一種小區動態多模式頻率復用方法的研究

王淵 唐智靈 李思敏

摘? 要： 頻率復用技術是移動通信系統中提升系統容量和邊緣用戶通信質量的核心技術，但是已有的方法無法根據相鄰小區邊緣用戶的分布調整頻率復用分配，導致邊緣用戶的信干噪比下降，其抗干擾能力減弱。文中提出一種動態多模式頻率復用方法，該方法可以根據網絡的實時需求選擇頻率復用模式，建立該方法的網絡模型，同時也提出了對系統用戶的信干噪比和覆蓋率的評價方法。仿真結果表明，根據網絡的實時需求，該方法能夠有效地提高通信系統用戶的信干噪比及覆蓋率。

關鍵詞： 頻率復用; 覆蓋率提高; 干擾管理; 模式選擇; 網絡模型建立; 信干噪比評價

中圖分類號： TN911.4?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0001?04

Research on method of dynamic multi?mode frequency reuse in a cell

WANG Yuan1， TANG Zhiling1， LI Simin2

（1. School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China;

2. Institute of Electrical & Information Engineering， Guangxi University of Science & Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The frequency reuse technology is the core technology for improving system capacity and edge user communication quality in mobile communication systems. However， the existing methods cannot adjust frequency reuse allocation according to the distribution of neighboring cell edge users， resulting in a decrease of signal?to?influence plus noise ratio （SINR） of mobile communication systems held by the edge users. The anti?interference ability of their communication systems of the edge users is weakened. A dynamic multi?mode frequency reuse method is proposed in this paper， which can select the frequency reuse mode according to the real?time requirements of the network. The network model of the method is established， and also a method for evaluating SINR and coverage rate of the users′ communication systems is proposed. The simulation results show that the method can effectively improve the SINR and coverage rate of the users′ communication systems according to the real?time requirements of the network.

Keywords： frequency reuse; coverage rate improvement; interference management; mode selection; network model establishment; SINR evaluation

0? 引? 言

正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）廣泛應用于下一代廣播無線通信系統。LTE的下行鏈路就采用OFDMA技術，因為小區內用戶彼此正交，避免了小區內干擾[1]，但由于LTE是同頻組網，相鄰小區的兩個用戶有可能使用相同的時頻資源塊，從而產生同頻干擾，稱為小區間干擾（Inter Carrier Interference，ICI）[2]。

若用戶處在小區的邊緣位置，受到ICI的影響比較嚴重，從而導致小區邊緣用戶通信質量下降，降低了整個通信系統的吞吐量，傳統解決ICI的辦法是采用頻率復用技術，其復用系數是固定的，較大的復用系數是通過犧牲頻譜效率為代價來抑制ICI，這不符合未來移動通信的要求。

文獻[3]考慮到吞吐量、服務用戶數量和實際覆蓋面積，提出一種先進的能效措施，模擬表明能源效率增加和最佳距離閾值隨著用戶數量的增加而減少。文獻[4]提出的方案為宏蜂窩部分分配更少的資源，其具有更多部署的毫微微蜂窩能盡可能地重用可用資源。文獻[5]以避開主要干擾源的原則對用戶進行分類，不同的用戶采用不同的復用因子來提高整個系統的吞吐量。文獻[6]提出了一種適用于毫微微蜂窩網絡的自適應頻率復用方案，其目的是避免出現干擾和交叉干擾。文獻[7]考慮到用戶分布的隨機性，相鄰的3個小區動態調整載波分配給邊緣用戶的可能性低。文獻[8]雖然在一定程度上增加了邊緣用戶的吞吐量，但大多只是固定地給邊緣用戶分配更多的頻率資源，這種資源分配方式會導致邊緣用戶吞吐量急劇下降。文獻[9]在多用戶場景中研究了如何通過資源分配來最小化網絡的服務時間。

針對以上問題，本文提出一種小區動態多模式頻率復用方法，其可根據實時的網絡需求選擇不同的頻率復用模式，提高系統用戶的信干噪比，使得用戶的抗干擾能力增強，從而提升了小區的覆蓋率。

1? 動態多模式頻率復用方法

常用的頻率復用方式有部分頻率復用和軟頻率復用，由于小區間的同頻干擾隨著距離的增加而減小，小區的中心用戶受到的同頻干擾小，小區邊緣用戶受到同頻干擾大，通過理論分析得出：頻率復用因子越大，頻譜效率越低，干擾越小[10?11]。

由于在實際的蜂窩通信系統中，用戶的位置是時變且隨機的，故小區內的中心用戶和邊緣用戶數目是變化的，這就導致了單一的頻率復用不能滿足現有小區的通信需求，所以本文提出了一種小區動態多模式頻率復用方法，通過4種不同復用模式的聯合，可根據網絡系統的實時需求選擇合適的頻率復用模式。

假設全網通信狀態同步，基站處于發射狀態，用戶處于接收狀態，通信網絡中會存在基站對基站的干擾和用戶對用戶的干擾。若相鄰小區的用戶使用同一頻譜資源時，將會產生ICI。由于LTE網絡下行采用OFDMA，確保了小區內信號間的正交性，避免了小區內的干擾，所以信干比的計算公式為：

[SINR=PIother+N] （1）

式中：[Iother]是相鄰小區間的干擾;[N]是噪聲;[P]是用戶接收到的有用信號功率，其計算如式（2）所示：

[P=Pbs+G-Ploss-Pshadow] （2）

式中：[Pbs]為基站發射功率;[G]為天線的增益;[Ploss]為路徑損耗;[Pshadow]為陰影衰落。

評價系統性能的指標主要有：

1） 吞吐量

吞吐量的計算與調制方式有關[12]，調制編碼方式越高，信道質量越好，傳輸的速率越高。在這里假設一個用戶采用QPSK（正交相移鍵控）的調制方式，其編碼速率為[12]，則吞吐量計算公式為：

[Throughput=n×RbTf] （3）

式中：[n]為每個資源塊所包含的子載波個數，在后面的仿真中取48;[Rb]表示每個子載波的比特率，本文所采用的是QPSK調制方式且編碼速率為[12]，所以每個子載波的比特率為[2×12];[Tf]表示幀長為5 ms;吞吐量指的是小區內所有用戶的吞吐量之和。

2） 覆蓋率

設接收信號門限為[γ]，若接收信號大于或等于[γ]的用戶所占總用戶的百分比，就稱為覆蓋率，在后面的仿真實驗中，以QPSK（正交相移鍵控）調制方式（[112]）對應的信噪比值-3.14 dB為門限，如表1所示。

表1? 不同調制編碼方式的信干噪比閾值

[MCS ID MCS SINR /dB Slot Efficiency 1 QPSK（[112]） -3.14 1.6 2 QPSK（[16]） -0.73 3.2 3 QPSK（[13]） 2.09 6.4 4 QPSK（[12]） 4.75 9.6 5 QPSK（[23]） 7.86 12.8 6 16QAM（[12]） 9.94 19.2 7 16QAM（[23]） 13.45 25.6 8 64QAM（[12]） 18.6 38.4 9 64QAM（[23]） 24.58 48 ]

在頻率復用方案中，定義整個系統的頻率復用因子為[K]，它介于1和3之間，頻譜資源的有效利用反映了復用因子的大小，定義有效使用的頻譜利用因子為：

[Uspe=1S?Pmaxi∈SnPi] （4）

式中：[S]為總的子帶數;[Pmax]為系統中子帶的最大發射功率;[Pi]為子帶[i]的發射功率。軟頻率復用因子與頻譜利用因子互為倒數，如式（5）所示：

[K=1Uspe] （5）

如果邊緣區域的帶寬是總帶寬的[13]，假設發射功率為[Pmax]，中心區域的帶寬是總帶寬的[23]，則發射功率為[αPmax（0≤α≤1]），則：

[Uspe=1S?PmaxS3?Pmax+2S3?αPmax=1+2α3] （6）

從式（5）和式（6）可以看出，頻譜利用率與軟頻率復用因子都可以通過發射功率比[α]來表示，[α]越大，復用因子越小，頻譜利用率越高。

小區動態多模式頻率復用方法包含以下4種不同的復用模式：

模式1為頻率復用因子為1的普通復用方式，頻譜的利用率最高，但邊緣用戶受到干擾嚴重，覆蓋率最低;

模式2采用軟頻率復用，整個頻段分成高功率和低功率兩部分，其中，高功率是低功率的2倍;

模式3采用軟頻率復用，整個頻段分成高功率和低功率兩部分，其中，高功率是低功率的4倍;

模式4頻率復用因子為[13]，頻譜利用率低，受到同頻干擾小，覆蓋率變大。

在動態多模式頻率復用方法的過程中，主要包括以下幾點：

每個基站由模式1開始，本文仿真中以調制方式QPSK（[112]）對應的信干噪比-3.14 dB為門限，由表1可知，若用戶信干噪比小于門限值，則不能接入，通過不能接入的用戶數量（根據式（7））來確定覆蓋率。

如基站處于模式1中，若檢測到問題（當前的吞吐量及覆蓋率小于模式2的吞吐量及覆蓋率），則保持不變;反之，則切換到模式2的復用方式。若基站處于模式2中檢測到不存在覆蓋問題，基站則發消息給相鄰小區說明它更傾向的模式，若相鄰小區所處的模式都是小于或等于該模式，它就降低到低級的模式。每種模式的覆蓋率都是逐漸增大，頻譜利用率逐漸減小。

[coverage=1-unaccess_numtotal_num] （7）

式中：coverage表示覆蓋率;unaccess_num表示用戶信噪比值小于-3.14 dB的用戶;total_num表示該小區內的總用戶。

小區內用戶的SINR利用式（8）進行計算：

[SINR=SN+I] （8）

式中：[S]表示有用信號的功率;[N]為噪聲;[I]表示相鄰小區的干擾。

綜上所述，動態多模式頻率復用方法的流程圖如圖1所示。

2? 仿真與討論

動態多模式頻率復用仿真采用LTE中的4種模式的信道模型，自適應調制編碼方式與信干噪比的對應關系如表2所示。本文采用一個由19個六邊形組成的LTE蜂窩網絡，仿真參數如表3所示。

4種模式的信干噪比分布曲線如圖2所示。仿真采用LTE中的4種模式的信道模型，根據不同的需求來確定適合的復用模式，由圖2與表4可得，模式1的頻譜利用率最高，但其ICI是最嚴重的，覆蓋率是最差的;若邊緣用戶量較大時，為了獲得更好的性能，應該選擇模式2;在中心用戶業務量大的情況下，并且希望獲得較大的吞吐量，則可以采用模式3;若想使得ICI最小，實現覆蓋面積較大，則應該采用模式4;圖3所示是系統根據實際需求，選擇合適的復用模式并進行切換。4種模式及動態多模式頻率復用吞吐量及覆蓋率的統計值如表4所示。由表4中可以看出，4種不同模式下，其各自吞吐量的值差異很大，這也使其能夠滿足動態的業務需求，動態多模式頻率復用方法在提高了小區用戶SINR的同時也提高了覆蓋率。

將動態多模式頻率復用、SFR與頻率復用因子為1進行了仿真對比，由圖4和圖5可以看出，采用動態多模式頻率復用方法，小區全部用戶和小區邊緣用戶的SINR有了明顯的提升。

3? 結? 語

傳統的頻率復用算法在小區網絡中不能根據實時的網絡需求進行頻率復用因子的調整。實驗仿真結果表明，本文所提出的動態多模式頻率復用方法，能夠根據小區用戶實時的分布位置及業務量情況，通過選擇適合于實時網絡需求的復用模式，提高通信系統用戶的信干噪比及覆蓋率。當邊緣用戶量較大時，采用模式2會獲得更好的性能;若小區中心業務量大的情況下，并且希望獲得較大的吞吐量，則可以采用模式3;若想實現覆蓋面積大，則應該采用模式4。本文所提出的動態多模式頻率復用方法，在提高通信系統用戶的信干噪比的同時也提高了系統的覆蓋率。

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