CN101982991A - 基于异构业务QoS的LTE网络小区间干扰协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信技术领域的基于异构业务QoS的LTE网络小区间干扰协调方法，主要解决小区边缘用户吞吐量低的问题。其实现步骤包括：(1)划分服务小区和定义业务类型；(2)给定每种业务的资源块数、服务优先级和最大时延；(3)对系统频带内的资源块进行排序；(4)从排序后的系统频带中划分出公共频率池；(5)各小区计算边缘业务负荷指数并决定公共频率池的划分方式；(6)对小区中心进行区域划分，为每个区域定义资源分配指数；(7)各小区先为边缘用户分配资源块，再根据资源分配指数为中心用户分配资源块。本发明能有效的适应小区边缘业务变化，减少信令开销，提高小区边缘吞吐量和系统总的吞吐量。

Description

基于异构业务QoS的LTE网络小区间干扰协调方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及网络小区间干扰协调，具体地说是一种结合多点协作的小区间下行干扰协调实现方法，可用于LTE异构业务网络。

背景技术

在LTE网络中当相邻的小区使用相同的频率资源时，就会产生小区间干扰，严重影响了LTE网络的性能。为了消除小区间干扰，提高小区边缘用户的数据速率，以及提高整个系统的吞吐量和平均频谱效率，在LTE技术研究过程中分析了各种小区之间的干扰消除技术。目前有三种干扰消除方法：小区间干扰随机化算法、小区间干扰消除算法和小区间干扰协调算法ICIC。其中ICIC由于其易于实现，有效对抗干扰等特点成为研究热点。

ICIC的任务是通过管理无线资源，主要是无线资源块来控制小区间的干扰，从而提高小区及其边缘的吞吐量。目前，软频率复用SFR或部分频率复用FFR被看作是实现正交频分复用OFDMA移动通信系统中ICIC、提高小区边缘用户吞吐量和系统吞吐量的重要技术。

SFR给出了一种能够实现ICIC的频带划分方法，其原理是允许小区中心的用户自由使用所有的频率资源，而对小区边缘的用户，只允许它们按照频率复用规则使用一部分频率资源。如图1所示，可以将整个系统的频率资源分成三段，小区1的边缘只使用第一段频率，小区2，4，6的边缘只使用第二段频率，小区3，5，7的边缘只使用第三段频率。这样就显著减少了小区间边缘用户的同频干扰。

然而，从频率规划的角度来看，传统的SFR是一种静态的ICIC机制，它不能随着网络中各小区边缘业务量负荷或热点区域的变化而做出合理的调整，从而大大限制了它的性能。

从业务类型及服务等级角度来看，传统的SFR方案没有考虑多种业务的不同QoS要求，而业务种类的多样性及多样化的QoS要求是未来无线通信系统的一个重要特征。

从小区区域划分的角度来看，传统的SFR方案是建立在理想规则的小区结构形状基础上。传统的SFR方案在相邻小区边缘采用复杂的不交叠地频率资源分配方案减少来自邻近小区边缘地带的同频干扰，各小区内部中心区域并没有做精细化划分。

发明内容

本发明的目的是在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于异构业务QoS的LTE网络小区间干扰协调方法，以周期性的根据邻近各小区边缘区域及中心区域的业务量负荷状况协调频带资源的分配，有效的适应小区边缘业务变化，并使小区内的每个用户具有位置和业务的双重优先级，提高小区边缘用户的吞吐量和系统总的吞吐量。

为实现上述目的，本发明通过考虑用户的业务类型，QoS要求及优先服务权限等级来有效的适应小区边缘业务变化；同时将各小区中心区域按照对来自邻近小区的干扰敏感度门限精细划分为四个环带区域，并为每个环带区域定义资源优先调度权限，使小区内的每个用户具有位置和业务的双重优先级，以使基站为每个用户更合理地调度资源，来对抗小区间的干扰，提高小区边缘用户的吞吐量和系统总的吞吐量。具体步骤包括如下：

(1)将用户所处于的服务小区分为中心区域和边缘区域，根据业务实时性及最低速率要求，对小区内的所有用户定义四种业务类型：实时-低速率业务、实时-高速率业务、非实时-低速率业务和非实时-高速率业务；

(2)给定每种业务所需的资源块数、服务优先级和最大时延，以保证在实际的无线系统中不同业务类型的用户能合理的调度资源；

(3)对整个系统频带内的所有资源块按信道增益从大到小进行排序；

(4)将排序后的系统频带划分为四个部分，并将前三部分分别分配给三个相邻小区的边缘区域，将第四部分划定为公共频率池，将其再等分为三份；

(5)系统中各小区单独计算并估计出各自边缘区域的业务量负荷以及满足通信需求所必需的资源块数目，并映射生成各自的边缘业务负荷指数；

(6)各小区基站间交互边缘业务负荷指数，并根据频率占用算法，决定公共频率池中的三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式；

(7)根据区域干扰区分门限AIDT将每个小区中心区域精细划分为四个环带区域，并为每个环带定义一个灵活的资源分配指数W_i：

7a)设置小区中心各环带的区域位置优先级u_i；

7b)计算小区中心各环带的平均业务优先级q_i：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j/K_i,$ i＝1，2，3，4

式中P_j是用户j的优先级，K_i是第i个环带区域总的用户数；

7c)将W_i定义为：

W_i＝k₁u_i+k₂q_i，i＝1，2，3，4

式中u_i是区域i的位置优先级，q_i是区域i的平均业务优先级，k₁是u_i对应的权重值，k₂是q_i对应的权重值；

(8)各小区按照优先级准则为每个用户分配资源块：

8a)根据步骤(6)的公共频率池中三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式，对步骤(3)中系统频带内的物理资源块进行重新排序，得到网络中三个相邻小区中各小区边缘区域频带分配优先级列表EFPL，进一步得到小区内部区域频带分配优先级列表IFPL；

8b)各小区先按照边缘区域频带分配优先级列表EFPL并结合业务类型及QoS等级为边缘用户分配资源块；再根据边缘区域资源块的分配情况及内部区域频带分配优先级列表IFPL为内部区域分配资源块；

8c)各小区为其内部区域的四个环带内的每个用户分配资源块。

本发明具有以下优点：

A.本发明由于考虑用户的业务类型，QoS要求及服务优先级，能够周期性的根据邻近各小区边缘区域及中心区域的业务量负荷状况协调频带资源的分配，有效的适应小区边缘业务变化，是一种半静态的小区间干扰协调方法。

B.本发明中由于各小区将各自边缘区域的业务量负荷状况映射成边缘业务负荷指数，基站间周期性地交互边缘业务负荷指数，减少了信令交互开销，是一种分布式的操作方式。

C.本发明由于根据小区实际覆盖区域形状不规则性，将用户所处的服务小区分为中心区域和边缘区域，又将各小区中心区域按照区域干扰区分门限AIDT精细划分为四个环带区域，并为每个环带区域定义资源分配指数，使小区内的每个用户具有位置和业务的双重优先级，以保证在实际的无线系统中不同业务类型的用户能合理的调度资源，提高小区边缘吞吐量和系统总的吞吐量。

附图说明

图1是用现有软频率复用方法划分的蜂窝网络模型图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明的系统模型图；

图4是本发明与现有方法获得的小区边缘吞吐量的对比图；

图5是本发明与现有方法获得的系统总的吞吐量对比图；

图6是本发明与现有方法获得的小区内实时-低速率业务吞吐量的对比图。

具体实施方式

参见图2，本发明的具体步骤如下：

步骤1，划分用户所处的服务小区和定义四种业务类型。

1a)划分出中心区域和边缘区域，本实例根据服务小区半径大小划分服务小区，设定服务小区半径为R米，中心区域范围为0～r米，边缘区域范围为r～R米；

1b)根据业务实时性及最低速率要求，对小区内的所有用户定义四种业务类型：实时-低速率业务、实时-高速率业务、非实时-低速率业务和非实时-高速率业务。

步骤2，每种业务所需的资源块数、服务优先级和最大时延如表1所示：

表1

业务类型	所需的资源块数	服务优先级	最大时延(ms)
				实时-低速率	1	4	125
实时-高速率	2	3	125
				非实时-低速率	3	2	250
非实时-高速率	4	1	500

步骤3，对整个系统频带内的所有资源块按信道增益从大到小进行排序。

步骤4，将排序后的系统频带划分为f₀，f₁，f₂和f_p四个部分，并将f₀，f₁，f₂分别分给相邻三个小区的边缘区域，将f_p作为公共频谱池，进一步再等分为f_p0，f_p1和f_p2三个部分。

步骤5，系统中各小区单独计算并估计出各自边缘区域的业务量负荷以及满足通信需求所必需的资源块数目，并映射生成各自的边缘业务负荷指数。

5a)计算小区m边缘用户的平均速率

${\stackrel{\‾}{c_m}}^E=\frac{1}{T_m^E}\·\underset{k\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^E}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\αB}\·{\log }_2(1+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{m\→k})$

式中

是小区m的边缘用户数，

是小区m的边缘用户集合，，α∈{1，2，3，4}，B是一个物理资源块的带宽，是小区m的边缘用户k的平均数据数率；

5b)计算小区m的边缘实时业务负荷

$P_m^E=T_m^{E1}\·r_{\min }^{\mathrm{RT}-L}+T_m^{E2}\·r_{\min }^{\mathrm{RT}-H}+T_m^{E3}\·r_{\min }^{\mathrm{NRT}-L}+T_m^{E4}\·r_{\min }^{\mathrm{NRT}-H}$

式中

和分别为实时-低速率、实时-高速率、非实时-低速率和非实时-高速率四种业务的最小速率，

和

分别是上述相应业务在小区m的边缘用户数；

5c)计算小区m边缘区域所需要的资源块数

式中代表向上取整；

5d)小区m将映射为边缘业务负荷指数F(m)：

$F\left(m\right)=\left\{\begin{array}{c}l,N_m^D\&le;N_0\\ n,N_0<N_m^D\&le;N_0+\frac{3}{2}{N}_{P0}\\ h,N_m^D>N_0+\frac{3}{2}{N}_{P0}\end{array}\right.,$

式中l，n，h表示小区边缘负载的三种状态，分别为低，中，高，l＜n＜h。

步骤6，各小区基站间交互边缘业务负荷指数，并根据文献A DistributedInter-cell Interference Coordination Scbeme in Downlink Multi-cell OFDMA System中的频率占用算法，决定公共频率池中的三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式。

步骤7，根据区域干扰区分门限AIDT将每个小区中心区域精细划分为四个环带区域，并为每个环带定义一个灵活的资源分配指数W_i：

7a)小区中心各环带的区域位置优先级u_i如下表所示：

表2

区域	1	2	3	4
					ui	1	2	3	4

7b)计算小区中心各环带的平均业务优先级q_i：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j/K_i,$ i＝1，2，3，4

式中P_j是用户j的优先级，K_i是第i个环带区域总的用户数；

7c)将W_i定义为：

W_i＝k₁u_i+k₂q_i，i＝1，2，3，4

式中u_i是区域i的位置优先级，q_i是区域i的平均业务优先级，k₁是u_i对应的权重值，k₂是q_i对应的权重值；

步骤8，各小区按照优先级准则为每个用户分配资源块：

8a)根据步骤6的公共频率池中三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式，对步骤3中系统频带内的物理资源块进行重新排序，得到网络中三个相邻小区中各小区边缘区域频带分配优先级列表EFPL，进一步得到小区内部区域频带分配优先级列表IFPL；

8b)各小区先按照边缘区域频带分配优先级列表EFPL并结合业务类型及QoS等级为边缘用户分配资源块；再根据边缘区域资源块的分配情况及内部区域频带分配优先级列表IFPL为内部区域分配资源块，是先根据资源分配指数Wi确定四个环带区域的优先级，再为优先级最高的环带区域按照优先级列表IFPL分配资源块，直到小区内所有的内部区域都获得了所需的资源块为止；

8c)各小区为其内部区域的四个环带内的每个用户分配资源块，是根据在每个环带内，优先级最高的用户先使用分配给整个环带的资源块，直到每个用户都得到了所需要的资源块为止。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

在仿真中，每个小区中心有一个全向发射天线，系统模型如图3所示，图3a是由19个正六边形小区构成的LTE下行多小区系统模型，图3b是每个小区划分为中心区域和边缘区域，并且中心区域被进一步精细划分为4个环带区域，每个区域的划分边界及区域位置优先级如表3所示：

表3

区域	1	2	3	4
					边界	(0，167)	(167，416)	(416，624)	(624，800)

将一定数目的具有不同业务类型的用户随机均匀地分布在每个小区中，使得19个小区内部的业务量负荷分布是不均匀的，并设定资源块分配指数W_i中的k₁，k₂权值都为1。

选择之前用华为、爱立信等公司提出的传统软频率复用SFR方法作为参考，来评估本发明所设计的ICIC方案所具有的优势，传统SFR方案的仿真参数设定如下：

中心部分不进一步精细划分环带区域，相邻3个小区边缘区域频率复用因子为3，中心区域频率复用因子为1，用户自适应的选择资源块，其它参数和本发明中设计的方案仿真参数一致，仿真参数选取如表4所示，

表4

参数	取值
		载频f	2GHz
带宽	10MHz
		小区数目	19
物理资源块(PRB)总数目	48PRBs(PUSCH)，2PRBs(PUCCH)
		公共频率池PRB数目	12PRBs
小区半径	1000m
		基站发射功率	43dBm
噪声功率谱密度	-174dBm/Hz
		每个小区用户数目	10-30
边缘区域半径	800-1000m
		基站高度	35m
用户高度	1.5m
		信道	瑞利信道
正态阴影衰落	Lognormal 8dB
		路径损耗	128.1+37.6log10(R)R in kilometers
用户平均移动速度	10m/s
		ICIC调整周期	1s

2.仿真内容与结果

在相同的LTE异构业务网络场景下对本发明所设计的ICIC方案及传统SFR方案进行下行系统级性能仿真：

2a)在相同的LTE异构业务网络场景下，仿真本发明与传统SFR方案的小区边缘用户吞吐量，仿真结果如图4所示。从图4可见，本发明的小区边缘用户吞吐量高于传统SFR方案，使本发明能够周期性的根据邻近各小区边缘区域及中心区域的业务量负荷状况协调频带资源的分配，有效的适应小区边缘业务变化；

2b)在相同的LTE异构业务网络场景下，仿真本发明与传统SFR方案的小区总的吞吐量，仿真结果如图5所示。从图5可见，本发明在传统SFR方案的基础上对小区中心区域进行精细化分区，能够显著提高系统总的吞吐量；

2c)在相同的LTE异构业务网络场景下，仿真本发明与传统SFR方案的小区内实时-低速率业务用户的吞吐量，仿真结果如图6所示。从图6可见，本发明考虑多业务类型及不同QoS要求，能够很好的保证实时-低速率业务用户的通信质量。

Claims (4)

1.一种基于异构业务QoS的LTE网络的小区间干扰协调方法，包括如下步骤：

(1)将用户所处于的服务小区分为中心区域和边缘区域，根据业务实时性及最低速率要求，对小区内的所有用户定义四种业务类型：实时-低速率业务、实时-高速率业务、非实时-低速率业务和非实时-高速率业务；

(2)给定每种业务所需的资源块数、服务优先级和最大时延，以保证在实际的无线系统中不同业务类型的用户能合理的调度资源；

(3)对整个系统频带内的所有资源块按信道增益从大到小进行排序；

(4)将排序后的系统频带划分为四个部分，并将前三部分分别分配给三个相邻小区的边缘区域，将第四部分划定为公共频率池，将其再等分为三份；

(5)系统中各小区单独计算并估计出各自边缘区域的业务量负荷以及满足通信需求所必需的资源块数目，并映射生成各自的边缘业务负荷指数；

(6)各小区基站间交互边缘业务负荷指数，并根据频率使用算法，决定公共频率池中的三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式；

(7)根据区域干扰区分门限AIDT将每个小区中心区域精细划分为四个环带区域，并为每个环带定义一个灵活的资源分配指数W_i：

7a)设置小区中心各环带的区域位置优先级u_i；

7b)计算小区中心各环带的平均业务优先级q_i：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j/K_i,$ i＝1，2，3，4

式中P_j是用户j的优先级，K_i是第i个环带区域总的用户数；

7c)将W_i定义为：

W_i＝k₁u_i+k₂q_i，i＝1，2，3，4

式中u_i是区域i的位置优先级，q_i是区域i的平均业务优先级，k₁是u_i对应的权重值，k₂是q_i对应的权重值；

(8)各小区按照优先级准则为每个用户分配资源块：

8a)根据步骤(6)的公共频率池中三等份资源块在相邻的三个小区边缘区域内的划分方式，对步骤(3)中系统频带内的物理资源块进行重新排序，得到网络中三个相邻小区中各小区边缘区域频带分配优先级列表EFPL，进一步得到小区内部区域频带分配优先级列表IFPL；

8b)各小区先按照边缘区域频带分配优先级列表EFPL并结合业务类型及QoS等级为边缘用户分配资源块；再根据边缘区域资源块的分配情况及内部区域频带分配优先级列表IFPL为内部区域分配资源块；

8c)各小区为其内部区域的四个环带内的每个用户分配资源块。

2.根据权利要求1所述的基于异构业务QoS的LTE网络的小区间干扰协调方法，其中步骤(1)所述的将用户所处于的服务小区分为中心区域和边缘区域，是根据服务小区半径大小，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，即设定用户所处的服务小区半径为R米，以基站为中心将0～r半径范围划分为中心区域，r～R半径范围划分为边缘区域，R＞r。

3.根据权利要求1所述的基于异构业务QoS的LTE网络的小区间干扰协调方法，其中步骤(5)所述的系统中各小区单独计算并估计出各自边缘区域的业务量负荷以及满足通信需求所必需的资源块数目，并映射生成各自的边缘业务负荷指数，按如下步骤进行：

5a)计算小区m边缘用户的平均速率

${\stackrel{\&OverBar;}{c_m}}^E=\frac{1}{T_m^E}\&CenterDot;\underset{k\&Element;{\mathrm{\&Psi;}}_m^E}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&alpha;B}\&CenterDot;{\log }_2(1+{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{m\&RightArrow;k})$

式中

是小区m的边缘用户数，是小区m的边缘用户集合，，α∈{1，2，3，4}，B是一个物理资源块的带宽，

是小区m的边缘用户k的平均数据数率；

5b)计算小区m的边缘实时业务负荷

$P_m^E=T_m^{E1}\&CenterDot;r_{\min }^{\mathrm{RT}-L}+T_m^{E2}\&CenterDot;r_{\min }^{\mathrm{RT}-H}+T_m^{E3}\&CenterDot;r_{\min }^{\mathrm{NRT}-L}+T_m^{E4}\&CenterDot;r_{\min }^{\mathrm{NRT}-H}$

式中

和

分别为实时-低速率、实时-高速率、非实时-低速率和非实时-高速率四种业务的最小速率，和

分别是上述相应业务在小区m的边缘用户数；

5c)计算小区m边缘区域所需要的资源块数

式中

代表向上取整；

5d)小区m将

映射为边缘业务负荷指数F(m)：

$F\left(m\right)=\left\{\begin{array}{c}l,N_m^D\&le;N_0\\ n,N_0<N_m^D\&le;N_0+\frac{3}{2}{N}_{P0}\\ h,N_m^D>N_0+\frac{3}{2}{N}_{P0}\end{array}\right.,$

式中l，n，h表示小区边缘负载的三种状态，分别为低，中，高，l＜n＜h。

4.根据权利要求1所述的基于异构业务QoS的LTE网络的小区间干扰协调方法，其中步骤8b)中所述的根据边缘区域资源块的分配情况及内部区域频带分配优先级列表IFPL为内部区域分配资源块，是先根据资源分配指数Wi确定四个环带区域的优先级，再为优先级最高的环带区域按照优先级列表IFPL分配资源块，直到小区内所有的内部区域都获得了所需的资源块为止。

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