基于TD-LTE系统的小区间干扰抑制策略研究
2013-03-17师彦静张浩
师彦静,张浩
(重庆邮电大学移动通信技术重点实验室,重庆 400065)
基于TD-LTE系统的小区间干扰抑制策略研究
师彦静,张浩
(重庆邮电大学移动通信技术重点实验室,重庆 400065)
针对TD-LTE系统存在的小区间干扰问题,提出一种基于博弈论思想的结合上行链路功率控制(UPC)和小区间干扰协调(ICIC)的小区间干扰抑制策略:首先将小区中用户作为博弈参与者,为每个用户分配一个合适的游戏者身份;然后为每个游戏者分配合适的UPC和ICIC算法使其参与博弈,最终达到抑制小区间干扰,且最大化系统吞吐量的目的.
TD-LTE;小区间干扰;博弈;功率控制;干扰协调
1 引言
作为TD-SCDMA的后续演进技术,TD-LTE可以提供超过百兆的下行速率、更高的频谱效率、更小的时延、自组织的网络等.TD-LTE下行采用OFDMA技术,上行采用SC-FDMA技术,可以保证小区内符号之间的正交性,有效降低了小区内部的相互干扰.而为了节约有限的频谱资源,TD-LTE采用同频组网方式,这样就带来了严重的小区间干扰[1].因此,如何抑制小区间干扰(ICI)成为TD-LTE的研究热点.
小区间干扰源于资源的有限性,即有限的频率、时间、码字等资源,导致使用相同资源的用户产生相互影响的干扰信号.小区边缘用户由于受到较大的噪声或来自相邻小区的干扰导致SINR较低.避免或减轻小区间干扰(ICI),才能提高小区边缘用户性能,增加小区吞吐量.我们的目标是通过适应无线传输信道的特性,包括路径损耗,阴影衰落和快衰落,以及克服来自其他小区用户的干扰,从而使系统吞吐量达到最大[2].
ICIC(Inter-Cell interference coordination)技术是解决TD-LTE同频干扰的重要技术方案,受到业界的广泛关注.其基本思想是通过管理无线资源使小区间干扰得到控制,是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理方案.具体而言,ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制,包括限制时频资源的使用或者在一定的时频资源上限制其发射功率等[3].文献[4]结合3GPP相关提案,按时间顺序分三个阶段,对LTE小区间干扰控制技术演进进程进行介绍和总结.文献[5]提出了一种软频率复用的优化算法,将外区用户的软频率复用因子和分配给内外区用户的信道带宽的联合问题进行简化,从而得出对干扰协调和频谱资源分配进行联合最优化的方法.文献[6]主要是从SFR没有考虑用户的QOS出发,提出了一种改进的小区间干扰协调算法,同时考虑用户的QOS和系统的吞吐量.G Li等[7]从概念角度给出了OFDMA系统的小区干扰模型,并从直观思路出发给出处理多小区干扰的算法.文献[8]提出了一种OFDMA系统上行链路子载波和功率分配算法,但是只考虑了单小区情况.
本文提出的方法是基于博弈理论方法,采用一定的游戏规则,结合上行链路功率控制(UPC)和小区间干扰协调(ICIC)算法使系统的性能达到最优.该方法中用户被定义为博弈参与者(player),每个游戏者有一些预定义的参数,例如,用户的活动、位置、业务类型、服务质量、用户的满意度等.每个游戏者分配特定UPC和ICIC方法的组合,以达到所需的效用函数,并最大限度地提高系统的整体性能.
2 UPC和ICIC结合的博弈模型
2.1 为用户分配游戏者身份
建立游戏者的主要目的是提供一个简单的方法来管理使用UPC和ICIC规则的用户组.上行链路小区间干扰控制是一个向UE分配角色的动态过程.对于每个游戏者,UPC和ICIC规则是预先定义的,它具有专门面向游戏者的特性.为了提高系统性能,每个UE可以有多个游戏者身份,让每个游戏者尽自己的最大可能来改善自己的性能.
根据用户的类型、用户到基站的距离、系统的负荷、业务类型等方面给用户分配不同的游戏者身份.
从表1中可看出,每个用户选择使自身效用最大的游戏者身份.所以这个游戏者可以用下式来描述:
这里UETi是UEi的类型,∑UEAj是用户i的行动(即小区负载),UELoci是UEi的位置,fi是用户i的效用函数,STi是服务类型,比如语音、数据、短消息、传真、图像和视频等,pi是UEi的功率,Pn是整个小区的功率极限值.
2.2 为游戏者分配特定UPC和ICIC
下面以七小区蜂窝系统为例,我们认为相当小的小区在干扰受限的情况下,除了噪声,ICI也会造成SINR减少[4].UE位于小区边缘这种情况下仅仅应用UPC可能是没有帮助的,因为对周边小区的载波间干扰的功率也将增加.因此,结合UPC和ICIC的游戏者博弈论方法是可行的.
该方案是六边形蜂窝布局,UE均匀分布,他们的效用函数不因服务基站的改变而改变.在这里,我们只考虑小区边缘的UE.对于这些UE,采用开环功率控制(OLPC)和全频率复用(FFR).当UE从小区中心移动到小区边缘时,由于来自相邻基站的路径损耗和干扰的增加,SINR降低.在这种情况下的SINR为[9]:
表1 各个时隙用户分配的游戏者(player)身份
这里,α是路径损耗因子,Pj是eNB的传输功率,n是相邻的eNB的数目,Pk是来自相邻基站的干扰功率,rj是UE到服务基站的距离,rk是UE到每个相邻基站的距离,N0B是背景噪声,其中N0是热噪声,B是系统带宽.
为了简单说明UPC和ICIC方法组合的作用,我们将小区边缘分成六个区域,每个边缘区域分别标有一个与其相邻的小区对应的小字母.OLPC在这里被建模为一个简单的补偿程序.如果用户是位于中央区域,则功率控制机制是关闭的.在小区边缘的UE收到补偿与其角色相应的相关功率电平pi.同样,对于小区中心UE、ICI被忽略[9-11].小区中心的用户对资源的使用没有任何限制,有权使用所有可用的频谱资源.如果用户位于小区边缘,根据其游戏者身份,具有较低干扰的用户将优先使用分配给这个区域的频率资源,以使其效用函数最大化.为了实现这一点,有必要通知相邻小区该小区所使用的频率资源情况.这可以通过一个简单的邻基站之间的信息交流实现.
如图1所示,对于一个给定的频率资源接收信号110100,该信号意思是频率资源A、B、D在eNB中使用,而频率资源C、E、F没有被使用.实际上,该信号可以被认为是“活动系数”,表示给定的频率资源的利用系数.类似的信息可用于网络中的所有资源.收到此信息后,所谓的“权重系数(Weight)”被确定为每个扇区的每个载波频率.它们是每个相邻基站区域中的位置.在这个例子中权重系数如表2所示.将资源分配给在一个给定扇区具有最小权重系数(即干扰最小)的一个用户.例如,如果我们假设在当前的时刻,所有的资源是可用的,用户在区域a,从表2中可以看出实现最佳SINR是权重系数为7的情况.
在上述考虑的基础上,我们假定所有的基站采用相等传输功率(pj=pk),UE位于小区边缘区域a.假设有严重的ICI干扰,那么背景噪声N0B可以忽略.引入权重系数Wk及相应每个相邻的eNB(A,B,C,D,E,F)的活动系数,SINR方程可以改写为
图1 结合UPC和ICIC的七小区模型
表2 与图1对应的权重系数
根据图1,如果我们考虑信令为110100,根据所述UE的位置可以得出其权重系数,SNIR可以表示为
根据分析,小区边缘(距离eNB 800 m~1000 m的距离)的SINR强烈依赖于负载.
从上述例子可以看出不同游戏者的UE根据其位置参数UELoci的不同,SINR强烈地依赖于用户的活动,实施UPC和ICIC取决于UE被分配的游戏者身份.在这种情况下,所谓的权重系数的功能划分为不同的区域和不同的位置参数.我们可以进一步考虑,通过引入不同的集中区围绕服务基站.根据位置参数,用户活动,包括在这个博弈场景中UE的请求,从而实现一个组合的UPC和ICIC算法.因此,我们根据方程(1)和表1中所示引入更多的参数,目标是实现用户最佳满意度,当然这取决于其最大效用函数定义的游戏者类型.
3 博弈过程描述
具体的游戏博弈过程如图2所示.
在eNB中登记的用户设备(UE)-UEi被分配一个初始游戏者身份P1,其相应的ICIC和UPC算法-UPCA1.对于第一时隙,游戏者P1应被分配eNB关键绩效指标(KPI),在第一个时隙的质量评估中应收集统计P1的作用.之前完成的第一个时隙计算UEi的效用函数值,决定是否采取改变目前分配的游戏者身份P1.如果效用函数的值在各自的质量性能的置信区间的框架范围内,其身份应予以保留至下一个时隙,如果它超越了范围,游戏者身份从P1改变为Pj,进而选择适当的算法来执行Pj-UP⁃CAj.
对于所提方法的有效实施,是选择一个适当的游戏者身份和算法为下一时隙的UEi所用.另一个要考虑的问题是持续时间,即时隙,在此期间,一个游戏者进行了LTE的UPC和ICIC具体计算效用函数的时间,不改变位置或当前UEi的活动.因此,每个UEi形成一个动态游戏者身份的继承,这是依据系统的负荷与时间获取、UEi类型、UEi的活动、以及UEi位置方面的改变.在这个意义上LTE合并UPC和ICIC变成一个过程,并根据UEi的当前活动,UEi之间的相互关系,对每个时隙、每个UEi实际价值进行间接评估.
图2 游戏者博弈过程
4 结束语
本文提出的小区干扰抑制策略适用于TD-LTE上行链路通信,通过引入博弈论思想为用户分配不同的游戏者身份,并为每个用户分配合适的UPC和ICIC算法,求解速度快,系统复杂度低,易于工程实现.在每个时隙游戏者身份是动态的,这在很大程度上实现了系统的实时性和有效性,减小了小区间干扰,提高了系统吞吐量.
[1]沈嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(3GPP)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008:11-18,191-201.
[2]陈晓冬,熊尚坤,王庆扬.LTE小区间干扰抑制技术分析[J].电信科学,2010(5):16-21.
[3]Krongold B S,Ramchandran K,Jones D L.Computationally efficient optimal power allocation algorithms for multicarrier communication systems[J].IEEE Trans on Commun,2000,48:23-27.
[4]张超.LTE小区间干扰控制技术研究及进程[J].现代通信技术,2012,3(3):29-33.
[5]张炎炎,赵旭凇.TD-LTE系统软频率复用及其最优化研究[J].移动通信,2010,2(3):39-43.
[6]Bingbing Zhao,Liquan Chen,Xiaohui Yang,et al.A Modified Inter-cell Interference Coordination Algorithm in Downlink of TD-LTE[C].IEEE WICOM,2010:1-4.
[7]Li G,Liu H.Downlink Dynamic Resource Allocation for Multi-cell OFDMA System[C].in Conference Record of the Thirty-SeventhAsilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2003:9-12.
[8]Wu D,Yu D,Cai Y.Subcarrier and power allocation in uplink OFDMA systems based on game theory[C].Neural Networks and Signal Processing,International Conference on.IEEE,2008:522-526.
[9]Ahmad I,Habibi D.Resource Management in 4G Wireless Communications at Vehicular Speeds:A Game Theory Solution[C].Vehicular Technology Conference(VTC Fall),IEEE,2012:1-5.
[10]Salah Eddine Elayoubi,Olfa Ben Haddada.Uplink Intercell Interference and Capacity in 3G LTE systems[C].IEEE ICON,2007, 48:23-28.
[11]邱晶,冯文江,邹卫霞.多小区OFDMA系统中的分布式资源分配策略研究[J].西安电子科技大学学报:自然科学版,2008,35(2):340-344.
Inter-cell Interference Suppression Strategy Based on TD-LTE Communication Systems
SHI Yan-jing,ZHANG Hao
(Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)
To solve the inter-cell interference problem in TD-LTE systems,a inter-cell interference suppression strategy is proposed based on game theory combination of uplink power control(UPC)and inter-cell interference coordination(ICIC)for TD-LTE communication systems.The main approach is divided into two steps.First,the users in the cell act as the game participants,and each user is assigned an appropriate identity of the player.Sec⁃ond,each player is assigned the UPC and ICIC algorithm makes its participation in the game,which can ultimate⁃ly inhibit the purpose of inter-cell interference and maximize system throughput.
TD-SCDMA Long Term Evolution,inter-cell interference,game theory,power control,inter-cell inter⁃ference coordination
TN929.5
A
1008-2794(2013)04-0095-05
2013-04-24
国家重大科技专项“基于TD-LTE系统的公网集群业务方案及关键技术研究”(2012ZX03004009);重庆市教委优秀成果转化项目(Kjzh11206)
师彦静,硕士,研究方向:移动通信,E-mail:shiyanjing531@163.com.