ABS比例情况下的系统容量对比。表明在3个微基站下，固定的几乎空白子帧比例值下的系统容量基本没有明显变化，动态的几乎空白子帧比例值下系统容量在一定范围内有所增加，且动态的几乎空白子帧比例值下系统容量高于固定的几乎空白子帧比例值下的系统容量。

与固定的ABS子帧比例值为β=0.5情形相比，新算法增加了系统容量，不仅提高了信道资源利用率，同时提高了增强小区用户的数据传输率。

图5 宏基站和3个微基站下的系统总容量

4 结论

为了提高两层异构网络中下行信道资源的利用率，在增强小区中调度几乎空白子帧的干扰协调方案的基础上提出了一种动态确定几乎空白子帧比例的算法。新算法通过增强小区用户数与总用户数的比例来确定的几乎空白子帧比率，改善了信道资源的利用。仿真结果表明，新算法不仅提高了系统总容量，同时也实现了下行信道资源的合理利用。

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A Dynamic Almost Blank Subframes Allocation for Interference Coordination in Heterogeneous Networks

Zhang Xin1, Zhang Yan2，Jin Chunfeng2

(1.School of Electronic Engineering, Xi’an University of Post and Telecommunications,Xi’an 710121,China;2.School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China)

In order to solve the problem of Inter-cell interference coordination under the LTE-A system based on two-tier heterogeneous networks, an interference scheme of almost black subframes is scheduled in range expansion.To reduce interference and further improve the channel utilization,an algorithm of dynamic almost black subframes allocation is proposed.The algorithm is based on the cell enhancement technology, pointing out that expand users proportion of total subscribers to dynamically adjust the ratio of almost blank subframes.The simulation results show that the proposed algorithm achieves system capacity and the efficiency of channel improvements , comparing with a fixed proportion of the almost black subframes.

heterogeneous networks; inter-cell interference coordination; almost black subframes

2015-12-30；

2016-01-29。

国家自然科学基金资助项目(61272120)；西安市科技计划资助项目(CXY1117(5))

张 新(1968-)，女，陕西西安人，博士，教授，主要从事异构网络方向的研究。

1671-4598(2016)07-0215-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.058

TN913.2

A