異構網絡中小區間聯合干擾協調算法研究

姜來為，吳宣利，張乃通

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異構網絡中小區間聯合干擾協調算法研究

姜來為，吳宣利，張乃通

（哈爾濱工業大學通信技術研究所，黑龍江哈爾濱150080）

研究了如何在LTE-Advanced系統異構網絡中通過有效的增強型小區間干擾協調提高系統總吞吐量問題。通過分析網絡中存在的干擾，建立數學模型，提出了一種基于減少發射功率幾乎空白子幀的小區間聯合干擾協調算法，利用優化方法研究系統總吞吐量和減少發射功率幾乎空白子幀之間的關系，實現了最大化系統吞吐量，同時解決宏基站分配多少資源給微微小區，以及用戶的接入選擇問題。仿真結果表明，所提方法和對比方法相比，系統總吞吐量有19.8%提升，可以達到算法上限的97.4%，適用于對系統總吞吐量要求較高，而邊緣用戶性能要求較低的場景。

LTE-Advanced；異構網絡；增強型小區間干擾協調；減少發射功率幾乎空白子幀

1 引言

隨著無線通信技術的發展，新的無線應用和服務正在呈爆發式增長。3GPP在Release 8/9中已經為LTE系統引入了一系列干擾協調機制，如部分頻率復用、軟頻率復用、基于X2接口的干擾協調機制等[1]，但這些方法主要是針對同構網絡中宏蜂窩（macrocell）之間的干擾。在未來網絡中，為了提供更高的系統容量、擴大覆蓋范圍并降低系統面臨的需求壓力，宏蜂窩中還會部署大量低功率節點，如微微小區（picocell），家庭基站（femtocell）和中繼（relay）。低功率節點與宏蜂窩采用相同的頻率，從而形成異構的網絡環境，它們之間將形成較強的同頻干擾。此外，異構網絡的引入雖然帶來了小區分裂增益并提高了系統性能，但同時也帶來了小區負載不平衡的問題。

面對上述問題，增強型小區間干擾協調（eICIC, enhanced inter-cell interference cancellations）技術被提出[2~4]，它是專門針對異構網絡低功率節點的一種時域干擾協調方法，核心思想是通過合理分配時域資源來減少宏基站對微微基站的干擾。通過利用幾乎空白子幀[5]（ABS, almost blank subframe），使干擾源基站在ABS子幀時只發送控制信令而不發送數據信道信號，這樣被干擾基站可以在此時調度被嚴重干擾的邊緣用戶進行信號傳輸。它需要通過X2接口在宏基站和微微基站間傳遞ABS子幀圖樣（subframe pattern）。通過接口信令，微微基站可以獲得宏基站的ABS子幀圖樣，從而使處于小區邊緣的用戶傳輸信號時避免收到宏站的干擾。另外，針對小區間負載不平衡問題，小區范圍擴展（CRE, cell range expansion）概念被提出并利用[6]。還有學者在時域和頻域干擾協調方法基礎上，提出了變換域干擾協調方法[7,8]。從進一步提高時域資源利用率和提升系統性能的角度考慮，3GPP R11版本在幾乎空白子幀基礎上提出了減少發射功率幾乎空白子幀概念，即讓宏基站以低于正常發送功率的功率在原ABS子幀上發送控制信令和數據信道信息，以提高系統吞吐量。

文獻[9]在異構網絡中提出了一種利用幾乎空白子幀的增強型小區間聯合干擾協調方法，通過合理分配ABS子幀數量可以獲得系統的最優性能。然而ABS子幀的利用使系統時域資源沒有得到充分利用。從提高時域資源利用率和進一步提升系統總吞吐量的角度考慮，本文利用減少發射功率幾乎空白子幀概念，分析異構網絡中存在的干擾，建立數學模型，利用優化方法研究系統總吞吐量與減少發射功率幾乎空白子幀之間的關系，在系統總吞吐量和系統邊緣用戶吞吐量之間尋求折中，同時解決了宏基站分配多少資源給微微小區，以及用戶接入選擇問題。這樣雖然會犧牲邊緣用戶部分性能，但可以更充分地利用系統時域資源，獲得更大的系統總吞吐量。本文與文獻[9]中結果做對比，驗證本文方法性能。

2 異構網絡中干擾分析

異構網絡架構如圖1所示。它是指在傳統蜂窩覆蓋的基礎上，通過在熱點區域布置一些低功率基站，形成宏蜂窩加低功率基站的分層組網方式來進一步提升熱點地區的數據傳輸速率。

這種低功率節點的存在能夠使運營商提供更高的數據速率，降低運營成本，并向用戶提供更有吸引力的業務[10]。根據宏蜂窩和低功率節點使用頻率的異同，分層組網可以分為異頻組網和同頻組網兩類。異頻組網指宏蜂窩與低功率基站采用不同的載波頻率，這種方式可以有效地減少層間干擾，但降低了頻譜資源的利用率。本文考慮的是包括宏基站與pico基站的同頻組網異構網絡。圖2為宏基站與pico基站組網中ABS子幀圖樣示例。宏基站在ABS子幀中不發送有用信號，pico基站可以在ABS子幀中為其邊緣用戶進行數據傳輸。此時，雖然宏站在某些子幀上不發送數據，降低了資源利用率，但pico基站可以獲得更好的性能，在合理配置情況下系統總體性能獲得明顯增益。

2.1 異構網絡中幾乎空白子幀存在時的干擾分析

對于每個用戶UE-u，根據參考信號接收功率 （RSRP, reference signal receiving power），可以獲知其歸屬的宏基站或pico基站。在系統中存在幾乎空白子幀和正常子幀時，存在的干擾分以下2種情況考慮。

1) 在幾乎空白子幀（即ABS子幀）時，對于和宏基站相連的用戶，由于既可以收到其他宏基站的干擾信號，又可以收到pico基站對其產生的干擾信號，故信號與干擾噪聲比（SINR, signal-to- interference-plus-noise ratio）可以表示為

對于和pico基站相連的用戶，由于在ABS子幀時對其會產生干擾的宏基站只發送控制信令而不發送數據信息，因此來自宏基站的干擾可以忽略。從而與pico基站相連的用戶只會收到來自其他pico基站的干擾信號。假設以pico-為歸屬pico基站用戶集合，這些用戶的SINR可以表示為

2) 在正常子幀（即n-ABS子幀）時，對于和宏基站相連的用戶，其收到的干擾與ABS子幀時并無差別，這些用戶的SINR表達式與式（1）相同。

對于和pico基站相連的用戶，在正常子幀時會對此pico產生干擾的宏基站信號正常發送，因此這些用戶此時既可以收到會對其產生干擾的宏基站發送來的干擾信號，又可以收到其他會對其產生干擾的pico基站對其產生的干擾，SINR可以表示為

2.2 異構網絡中減少發射功率幾乎空白子幀存在時的干擾分析

在幾乎空白子幀的基礎上，3GPP R11又提出了減少發射功率幾乎空白子幀，圖3為幾乎空白子幀和減少發射功率幾乎空白子幀示意。從圖中可以看出，減少發射功率幾乎空白子幀在幾乎空白子幀處將基站發射功率設置為低功率而非零。

目前在LTE-Advanced標準化演進中，減少發射功率幾乎空白子幀有以下3種常見設置方法。

1) 將宏基站的減少發射功率設置為定值，如30 dBm。

2) 將宏基站原始發射功率減去pico基站的CRE偏置值，得到減少發射功率值。

3) 基于宏基站和pico基站相對位置（如它們之間的距離）進行設置。

在系統中存在減少發射功率幾乎空白子幀和正常子幀時，存在的干擾可以分為2種。

1) 在減少發射功率幾乎空白子幀（即r-ABS子幀）時，分析可知，不論用戶與宏基站還是pico基站相連，其SINR均可表示為

2) 在正常子幀（即n-ABS子幀）時，

前面分析了異構網絡在幾乎空白子幀和減少發射功率幾乎空白子幀存在時系統存在的干擾。接下來利用上述異構網絡干擾分析，建立數學模型，提出一種小區間聯合干擾協調算法。

3 建立異構網絡數學模型與問題描述

本文考慮的是宏基站與pico基站同頻組網方式。由于本文主要研究的是異構網絡中存在的下行干擾對系統性能影響和基于減少發射功率幾乎空白子幀的干擾協調方法，所以只考慮下行鏈路情況。

假設異構網絡中共有個宏基站和個pico基站，以及個用戶。根據文獻[1]可知，一個ABS周期時間為40 ms，其中，包括了40個子幀。因此定義r-ABS周期。根據前述可知，利用RSRP，每個用戶可以獲知其歸屬宏基站和歸屬pico基站，而它只能與歸屬宏基站或歸屬pico基站相連，不能同時接入。因此對于每個用戶UE-

用戶UE-在一個 r-ABS周期時間內的吞吐量不會超過其通過與宏基站/pico基站連接時間與數據傳輸速率相乘得到的吞吐量大小，即

由上文可知，減少發射功率幾乎空白子幀需要通過X2接口在宏站和pico基站間傳遞子幀圖樣，以便宏基站與pico基站利用r-ABS子幀進行聯合干擾協調。對于每個pico基站來講，在一個r-ABS周期時間內，它所利用的r-ABS子幀個數與和它進行聯合干擾協調的任意宏基站所利用的n-ABS子幀個數之和不會超過r-ABS周期中子幀個數，即

(9)

所有與macro-相連用戶在r-ABS周期時間內，分配時域資源之和不大于總時域資源，即

同樣，所有與pico-相連用戶在r-ABS周期時間內分配時域資源之和不大于，即

(12)

由上述可知，系統限制條件為式（6）~式（12）。

根據文獻[11]，加權比例公平可以兼顧系統吞吐量和用戶平均吞吐量，適用于LTE-Advanced系統，并充分考慮不同用戶間的需求，因此本文優化目標選為加權比例公平最大化系統吞吐量，可以表示為

其中，R為用戶UE-獲得的平均吞吐量，w為對應權重。

4 問題求解

4.1 求解思路

綜上所述，本文要解決問題可以歸納為

1) 解松弛非線性規劃問題（NLP, nonlinear programming）：忽略優化變量和是整數的限制，并暫時忽略限制條件式（6），即假設用戶可以既與歸屬宏基站相連，又與歸屬pico基站相連。為了便于書寫，將此松弛非線性規劃問題記為rABS-RELAXED。

4.2 具體步驟

4.2.1 解松弛非線性規劃問題rABS-RELAXED

為了解決式(15)問題，可以采用網絡優化中常用的基于對偶變量更新的方法[13]，將問題分為幾個不相關的子問題來分別求解，最后得到整個問題的最終解，大大降低了算法的復雜度。對此松弛NLP問題引入拉格朗日乘子

(16)

其中，UE問題為

(18)

macro問題為

pico問題為

(20)

迭代開始時，原始變量的初始值可以選擇定義域內任意值，而對偶變量的初始值可以取零。用代表任意原始變量，代表任意對偶變量。在第1次迭代時，原始變量依據以下公式進行更新為

(22)

本方法的收斂性證明見文獻[9]，在步長足夠小且迭代次數足夠多時收斂。

1) UE問題原始變量更新

根據式（18），在第次迭代時，對每個UE-有

2) macro問題原始變量更新

根據式（19），在第次迭代時，對每個macro-，有

(26)

利用式（25）~式（27），可以得到

(28)

3) pico問題原始變量更新

根據式（20），在第次迭代時，對每個pico-，有

(31)

利用式（30）~式（32）可以得到

(33)

4.2.2 添加優化變量A和N是整數的限制，以及限制條件式（6）

根據下面公式可以分別計算用戶UE-從其歸屬macro和pico基站獲得的吞吐量

(36)

定義取整函數

(38)

4.2.3 計算系統吞吐量和目標函數

(41)

(42)

(43)

(45)

優化目標可以由下面公式計算

5 仿真驗證與結果分析

為了驗證上述研究結果，本文使用Matlab仿真軟件，對上述模型及算法進行仿真。

本文異構網絡部署場景是宏基站加pico基站，系統中有7個位置固定的宏基站，站址間距500 m，正常發送功率45 dBm。每個宏基站中隨機分布5個pico基站和120個用戶。根據文獻[1]，pico基站發送功率一般在23~30 dBm，覆蓋范圍不超過300 m。本文pico基站發送功率為27 dBm（500 mW）。頻帶寬度10 MHz。每個r-ABS周期包括40個子幀，即。由于本文中用戶不同業務需求與優先級不在考慮范圍，因此將所有用戶權重均設為1，即。由前述可知，目前在LTE-Advanced標準化演進中存在幾種常用的宏基站發射功率設置方法，本文采用設置宏基站的減少發射功率為定值的方法將其設置為30 dBm。

基于異構網絡基站部署和UE位置確定以及上述已知條件，可以得到macro-pico干擾圖。對于每個用戶來講，亦可以獲得其歸屬宏基站在n-ABS子幀和r-ABS子幀的SINR以及歸屬pico基站在n-ABS子幀和r-ABS子幀的SINR。通過香農公式可以將上述SINR轉化為對應物理層數據傳輸速率，即得到本文優化問題的輸入、、、。

本文與文獻[9]中結果做對比。文獻[9]在異構網絡中提出了一種利用幾乎空白子幀的增強型小區間聯合干擾協調方法，而本文利用減少發射功率幾乎空白子幀，以提升系統總吞吐量為目標，在系統總吞吐量和系統邊緣用戶吞吐量之間尋求折中。圖4為所有用戶平均吞吐量比較，將得到的所有用戶平均吞吐量從小到大進行排列，然后計算前5%、前50%和所有用戶的平均吞吐量。

根據圖4可知，本文提出方法與對比方法相比，對于前5%、50%和所有用戶平均吞吐量均有提升，其中，對前5%用戶平均吞吐量提升為13.7%，對前50%用戶平均吞吐量提升為27.8%，對系統所有用戶吞吐量平均提升為19.8％，即系統總吞吐量有19.8%提升。本文方法和對比方法相比，由于減少發射功率幾乎空白子幀的利用，在幾乎空白子幀處充分利用時域資源，雖然對pico用戶干擾增強，但宏基站用戶利用了原空白子幀，接收到宏基站以減少功率發送來的有用信號，所以系統總吞吐量有所提升。

圖5為本文方法與對比方法對邊緣用戶平均吞吐量的比較，將得到的邊緣用戶吞吐量從小到大進行排列，然后計算前5%、前50%和所有邊緣用戶的平均吞吐量。根據圖5結果可知，本文提出方法與對比方法相比，對于前5%，50%和所有用戶均有下降，其中，對前5%用戶平均吞吐量下降2.3%，對前50%用戶平均吞吐量下降6.8%，對系統所有邊緣用戶吞吐量平均下降21％。這是因為減少發射功率幾乎空白子幀的利用，在r-ABS子幀宏基站對其用戶發送了有用信息，發射功率比幾乎空白子幀要大，即干擾增大，所以邊緣用戶吞吐量下降是必然的。本文方法得到的結果是系統總吞吐量和邊緣用戶吞吐量的折中，驗證了本文方法的正確性，說明本文方法適用于對系統總吞吐量需求較高，而邊緣用戶性能要求較低的場景。

本文系統中有7個位置固定的宏基站，每個宏基站中有固定數量的pico基站和用戶?？梢哉J為位于中間位置的宏基站僅受到周圍6個宏基站的干擾，距離再遠的基站對其影響忽略不計。此時位于中間位置的宏基站中的5個pico基站分別利用r-ABS子幀個數可以通過仿真結果得到，表1即參考r-ABS配置。這是在本文場景下，基于減少發射功率幾乎空白子幀小區間干擾協調算法給出的r-ABS參考配置。此值與系統負載，干擾模型，基站發送功率等因素相關，配置時需綜合考慮。

表1 參考r-ABS配置

利用仿真結果計算可知，本文提出方法可達到rABS-RELAXED輸出結果即算法上限的97.4%。

6 結束語

本文以提高系統總吞吐量為目標，分別分析了異構網絡在幾乎空白子幀和減少發射功率幾乎空白子幀存在時系統中存在的干擾，提出了一種基于減少功率幾乎空白子幀的小區間聯合干擾協調算法。從理論和仿真角度分別證明了所提方法能夠實現提高系統總吞吐量的效果。仿真結果顯示本文方法適用于對系統總吞吐量需求較高，而邊緣用戶性能要求較低的場景。

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Joint optimization algorithm for enhanced inter-cell interference coordination in heterogeneous networks

JIANG Lai-wei, WU Xuan-li, ZHANG Nai-tong

(Harbin Institute of Technology, Communication Technology Institute, Harbin 150080, China)

The total system throughput was improved by means of enhanced inter-cell interference coordination (eICIC) in heterogeneous networks(HetNets) in LTE-Advanced system. Through analyzing the existing system interference, a mathematical model was established and a joint optimization algorithm for eICIC was raised based on the reduced power almost blank subframe. By using this optimized method, the relationship between the total system throughput and the reduced power almost blank subframe was studied, so as to realize the maximized total system throughput and solve the problems of the amount of radio resources that macro cells should offer to pico cells and UE assignments. Simulation results show that, compared with the comparative method, the proposed method has 19.8% improvement in the total system throughput and the optimality gap is 97.4%. Conclusions can be drawn that the proposed method is suitable for the scene where the total system throughput requirement is relatively high while the performance of the edge user requirement is relatively low.

LTE-Advanced, heterogeneous networks, enhanced inter cell interference coordination, reduced power almost blank subframe

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016040

2015-01-06；

2015-05-20

國家自然科學基金資助項目（No.61171110）；國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）基金資助項目（No.2013CB329003）

The National Natural Science Foundation of China (No.61171110), The National Basic Research Program of China (973 Program) (No.2013CB329003)

姜來為（1986-），女，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱工業大學博士生，主要研究方向為LTE-A資源分配及干擾協調、認知無線電、信號處理等。

吳宣利（1980-），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業大學副教授、博士生導師，主要研究方向為超寬帶無線通信技術、LTE-A資源分配及干擾協調、協作通信等。

張乃通（1934-），男，江蘇揚州人，中國工程院院士，哈爾濱工業大學教授、博士生導師，主要研究方向為超寬帶通信、衛星通信、專用移動通信、LTE-A系統等。