王增鑫，邱玲

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027）

一種同頻異構(gòu)網(wǎng)中上行干擾集中調(diào)度方案

王增鑫，邱玲

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027）

異構(gòu)技術(shù)，即在同一區(qū)域部署使用相同頻段的宏基站和微基站技術(shù)，可以有效地提升系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。然而，微基站的上行吞吐量，會(huì)由于上下行不平衡而受到嚴(yán)重影響。定義對(duì)微基站上行吞吐量影響巨大的高干擾用戶(hù)，提出一種基于現(xiàn)有WCDMA協(xié)議的高干擾用戶(hù)識(shí)別方案。通過(guò)針對(duì)性地對(duì)這些高干擾用戶(hù)進(jìn)行集中調(diào)度，可以減少對(duì)微基站上行造成嚴(yán)重干擾的子幀數(shù)，進(jìn)而提升微基站上行吞吐量。

異構(gòu)網(wǎng)；上下行不平衡；高干擾用戶(hù)；上行干擾集中調(diào)度

0 引言

WCDMA系統(tǒng)中上下行干擾的識(shí)別與其解決方案一直是3GPP關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)的研究條目之一。本文聚焦于同頻異構(gòu)部署中，由于上下行不平衡，導(dǎo)致的微基站上行吞吐量受宏基站用戶(hù)影響嚴(yán)重的問(wèn)題。

上下行不平衡［1］，其起因在于微基站與宏基站的發(fā)射功率相差較大，而用戶(hù)歸屬依據(jù)下行導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致宏基站覆蓋范圍較大而微基站覆蓋范圍較小。這樣，部分距離微基站較近而離宏基站較遠(yuǎn)的用戶(hù)卻歸屬到宏基站中。這部分用戶(hù)在向宏基站發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)造成微基站收到的干擾信號(hào)強(qiáng)度大于宏基站收到的有用信號(hào)的強(qiáng)度，這會(huì)對(duì)微基站造成嚴(yán)重干擾，本文將這些宏基站用戶(hù)定義為高干擾用戶(hù)。

為了克服同頻異構(gòu)網(wǎng)中的上下行不平衡問(wèn)題，可以采用小區(qū)擴(kuò)展［2－4］和抬升上行發(fā)射功率［5］等方案。

小區(qū)擴(kuò)展是指用戶(hù)歸屬時(shí)可以在接收到的微基站下行導(dǎo)頻信號(hào)相對(duì)宏基站較弱時(shí)，依舊選擇接入微基站。這樣可以緩解上下行不平衡問(wèn)題，然而Khandekar［6］指出，小區(qū)擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致額外的下行問(wèn)題。

高通公司［5］提出了一種通過(guò)增加微基站用戶(hù)的發(fā)射功率來(lái)降低來(lái)自周?chē)^(qū)干擾的方案。然而，此方案會(huì)給周?chē)^(qū)引入干擾并縮短微基站用戶(hù)的電池壽命。

本文提出一種基于WCDMA協(xié)議中同頻測(cè)量事件的方案來(lái)識(shí)別高干擾用戶(hù)，并提出一種宏基站上行調(diào)度方案，在不損失宏基站性能的基礎(chǔ)上提升微基站上行吞吐量。理論上的分析和仿真結(jié)果表明，本文所提方案可以有效提升微基站上行吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

典型的異構(gòu)網(wǎng)部署如圖1所示，圖中用戶(hù)1、用戶(hù)2和用戶(hù)3都?xì)w屬到宏基站，而用戶(hù)4歸屬到微基站，其中用戶(hù)2和用戶(hù)3就是之前所定義的高干擾用戶(hù)。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)部署

設(shè)某小區(qū)在子幀u中，被某微基站調(diào)度到的微用戶(hù)共有Np，u個(gè)，被宏基站調(diào)度到的該微基站的高干擾用戶(hù)（它們是宏用戶(hù)）共有Nh，u個(gè)。

記pR，k，u為微基站在子幀u中接收到的來(lái)自微用戶(hù)k的接收功率；pH，i，u為微基站在子幀u中接收到的來(lái)自高干擾宏用戶(hù)i的接收功率。p0，u包含了微基站接收到的來(lái)自宏基站其他用戶(hù)的干擾和鄰基站的干擾以及熱噪聲，根據(jù)文獻(xiàn)［7］，在WCDMA系統(tǒng)中可以將其建模為：

式中，ξ為小區(qū)復(fù)用因子。

于是微基站用戶(hù)k在第u個(gè)子幀上的信干噪聲比可以表示為：

2 干擾集中調(diào)度算法

傳統(tǒng)的上行調(diào)度方案有輪詢(xún)調(diào)度、比例公平調(diào)度和最大信干比調(diào)度等。比例公平調(diào)度和最大信干比調(diào)度等都是選擇信道條件較好的上行用戶(hù)進(jìn)行調(diào)度以達(dá)到較好的吞吐量等。但在實(shí)際系統(tǒng)中，上行用戶(hù)可以通過(guò)控制自身發(fā)射功率以抵消信道帶來(lái)的影響，因此采用最為公平的輪詢(xún)調(diào)度作為對(duì)比方案。

2.1 干擾集中調(diào)度算法

上行輪詢(xún)調(diào)度方案并不關(guān)心高干擾用戶(hù)，宏基站可能會(huì)在很多子幀上調(diào)度到它們，這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的微基站可能在很多子幀上遭受強(qiáng)干擾。干擾集中算法首先是識(shí)別對(duì)應(yīng)每個(gè)微基站的高干擾宏用戶(hù)，之后通過(guò)劃分子幀的方法將高干擾宏用戶(hù)集中在若干特定的子幀上調(diào)度，這樣微基站用戶(hù)可以在更多的子幀上不再遭受高干擾用戶(hù)帶來(lái)的強(qiáng)干擾，進(jìn)而提升微基站用戶(hù)總的吞吐量。進(jìn)一步，由于只是改變宏用戶(hù)的調(diào)度順序，因此不會(huì)影響宏用戶(hù)的性能。

2.2 識(shí)別高干擾用戶(hù)

在WCDMA系統(tǒng)實(shí)際部署中，如果宏用戶(hù)距離微基站距離很近，那么它會(huì)觸發(fā)軟切換條件，進(jìn)而成為軟切換區(qū)域用戶(hù)［8］，這些用戶(hù)可以接收微基站的功控，因此不再是高干擾用戶(hù)。而那些距離微基站較近卻不足以觸發(fā)軟切換條件的宏用戶(hù)就是前述所定義的高干擾用戶(hù)。

通過(guò)放松軟切換的條件，此時(shí)新觸發(fā)軟切換的用戶(hù)就是高干擾用戶(hù)。為了不影響系統(tǒng)中軟切換技術(shù)的正常使用（軟切換通過(guò)同頻測(cè)量事件1a0和1b0識(shí)別軟切換區(qū)域用戶(hù)），新定義測(cè)量事件1a0如下：

測(cè)量事件1b0如下：

式中，PCO為新定義的參數(shù)，是指高干擾用戶(hù)對(duì)微基站的干擾強(qiáng)度，PCO越小，軟切換條件放松得越小，則識(shí)別的高干擾用戶(hù)對(duì)微基站干擾越大，識(shí)別出來(lái)的高干擾用戶(hù)數(shù)目越少；反之，識(shí)別的高干擾用戶(hù)對(duì)微基站干擾越小，數(shù)目越大。其他參數(shù)的意義與測(cè)量事件1a和1b相同。

當(dāng)某宏用戶(hù)觸發(fā)關(guān)于某微基站的1a0事件時(shí)，將其標(biāo)記為該微基站的高干擾用戶(hù)；當(dāng)某高干擾用戶(hù)觸發(fā)關(guān)于相應(yīng)微基站的1b0事件時(shí)，將其標(biāo)記為普通用戶(hù)，不再是高干擾用戶(hù)。

2.3 調(diào)度宏基站用戶(hù)

首先，宏基站將宏用戶(hù)劃分為普通用戶(hù)和高干擾用戶(hù)2組。如果小區(qū)內(nèi)有多個(gè)微基站，那么再次劃分高干擾用戶(hù)，使得每個(gè)微基站對(duì)應(yīng)一組其相應(yīng)的高干擾用戶(hù)。之后，宏基站按照普通用戶(hù)和高干擾用戶(hù)的比例將上行數(shù)據(jù)幀劃分為普通子幀和高干擾子幀。如果有多個(gè)高干擾用戶(hù)組（對(duì)應(yīng)多個(gè)微基站），那么再次根據(jù)每個(gè)組內(nèi)的用戶(hù)數(shù)等比例劃分高干擾子幀。

宏基站在普通子幀上只調(diào)度普通的宏用戶(hù)，在高干擾子幀上只調(diào)度相應(yīng)的高干擾用戶(hù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)高干擾用戶(hù)的集中調(diào)度。再次，宏基站可以和微基站協(xié)作，當(dāng)宏基站調(diào)度相應(yīng)的高干擾用戶(hù)時(shí)，通知相應(yīng)的微基站，使其微用戶(hù)抬升其發(fā)射功率，如文獻(xiàn)［4］中方法，這可以作為進(jìn)一步的研究方向。

2.4 干擾集中算法的理論增益

WCDMA系統(tǒng)上行調(diào)度受熱噪聲抬升（RoT）這一參數(shù)的控制，RoT定義為：

式中，Itotal、I0分別為基站接收到的全部功率和基站背景熱噪聲。

為了保證實(shí)際系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，小區(qū)的RoT不能超過(guò)門(mén)限值RoTtarget。在采用高速上行分組技術(shù)（HSUPA）后，用戶(hù)的調(diào)度被放在Node B處理，這樣可以更加靈活有效地利用上行資源RoT。于是，可以假設(shè)實(shí)際中RoT＝RoTtarget［9］。

設(shè)宏基站在U個(gè)子幀上可以完成小區(qū)內(nèi)所有Tm個(gè)宏用戶(hù)的一次調(diào)度，每個(gè)子幀上調(diào)度Nm個(gè)宏用戶(hù)，根據(jù)文獻(xiàn)［4］的建議，這些宏用戶(hù)均分所有的RoT資源，設(shè)宏用戶(hù)中一共有Th個(gè)是某微基站的高干擾用戶(hù)。設(shè)該微基站于此同時(shí)也調(diào)度了U個(gè)子幀，每個(gè)子幀上調(diào)度的用戶(hù)數(shù)Np，u＝Np。

簡(jiǎn)便起見(jiàn)，設(shè)在干擾集中算法中，宏基站在開(kāi)始的U1個(gè)子幀調(diào)度高干擾用戶(hù)，在之后的U～U1個(gè)子幀中調(diào)度普通用戶(hù)。

考察微基站用戶(hù)在這U個(gè)子幀中的可達(dá)速率，輪詢(xún)算法中為：

在干擾集中算法中為：

式中，

其中，

如前所述，采用HSUPA技術(shù)后，可以迅速充分地利用上行資源，因此在每個(gè)子幀上微基站的接收功率都達(dá)到目標(biāo)接收功率［9］，于是，

由以上信干噪比的式（1）、式（4）和式（5）可以得到：

比較干擾集中算法與輪詢(xún)算法的微基站用戶(hù)可達(dá)速率的差值：

將式（1）、式（2）和式（5）帶入可得：

由式（6）容易推出：

于是可以得到Δr≥0恒成立。這證明了在微基站用戶(hù)上行可達(dá)速率上，干擾集中算法相對(duì)于輪詢(xún)算法總是有非負(fù)的增益。

關(guān)于干擾集中算法對(duì)宏用戶(hù)的影響，可以從宏用戶(hù)被調(diào)度的次數(shù)考慮。

在輪詢(xún)算法中，保證了調(diào)度次數(shù)不變也就保證了宏用戶(hù)的可達(dá)速率不會(huì)受到影響。

3 仿真結(jié)果分析

本節(jié)采用仿真對(duì)干擾集中算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證，主要的仿真參數(shù)采用文獻(xiàn)［10－12］建議，其中接收帶寬為3.84 MHz，小區(qū)距離為1 km，每扇區(qū)用戶(hù)數(shù)16，用戶(hù)分布方式為3／4熱點(diǎn)分布，微站和宏站的發(fā)射功率分別為30 dBm和43 dBm。

分別使用輪詢(xún)和干擾集中方案時(shí)，宏基站用戶(hù)的平均上行吞吐量如表1所示。由表1可以看出，如同理論分析，干擾集中方案對(duì)宏基站用戶(hù)的性能沒(méi)有影響。

表1 宏基站用戶(hù)上行平均吞吐量

分別使用輪詢(xún)和干擾集中方案時(shí)，微基站用戶(hù)的平均上行吞吐量如表2所示，其中使用了輪詢(xún)方案的性能做了歸一化。由表2可以看出，干擾集中方案可以得到明顯的性能增益。而且，增益與PCO明顯相關(guān)。這是因?yàn)楫?dāng)PCO較小時(shí)，如前所述，只是識(shí)別干擾很強(qiáng)的用戶(hù)，導(dǎo)致識(shí)別出的高干擾用戶(hù)數(shù)目很少，因此增益較?。划?dāng)PCO逐漸變大時(shí)，可以識(shí)別出較多的高干擾用戶(hù)，因此增益逐漸變大；當(dāng)PCO過(guò)大時(shí)，會(huì)將某些普通用戶(hù)誤判為高干擾用戶(hù)，導(dǎo)致增益變小。

表2 微基站用戶(hù)上行平均吞吐量

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種異構(gòu)網(wǎng)中可以有效提升微基站用戶(hù)上行吞吐量的干擾集中宏用戶(hù)調(diào)度方案，并通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證了其性能。值得注意的是，PCO參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果影響較大，實(shí)際中應(yīng)設(shè)置合適的值。之后的研究點(diǎn)可以是當(dāng)宏基站調(diào)度高干擾用戶(hù)時(shí)，相應(yīng)的微基站可以做出協(xié)調(diào)，比如抬升微用戶(hù)的發(fā)射功率等。

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A Novel Uplink Interference Coordination Scheme in Co-channel HetNets Deployment

WANG Zeng-xin，QIU Ling
（University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230027，China）

Heterogeneous deployment is a promising solution to enhance both system capacity and coverage，where the existing macro cell is overlaid with Low Power Nodes（LPNs），such as pico cells.However，the performance of heterogeneous networks，especially the performance of pico cells，is seriously decreased due to the Downlink-Uplink（DL-UL）imbalance.In order to improve the uplink throughput of pico cells，this paper proposes a novel uplink interference coordination scheme by distinguishing High Interference UEs and scheduling them together.Moreover，the proposed scheme does not affect the uplink throughput of the macro cell.Both theoretical analysis and simulation results show the significant gain of the proposed scheme compared with traditional schedule schemes.

heterogeneous network；DL-UL imbalance；high interference UE；uplink interference coordination

TN92

A

1003－3106（2015）11－0001－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.01

王增鑫，邱玲.一種同頻異構(gòu)網(wǎng)中上行干擾集中調(diào)度方案［J］.無(wú)線(xiàn)電工程，2015，45（11）：1－4.

王增鑫男，（1990—），碩士。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)資源管理和無(wú)線(xiàn)干擾管理。

2015-07-28

中國(guó)科大—華為合作基金資助項(xiàng)目（YB2012110120）。

邱 玲女，（1963—），教授。主要研究方向：擴(kuò)頻通信、無(wú)線(xiàn)資源管理、多用戶(hù)MIMO、中繼協(xié)作通信和綠色通信。