CN104159315B - 降低无线通信基站小区间干扰的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

降低无线通信基站小区间干扰的方法包括步骤A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益；步骤B：相邻小区相互交换吞吐量收益；以及步骤C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配。上述发明在保证相邻小区边缘用户所使用的主子载波互不重叠的前提下，通过在相邻小区之间交换子载波分配的信息，使得每个小区可根据该信息在每个调度周期内对主子载波和副子载波进行调整和分配。多个小区通过协商交换主子载波的方式，以确定各个小区的主、副子载波分配，从而使得小区中心用户和小区边缘用户的性能都能得到提升。本发明还涉及相关方法。

Description

降低无线通信基站小区间干扰的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种降低无线通信基站小区间干扰的方法及系统。
背景技术
当前，以LTE(Long Term Evolution，长期演进)为代表的4G系统已经在全球范围内逐步推广应用，标志着无线通信进入了一个新的时代。由于无线频谱资源的匮乏，LTE、WiMAX等4G系统均采用了同频组网技术，以尽可能地提升频谱效率。然而，随之而来的小区间干扰(Inter-cell Interference，ICI)也成为4G系统的一大问题。
以LTE为例，其下行链路采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术，在同一小区内通过为不同用户分配不同的正交子载波而避免了小区内的干扰。然而，在采用同频组网的策略下，LTE系统相邻小区间的同频干扰现象非常严重。如图1所示的LTE下行场景，当两个用户(UE1和UE2)分别处于两个相邻小区的边缘区域、且同时使用同一频段时，由于离两个基站的距离差不多，来自相邻小区的干扰信号强度与本小区的有用信号强度相近，将产生很大的小区间干扰，导致用户体验的急剧下降。
为应对此问题，LTE系统采用了小区间干扰协调(Inter-Cell InterferenceCoordination，ICIC)技术以降低或消除小区间干扰。在现有的ICIC技术中，SFR(SoftFrequency Reuse，软频率复用)可有效降低小区间干扰，提高边缘用户的通信质量。如图2所示，SFR基于频谱规划和功率协调的思路，规定相邻小区使用互不重叠的主子载波(MajorSubcarriers)以消除小区间干扰，再对边缘用户所使用的主子载波设置更高的发射功率门限，进一步提升了边缘用户的信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio，SINR)。然而，SFR方案却是以牺牲小区中心用户的吞吐量换取小区边缘用户通信性能的提升的，因而系统的整体吞吐量反而会下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种可解决上述技术问题的降低无线通信基站小区间干扰的方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种降低无线通信基站小区间干扰的方法，其包括以下步骤：
步骤A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益；
步骤B：相邻小区相互交换吞吐量收益；以及
步骤C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配。
优选地，步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：通过以下公式I计算小区边缘的用户吞吐量Ro，公式I为
其中，W表示子载波带宽，g表示相应的用户在不同子载波上的信道增益，no是白噪声，为常量；
步骤A2：通过公式II计算小区中心的用户吞吐量Rin，公式II为
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量；以及
步骤A3：结合公式I、公式II和公式III计算系统吞吐量收益矩阵F，其元素为任意的主子载波k和副子载波j交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合，公式III为
优选地，步骤B中通过基站的回程链路交换相邻小区的子载波分配信息，以使得使每一小区得到相邻小区的收益矩阵。
优选地，步骤C包括以下子步骤：
步骤C1：获取所有满足和的子载波对(k，j)，通过公式IV计算各子载波对(k，j)的吞吐量收益和公式IV为
步骤C2：判断是否有吞吐量收益和大于零，若均否，即若所有吞吐量收益和均小于或等于零，执行步骤C3；若是，即存在一或以上的吞吐量收益和大于零，执行步骤C4；
步骤C3：结束子载波交换；以及
本发明还涉及以下技术方案：
一种降低无线通信基站小区间干扰的系统，其特征在于：其包括以下模块：
模块A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益；
模块B：相邻小区相互交换吞吐量收益；以及
模块C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配。
优选地，模块A包括以下子模块：
模块A1：通过以下公式I计算小区边缘的用户吞吐量Ro，公式I为
其中，W表示子载波带宽，g表示相应的用户在不同子载波上的信道增益，no是白噪声，为常量；
模块A2：通过公式II计算小区中心的用户吞吐量Rin，公式II为
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量；以及
模块A3：结合公式I、公式II和公式III计算系统吞吐量收益矩阵F，其元素为任意的主子载波k和副子载波j交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合，公式III为
优选地，模块B中通过基站的回程链路交换相邻小区的子载波分配信息，以使得使每一小区得到相邻小区的收益矩阵。
优选地，模块C包括以下子模块：
模块C1：获取所有满足和的子载波对(k，j)，通过公式IV计算各子载波对(k，j)的吞吐量收益和公式IV为
模块C2：判断是否有吞吐量收益和大于零，若均否，即若所有吞吐量收益和均小于或等于零，执行模块C3；若是，即存在一或以上的吞吐量收益和大于零，执行模块C4；
模块C3：结束子载波交换；以及
本发明的有益效果如下：
本发明在保证相邻小区边缘用户所使用的主子载波互不重叠的前提下，通过在相邻小区之间交换子载波分配的信息，使得每个小区可根据该信息在每个调度周期内对主子载波和副子载波进行调整和分配。多个小区通过协商交换主子载波的方式，以更合理、更大吞吐量收益的方式确定各个小区的主、副子载波分配，从而使得小区中心用户和小区边缘用户的性能都能得到提升，实现系统整体性能的改善。
附图说明
图1为LTE系统下行链路小区间干扰示意图。
图2软频率复用方案系统模型示意图。
图3本发明降低无线通信基站小区间干扰的方法的较佳实施方式的流程图。
图4为小区系统吞吐量对比图。
图5为小区边缘吞吐量对比图。
图6为系统吞吐量累计收益对比图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
请参见图3，发明涉及一种降低无线通信基站小区间干扰的方法，其较佳实施方式包括以下步骤：
步骤A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益，即系统吞吐量的预期提升量。
本实施例中，采用静态的功率分配方案，对小区i，初始化子载波分配向量Si，使其满足软频率复用的要求，具体地，本步骤包括以下子步骤：
步骤A1：通过以下公式I计算小区边缘的用户吞吐量Ro，公式I为
其中，W表示子载波带宽，g表示相应的用户在不同子载波上的信道增益，no是白噪声，为常量。
步骤A2：通过公式II计算小区中心的用户吞吐量Rin，公式II为
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量。
步骤A3：结合公式I、公式II和公式III计算系统吞吐量收益矩阵F，其元素为任意的主子载波k和副子载波j交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合，公式III为
如此，即可获得各小区的吞吐量收益。
步骤B：相邻小区相互交换吞吐量收益。
本实施例中，通过基站的回程链路交换相邻小区的子载波分配信息，以使得使每一小区得到相邻小区的收益矩阵。
以现有的LTE系统为例，基站可通过X2接口向相邻基站发送过载指示(OverloadIndicator，OI)和高干扰指示(High Interference Indicator，HII)，以对相邻小区的子载波分配决策过程提供帮助。本实施例中所需的小区间子载波交换的信息，可重用当前LTEX2接口定义的OI/HII信息交互机制，只需在现有信令基础上增加少量信息单元(Information Element)，即可实现LTE系统对本方案的支持。因此，本发明对现有LTE系统具有较强的友好性。
步骤C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，即均为正收益时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配。
本实施例中，步骤C包括以下子步骤：
步骤C1：获取所有满足和的子载波对(k，j)，通过公式IV计算各子载波对(k，j)的吞吐量收益和公式IV为
步骤C2：判断是否有吞吐量收益和大于零，若均否，即若所有吞吐量收益和均小于或等于零，执行步骤C3；若是，即存在一或以上的吞吐量收益和大于零，执行步骤C4；
步骤C3：结束子载波交换；
步骤C4：获取大于零的吞吐量收益和中的最大值所对应的子载波对(k，j)，以更新子载波分配向量矩阵或返回执行步骤C1，以继续查找子载波对，直到没有同时满足和的子载波对为止。
本发明在保证相邻小区边缘用户所使用的主子载波互不重叠的前提下，通过在相邻小区之间交换子载波分配的信息，使得每个小区可根据该信息在每个调度周期内对主子载波和副子载波进行调整和分配。多个小区通过协商交换主子载波的方式，以更合理、更大吞吐量收益的方式确定各个小区的主、副子载波分配，从而使得小区中心用户和小区边缘用户的性能都能得到提升，实现系统整体性能的改善。
下面对本发明的较佳实施方式的原理进一步详细描述：
首先，定义小区i的子载波分配向量Si和吞吐量效用Ri如下：
本实施例在功率分配上使用的是静态主副子载波功率比，即每个子载波的发射功率仅有两种取值，分别为主子载波发射功率po和副子载波发射功率pi。小区的吞吐量效用是该小区全部子载波的吞吐量之和，主副子载波分配调整后系统吞吐量的预期改变值即为吞吐量收益。当任意两个子载波发生交换时，这两个子载波构成一个子载波交换对。例如，当一个主子载波和一个副子载波发生交换时，它们共同构成一个主、副子载波交换对。
对小区i，初始化子载波分配向量Si，使其满足软频率复用的要求，即和小区i需满足的最小吞吐量可由式(2)计算。在步骤A中，由于相邻小区同时在试图分配子载波以获得更大的吞吐量，所以各小区暂无法获得相邻小区的子载波分配向量。
本实施例采用静态的功率分配方案，对于小区边缘用户使用的主子载波k，其干扰全部来自相邻小区同一频段的副子载波k。对于这部分的干扰，通过设定来计算小区边缘的吞吐量效用。小区边缘吞吐量效用Ro计算如下：
对于小区中心用户使用的副子载波j，其干扰同时来自相邻小区使用的同一频段的主子载波j或副子载波j。为了确保交换之后系统实际收益有提升，这部分干扰功率的假设分为两部分。当计算系统最小吞吐量时，设定干扰功率为较小的值pi；当计算任意主副子载波交换后的预期系统吞吐量时，则设定干扰功率为较大的值po。这样，计算所得的收益值一定比实际系统的收益值大，以确保不会出现交换后实际吞吐量下降的情况。两种情况下的小区中心吞吐量效用Rin计算如下：
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量。
在相邻小区交换信息之前，每个小区都需要计算任意主副子载波交换后系统吞吐量的预期提升量。故定义吞吐量收益矩阵F，其元素为对于任意的主子载波k和副子载波j，其交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合：
当Fk，j>0时，表示主子载波k和副子载波j交换后，系统的预期吞吐量增加。然而，为了满足不增加对相邻小区的干扰的原则，对子载波的交换与否并不能仅由本小区的收益决定。为了确保每个子载波上都有收益，当且仅当相邻的两个小区在交换发生后，各自的预期吞吐量都有正收益时，该交换才能发生。即交换的发生必须使两个小区的吞吐量都有提升并且不影响到其它小区。
在每个调度周期里，吞吐量收益矩阵F的计算是由每个小区独立完成的。之后，可通过基站的回程链路交换相邻小区间的子载波分配信息，使每个小区得到相邻小区的收益矩阵。以现有的LTE系统为例，基站可通过X2接口向相邻基站发送过载指示(OverloadIndicator，OI)和高干扰指示(High Interference Indicator，HII)，以对相邻小区的子载波分配决策过程提供帮助。本发明所需的小区间子载波交换的信息，可重用当前LTE X2接口定义的OI/HII信息交互机制，只需在现有信令基础上增加少量信息单元(InformationElement)，即可实现LTE系统对本方案的支持。因此，本发明对现有LTE系统具有较强的友好性。
对于主或副子载波k，可能存在很多副或主子载波j均满足Fk，j>0的条件。为得到更高的吞吐量收益，可优先交换拥有最大预期收益的子载波对。在每个小区中，首先找到中的最大值对应的子载波对(k，j)进行交换，再更新子载波分配向量S*，然后在下一次交换时，禁止所有含有k或j的子载波对进行交换。通过若干循环查找子载波对，直到没有同时满足和子载波对为止。因此，在每个调度周期内，每个子载波最多仅能交换一次。
为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明：
下面是基于MATLAB的LTE系统级仿真平台进行的分析。该系统由7个小区组成，约400多个用户(UEs)分布在2000m×2000m的范围内。系统带宽为5MHz，基站的最大发射功率是25W。在实际的LTE系统中，子载波的调度以资源块(Physical Resource Blocks，PRBs)为单位，一个资源块由连续的12个子载波组成。一个资源块在每个调度周期内只会被分配给一个用户。仿真中，单个小区可使用的PRB总数为25。
为了能够呈现完整的性能对比，本文仿真了全频率复用(Full FrequencyReuse)，部分频率复用(Fraction Frequency Reuse，FFR)和软频率复用来同本发明的方案(DSE)进行对比。
图4为四种仿真方案的小区总体吞吐量对比图。由图4可见，本方案的小区总体吞吐量比FFR与SFR高，仅略低于FuFR。然而，FuFR存在小区边缘吞吐量性能差、频谱利用率低等问题。图5展示了边缘吞吐量仿真结果，可见本方案的小区边缘吞吐量性能比其他三种方案更佳。
此外，网络的动态参数的变化(例如由用户移动造成的信道质量改变)对吞吐量收益的大小是有影响的。而随着用户移动速度的增加，本方案可提供更高的吞吐量收益，这可由图6给出的系统吞吐量累计收益对比得到验证。这是因为更快速的信道质量变化导致了子载波交换次数的增加，由于每次交换都是基于吞吐量有提升的原则进行的，因此系统可随用户移动速度的增加而获得更高的吞吐量收益。
因此，综合考虑频谱效率、系统性能等因素，本方案具有较好的系统总体吞吐量性能、最佳的小区边缘吞吐量性能以及更优的自适应性。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种降低无线通信基站小区间干扰的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益；
步骤B：相邻小区相互交换吞吐量收益；以及
步骤C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，即均为正收益时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配；
步骤B中通过基站的回程链路交换相邻小区的子载波分配信息，以使得使每一小区得到相邻小区的收益矩阵。
2.如权利要求1所述的降低无线通信基站小区间干扰的方法，其特征在于：步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：通过以下公式I计算小区边缘的用户吞吐量Ro，公式I为
其中，W表示子载波带宽，g表示相应的用户在不同子载波上的信道增益，no是白噪声，为常量；
步骤A2：通过公式II计算小区中心的用户吞吐量Rin，公式II为
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量；以及
步骤A3：结合公式I、公式II和公式III计算系统吞吐量收益矩阵F，其元素为任意的主子载波k和副子载波j交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合，公式III为
3.如权利要求1至2中任一项所述的降低无线通信基站小区间干扰的方法，其特征在于：步骤C包括以下子步骤：
步骤C1：获取所有满足和的子载波对(k，j)，通过公式IV计算各子载波对(k，j)的吞吐量收益和公式IV为
步骤C2：判断是否有吞吐量收益和大于零，若均否，即若所有吞吐量收益和均小于或等于零，执行步骤C3；若是，即存在一或以上的吞吐量收益和大于零，执行步骤C4；
步骤C3：结束子载波交换；以及
步骤C4：获取大于零的吞吐量收益和中的最大值所对应的子载波对(k，j)，以更新子载波分配向量矩阵 或返回执行步骤C1。
4.一种降低无线通信基站小区间干扰的系统，其特征在于：其包括以下模块：
模块A：在一调度周期内，各小区计算获取自身的主子载波和副子载波交换后的吞吐量收益；
模块B：相邻小区相互交换吞吐量收益；以及
模块C：在本小区和所交换的相邻小区的吞吐量收益均大于零时，本小区对自身的主子载波和副子载波进行交换分配；
模块B中通过基站的回程链路交换相邻小区的子载波分配信息，以使得使每一小区得到相邻小区的收益矩阵。
5.如权利要求4所述的降低无线通信基站小区间干扰的系统，其特征在于：模块A包括以下子模块：
模块A1：通过以下公式I计算小区边缘的用户吞吐量Ro，公式I为
其中，W表示子载波带宽，g表示相应的用户在不同子载波上的信道增益，no是白噪声，为常量；
模块A2：通过公式II计算小区中心的用户吞吐量Rin，公式II为
其中，公式(II1)用于计算最小吞吐量公式(II2)用于计算交换预期的吞吐量；以及
模块A3：结合公式I、公式II和公式III计算系统吞吐量收益矩阵F，其元素为任意的主子载波k和副子载波j交换后的吞吐量效用改变值Fk，j的集合，公式III为
6.如权利要求4至5中任一项所述的降低无线通信基站小区间干扰的系统，其特征在于：模块C包括以下子模块：
模块C1：获取所有满足和的子载波对(k，j)，通过公式IV计算各子载波对(k，j)的吞吐量收益和公式IV为
模块C2：判断是否有吞吐量收益和大于零，若均否，即若所有吞吐量收益和均小于或等于零，执行模块C3；若是，即存在一或以上的吞吐量收益和大于零，执行模块C4；
模块C3：结束子载波交换；以及
模块C4：获取大于零的吞吐量收益和中的最大值所对应的子载波对(k，j)，以更新子载波分配向量矩阵 或返回执行模块C1。
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