基于时分复用的LTE系统干扰协调方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,更具体地涉及基于时分复用的LTE系统干扰协调方法。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展,用户对移动通信内容和质量都提出了更高的要求,包括通信设备的微型化、低功耗、宽带接入以及丰富的多媒体业务。为了进一步提升比现有3G网络更优的性能,也为了与新兴的一些移动通信技术如WiMAX、WiFi竞争。2004年底,3GPP提出了3G的长期演进-3GPPLTE(Long Term Evolution)。
LTE下行链路采用正交频分多址接入技术(OFDMA,orthogonal frequencydivided multiple access),这种技术的采用有很多优点,但是也面临着诸多问题。优点是在OFDM系统中,各信道子载波是正交性的,并且将用户的信息承载在相互正交的不同的载波上,可以有效的对抗频率选择性衰落,虽然载波频率和相位偏移等因素会造成信道之间的干扰,但是可以在物理层通过采用先进的无线信号处理算法使这种干扰降到最低。在理论上,保证了蜂窝系统小区内是没有干扰的,即在LTE蜂窝系统中提供了小区内的正交性。难题是小区间干扰(ICI,inter-cell interference)急待解决。此时需要从多变的无线信道,高速的用户移动以及有限的系统资源等方向着手考虑。为了解决这个LTE系统小区间干扰的难题,3GPP提出了多种解决方案,包括干扰随机化、干扰删除以及干扰协调技术。其中干扰随机化虽无法降低干扰的能量,但可通过对干扰加扰将干扰随机化为“白噪声”,用来缓解ICI。干扰随机化常用方法包括小区专属加扰与小区专属交织。干扰消除技术是一种被动的干扰抑制技术,是将小区信号进行解调、解码之后,再利用接收机的处理增益,将干扰信号从所接收到的信号中消除出去。较常用的LTE系统小区间干扰消除技术有两种,一是基于多天线接收终端的空间干扰压制技术,二是基于干扰重构/减去的干扰消除技术。目前,降低ICI的主流技术是干扰协调技术。
干扰协调技术是一种主动的干扰抑制技术,主要是通过小区之间的相互协调,达到对某一个小区的所有可用资源进行某种限制的作用,从而减少来自于相邻小区的干扰,提高小区的系统性能,尤其是对于小区边缘用户,可在一定程度上提高其性能和数据速率。与干扰消除、干扰随机化相比,干扰协调技术不仅能更有效的避免小区间干扰,还能提高系统性能。
小区间干扰协调是一种调度策略,通过考虑小区间干扰来增加小区边缘的数据速率。本质上,小区间干扰意味着对上行链路和下行链路的调度器进行某种(频域)限制,从而对小区间干扰进行限制。通过限制一个小区在部分频谱上的发射功率,可使这部分频谱上相邻的小区间可见的干扰下降。之后这部分频谱可以被用来为相邻小区中的用户提供更高的数据速率。本质上,在小区不同部分的频率复用因子不同。干扰协调技术使得相邻小区间的干扰信号源离的尽可能远,从而抑制相邻小区的干扰,达到改善传输质量,提高吞吐量的效果。
现在的干扰协调的方案有很多种,例如:
全频率复用:所有频点都能在小区的任何位置使用,因此频率复用因子为1;若共有6个RB(Resource Block,资源块),则每个基站都可占用这6个RB,干扰严重。
部分频率复用:将所有频率资源分为4组。对于小区中心的用户,恒定分配固定的1组频段,频率复用因子为1。而对于小区边缘的用户,分配剩余的3组频段,频率复用因子为3,以保证其相邻小区边缘用户所用的频段相互正交。
软频率复用SFR(Soft Frequency Reuse):所有的频段被分成了两组子载波,一组称为主子载波,另外一组称为辅子载波。主子载波可以在小区的任何地方使用,而辅子载波则只能在小区中心被使用。
边缘用户二次调度EUTS(Edge users twice scheduling):根据小区边缘用户数和资源分配情况的不同灵活采用二次调度方法,在初步频率分配基础上再进行频率资源二次调整。
具体说明SFR和EUTS如下:
软频率复用:
软频率复用是一种经典的干扰协调方案。如图1(图中p是基站的发送功率,f是频率)所示,每个小区的子载波被划分成2组,一组是主子载波,一组是辅子载波。主载波可以在小区的任何地方使用,而辅载波则只可以在小区的中心使用。不同小区之间的主载波相互正交,而辅子载波由于自在小区中心使用,相互之间干扰较小,则可以使用相同的频率。这样的分配方式可以使得相邻小区边界使用的子载波均相互正交,使用相同频率的中心用户距离比较远,从而有效的减少了相邻小区在边缘用户的ICI。对于小区中心的用户距离基站比较近,且受到相邻小区的干扰比较小,所以采用低功率传输,而对于小区边缘的用户来说,情况相反,需采用高功率传输。辅子载波和主子载波的发射功率比可以在0到1之间进行调整,对应的频率复用系数在3到1变化,通过调整辅子载波和主子载波的功率比,软频率复用可以适应每个小区的业务分布。当小区边缘的负载高时,功率设置为相对较小的值来或得较高的小区边缘吞吐量;相反,当小区边缘的负载较小时,可以设置较大的功率比。这种方式不仅可以降低小区间干扰,而且可以提高频谱效率。但是,该方案存在两个缺陷,一是小区的边缘通常只有1/3的频率资源可以使用,二是,不能随边缘负载的变化而变化灵活性比较差。
边缘用户二次调度:
当负载过重时,需要对边缘用户的二次调度。首先将小区所使用的带宽内所有子载波按照图2a的频率资源划分方案,等分为三个子集I1、I2、I3,并且这三个子集内的子载波互不重叠。参照图2a,假设小区1为参考小区,若边缘用户所占RB位于此小区应属的1/3频带范围内即I1内,则此用户为合法用户,如用户a;若不在I1内,则为违约用户。若此违约用户所占资源不被相邻小区相邻扇区边缘用户使用,则为隐违约用户,如用户b资源在小区2边缘用户应属I2范围内,但是小区2没有边缘用户正在使用此资源,用户b便为隐违约用户;反之,为显违约用户。设显违约用户所占资源为x,若相邻小区中使用x资源的边缘用户为违约用户,则此小区1中的显违约用户为非绝对违约用户;反之,便为绝对违约用户。如用户c所分配资源不在I1内,且小区3中用户d也正在使用此处资源,由图2a中可以看出,用户d资源不在小区3边缘用户应属的I3范围内,用户d为违约用户,则用户c便为非绝对违约用户;而用户e资源虽然同样不在I1内,且小区3中用户f被分配此资源,但用户f在应属的I3内,为合法用户,则用户e便为绝对违约用户。
对某参考小区某扇区按照下图所示进行频率资源二次调整,假设此参考小区为图2a中小区1,则合法用户所分配资源应在图中所示I1范围内。过程如图2b所示。
根据小区边缘用户数和资源分配情况的不同灵活采用二次调度,在初步频率分配基础上再进行频率资源二次调整。通过频率资源二次调整,使小区在重度边缘负载下仍可获得可观的抗干扰能力,在保证频谱利用率和多用户分集效果前提下,大大提升了边缘用户的性能。但是也存着缺陷,小区边缘的用户使用的频率资源并不是整个频段上最优的,并且对边缘用户的频率资源的二次调整比较麻烦,需要的信令多。
以上介绍的四种资源划分的方法,都存在一定的缺陷,具体如下:
全频率复用:在频谱资源分配上考虑到了频谱利用率的问题,相邻的各个小区可以使用同一段频谱资源,使频谱利用率达到了最大化,但是各个小区之间就会造成小区干扰,甚至造成信号淹没的状态。
部分频率复用:考虑到了相邻小区间的干扰,以及操作的可行性和eNode B之间或eNode B和无线网络控制器(RNC)之间的的信令开销问题。但是部分频率复用把整段频谱分成了4分,边缘用户的复用因子为3,使频谱利用率下降;当系统中小区的负载随时间的推进剧烈变化时,频谱资源的分配就会显得特别的不灵活;当小区边缘负载过重,而小区中心处于低负荷时,这种部分频率复用对提高边缘用户的吞吐量受到极大的限制。
软频率复用:不仅考虑到了小区间的干扰,也解决了不同业务密度带来的问题,同时也提高了频谱效率。但是对基站的调度器提出了更高的要求,要求基站调度器可以快速的对小区内的业务密度进行测量并计算出当前的功率比。系统的信令开销增大。通常情况下,小区边缘用户可用频率较小,如将频率复用因子设为3时,小区边缘用户仅有三分之一的资源可用,只能在1/3频段上调度最好的资源块,频谱效率比较低;不能灵活适应小区负载变化。
边缘用户二次调度:考虑到了边缘负载严重的情况,可通过频率资源二次调整,使小区在重度边缘负载下仍可获得可观的抗干扰能力,在保证频谱利用率和多用户分集效果前提下,大大提升了边缘用户的性能。但是也存着缺陷,小区边缘的用户使用的频率资源并不是整个频段上最优的,并且对边缘用户的频率资源的二次调整比较麻烦,需要的信令多,开销大。
发明内容
发明目的:为了综合考虑系统性能和多用户分集的效果,本发明提出一种基于时分复用的干扰协调方案,增强型时域资源划分方案(EFTR,Enhanced Fractional TimeReuse)。
本发明包括如下步骤:
步骤1,将小区使用的时域资源等分为三段时隙,根据小区中每个用户反馈的CQI(Channel Quality Indicator,信道质量指示)信道质量指示报告将用户分组为中心用户和边缘用户;
步骤2,设置调度优先级,在三段时隙里,对中心用户终端和边缘用户终端采用不同的方式进行调度。
步骤1中,根据小区中每个用户反馈的CQI(Channel Quality Indicator,信道质量指示)信道质量指示报告将用户分组为中心用户和边缘用户,信道质量指示值CQI高于阈值3dB的为中心用户,否则为边缘用户。
步骤2中,对于非实时业务来说,公平比例(PF,Proportional Fairness)算法可在用户公平性和系统吞吐量之间取得平衡,因此设置一个调度优先级,调度优先级要考虑到用户终端UE的信道质量和过去一段时间所获得的吞吐量,兼顾了算法的公平性和系统吞吐量,调度器位于eNodeB侧,根据UE信号反馈的信道状况以及UE的业务特性,动态的为UE选择信道质量较好的RB来满足业务需求。通过如下公式设置调度优先级:
其中Pnm(t)表示第n个用户终端在资源块m上的调度优先级,N为小区内用户终端总数,rnm(t)表示在时间t第n个用户终端在资源块m上所能达到的最大实时数据传输速率,Rn(t)表示第n个用户终端在过去一段时间即时间0~t内平均吞吐量。
本发明通过如下公式计算Rn(t):
其中,若前一个TTI(Transmission Time Interval,传输时间间隔)用户终端n被调度,则在被TTI调度开始更新其平均吞吐量,Tc是时间窗口的大小(该参数反映了用户终端对等待接收数据时长的容忍情况,与具体业务有关)。
通过如下公式计算Rn(t):
其中,若前一个TTI(Transmission Time Interval,传输时间间隔)用户终端n被调度,则在被传输时间间隔TTI调度开始更新其平均吞吐量,Tc是时间窗口的大小(该参数反映了用户终端对等待接收数据时长的容忍情况,与具体业务有关)。
步骤2中,当调度小区内的所有用户时,根据如下步骤进行调度过程:
步骤2-1,假设基站在每个传输时间间隔TTI都能获得用户终端UE的信道质量反馈报告即CQI反馈,CQI反馈的详细程度涵盖基站系统的所有频段,根据CQI反馈计算每个用户终端在各个资源块上所能获得的最大传输速率;
步骤2-2,计算用户n的调度优先级Pnm:
Pnm=rnm(t)/Rn(t),
rnm(t)表示用户终端n在资源块m上所能获得的最大传输速率,Rn(t)表示用户终端n在时间0~t内的平均吞吐量;
步骤2-3,根据步骤2-2的结果寻找用户终端UE和资源块RB对应的最大权重值;
步骤2-4,将所述的最大权重值对应的资源块分配给相应的用户终端;
步骤2-5,删除所述的最大权重值对应的资源块;
步骤2-6,对剩下的资源块重复步骤2-3到步骤2-5的过程,直到所有的资源块都被分配完毕。
步骤2中,中心用户终端在整个调度时间内被调度,而边缘用户终端最多只能在一帧的1/3时间内被调度。
有益效果:
EFTR方案不仅可以有效的避免小区间干扰,而且可以使用户在整个频域上选择最好的RB;避免了边缘负载过重时对对边缘用户的二次调度以及用户的移动性,使信令开销降到了最低。系统的性能得到提升,也增大了小区边缘用户的吞吐量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明,本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为软频率复用的资源划分方案。
图2a为边缘用户二次调度的频率资源分配。
图2b为频率资源校正分配。
图3为EFTR三种资源调度类型。
图4为EFTR小区调度的时隙。
图5为本发明的步骤流程。
图6a为本发明实施例1中的系统模型。
图6b为本发明实施例1中SFR两级资源分配方案。
图6c为本发明实施例1中SFR每个用户在每个资源块上的CQI。
图6d为本发明实施例1中SFR方案中的用户状态。
图6e为本发明实施例1中的EUTS-PF算法总体流程图。
图6f为本发明实施例1中的EUTS-PF资源二次调整算法流程。
图7a为本发明实施例2的参数设置。
图7b为本发明实施例2所用仿真系统的初始化流程。
图7c为本发明实施例2所用仿真系统的主循环流程。
图7d和图7e为本发明实施例2的仿真结果图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的方案,本发明的步骤流程如图5所示:
步骤501:判断小区是否为所研究的目标小区,是继续,不是结束。
步骤502:根据每个用户在每个资源块上所获得的CQI值(CQI值由1~15)。根据CQI值判断是中心用户还是边缘用户,CQI值越大,说明用户获得的信号越好,为中心用户,否则为边缘用户。
步骤503:对时隙t初始化。
步骤504:计算t mod 3的值。
步骤505:t mod 3=1,调度小区1的所有用户,调度小区2,3,4,5,6,7中心用户;tmod3=2,,调度小区2,4,6的所有用户,调度1,3,5,7的中心用户;t mod 3=0,调度3,5,7的所有用户,,调度1,2,4,6的中心用户。
步骤506:所有用户,和中心用户均采用PF算法。
步骤507:t=t+1;返回到步骤504。
实施例1:
设定系统中共有7个小区,模型如图6a。每个小区里面含有30个用户。系统的带宽为25个资源块。每个用户向基站反馈CQI值。LTE调度不仅可以在时域上而且同样可以在频域上考虑信道的变化,选择信道好的用户发送数据。为了更好地说明所提方案EFTR的性能,先介绍两种比对算法SFR和EUTS-PF,然后再介绍所提方案EFTR。
软频率复用:基于SFR的PF调度算法既保证了用户公平性,又保证了系统吞吐量性能。此方案为一种两级资源分配方案,如图6b所示:
(1)系统级资源分配
根据主辅子载波SFR方案,把包含25个资源块的系统频域资源分别分成主子载波组和辅子载波组,主子载波20个资源块,辅子载波5个资源块。主子载波20个资源块30个用户都可以调度,而辅子载波5个资源块只能在小区的中心使用。在不同的小区之间为基站分配好资源。主辅子载波SFR方案旨在为相邻小区的边缘用户之间划分成互为正交的主子载波。
(2)用户级资源分配
当每个小区能够使用的主子载波和辅子载波确定后,首先根据每个用户UE(一共30个用户)在每个资源块RB(一共25个资源块)上所获得的CQI值(am,n表示用户终端m在资源块n上的CQI值)如图6c所示。根据CQI值判断是中心用户还是边缘用户,CQI值越大,说明用户获得的信号越好,为中心用户,否则为边缘用户(中心状态为1,边缘为2),得到图6d。随后按照PF调度算法,分别为中心用户和边缘用户在主辅载波上分配好资源。
EUTS-PF算法:边缘用户a已被分配以主子载波集合中的资源块x,但其却在辅子载波集合中的资源块y上信道质量最好,这时需要资源重新调整。方案如图6e所示:
步骤601:资源初步分配。
首先进行频率资源初步分配,EUTS-PF算法中资源初步分配时不区分小区中心用户和小区边缘用户,其分配方案基于PF调度算法,即在25个资源块上对30个用户进行基于PF算法的调度。
步骤602:将用户分组。
同上。由于初步分配时所有用户均在整个频率范围内进行PF调度,因此不同用户通过调度后,会被调度在最合适的RB上,在确保理想频谱利用率的前提下可获得可观的多用户分集增益。但当小区边缘用户负载度严重时,会产生严重的小区间干扰问题,系统性能不理想,为此在频率资源初步分配基础上,按照EUTS-PF资源二次调整算法进行频率资源二次调整。
步骤603:EUTS-PF资源二次调整前应首先确定边缘用户所占资源的情况,这需要对边缘用户进一步进行分组。
把25个资源块分成3部分,I1有9个资源块1~9,I2有8个资源块10~17,I3有8个资源块,18~25。
对小区内用户进行资源初步分配后,需确保不同类别的用户应被分配在自己所属的合法频段内,如不合法,就应该执行EUTS-PF二次调整算法。合法频段的定义如下:对于中心用户,其所被分配的资源可以为频段的任意部分,即所有资源对于中心用户均为合法的;而对于边缘用户,合法频段应为互为正交的子载波集合中的其中一个。对于小区1中边缘用户UE1,边缘用户合法资源为频段I1内;对于小区2、4、6,边缘用户UE22,UE44,UE66合法频段应为频段I2内;对于小区3、5、7,边缘用户UE33,UE55,UE74合法频段I3内。
边缘用户具体分类方法:
资源检查规则确定后,对边缘用户分类方法进行具体介绍:若某边缘用户1所占资源不为本小区边缘用户合法频段内,则此边缘用户便为违约用户,否则为合法用户。
小区1中边缘用户UE1所占RB位于I1范围内,用户UE11为合法用户;而用户UE22所占RB属于I2范围内,占用了相邻小区2的边缘合法频段,为违约用户。同样,在小区3中,用户UE33在初步分配资源后所占RB位于小区3边缘合法频段I3范围内,为合法用户。
步骤604:EUTS-PF资源二次调整算法。
EUTS-PF资源二次调整算法流程如图6f所示:
频率资源二次调整方案通过逐个检查扇区中边缘用户(假设为A)资源占用情况,对不同性质的边缘用户采取相应的措施来解决小区间干扰问题。当此边缘用户为违约用户X时,在释放资源的基础上,仍需进一步执行如下所述的借用中心资源方案;若边缘用户均为合法用户,则EUTS-PF算法结束。
EFTR方案:基于时分复用的PF调度算法,不仅可以有效的避免小区间干扰,可以使用户使用整个频谱上的最好的RB,有效地提高小区边缘的吞吐量。整个步骤如下:
步骤701:用户分组原理同上,
步骤702:对时隙t初始化,并且用t mod 3。
步骤703:当t mod 3=1,调度小区1的30个用户,调度小区2,3,4,5,6,7的中心用户;t mod 3=2,调度小区2,4,6的30个用户,调度1,3,5,7的中心用户;t mod 3=0,小调度3,5,7的30个用户,调度1,2,4,6的中心用户。
步骤704:对每一个用户都采用PF算法调度。
EFTR方案的思想:EFTR是一种按时域划分资源的方案,把时间分成三份,分别为t1,t2,t3。在三段时隙里,分别对用户进行不同的调度。如图3所示。在t1时间里,小区1的时间复用因子是1,可以调度小区1的所有用户,小区2,3,4,5,6,7的复用因子是3,可以调度其中心用户;在t2时间里,小区2,4,6的时间复用因子是1,可以调度小区2,4,6的所有用户,小区1,3,5,7时间复用因子是3,可以调度1,3,5,7的中心用户;在t3时间里,小区3,5,7的时间复用因子是1,可调度3,5,7的所有用户,小区1,2,4,6时间复用因子是3,可调度1,2,4,6的中心用户。
从时隙的角度来看,小区中心的用户在整个调度时间内被调度,而小区边缘的用户最多只能在一帧的1/3时间内被调度,如图4所示。
从图3中Part1可以看出,调度小区1的所有用户,2,3,4,5,6,7,的中心用户时,小区2,3,4,5,6,7的边缘用户不被调度,这种情况下同时被调度的用户距离比较远,干扰比较小。同时也注意到了,对于小区1是调度所有用户,没有区分边缘和中心用户,这样不仅可以有效的解决边缘负载过重,用户移动性等问题,而且避免了对边缘用户的二次调度,节省了信令开销。
实施例2
本实施例基于LTE系统级仿真的Matlab平台。仿真参数设置如图7a所示。仿真系统的初始化流程如图7b所示:
步骤7-1,载入仿真参数、BLER(Block Error Rate,误块率)曲线等静态数据;
步骤7-2,建立小区拓扑结构;
步骤7-3,计算目标扇区、小区容量;
步骤7-4,绘制网格结构图;
步骤7-5,给每个网络添加时钟;
步骤7-6,产生用户;
步骤7-7,产生或载入快衰落缓存;
步骤7-8,初始化调度器;
步骤7-9,初始化缓存;
步骤7-10,把每个用户的缓存与调度器对应;
步骤7-11,Print所有的基站和用户;
步骤7-12,进入主循环。
初始化之后进入主循环,系统主循环流程如图7c所示:
步骤8-1,判断当前TTI是否小于仿真时长,如果是,进入步骤8-2,否则进入步骤8-10;
步骤8-2,当前TTI加1;
步骤8-3,显示所有用户UE和e-NodeB(LTE系统中的基站)当前位置;
步骤8-4,用户UE移动及切换;
步骤8-5,进入用户UE链路测量模型,计算用户UE在各个资源块RB上的CQI,并反馈给所属小区;
步骤8-6,进入调度器,运行所指定的调度算法,根据用户UE反馈的信息,按优先级完成RB分配;
步骤8-7,进入用户UE链路测量模型,判断TB(传输块)是否发送成功,成功则发送ACK(反馈发送成功),否则NACK(反馈发送不成功),并在下一个TTI进行重传;
步骤8-8,将此次循环生成的数据相应存入各缓存中,保存好调度结果,以备基站使用;
步骤8-9,输出仿真时间,返回步骤8-1;
步骤8-10,清空部分缓存;
步骤8-11,保存仿真结果。
从仿真结果图7d,图7e中可以看出:图7d是小区在不同的边缘负载度时参考小区的平均吞吐量(单位为Mbit/s,兆比特/秒),小区边缘用户数越多,越容易造成干扰。本次仿真,假设总用户数是30,中心用户数从6-14,也就是边缘负载度从0.25-0.875。从图中可以看出,三种资源划分都是随着中心用户数的增加,吞吐量也随之增加。也就是说当总用户数一定时,中心用户数越多,系统的吞吐量越大。EFTR的性能明显的比EUTS和SFR的性能要好,FTR与SFR相比,可以在整个频域段选择最优的资源块,并且不用考虑用户的实时变化,尤其是当负载严重时,性能比负载轻时更加明显。FTR与EUTS相比,虽然EUTS对小区边缘进行了二次调度,但是频域资源依然是在1/3段选择最优的资源块,所以FTR的性能比EUTS的性能要好。
图7e是小区在不同用户个数时参考小区的平均吞吐量,随着用户个数的增多,三种资源划分方案的参考小区的平均吞吐量均增加。但是当增加到一定值时趋于平缓。从图中可以看出刚开始随用户个数的增加吞吐量增加较快,用户数越多,吞吐量增加的越缓慢,这是因为系统的资源块是固定的,刚开始资源块丰富,当用户数达到一定程度,资源块刚好够用,吞吐量也就趋于平缓。EUTS对边缘用户采取了二次调度,性能优于SFR,EFTR避免了用户移动性的问题,也不用考虑边缘分布不均,并且可以调用整个频率段最好的资源块,所以EFTR的吞吐量是最大的。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。