LTE-A小小区网络中的分组干扰管理

王　路, 张道煦, 李　莉, 罗汉文,2

(1.上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)



LTE-A小小区网络中的分组干扰管理

王路1, 张道煦1, 李莉1, 罗汉文1,2

(1.上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

摘要:讨论和研究了升级版长期演进技术(Long-Term Evolution-Advanced,LTE-A)小小区网络(SCN)中的小区间相邻信道的干扰问题,在此基础上,给出了一种小小区分组关闭(SCGC)的方法.仿真结果表明,SCGC可以减少小小区相邻信道的干扰,减少了功率消耗,从而有效地提高了系统吞吐量.

关键词:干扰管理; LTE-A; 小小区; 小小区分组关闭

数据量随着用户需求的增加而不断地增加,因此,在现代通信系统中,如何提高系统的吞吐量越来越受到人们的关注.在由3GPP(3rd Generation Partnership Project)推进的升级版长期演进技术(LTE-A)中,将小小区网络(SCN)的引入作为标准制定的一项重要内容.SCN可以提高宏小区覆盖质量,增加系统吞吐量.因此,未来的无线网络中一个宏小区将包含大量的小小区.

干扰管理是无线网络中的一个基本问题[1].当接口实现共享、频率得到全复用和小小区部署密度被提高时,就需要管理小小区之间以及小小区与宏小区之间的干扰[2].针对宏小区与小小区之间的干扰问题,3GPP方案Rel.10中提出了增强型小区间干扰协调技术(eICIC).还有的一些其他的干扰消除技术,比如协作多点传输(CoMP)、干扰对齐(IA)技术.由于CoMP和IA需要可靠的信道状态信息,需要合作小区间的信息交流和高复杂度的计算.因此,它们在实际的SCN中的收益还是未知的[3].综上所述,在实际的高密度部署的SCN中怎样有效地减少小小区间的干扰仍然是一个有待研究的问题.

在通信系统中,如果扇区和小区在某些时候处于空闲模式或者暂时关闭这些扇区和小区时,可以减少功率密度,从而使干扰最小化[2].在家庭基站的概念出现后,就有学者开始研究在时分复用网络中,通过关闭家庭基站的一些子帧来减少相邻家庭基站之间的干扰,相应地可以提高整个系统的吞吐量[4].小小区基站和家庭基站有很多类似之处,比如发射功率小、部署位置随机等等.随着LTE-A标准制定工作的不断推进,人们开始讨论在一个或多个子帧的时间内,对小小区基站进行开关操作[5].

假设宏小区和小小区使用的是不同频率段的资源,也就是说宏小区不会对小小区产生干扰.基于这个假设,本文作者将提出的SCGC应用在一个实际的SCN中.在实际的SCN中,该SCGC可以有效地消除小小区之间的干扰,降低功率消耗.通过系统级仿真验证了所提出的SCGC的有效性.

其余部分安排如下:第1节介绍系统模型,描述SCN中的小小区之间的干扰问题.在第2节中具体介绍了SCGC的分组标准、小小区的关闭模式和分组干扰管理算法.第3节给出了仿真和结果分析.第4节总结全文.

1系统模型

图1　SCN结构

假设未来的一个宏小区中将高密度部署小小区.那么,首先要确定一个宏小区部署多少个小小区才能称作为高密度部署.根据有关文献的研究表明,当宏小区内的小小区部署超过10个时,系统的性能不会随着部署密度的增加而显著增加[3].所以,将讨论一个宏小区内部署20个小小区和100个用户的干扰管理问题.SCN结构,如图1所示.

假设每个小小区将相同的频率资源平均分配给小小区内的用户.这就使得小小区基站在对其用户进行下行信号传输时会干扰其他小小区内也在进行下行信号接收的用户.在图1中,实线代表基站发送给覆盖范围内用户的下行传输信号,虚线代表基站对覆盖范围外用户的干扰信号.此时,宏基站对小小区内的用户只进行控制信号的传输.

2SCGC在实际SCN中的应用

一般情况下,在LTE-A的SCN中每个用户根据参考信号接收功率(RSRP)来选择宏小区或者小小区作为自己的服务小区.由于宏小区和小小区分别使用不同的频段资源,所以如图1所示,宏小区和小小区之间的干扰被排除在外.因此,将用户记为k,用户k的服务小区记为m,k接收到的每个小小区的功率记为q(i,k),i=1,2,3……N.每个用户的SINR值可以写成:

(1)

SCN内用户的吞吐量可以写为:

(2)

其中BW为用户的可用带宽.

随着小小区的部署密度的提高,一方面可以填补宏小区的覆盖漏洞,但是另一方面相邻小小区间用户受到的干扰变得更严重.为了解决这个问题,本文作者给出了SCGC方法.

2.1小小区分组标准

在SCGC方法中,小小区首先被分为两组,记为G1、G2.分组的标准可以是:

(1) 小小区内用户的平均信干噪比(SINR)值;

(2) 小小区服务的用户数量;

(3) 小小区内用户的平均RSRP的值.

无论采用哪种方法分组,都通过宏基站进行控制的.如果根据小小区内用户的平均SINR值进行分组时,小小区基站将会在每次分组之前,计算出其服务用户的平均SINR,并通过回程链路上报给宏基站.如果根据每个小小区基站的服务用户数和用户的平均RSRP值来进行分组时,就不需要对小小区进行计算.因为宏基站可以直接调用用户服务基站信息.在(1)中,宏小区会将每个小小区内用户的平均SINR值进行降序排列,将排在前面的10个小小区分为G1,其余的分为G2.(2)、(3)与(1)类似,就不在这里赘述了.

通过系统级仿真,发现不同的分组方法给系统带来的增益将有所不同.

2.2关闭模式

图2　关闭模式

在分组之后,宏小区就需要通过回程链路决定G2内小小区采用的关闭模式,而G1内的小小区不做任何开启或关闭操作.如图2所示,小小区可以根据它们的关闭模式选择传输信号的开启或关闭[4].关闭模式1事实上是G2中的小小区没有进行关闭操作.关闭模式2是关闭一个子帧,位置如图2所示.关闭模式3～5也是关闭图2中相应的子帧来管理SCN中的小小区间的干扰.

当G2处于开或关的时候,计算用户的SINR的公式会发生变化.令SINR(1)、SINR(2)表示为G1中用户分别在G2开和关时的SINR值,则:

SINR(1)(m,k)=

(3)

(4)

2.3分组干扰管理过程

针对实际的SCN结构,小小区的平均SINR分组干扰管理算法如下:

在给出的分组干扰管理过程中,一个管理周期为8个子帧.宏基站选择关闭模式,并将关闭模式通知给其中一组的所有小小区基站,小小区根据宏基站选择的关闭模式关闭相应的帧,即在相应的帧上不为用户提供服务,以减少对其他小小区的干扰.

平均SINR分组干扰管理算法如下:

1:初始化N0,K,N,则:

其中k=1,2,……K,K∈Φ;i=1,2,……N,N∈Φ,N0是高斯白噪声功率,K是部署的用户数目,N是部署的小小区数目.

2:计算每个用户的SINR.

3:按SINR值降序排列分成两组G1,G2.

4:宏基站选择图2中的关闭模式.

5:如果G2处于关闭模式:

如果G2处于开启模式:

6:一次管理周期结束,返回1.

3仿真及结果分析

图3　不同关闭模式下的吞吐量

通过分析,将不同的分组标准,在不同的关闭模式下做了仿真.每次仿真都进行随机模拟,在宏小区中随机地撒20个小小区和100个用户.之后,每经过8个子帧,更新一次用户的位置,而小小区的位置在一次仿真中是固定不变的.当G2关闭后,G2中的用户选择G1中RSRP最好的小小区.这也符合实际的情况.如图3所示,横坐标是关闭模式,纵坐标是SCN中用户的平均吞吐量.不同的分组方式在模式1到模式5上所获得的吞吐量都是递增的.可以看到,在采用关闭模式1、2、3、4时,使用c方案作为分组标准,所获得的吞吐量最大.当采用关闭模式5时,使用a方案获得的吞吐量超过了c方案.关闭模式5中G2组的小小区,有一半的时间是处于关闭状态的.而b方案,也就是根据小小区服务用户数来分组的方法,所获得的吞吐量无论在哪个关闭模式下都是最低的.

4结论

本文作者讨论了LTE-A网络中小小区之间的干扰问题,提出了一种小小区密集部署场景下的分组干扰管理方法.在SCGC方法中,小小区根据平均SINR、平均RSRP和小小区用户数量等不同的分组标准被分为两组.通过系统级仿真,发现在不同的分组标准和关闭模式下,可以得到的吞吐量大小关系.这有助于在不同的关闭模式下,选择不同的分组标准,使用户吞吐量最大化.

当然,本研究中,还有一些问题值得进一步的探究.第一,由于所提出的分组标准并不是最佳的,可以寻找更加有效的分组标准,使吞吐量最大化.第二,可以设计一种小小区和宏小区之间的分组模式.第三,分析考虑所提出方法中的回程性能的影响.

参考文献:

[1]Huang J,Berry R,Honig M L.Distributed interference compensation for wireless networks [J].IEEE J Sel Areas Commun,2006,5:1074-1084.

[2]Hoydis J,Kobayashi M,Debbah M.Green small-cell networks [J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2011,3:37-43.

[3]Zhang Y P,Feng S L,Zhang P,et al.Inter-cell interference management in LTE-A small-cell networks [J].IEEE VTC-Spring,2013,6:1-6.

[4]Wang Y,Pedersen K I.Time and power domain interference management for LTE networks with macro-cells and HeNBs [J].IEEE VTC-Fall,2011,9:1-6.

[5]Samarakoon S,Bennis M,Saad W,et al.Dynamic clustering and on/off strategies for wireless small cell networks [J].IEEE Trans Wir commun,2015,11:2164-2178.

(责任编辑：冯珍珍)

Grouping interference management in LTE-A networks

WANG Lu1, ZHANG Daoxu1, LI Li1, LUO Hanwen1,2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:In this paper,we discuss the interference between channels in the adjacent small-cells in the LTE-A small-cell networks.We present a small-cell group close (SCGC:Small Cell Group Close) approach according to above discussion.System-level simulation results show that SCGC can not only reduce small-cell interference with adjacent channels,but also reduce power consumption.We can conclude that SCGC can get greater throughput.

Key words:interference management; LTE-A; small-cell; SCGC

中图分类号:TN 929.5

文献标志码:A

文章编号:1000-5137(2016)02-0133-04

通信作者:罗汉文,中国上海市闵行区东川路800号,上海交通大学电子信息与电气工程学院,邮编:200240,E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

收稿日期:2016-03-03