異構網中載波聚合系統的成員載波選擇和干擾協同

孫長印,姜 靜,盧光躍

(西安郵電大學通信與信息工程學院,西安 710121)

1 引 言

異構網可以優化系統的性能因而成為當前的研究熱點之一,它主要通過改進網絡的拓撲結構從而實現熱點區域覆蓋、小區業務分流,以及獲得小區分裂增益[1]。異構網是由網絡規劃的高功率宏基站和位于其覆蓋之下具有自主擺放特點的低功率節點組成,低功率節點包括家庭基站、微微蜂窩,以及Relay站等。異構網的實現面臨巨大的技術挑戰,例如,異構網絡由于不同類型基站的功率、覆蓋不同、低功率節點的自主擺放特點,使得不同基站的控制信道、業務信道的干擾問題非常突出。為此,在下一代演進系統如3GPP-LTE-A標準中[2],采用了小區間干擾協調技術來解決由此造成的干擾問題,即eICIC(Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Schemes)。e-ICIC是LTE-A標準標志性的關鍵技術之一,如果沒有它,異構網中覆蓋距離擴展(Range Extension,RE)的概念[3]便失去了改善小區邊緣覆蓋、提供小區業務分流的作用。

LTE-A標準中的eICIC主要分為兩類:第一類為基于載波聚合技術的eICIC方案,第二類為基于時域ABS(Almost Blank Subframes)的方案。ABS通過在干擾小區中配置ABS子幀實現業務靜默,而被干擾小區則使用這些ABS子幀為原來在小區中受較強干擾的用戶提供業務,從而實現了小區間干擾的協調。

載波聚合作為LTE-A的關鍵技術之一,除了在聚合形成的大帶寬上提供高速業務以外,還能在成員載波(Component Carrier,CC)分辨率級別實現異構網絡的頻域干擾避免。為此,可以設想異構網絡的帶寬由兩個成員載波組成:f1和f2。為了實現宏基站和微微基站的干擾協調,可以將f1和 f2分別分配給宏基站和微微基站的用戶,從而實現用戶業務信道和控制信道的干擾避免。或者,微微基站的小區中心用戶可以分配和宏小區相同的成員載波,而邊緣用戶則分配與宏基站不同的成員載波。這種方案的缺點是只能被LTE-A用戶采用,不能兼容LTE用戶。

基于載波聚合的eICIC方案中,成員載波選擇可以基于靜態或半靜態方式。靜態或半靜態方案的優點是簡單、信令開銷小,但是具有頻率復用效率低的突出缺點。到目前為止,文獻可見有關成員載波選擇、資源分配,以及干擾協調技術的研究報道,但是,這些研究集中在同構網場景,或異構網中家庭基站的干擾協調。例如,文獻[4-6]提出了跨CC的比例公平調度算法,算法依據用戶對聚合載波支持能力、小區位置,以及載波的覆蓋范圍,將用戶分類或分組,在給不同類型(或分組)的用戶分配不同的CC的基礎上,同時保證了用戶之間的公平性。文獻[7-8]提出了異構網(HetNet)情形家庭基站載波自主選擇算法ACCS(Autonomous Component Carrier Selection),算法基于測量背景干擾矩陣(Background Interference Matrices,BIM),為家庭基站選擇成員載波集,以減少對相鄰基站的干擾。

本文討論異構網載波聚合系統動態成員載波選擇和干擾協同問題,考慮的對象由宏小區及其覆蓋之下的數個微微基站組成,同時,假設微微小區采用RE方式提高小區覆蓋。為了解決宏小區發射對微微小區用戶(特別是RE區域用戶)造成的小區間干擾,提高微微小區的平均吞吐量和邊緣用戶吞吐量,本文首先提出一種新的成員載波選擇和干擾協同方法,方法基于修正的載波公平比例準則,動態地在小區間協同選擇成員載波。為了進一步提高低功率節點的系統容量,設計了新的基于調和平均數的用戶小區選擇準則及算法。仿真結果表明,與頻率復用因子為1的系統相比,設計的方法由于靜默了高功率節點用戶部分成員載波,從而使低功率節點用戶獲得更多的選擇機會,提高了低功率節點小區的容量。

2 算法描述

2.1 系統模型

本文考慮的異構網具有以下特性:一個宏基站下覆蓋數個微微基站;微微基站自主擺放;M個用戶在宏小區覆蓋區域位置隨機分布。

本文考慮包含K個CC的載波聚合系統下行鏈路。為了分析問題方便,假設一個基站的各個CC的發射功率相同,即對基站q,為Pq。同時,令載波選擇矩陣為

其中,ak,m=1表示用戶 m選擇第k個CC;否則,ak,m=0。

進一步地,假設Si,k,m表示第t時隙小區i到小區q的第m個用戶的信道增益,同時,假設此值在時隙內不變,即信道為時間塊衰落。顯然 Sq,k,m為有用信號,而Si,k,m(i≠q)為干擾信號。假設發射信號為非相關隨機信號,其均值為0,方差為 Pq,則用戶m的信干噪比(SINR)為

式中,N0為高斯白噪聲信道(AWGN)的方差。

而總的用戶速率為

假設在時隙 t,基站q只調度一個用戶,則總的系統吞吐量(和速率)為

2.2 問題描述

本文的CC選擇和干擾協同問題是一個優化問題,可表述為:系統根據某個準則,通過聯合求解載波選擇矩陣A,實現目標的最大化。本文的目標是實現最大系統吞吐量的前提下,同時獲得用戶之間的公平性,為此采用下述效用函數:

上述最優問題的求解如直接采用窮舉搜索,需要的計算量巨大,為此,本文提出新的求解方法。

首先,將N個小區分為G N個小區簇,對于某個小區簇Q,假設其余N-Q個小區產生的干擾近似為噪聲,則小區簇Q的和速率為

其中:

而IN為其余N-Q個小區產生的干擾,可以通過測量得到。

這樣,針對每個小區簇,只要求解下述問題,即可獲得問題求解:

2.3 小區選擇算法

在求解問題(7)之前,需首先解決小區q中的用戶選擇問題。在傳統的同構網中,用戶的服務小區選擇基于接收信號強度的測量。對于異構網絡,由于不同類型的基站發射功率不同,路損各異,采用傳統方法限制了選擇低功率節點的用戶個數,降低了小區分裂增益。為此,本文采用基于調和平均數的用戶小區選擇準則及算法。由于小區的業務分流主要針對數據業務,所以,在此考慮盡力而為業務類型,即Best effort業務。用戶小區選擇準則考慮如下:對于Best effort業務,由于沒有時延等QoS服務質量要求,所以,我們以平均吞吐量作為衡量指標,要求系統對各個用戶得到近似相同的對待。為此,定義小區b的調和平均業務速率Rhm,b為

式中,Ub為小區b的服務用戶集, Rb,i為用戶i在載波集合K上的速率和:

對于同構網中小區b和小區b′,有

對于異構網系統中的微微基站b′和宏基站b,令Rhm,b′=Rhm,b/NL,其中 NL為分流參數,是一個反映微微基站b′和宏基站b發射功率不同、服務用戶數差異,以及用戶干擾不平衡的參數,則對微微基站b′和宏基站b,有以下關系成立:

定義 Rb′,i=NL Rb′為微微基站等效用戶速率,對宏基站b,等效用戶速率則為 Rb,i= Rb,式(11)可表示如下:

基于上述分析定義,本文小區選擇算法流程如圖1所示。

圖1 小區選擇算法流程Fig.1 Flowchart of the proposed user cell association algorithm

上述流程中,設Qhm均值和方差分別為 μ和 σ,則選取門限 T=μ+σ×β,式中 β是任意常數,而Qhm更新關系為Qhm=(UbQhm+1/( Rb,i))/(Ub+1)。

2.4 CC選擇和小區干擾協同算法

式中,a′k,m是t-1時隙的矩陣 A的第(k,m)個元素,而且假設CC的調度次序為從 j=1到k-1,再到k。

為了獲得矩陣 A,依次求解以下子優化問題:即從 j=1到K,首先得到 ak:

則矩陣A的最優值為

基于上述分析,新算法流程如圖2所示。

圖2 貪婪算法流程Fig.2 Flowchart of greedy search algorithm

上述算法首先初始化 a0=[0]1×Q,同時定義向量元素值為(al)q=1的集合為S,在算法循環的每一步,依次取,同時保持上個循環得到的值不變,最后選取使得推廣的比例公平判據最大的q,使其(al)q=1。

3 系統性能仿真

為了驗證本文算法的有效性,選取頻率復用因子為1的情形進行比較。為了簡單起見,假設一個小區簇由一個宏小區和2個微微小區組成,宏小區半徑為500 m,共有40個用戶。其他仿真參數如表1所示。可以看出,仿真參數符合LTE-Advanced標準規定的仿真假設。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

首先,假設用戶在宏小區均勻分布,此時,微微小區和宏小區的吞吐量累積分布函數(CDF)如圖3和圖4所示。為了比較,圖中給出了:本文的CC選擇和小區干擾協調算法(圖例用“new”);頻率復用因子為1的系統(圖例用“reuse1”);本文的小區選擇算法(圖例用“offload”)。

圖3 微微小區累積分布函數,均勻分布Fig.3 CDF performances of Pico cell,uniform distribution

圖4 宏小區累積分布函數,均勻分布Fig.4 CDF performances of Micro cell,uniform distribution

從圖中的比較可見,與頻率復用因子為1情形相比,本文算法大大增加了微微小區的吞吐量。同時我們也可以看到,對于宏小區而言,其小區吞吐量有所下降。進一步觀察小區選擇算法的影響曲線發現,由于更多的邊緣小區選擇微微基站,使得微微基站的吞吐量曲線在CDF 50%以下有一定改善,預示著邊緣用戶數據率的改善。

圖5～6為用戶非均勻分布時的性能曲線比較。此時用戶集中于約占宏小區12%面積的熱點區域,而兩個微微基站也位于此區域中。與上述情形相同,我們發現本文算法大大改善了微微小區的吞吐量,而對于宏小區而言,其小區吞吐量有所下降。

圖5 微微小區累積分布函數,非均勻分布Fig.5 CDF performances of Pico cell,non-uniform distribution

圖6 宏小區累積分布函數,非均勻分布Fig.6 CDF performances of Micro cell,non-uniform distribution

總體而言,兩種情形宏小區的吞吐量相對于復用因子為1情形有所降低,結果提示在進行CC選擇時,由于采用了比例公平準則,使得在兩種類型小區間存在干擾的時候,算法使得宏小區選擇部分CC靜默,減少了對微微小區用戶的干擾,以便微微小區用戶傳輸,結果使微微小區用戶獲得干擾消除增益。但是,在宏小區中,微微小區的干擾消除增益被宏小區用戶由于失去傳輸機會帶來的吞吐量損失所抵消,所以,宏小區用戶的吞吐量有所降低,這也是分流的效果。

4 結 論

本文首先提出一種新的成員載波選擇和干擾協同方法,方法基于修正的載波公平比例準則,動態地在小區間協同選擇成員載波。為了進一步提高低功率節點的系統容量,設計了新的基于調和平均數的用戶小區選擇準則及算法。仿真結果表明,與頻率復用因子為1的系統相比,設計的方法由于靜默了高功率節點用戶成員載波,從而使低功率節點用戶獲得更多地選擇機會,提高了低功率節點小區的容量。

[1] Qualcomm.Heterogeneous Networks:General views[R]//R1-094224.[S.l.]:Qualcomm,2009.

[2] Dahlman E,Parkvall S,Skold J.4G:LTE/LTE-advanced for Mobile Broadband[M].Salt Lake City:Academic Press,2011.

[3] Europe Q.Range expansion for efficient support of heterogeneous networks[R]//R1-083813.Czech Republic:Qualcomm Europe,2008.

[4] Wang Y,Pedersen K I,Sorensen T B,et al.Carrier load balancing and packet scheduling for multi-carrier systems[J].IEEE Transactions onWirelessCommunications,2010,9(5):1780-1789.

[5] Songsong S,Chunyan F,Caili G.A resource scheduling algorithm based on user grouping for LTE-advanced system with carrier aggregation[C]//Proceedings of 2009 Symposium on Computer Network and MultimediaTechnology.Wuhan:IEEE,2009:1-5.

[6] Wang H,Rosa C,Pedersen K.Performance analysis of downlink inter-band carrier aggregation in LTE-advanced[C]//Proceedings of 2011 IEEE Vehicular Technology Conference.San Francisco:IEEE,2011:1-5.

[7] Garcia L,Pedersen K,Mogensen P.Autonomous component carrier selection for local area uncoordinated deployment of LTE-Advanced[C]//Proceedings of 2009 IEEE Vehicular Technology Conference.Barcelona:IEEE,2009:1-5.

[8] YanYuan,LiAnxin,Gao Xinying,et al.A New Autonomous Component Carrier Selection Scheme for Home eNB in LTE-A System[C]//Proceedings of 2011 IEEE Vehicular Technology Conference.Budapest:IEEE,2011:1-5.