小區間動態干擾協調的改進方案*

鄭智華(深圳職業技術學院,廣東深圳518055)

小區間動態干擾協調的改進方案*

鄭智華
(深圳職業技術學院,廣東深圳518055)

對下一代移動通信系統的小區間動態干擾協調算法進行研究,通過分析干擾水平,負載狀況,基站的調節能力以及用戶的位置,通過負載因子變化來接納控制,提高邊緣用戶的數據傳輸速度,保證小區用戶的公平性。通過上行功率控制及接納算法改進方案;同時對小區用戶劃分區域設定,提出了小區間干擾協調的改進算法(ICPF),并進行系統仿真計算分析,結果表明和以往傳統算法相比,系統性能得到有效改進,進一步提高了系統公平性并增加小區邊緣用戶的吞吐量。

吞吐量 干擾協調 公平性

0 引 言

在下一代移動通信系統中,由于每個用戶的流動性和位置不確定性,因此用戶的信道質量會隨著時間不斷變化,主要是用戶的位置以及周圍無線傳輸的環境對信號的影響,特別是在頻率資源分配上采用了OFDM技術,系統的相鄰小區之間可以采用相同的無線頻率資源,這可能會造成小區間干擾問題非常嚴重。尤其是在增加了微小區之后,復雜環境下的小區間干擾協調更加重要。因此,基站需要具備自適應的調整功能,依據周圍負載、干擾強度等方面的狀況,改變頻率等參數配置,以降低對邊緣鄰居小區用戶干擾。

1 小區干擾協調概述

1.1 小區干擾抑制方案概述

對于下一代移動系統由于頻譜利用率的進一步提高,復用系數接近1。和CDMA系統相比較,小區邊緣用戶存在更嚴重的互相干擾。處在小區的中心和邊緣用戶,系統提供給它們的數據率有較大差別,讓不同位置的用戶在服務質量上有很大的差異,從而降低整個系統性能。在已有方案中提出了多種干擾抑制方法,主要有干擾協調(ICIC)、干擾隨機化和干擾消除技術。干擾隨機化總體上是不能消除干擾,只能將干擾特性近似“白噪聲”,這樣處理增益對“白噪聲”可以進行抑制,包括小區特定加擾和特定交織,但誤差較大。干擾消除技術是對干擾小區的干擾信號進行一定程度的解調甚至解碼,然后可以利用接受機處理增益來消除干擾信號,包括多天線接受終端空間干擾抑制技術和干擾重構(減去)消除技術等。小區間干擾協調技術主要是對下行資源進行管理,協調多個相鄰小區資源分配,包括上行接納及功率控制等,來避免嚴重的小區間干擾,主要包括軟頻率復用資源管理等。由于干擾隨機化和干擾消除技術需要系統在資源分配,信號格式獲得,小區間的同步,交織器設計,信道估計以及信令上提出更高的要求及限制,十分復雜,雖然可以提高小區邊緣用戶數據傳輸性能,但對于帶寬業務量較少的小區不適合。因此目前普遍認為干擾協調(ICIC)最為便捷,應用于寬帶數據業務,并且對于干擾抑制具有良好效果。

1.2 干擾協調傳統算法

傳統的干擾協調技術[1-2]主要采用部分頻率復用和軟頻率復用,但會影響小區的吞吐量,從而造成小區吞吐量有所下降。小區間的干擾協調傳統方案主要是考慮在當前移動通信系統環境下,相鄰小區邊緣用戶之間造成的干擾通過系統對小區進行適當的調度,主要是通過對上行鏈路的功率控制以及下行鏈路的資源分配等進行調度來協調小區間的干擾,增加邊緣用戶的吞吐量,提高整個系統的公平性。

目前下一代移動通信系統的ICIC技術主要采用頻率復用技術,在資源分配上相鄰小區之間避免干擾,復用距離盡可能遠。從而抑制干擾程度,提高相鄰小區用戶的信噪比以及覆蓋小區邊緣用戶的數據傳輸速率。ICIC技術主要分為靜態協調技術、半靜態協調技術和全動態協調技術三種。靜態協調特點是信令開銷小,但靈活性不夠:半靜態協調技術可以根據負載變化自動調整分配方案,使系統更加優化;而全動態協調雖然靈活,缺點在于信令開銷較大,實現復雜。

靜態干擾協調技術對移動網絡的小區資源進行預先配置,避免出現小區間嚴重干擾,在易產生小區間干擾的鄰近小區邊緣采用頻率復用技術區分不同小區頻率資源。若移動系統分配給每個小區的頻點為3個,假設所有小區用戶都采用相同頻點,那么可以在相鄰小區中使用其他二個頻點進行調度分配,從而抑制小區間的干擾。半靜態干擾協調技術則通過調整小區參數配置,包括用戶功率、資源分配、小區負載等,對小區資源進行配置來抑制區間干擾。全動態一般不采用,信令開銷太大,實現復雜。

圖1 小區劃分為中心區域和邊緣區域兩部分Fig.1 A cell zoned as central and edge areas

2 小區干擾協調的改進算法

2.1 網絡規劃及時頻資源配置

在小區干擾協調方案中,首先采用網絡規劃和時頻資源優化算法,解決子載波資源優化管理[3-4],并規劃上下時隙劃分配比,交叉時隙干擾程度等。主要分成三個步驟:

1)根據小區區域實際覆蓋情況,將小區劃分成邊緣用戶和中心用戶二部分,即可以按照干擾閾值分成干擾嚴重區域和非嚴重區域,具體如圖1所示, A部分為中心區域。

2)將時頻資源進行管理規劃,按照邊緣和中心資源分別進行管理。中心區域用戶使用相同的頻率資源,邊緣用戶采用相鄰小區不同頻率資源的方式,以協調干擾。

3)同時邊緣頻點資源之間采用正交方式,有利于提高干擾協調規劃的有效性。

4)僅為小區邊緣用戶分配無線資源時候和相鄰小區交換信息,上行小區間半動態干擾協調產生很少的信令開銷,達到良好的效果。

2.2 上行功率控制算法

下一代移動通信系統中的上行鏈路功率控制[5-6]分為小區內功率控制和小區間功率控制。其中小區間功率控制主要用于小區間干擾協調。

圖2 傳統PF算法與改進ICPF算法之間吞吐量比較Fig.2 Throughput comparison of between the traditional algorithm and the improved ICPF algorithm

在上述網絡資源規劃下,只有邊緣用戶的干擾信號較強,因此需要上行信號功率控制,來協調小區間干擾,以及處理邊緣用戶過載情況。

傳統的功率控制算法,采用全路徑損耗補償技術,小區所有用戶達到相同信噪比值(S/N),可以得到:

式中,PTx為功率譜密度,SINRT為小區用戶功控目標值,Icell為服務小區的干擾水平,Lp為路徑損耗, PTxmax是最大功率譜密度。

設定茁為路徑損耗補償平衡因子,可以調節各個移動用戶路徑損耗程度。0≤茁≤1,代入式(1)得到:

顯然對于邊緣用戶和中心移動用戶,路徑損耗不同,損耗大的邊緣用戶數據吞吐量就小,而中心用戶因為路徑損耗小而得到良好的數據服務,吞吐量大。在上述傳統的算法中,用路徑補償平衡因子來調節和平衡中心用戶和邊緣用戶吞吐量,以達到系統的公平性原則。

本文提出改進算法考慮到下一代移動通信系統采用IOT(Interference over Thermal)來表示干擾程度,即可以表示為:

式中,N為噪聲功率,I為干擾功率。邊緣用戶發射功率是決定小區干擾大小的主要因素,因此在功率控制上考慮IoT,因為系統保證穩定的IoT,可以加強鏈路自適應及調節能力,準確預測干擾。同時有利于吞吐量的提高和系統優化。

因小區容量可以表示為:

式中,Bi為每個子載波帶寬,M為子載波資源數量。第i子載波上的信噪比SINRi可以表示為:

式中,Gi,Pi和Ii分別是第i子載波上的增益,發射功率及干擾。

根據本小區負載信息和鄰近小區干擾情況,對功率控制做出調整,Ll為鄰近小區路徑損耗,則:

其中由式(4)推出ΔPIoT,根據系統實際IoT的穩定狀況得到:

式中,ΔPi為最大發射功率和目標功率差,ΔIoT則根據實際IoT值和目標IoT差距調整值。

2.3 上行控制接納算法

在上述功率控制基礎上,改進方案還對系統進行上行鏈路負載控制,因基站可以測試總的接受功率Ptotal=Powncell+Pneighborcells+N,其中Powncell和Pneighborcell分別是用戶所在小區和相鄰小區的接受功率。那么得到上行負載因子δup為:

因此上行鏈路的噪聲增量為:

對于新的總干擾電平高于門限值Pthreshold,上行鏈路接入算法就拒絕接納新用戶。即:

新增用戶導致的干擾功率新增量ΔP可以由以下公式得到:

式中,δΔ為負載因子變化量。上述接納方案可以有效控制系統負載程度,保證系統用戶的QoS等級。

圖3 不同姿對應的小區吞吐量比較Fig.3 Cell-throughput comparison with different姿s

3 仿真結果與性能分析

仿真系統采用3扇區,7個基站總共21個BTS的移動網絡。載頻范圍2 GHz,帶寬為5 MHz,資源塊數目30,頻率間隔180 kHz。每個扇區用戶數15個。設定邊緣用戶數目和中心用戶數目之比為姿,其取值范圍0.5≤姿≤1。圖2假定IoT值為6 dB,可以得到改進(ICPF)算法的小區吞吐量比傳統算法提高約10%,隨著邊緣用戶比例上升,改善程度明顯增強。這是因為隨著邊緣用戶數目的增加,傳統算法根據公平性原則會降低小區的吞吐量,改進算法應用上行功率控制改進及接納算法,可以有效提高小區吞吐量。從圖3可以得到,隨著邊緣用戶占比的增大,小區吞吐量有所下降。因為考慮公平性原則,在公平性和吞吐量之間折中,加大了邊緣用戶數據傳輸量。

4 結 語

本文對下一代移動通信系統小區干擾協調進行研究,依據系統提供的IoT信息,根據小區的干擾指示,應用上行功率控制改進算法,以及相應的上行接納算法,來協調小區間的干擾。通過仿真分析比較了傳統經典算法和改進算法,在不同的小區不同邊緣用戶比例情況下,吞吐量都有約10%提高,特別在小區邊緣用戶增加的情況下,性能改善尤其明顯。因此本改進算法可以有效提高系統頻譜利用率,改善系統的性能。

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A Modified Scheme for Inter-Cell Dynam ic Interference Coordination

ZHENG Zhi-hua
(Shenzhen Vocational Technical Institute,Shenzhen Guangdong 518055,China)

Inter-cell interference coordination scheme for the next generation mobile communication systems is studied.Through analysis of inter-cell interference,load condition,base station adjustment ability and user location,and by adjustmentof load factor,the access control is realized,the data transmission rate of the cell edge user improved,and thus the system fairness ensured.With themodified schemes of uplink power control and access control algorithm,and by establishment of sell user-zoning schemes,an improved inter-cell ICPF(Interference Condition with Proportional Fairness)algorithm is proposed.Simulation on ICPF is conducted and the results show that ICPF could effectively improve the system fairness and increase the throughput of the cell-edge user as compared with traditional algorithms.

throughput;interference coordination;fairness

ShenZhen strategic emerging industry development funds(No.JCY20120617143714854)

date：2014-09-20;Revised date：2014-12-23

深圳市戰略性新興產業發展專項資金(No.JCY20120617143714854)

TN929.533

A

1002-0802(2015)02-0181-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.013

2014-09-20;

2014-12-23

鄭智華(1967—),男,博士,教授,主要研究方向為移動通信系統優化設計及資源分配。

ZHENG Zhi-hua(1967-),male,Ph.D., Professor,mainly engaged inmobile communication system optimization and resource assignment.