異構Femtocell網絡中基于用戶公平性的干擾協調

胡海東，張 靜

(上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200234)

異構Femtocell網絡中基于用戶公平性的干擾協調

胡海東，張 靜

(上海師范大學 信息與機電工程學院，上海 200234)

為使含有家庭基站和宏基站的異構網絡(HetNet)中各用戶的服務質量需求都能滿足并達到用戶間的公平性，在功率限制條件下對宏用戶中最小的用戶數據速率最大化，將此最小用戶速率提供給家庭基站用戶，獲得各家庭基站用戶的目標信干噪比(SINR)，再利用對分法調整家庭基站的發射功率。仿真結果表明，該方法能夠保證最小的宏用戶數據速率且提高異構網絡用戶間的公平性。

異構網絡；家庭基站；功率控制；公平性

在最近的幾十年里，對寬帶移動通信系統提供更高的數據速率和更好的服務質量的需求不斷增長。為滿足這些需求，移動通信系統正在由單一的網絡演變成多種網絡融合的異構網絡(HetNet)架構，宏-毫微微傳輸是異構網絡中主要的場景之一[1]。宏-毫微微異構網絡對頻帶的部署主要有兩種方案：每個網絡使用不同資源的專用信道部署以及家庭基站和宏基站分享共同帶寬的共同信道部署兩種方案。專用信道部署可避免宏基站和家庭基站之間的共信道干擾(CCI)，但是頻譜效率會降低；而在共同信道部署時，只要CCI能夠被有效地管理，就可以獲得更高的頻譜效率。

為了減少CCI，毫微微基站之間的協作調度的方法已經被應用。在這些協作調度算法中，當宏基站和家庭基站共享帶寬時，依靠功率控制來減小CCI是尤其有效的[2]。常見的方案有固定功率控制方案和基于距離的功率控制方案[3]。雖然這兩種方案在實際系統中簡單且容易實現，但是對數據速率性能提高不大，而且欠缺公平性。第三代合作伙伴計劃已經推出幾個基于測量的功率控制策略，這些策略用來減輕宏用戶受到的來自家庭基站的干擾，主要有降低干擾宏基站的家庭基站的最強接收功率以及提高來自最近的宏用戶的參考信號接收功率[4]。這些策略雖然能在系統的整體性能上有所改善，但這些方案也沒有考慮用戶之間的公平性，從而導致異構網中的一些用戶尤其是家庭基站用戶不能得到很好的服務。

本文對家庭基站進行功率控制即在宏基站和家庭基站間進行干擾協調，使網絡中各用戶之間具有較好的公平性。該方法對宏用戶建立最大化最小的用戶速率這一優化公式，獲得該數據速率后提供給家庭基站來調整發射功率，家庭基站利用對分法來調節自身功率以降低宏基站和家庭基站間信息交換的復雜度。

1 系統模型

考慮一個下行的LTE-A異構網絡系統。該系統由一個宏基站和N個家庭基站組成，家庭基站部署在宏基站的覆蓋范圍內，宏基站采用正交頻分復用接入方式，和家庭基站共信道部署。在每個傳輸時間間隔(TTI)中，整個系統共有K個宏用戶和N個家庭用戶(每個家庭基站只有一個用戶)處在活動中。各用戶接收到的信號和所受到的干擾情況如圖1所示。

圖1 異構網絡信號與干擾模型

當家庭基站有發射功率時，就會對該宏用戶產生干擾，影響它的數據速率。宏基站用戶k在資源塊s上可獲得的數據速率如

(1)

對于家庭基站用戶，它受到的干擾來自于該宏小區中其余的N-1個家庭基站和宏基站。第i個家庭基站用戶可獲得的數據速率表示為

(2)

2 問題建立

對上述異構網絡中的宏基站和家庭基站進行干擾協調，就是在滿足宏用戶和家庭用戶的服務質量要求時對宏基站和家庭基站的發射功率進行優化。這是一個組合優化問題，優化參數有N+1個，獲得最優解很難。由于家庭基站用戶的信道條件往往較好，可獲得較高的數據速率，而宏基站的用戶信道條件較差，數據速率較低。為了達到宏用戶和家庭基站用戶間的公平性，本文首先考慮最大化最小的宏用戶數據速率，再把這個數據速率作為家庭基站用戶的目標速率，然后調整家庭基站的發射功率來滿足這個目標速率。

對于宏用戶，其優化問題可以建立為

(3)

(4)

求解式(4)可采用帶有限制條件的拉格朗日乘子法，得到次優近似解。

2.2 家庭基站的功率控制

令rtarget為式(4)的近似解。由于家庭基站和它的用戶的傳輸鏈路一般可以認為是直視鏈路，并且用戶比較靠近家庭基站，所以家庭基站用戶的數據速率可以用高SINR近似法來近似，即

(5)

(6)

再有，對家庭基站用戶定義公平系數F[5]如

(7)

該系數反映了各家庭基站用戶之間的數據速率，F越接近1，表示公平性越高。

“跨區域”協調是四大區域戰略最明顯的特征，即打破區域行政壁壘，構建新時代區域協調發展的新機制。它有利于推動各地充分發揮比較優勢，極大地提高區域經濟發展的總體效率。

2.3 家庭基站功率的對分分配

在上文的高SINR近似方法中，家庭基站之間需要大量的信道狀態信息交換，提高了計算復雜度。在這種情況下，為降低復雜度，采用對分法調整功率，即在家庭基站用戶滿足目標速率和家庭基站之間沒有信道狀態信息交換的情況下，家庭基站自動地控制發射功率。

鑒于家庭基站部署在室內，當它干擾相鄰基站時，干擾信號至少要穿透兩層墻面，同時宏基站的發射功率通常是家庭基站功率的幾倍，所以家庭基站之間的干擾實際上可以忽略不計。在忽略家庭基站之間的干擾后，將式(2)簡化為

(8)

對其中一個家庭基站采用對分法調整發射功率的具體步驟是：設置家庭基站的最小和最大發射功率即l和u后，根據式(8)，計算家庭基站的最小和最大數據速率，分別記為 rfi-ign(l) 和rfi-ign(u)，并設置可允許的功率差值ε=u-l；比較rfi-ign(l)與rtarget，若rfi-ign(l)>rtarget，則設置pfi=l；比較rfi-ign(u)與rtarget，若rfi-ign(u)ε時， 令q=(u+l)/2，再用該q值根據式(8)計算rfi-ign(q)，比較rfi-ign(q)與rtarget，若比rtarget大則設置l=q，反之，u=q。重復該步驟直至u-l<ε，此時的l就是家庭基站的發射功率。對N個家庭基站都采用此方法進行功率調整。具體的流程圖如圖2所示。

圖2 對分法的具體流程圖

3 仿真結果與分析

考慮如圖1所示的基于LTE-A的異構網絡兩層分布模型，在宏基站的覆蓋范圍內隨機分布了K個宏用戶和N個家庭基站。假設家庭基站用戶分布在家庭基站的10 m范圍內，采用ITU-R Indoor-A的室內信道模型，宏用戶處在家庭基站覆蓋范圍之外，采用瑞利信道模型。詳細的仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

仿真的具體過程如下：利用拉格朗日乘子法得到次優的宏基站發射功率，計算此時的數據速率rtarget，再把rtarget通知給這個異構網中的所有家庭基站，然后每個家庭基站基于rtarget進行功率調整。將該方案與文獻[3]中兩種傳統功率控制方案，即固定功率控制和基于距離的功率控制作對比。

圖3是該異構網絡中采用不同的功率控制方案所獲得的最小用戶速率的對比情況，與固定功率控制方案和基于距離的功率控制方案相比，本文對分法方案可獲得更高的最小用戶數據速率。當家庭基站數量是50時，對比固定的20 dBm發射功率控制方案，本文方案的最小用戶數據速率有近109%的提高，再對比高SINR近似法，本文方案的最小用戶速率大約有85%的提高。

圖3 異構網中家庭基站數目和最小用戶速率的關系

圖4表示家庭基站用戶間的公平系數。由于本文方案將宏基站的最小用戶數據速率提供給各家庭基站，使各家庭基站用戶之間的數據速率差異減小，從而導致了家庭基站用戶間的更高的公平性。在家庭基站個數為50時，對比固定的20 dBm發射功率方案，本文方案的公平系數提高了近18%，雖然高SINR近似法的公平系數可提高近22%，但是最小的用戶數據速率低于本文方案。本文方案同時還可保證宏基站用戶和家庭基站用戶間的公平性。

圖4 異構網中家庭基站數目和公平系數的關系

表2為4種功率控制方案的計算復雜度。本文方案的復雜度介于高SINR近似和基于距離的方案之間。盡管傳統方案有比較低的復雜度，但是比較所提方案，用戶公平性較低。高SINR近似方案公平性較高，但是在所有家庭基站之間需要大量的信道狀態信息交換，從而使得復雜度提高。然而對分法不僅有較高的用戶公平性，還有較低的計算復雜度。

表2 4種方案復雜度比較

4 總結

本文針對異構網絡利用功率控制所做的干擾協調方案，在滿足宏用戶的服務質量需求的前提下來調整家庭基站的功率，采用的對分法功率調節方法能減小信息交換的復雜度和算法的復雜度。該方案可使網絡中的各用戶在公平性上得到較好的協調。

[1] 隗合建，張欣，曹亙，等. LTE-A 增強型小區間干擾協調技術標準化研究[J].現代電信科技，2011，41(8)：38-44.

[2] SAQUIB N，HOSSAIN E，LE L B，et al. Interference management in OFDMA femtocell networks：Issues and Appr-oaches [J]. IEEE Wireless Communications，2012，19(3)：86-95.

[3] Femto-Forum.Interferencemanagement in OFDMA femtocells[EB/OL].[2014-10-15]. Whitepaper available at www.femtoforum.org.

[4] CAO G，YANG D，YE X，et al. A downlink joint power control and resource allocation scheme for co-channel m-acrocell-femtocell networks[C]//Proc. Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).[S.l.]：IEEE Press，2011：281-286.

[5] SHI H，PRASAD R V，ONUR E，et al. Fairness in wireless networks：issues，measures and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，16(1)：5-24.

[6] RHEE W，CIOFFI J M. Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation[C]//Proc. Vehicular Technology Conference. Tokyo：IEEE Press，2000：1085-1089.

責任編輯：許 盈

Interference Coordination Based on Users’ Fairness in Heterogeneous Femtocells Networks

HU Haidong, ZHANG Jing

(DepartmentofInformationandElectronic,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

To make the service quality requirements of each user in heterogeneous network (HetNet) which contains femtocells and macro base stations meet and achieve the fairness among users, under the condition of power constraints, and it’s effective to maximize minimum user data rate among Macro users, this user minimum rate to station users in home base is provided, the target SINR of users among home base station is obtained. And finally adjusting transmission power of the base stations by using bisection method will meet requirements. The simulation results show that this method can guarantee a minimum data rate and improve the user fairness in heterogeneous network.

heterogeneous network; femtocell; power control; fairness

【本文獻信息】胡海東，張靜.異構Femtocell網絡中基于用戶公平性的干擾協調[J].電視技術,2015，39(13).

國家自然科學基金項目(61101209)；上海市自然科學基金項目(11ZR1426600)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.13.014

2014-12-25