CN103200576A - 基于预置门限切换的同频干扰避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预置门限切换的同频干扰避免方法，包括切换参数采集过程、跨层切换决策过程、跨层切换执行过程和跨层切换性能评估及信息反馈过程。具体是，首先通过建立移动终端的移动状态模型和同频干扰分析模型，将移动终端的移动性和各个基站上的同频干扰产生的中断概率作为跨层切换的决策因素；其次根据移动终端的移动性、干扰分析结果和预置切换门限对是否进行跨层切换作出决策；然后通过最大化宏蜂窝-毫微微蜂窝（Macro-Femtocell）网络的效用函数得到最优的用户发射功率；最后对执行后的结果进行性能评估。该方法能够有效消除Macro-Femtocell同频干扰问题，降低上行传输用户的中断概率，提高系统中所有用户的和速率/网络吞吐量并改善网络容量，使Macro-Femtocell异构网络中资源得到有效利用。

Description

基于预置门限切换的同频干扰避免方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及基于预置门限切换的宏蜂窝-毫微微蜂窝(Macro-Femtocell)干扰避免方法。

背景技术

随着Femtocell网络的大量部署，Macro-Femtocell异构网络环境中同频干扰避免问题变得越来越重要。

目前，解决Macro-Femtocell网络中同频干扰的主要方法有：(1)功率控制方法；(2)机会频谱接入方法；(3)频率切换技术(跳频)；(4)部分频率复用技术；(5)跳时技术；(6)空间天线技术(定向天线)；(7)自适应波束成形技术。这些同频干扰抵消或避免技术在码分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA)和正交频分多址(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，OFDMA)的Macro-Femtocell网络中得到广泛应用，分别从频域、时域、空域以及功率控制等方面加以考虑。Macro-Femtocell异构网络采用同频复用(UniversalFrequency Reuse)技术来提高频谱的利用效率，即Macrocell网络和Femtocell网络采用完全相同的频谱资源进行通信，这使得Macro-Femtocell网络中同频干扰极其严重。

发明内容

发明目的：本发明提出的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，基于用户双向跨层切换机制和资源管理的干扰避免需求，来解决Macro-Femtocell异构网络中的同频干扰问题。该发明方法能够有效消除Macro-Femtocell同频干扰问题，降低上行传输用户的中断概率，提高系统中所有用户的和速率/网络吞吐量并改善网络容量，使Macro-Femtocell异构网络中资源得到有效利用。

技术方案：一种基于预置门限切换的同频干扰避免方法，包括如下步骤：

(1)切换参数采集过程：

首先建立移动终端的移动状态模型计算小区驻留时间(Time-to-Stay，TTS)；通过移动终端自身定位功能，确定定位参数以及小区的半径，考虑移动终端的运动轨迹，运动速度和切换目标基站的位置等信息来计算出小区驻留时间TTS；

其次建立同频干扰分析模型，分析上行传输的同频干扰，宏蜂窝基站(Macrocell Base Station，MBS)受到来自宏蜂窝用户(Macrocell UserEquipments，MUE)的干扰I_c,in和毫微微蜂窝用户(Femtocell User Equipments，FUE)的干扰I_c,f，同时，毫微微蜂窝接入点(Femtocell Access Point，FAP)受到来自MUE的干扰I_f，c和Femtocell内部FUE的干扰I_f，in及外部FUE的干扰I_f，f，建立跨层和同层干扰表达式来估计同频干扰情况。

(2)跨层切换决策过程：根据移动终端的移动性、干扰分析结果和预置切换门限对是否进行跨层切换作出决策，预置TTS切换门限和双信噪比门限来避免切换中“乒乓效应”的发生；具体包括如下步骤：

(2-1)宏蜂窝用户MUE在下列三种情况下切换到Femtocell中：①(SINR)_FAP>γ_fPH,TTS_i,j＞TTS_thF②γ_fH<(SINR)_FAP<γ_fPH,TTS_i，j>TTS_thF③(SINR)_FAP<γ_fH；

(2-2)毫微微蜂窝用户FUE在下列三种情况下切换到Macrocell中：①(SINR)_MBS>γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM②γ_mH<(SINR)_MBS<γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM③(SINR)_MBS<γ_mH。

(3)跨层切换执行过程：若步骤(2)的决策结果为跨层切换，则移动终端将完成跨层切换过程，同时采用用户功率控制策略通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来改善接收基站的信号干扰噪声比(Signal-Interference-Noise-Rate，SINR)，消除同频干扰的同时优化网络性能；否则回到步骤(1)；具体包括如下步骤：

(3-1)若步骤(2)的决策结果为跨层切换，则移动终端将完成跨层切换过程；

(3-2)采用用户功率控制策略通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来改善接收基站的SINR；

(3-3)若步骤(2)中MUE或者FUE不满足跨层切换条件，则回到步骤(1)。

(4)跨层切换性能评估及信息反馈过程：对执行后的结果进行性能评估，根据评估结果、业务的服务质量(Quality-of-Service，QoS)需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息。具体包括如下步骤：

(4-1)得到MUE和FUE上行传输的中断概率与Macro-Femtocell网络中MUE数目及Femtocell数目的关系表达；得到系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户在基站最小接收功率下得到的SINR的关系表达；得到系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户采用最优功率传输时得到的SINR的关系表达；

(4-2)根据评估结果、业务的QoS需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，引入跨层切换机制来消除同频干扰，通过移动终端的移动性分析、分布式的干扰估计以及采用动态闭环反馈实时调整预置切换门限并优化用户传输功率来达到消除Macro-Femtocell异构网络同频干扰的目的，提高了网络性能。具体表现为：用户跨层切换由基于移动终端移动状态模型的移动性分析和基于同频干扰分析模型的干扰分析结果以及实时调整的预置切换门限共同决策，打破闭合干扰环的影响，来解决Macro-Femtocell异构网络中的同频干扰问题；并基于最优化理论和用户功率控制机制，通过寻求网络效用的最大化实现用户发射功率的最优化来提高接收基站的SINR，进一步优化网络的性能；采用动态闭环反馈机制，通过对基于预置门限切换的同频干扰避免方法进行性能评估与分析，为预置切换门限实时调整和用户功率控制提供反馈信息。

附图说明

图1为本发明实施例的方法框图；

图2为本发明实施例的用户双向跨层切换上行传输场景示意图；

图3为本发明实施例的移动终端的移动状态模型示意图；

图4为本发明实施例的同频干扰分析模型示意图；

图5为本发明实施例的同频干扰避免的切换过程示意图；

图6为本发明实施例的预置切换门限设置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示为本发明实施例的方法框图，包括四个过程：切换参数采集过程、跨层切换决策过程、跨层切换执行过程和跨层切换性能评估及信息反馈过程；基于用户双向跨层切换机制和资源管理的干扰避免需求，首先通过建立移动终端的移动状态模型和同频干扰分析模型，将移动终端的移动性和各个基站上的同频干扰产生的中断概率作为跨层切换的决策因素；其次根据移动终端的移动性、干扰分析结果和预置切换门限对是否进行跨层切换作出决策；然后移动终端根据跨层切换决策完成跨层切换过程来消除同频干扰，同时通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率以提高接收基站的SINR；最后对执行后的结果进行性能评估，根据评估结果、业务QoS需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息，以提高整个网络的通信性能。该方法具体包括如下步骤：

(1)切换参数采集过程11：首先建立移动终端的移动状态模型，考虑移动终端的运动轨迹，运动速度和切换目标基站位置等信息计算TTS；然后建立同频干扰分析模型，分析MBS和FAP上行传输的同频干扰情况，考虑路径损耗和正态对数阴影衰落对信道传输的影响，建立跨层和同层干扰表达式来估计同频干扰情况；这一过程将移动终端的移动性和各个基站上的同频干扰产生的中断概率作为跨层切换的决策因素；

(2)跨层切换决策过程12：根据移动终端的移动性、干扰分析结果和预置切换门限对是否进行跨层切换作出决策，预置TTS切换门限和双信噪比门限来避免切换中“乒乓效应”的发生；

(3)跨层切换执行过程13：若步骤(2)的决策结果为跨层切换，则移动终端将完成跨层切换过程，同时采用用户功率控制策略通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来改善接收基站的SINR，消除同频干扰的同时优化网络性能；否则回到步骤(1)；

(4)跨层切换性能评估及信息反馈过程14：对执行后的结果进行性能评估，得到采用预置门限切换消除同频干扰后用户的通信中断概率，系统中所有用户的和速率/网络吞吐量以及采用最优功率传输时系统中所有用户的和速率/网络吞吐量等性能评估参数，并根据评估结果、业务的QoS需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息，以提高整个网络的通信性能。

下面结合实施例对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。

(1)同频干扰切换场景

图2所示为本发明实施例的用户双向跨层切换上行传输场景示意图，这种场景下的同频干扰甚为严重，考虑了FUE对MBS的同频干扰问题。如果这个场景下的同频干扰不加以消除，将会形成一个带有正反馈的闭合干扰环，使得整个网络的通信性能严重下降。在本发明实施例中，根据MUE和FUE的移动方向以及TSS的大小和预置切换门限大小分别将MUE和FUE切换到Femtocell和Macrocell中，分别由FAP和MBS为其提供服务，这样可以消除两边的同频干扰，打破闭合干扰环的影响，提高整个网络的通信性能。

(2)移动终端的移动状态模型

在本发明实施例中，将移动终端的移动性作为跨层切换的一个重要决策因素，充分考虑终端的移动性对跨层切换决策及Macro-Femtocell网络性能(系统中所有用户的和速率，网络吞吐量，网络容量，移动终端的中断概率等)的影响。图3所示本发明实施例的移动终端的移动状态模型示意图，采用该模型，通过预测移动的切换用户在切换目标小区的驻留时间对其运动状态作出描述。通过移动终端内置的定位功能得到用户MUE_i的位置(x_i,y_i)，确定定位参数d_i，k,θ_i，k,d_i，j,θ_i，j以及小区MBS_k和FAP_j的半径d_M和d_F，根据三角函数中的正弦定理和余弦定理的相关知识，考虑到移动终端的运动轨迹、运动速度v_i和切换目标FAP的位置(x_j,y_j）等信息按照式(1)和式(2)计算出TTS_i,k∈(0,1)和TTS_i，j∈(0,1)，将其作为由移动终端的移动性影响的跨层切换的一个重要的决策因素。TTS_thM和TTS_thF分别代表Macrocell和Femtocell网络规格化后的TTS门限值，当预测得到的驻留时间TTS_i,k和TTS_i，j分别大于TTS_thM和TTS_thF时，切换用户MUE_i将执行切换过程分别切换到MBS_k和FAP_j中，同时可以看出，设置较大的TTS门限值可以有效减小切换的频度。

$d_{i,k}^{\mathrm{tts}}=\frac{d_M}{\sin {\mathrm{\&theta;}}_{i,k}}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_{i,k}+\arcsin \left(\frac{d_{i,k}}{d_M}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{i,k}\right))$ (1)

${\mathrm{TTS}}_{i,k}=\left(\frac{d_{i,k}^{\mathrm{tts}}}{v_i}\right)/{\left(\frac{d_{i,k}^{\mathrm{tts}}}{v_i}\right)}_{\max }$

$d_{i.j}^{\mathrm{tts}}=\frac{d_F}{\sin {\mathrm{\&theta;}}_{i,j}}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_{i,j}+\arcsin \left(\frac{d_{i,j}}{d_F}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{i,j}\right))$ (2)

${\mathrm{TTS}}_{i,j}=\left(\frac{d_{i,j}^{\mathrm{tts}}}{v_i}\right)/{\left(\frac{d_{i,j}^{\mathrm{tts}}}{v_i}\right)}_{\max }$

(3)同频干扰分析模型

图4为本发明实施例的同频干扰分析模型示意图，在该实施例中，将基于同频干扰分析模型下的干扰分析结果作为跨层切换的重要决策因素。对于上行传输的同频干扰分析，MBS受到来自MUE的干扰I_c，in和FUE的干扰I_c,f，若MBS的接收SINR低于中断门限值γ_m，将使MUE通信产生中断；同时，FAP受到来自MUE的干扰I_f，c和Femtocell内部FUE的干扰I_f，in及外部FUE的干扰I_f，f，若FAP的接收SINR低于中断门限值γ_f，将使FUE通信产生中断，因此将各个基站上的同频干扰产生的中断概率作为跨层切换的一个重要的决策因素。

同频部署的Macro-Femtocell网络中同频干扰分析如下：假设P_r ^c和P_r ^f分别表示MBS和FAP的接收功率；G_m和G_f分别表示MBS和FAP的接收机处理增益；考虑路径损耗和正态对数阴影衰落对信道传输的影响，室外和室内传输的路径损耗指数分别用α和β表示，正态对数阴影衰落的标准方差用σ_dB表示；MUE与MBS之间的距离用随机变量X表示。采用上行功率控制来克服远近效应，MUE的上行发射功率可以表示为：

${P_t}^c={P_r}^c/g_c\left(\right|X\left|\right)---\left(3\right)$

其中：g_c(|X|)是室外传输的衰减函数，10log₁₀Θ_C是正态对数阴影衰落的衰减函数。

同样的，FUE的上行发射功率可以表示为：

${P_t}^f={P_r}^f/g_f\left(\right|Y\left|\right)---\left(5\right)$

经过分析推导可以得到同层和跨层的同频干扰表达式如下：

①MBS受到来自MUE的干扰I_c，in

$\begin{array}{cc}{I}_{c,\mathrm{in}}=(N-1){P_r}^c& N~\mathrm{Poission}\left(N_c\right)---\left(7\right)\end{array}$

②MBS受到来自FUE的干扰Ic,f

$I_{c,f}=\underset{F_i\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j=1}{\overset{U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{c,f}(F_i,j)$

$=\underset{F_i\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j=1}{\overset{U_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Q_f{\mathrm{\&Theta;}}_{j,C}/{\mathrm{\&Theta;}}_{j,F_i}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}})---\left(8\right)$

$=\underset{F_i\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_f{\mathrm{\&psi;}}_i{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

其中：

$I_{c,f}(F_i,j)={P_r}^f{g}_c\left(\right|X_i+Y_j\left|\right)/g_f\left(\right|Y_j\left|\right)$

$\&ap;{P_r}^f{g}_c\left(\right|X_i\left|\right)/g_f\left(R_f\right)$

$={P_r}^f{K_c\left(\frac{d_{0c}}{\left|X_i\right|}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Theta;}}_{j,C}\frac{1}{K_f}{\left(\frac{R_f}{d_{0f}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}\frac{1}{{\mathrm{\&Theta;}}_{j,F_i}}---\left(9\right)$

$={P_r}^f{R}_f^{\mathrm{\&beta;}}\left(\frac{K_c}{K_f}\right)\left(\frac{d_{0c}^{\mathrm{\&alpha;}}}{d_{0f}^{\mathrm{\&beta;}}}\right)\frac{{\mathrm{\&Theta;}}_{j,C}}{{\mathrm{\&Theta;}}_{j,F_i}}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

$=Q_f{\mathrm{\&Theta;}}_{j,C}/{\mathrm{\&Theta;}}_{j,F_i}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

③FAP受到来自Femtocell外部FUE的干扰I_f，f

$I_{f,f}=\underset{F_i\&Element;{\widehat{\mathrm{\&Omega;}}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{l=1}{\overset{U}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{f,f}(F_i,l)$

$=\underset{F_i\&Element;{\widehat{\mathrm{\&Omega;}}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{l=1}{\overset{U}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Q_f{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_j}/{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_i}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}})---\left(11\right)$

$\underset{F_i\&Element;{\widehat{\mathrm{\&Omega;}}}_f}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_f{\mathrm{\&psi;}}_i{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

其中：

$I_{f,f}(F_i,l)={P_r}^f{g}_c\left(\right|X_i+Y_l)/g_f\left(\right|Y_l\left|\right)$

$\&ap;{P_r}^f{g}_c\left(\right|X_i\left|\right)/g_f\left(R_f\right)$

$={P_r}^f{K}_c{\left(\frac{d_{0c}}{\left|X_i\right|}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_j}\frac{1}{K_f}{\left(\frac{R_f}{d_{0f}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}\frac{1}{{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_i}}---\left(12\right)$

$={P_r}^f{R_f}^{\mathrm{\&beta;}}\left(\frac{K_c}{K_f}\right)\left(\frac{d_{0c}^{\mathrm{\&alpha;}}}{d_{0f}^{\mathrm{\&beta;}}}\right)\frac{{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_j}}{{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_j}}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

$=Q_f{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_j}/{\mathrm{\&Theta;}}_{l,F_i}{\left|X_i\right|}^{-\mathrm{\&alpha;}}$

④FAP受到来自Femtocell内部FUE的干扰I_f，in

$I_{f,\mathrm{in}}=(U-1){P_r}^f,E\left[U\right]=\frac{U_f}{{1-e}^{-U_f}}---\left(14\right)$

⑤FAP受到来自MUE的干扰I_f，c

$I_{f,c}=\underset{i\&Element;{\mathrm{\&pi;}}_c}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{f,c}\left(i\right)=\underset{i\&Element;{\mathrm{\&pi;}}_c}{\mathrm{\&Sigma;}}{P_r}^c\frac{{\mathrm{\&Theta;}}_{i,F_j}}{{\mathrm{\&Theta;}}_{i,C}}{\left(\frac{\left|X_i\right|}{\left|Y_i\right|}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}=\underset{i\&Element;{\mathrm{\&pi;}}_c}{\mathrm{\&Sigma;}}{P_r}^c{\mathrm{\&psi;}}_i{\left(\frac{|X_i}{\left|Y_i\right|}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}---\left(15\right)$

其中：

$I_{f,c}\left(i\right)={P_r}^c{g}_c\left(\right|Y_i\left|\right)/g_c\left(\right|X_i\left|\right)$

$={P_r}^c\frac{K_c{(d_{0c}/|Y_i\left|\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Theta;}}_{i,F_j}}{K_c{(d_{0c}/|X_i\left|\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Theta;}}_{i,C}}---\left(16\right)$

$={P_r}^c\frac{{\mathrm{\&Theta;}}_{i,F_j}}{{\mathrm{\&Theta;}}_{i,C}}{\left(\frac{\left|X_i\right|}{\left|Y_i\right|}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}$

(4)跨层切换决策过程

图5所示为本发明实施例的同频干扰避免的切换过程示意图，MUE将根据FAP接收信噪比的门限值γ_f以及预测的小区驻留时间TTS_i，j相对于Femtocell规格化的TTS门限值TTS_thF的大小来执行切换过程：随着MUE移向FAP，将对FAP产生干扰，下列三种情况下MUE切换到Femtocell中：①(SINR)_FAP>γ_fPH,TTS_i，j>TTS_thF②γ_fH<(SINR)_FAP<γ_fPH,TTS_i,j＞TTS_thF③(SINR)_FAP<γ_fH；FUE将根据MBS接收信噪比的门限值γ_m以及预测的小区驻留时间TTS_i，k相对于Macrocell规格化的TTS门限值TTS_thM的大小来执行切换过程：随着FUE移向MBS，将对MBS产生干扰，下列三种情况下FUE切换到Macrocell中：①(SINR)_MBS>γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM②γ_mH<(SINR)_MBS<γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM③(SINR)_MBS<γ_mH；图6是本发明实施例的预置切换门限的设置示意图，γ_fPH和γ_fH要根据FAP提供业务的QoS决定，γ_mPH和γ_mH要根据MBS提供业务的QoS决定；对于QoS要求高的业务，门限值γ_fPH,γ_fH,γ_mPH和γ_mH要设置的大一点，同时，这些预置切换门限可以根据干扰程度和业务QoS需求以及网络负载情况实时调整。最后，TTS_thM和TTS_thF设置的大一点，可以减少切换中“乒乓效应”的发生。

(5)用户功率控制策略

上述分析中，MUE和FUE分别采用最小的上行传输功率传输以满足MBS和FAP对接收功率P_r ^c和P_r ^f的要求。本发明实施例考虑采用用户功率控制策略，通过分别最大化Macrocell和Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来提高接收基站的SINR，进一步优化网络的性能。在上行传输中，用户i在基站MBS/FAP上的接收信噪比可以表示为：

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\frac{g_{\mathrm{ii}}{p}_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{j\&NotEqual;i}{g}_{\mathrm{ij}}{p}_j+{\mathrm{\&sigma;}}_i}---\left(18\right)$

${\mathrm{\&gamma;}}_i\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Gamma;}}_i^{\left(m\right)},{\mathrm{\&gamma;}}_i\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Gamma;}}_i^{\left(f\right)}---\left(19\right)$

其中：p_i是用户MUE/FUE i的传输功率，p_j是用户MUE/FUEj(j≠i)的传输功率；为了分析的方便，用g_ii表示用户i与其基站间的信道增益，用g_ij表示用户j与用户i的基站间的信道增益，σ_i表示用户i的基站上的噪声；

和

分别表示MUE用户和FUE用户i在其接收基站SINR的门限值。

采用传输功率p_i传输的用户i的效用函数表示为

U_tot,i＝U_i(γ_i)-C_i(p_i)    (20)

其中U_i(γ_i)表示用户i从信号干扰噪声比SINRγ_i中得到的效用，C_i(p_i)表示用户i采用传输功率p_i传输所付出的代价。对(20)式求p_i的一阶导数，可得用户i最优的传输功率。

$\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{tot},i}}{{\mathrm{dp}}_i}=\frac{{\mathrm{dU}}_i}{{\mathrm{d\&gamma;}}_i}\frac{{\mathrm{d\&gamma;}}_i}{{\mathrm{dp}}_i}-\frac{{\mathrm{dC}}_i}{{\mathrm{dp}}_i}=0---\left(21\right)$

$\frac{{\mathrm{d\&gamma;}}_i}{{\mathrm{dp}}_i}=\frac{g_{\mathrm{ii}}}{I_i}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_i}{p_i}---\left(22\right)$

$U_i^{\text{'}}\left({\mathrm{\&gamma;}}_i\right)=\frac{p_i}{{\mathrm{\&gamma;}}_i}{C}_i^{\text{'}}\left(p_i\right)=\frac{I_i}{g_{\mathrm{ii}}}{C}_i^{\text{'}}\left(p_i\right)=f_i\left({\mathrm{\&gamma;}}_i\right)---\left(23\right)$

${\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i=f_i^{-1}\left(\frac{I_i}{g_{\mathrm{ii}}}{C}_i^{\text{'}}\left(p_i\right)\right)---\left(24\right)$

$p_i^{*}={\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i\frac{I_i}{g_{\mathrm{ii}}}---\left(25\right)$

采用一个迭代过程实现用户i的最优传输功率的实时更新。

$p_i(t+1)={\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i\left(t\right)\frac{I_i\left(t\right)}{g_{\mathrm{ii}}\left(t\right)}=\frac{{\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i\left(t\right)}{{\mathrm{\&gamma;}}_i\left(t\right)}{p}_i\left(t\right)---\left(26\right)$

$p_i(t+1)=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_i}{{\mathrm{\&gamma;}}_i\left(t\right)}{p}_i\left(t\right)---\left(27\right)$

(6)用户跨层切换性能评估过程

对基于预置门限切换的同频干扰避免方法进行性能评估与分析，采用本发明实施例得到：

①MUE和FUE上行传输的中断概率与Macro-Femtocell网络中MUE数目及Femtocell数目的关系表达：

$P_{\mathrm{out}}^c(N_f,N_c)=P[\frac{G_m{P_r}^c}{I_{c,\mathrm{in}}+I_{c,f}+{\mathrm{\&sigma;}}_m}\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{mo}}|\left|{\mathrm{\&pi;}}_c\right|\&GreaterEqual;1---\left(28\right)$

$P_{\mathrm{out}}^f(N_f,N_c)=P[\frac{G_f{P_r}^f}{(U-1)\&CenterDot;{P_r}^f+I_{f,f}+I_{f,c}+{\mathrm{\&sigma;}}_f}\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{fo}}|U\&GreaterEqual;1]---\left(29\right)$

$P_{\mathrm{out}}^c(N_f,N_c)\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_m{P}_{\mathrm{out}}^f(N_f,N_c)\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_f---\left(30\right)$

②系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户在基站最小接收功率下得到的SINR的关系表达：

$R_{\mathrm{MF}}^{\left(n\right)}=\mathrm{\&theta;}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{M_i}^{\left(n\right)}\left(p_r^{c\left(n\right)}\right))+(1-\mathrm{\&theta;})\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{U_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{F_{\mathrm{jk}}}^{\left(n\right)}\left(p_r^{f\left(n\right)}\right))---\left(31\right)$

③通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率，得到系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户采用最优功率传输时得到的SINR的关系表达：

$R_{\mathrm{MF}}^{\left(n\right)}=\mathrm{\&theta;}\underset{i=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{M_i}^{\left(n\right)}\left(p_{M_i}^{\left(n\right)}\right))+(1-\mathrm{\&theta;})\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{U_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{F_{\mathrm{jk}}}^{\left(n\right)}\left(p_{F_{\mathrm{jk}}}^{\left(n\right)}\right))---\left(32\right).$

Claims (5)

1.一种基于预置门限切换的同频干扰避免方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)切换参数采集过程：首先建立移动终端的移动状态模型计算小区驻留时间TTS；其次建立同频干扰分析模型，得到跨层和同层干扰表达式来估计同频干扰情况；

(2)跨层切换决策过程：根据移动终端的移动性、干扰分析结果和预置切换门限对是否进行跨层切换作出决策，预置TTS切换门限和双信噪比门限来避免切换中“乒乓效应”的发生；

(3)跨层切换执行过程：若步骤(2)的决策结果为跨层切换，则移动终端将完成跨层切换过程，同时采用用户功率控制策略通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来改善接收基站的信号干扰噪声比SINR，消除同频干扰的同时优化网络性能；否则回到步骤(1)；

(4)跨层切换性能评估及信息反馈过程：对执行后的结果进行性能评估，根据评估结果、业务的服务质量QoS需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息。

2.根据权利要求1所述的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，其特征在于，所述步骤(1)切换参数采集过程具体包括如下步骤：

(1-1)首先建立移动终端的移动状态模型，通过移动终端自身定位功能，确定定位参数以及小区的半径，考虑移动终端的运动轨迹，运动速度和切换目标基站的位置等信息来计算出小区驻留时间TTS；

(1-2)其次建立同频干扰分析模型，分析上行传输的同频干扰，宏蜂窝基站MBS受到来自宏蜂窝用户MUE的干扰I_c，in和毫微微蜂窝用户FUE的干扰I_c,f，同时，毫微微蜂窝接入点FAP受到来自MUE的干扰I_f，c和Femtocell内部FUE的干扰I_f，in及外部FUE的干扰I_f，f，建立跨层和同层干扰表达式来估计同频干扰情况。

3.根据权利要求1所述的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，其特征在于，所述步骤(2)跨层切换决策过程具体包括如下步骤：

(2-1)宏蜂窝用户MUE在下列三种情况下切换到Femtocell中：①(SINR)_FAP>γ_fPH,TT_Si,j＞TTS_thF②γ_fH<(SINR)_FAP<γ_fPH,TTS_i，j>TTS_thF③(SINR)_FAP<γ_ft；

(2-2)毫微微蜂窝用户FUE在下列三种情况下切换到Macrocell中：①(SINR)_MBS>γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM②γ_mH<(SINR)_MBS<γ_mPH,TTS_i,k＞TTS_thM③(SINR)_MBS<γ_mH。

4.根据权利要求1所述的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，其特征在于，所述步骤(3)跨层切换执行过程具体包括如下步骤：

(3-1)若步骤(2)的决策结果为跨层切换，则移动终端将完成跨层切换过程；

(3-2)采用用户功率控制策略通过最大化Macro-Femtocell网络的效用函数得到最优的用户发射功率来改善接收基站的SINR；

(3-3)若步骤(2)中宏蜂窝用户MUE或者毫微微蜂窝用户FUE不满足跨层切换条件，则回到步骤(1)。

5.根据权利要求1所述的基于预置门限切换的同频干扰避免方法，其特征在于，所述步骤(4)跨层切换性能评估及信息反馈过程具体包括如下步骤：

(4-1)得到宏蜂窝用户MUE和毫微微蜂窝用户FUE上行传输的中断概率与Macro-Femtocell网络中MUE数目及Femtocell数目的关系表达；得到系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户在基站最小接收功率下得到的SINR的关系表达；得到系统中所有用户的和速率/网络吞吐量与所有用户采用最优功率传输时得到的SINR的关系表达；

(4-2)根据评估结果、业务的QoS需求以及网络负载情况，保持或调整原预置切换门限并对用户功率控制提供反馈信息。

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