CN106792722A - 基于中介区域的分层异构lte系统分数频率复用方法 - Google Patents

基于中介区域的分层异构lte系统分数频率复用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法，根据需要将宏小区分为K个扇区，然后由内向外将宏小区划分为中心区域、中介区域和边缘区域，共计3K个子区域，首先对各个子区域中的宏基站用户MUE进行频谱分配，然后对各个子区域中的次级基站FBS进行频谱分配，采用本发明设置的频谱分配原则所完成的频谱分配，可以在保证频谱利用率的同时降低干扰，提高系统吞吐量。

Description

基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法
技术领域
本发明属于分层异构LTE通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法。
背景技术
随着LTE系统在现实生活中的广泛部署，为了提高小区边缘用户服务质量和小区吞吐量，低传输功率的次级基站(Femto-Cell Basestation,FBS)和宏基站(Macro-CellBasestation,MBS)共存的分层异构网络方案得到了广泛地应用。次级基站FBS使用移动网络运营商的授权频段，并且能够部署不同子带分别分配给宏小区和次级小区的正交模式从而避免干扰，但随之而来的代价是低网络容量和低频谱利用率。次级基站也可部署为以高跨层干扰为代价的、宏基站和次级基站共享频谱资源的共信道模式，从而改善网络吞吐量。但无论哪种模式，如何解决次级基站和宏基站之间的干扰始终是分层异构LTE网络能否成功部署的关键。
分数频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)技术作为一种有较高关注度和效率的正交频分多址干扰协调技术以其低复杂度、最小信令开销和高小区覆盖率而广泛应用于分层异构蜂窝网络中。分数频率复用的基本机制是将整个频谱分为多个子带，每个子带分别分配给不同的宏小区或者一个宏小区中不同的区域。这样达到的效果是宏基站和次级基站的频谱资源之间没有重叠，那么宏基站和次级基站之间的干扰也随之减少。目前主流FFR方案更加倾向于将宏小区内分为不同区域，然后根据不同区域干扰的不同而采取相应频率复用因子(Frequency Reuse Factor,FRF)的FFR方案。
图1是宏小区区域划分示意图。如图1所示，目前的宏小区划分是根据距离中心宏基站距离划分为中心区域(Center Region,CR)和边缘区域(Edge Region,ER)。在中心区域和边缘区域中使用不同的频谱，这种方案降低了边缘区域用户的干扰，提升了小区边缘用户的服务质量。但是这种方案频率利用率低下，极大程度上削弱了小区负载能力和应对用户突发增加的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法，将宏小区区域进行扇区划分，并由内向外划分为中心区域、中介区域和边缘区域，对每个子区域中宏基站用户和次级基站进行频谱划分，在保证频谱利用率的同时降低干扰，提高系统吞吐量。
为实现上述发明目的，本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法包括以下步骤：
S1：在宏小区区域内，根据需要将宏小区分为K个扇区，K≥1，然后将与宏小区中心距离在[0,r1]范围内的区域作为中心区域，将与宏小区中心距离在(r1,r2]范围内的区域作为中介区域，剩余区域作为边缘区域，划分得到3K个子区域，其中r1＜r2＜R，R表示宏小区的半径；
S2：对各个子区域中的宏基站用户MUE进行频谱分配，分配原则为：K个扇区的中心区域内的宏基站用户MUE统一采用一个子带，每个扇区的中介区域和边缘区域中的宏基站用户MUE采用一个子带，且与中心区域、相邻扇区的中介区域和边缘区域不同；
S3：对各个子区域中的次级基站FBS进行频谱分配，分配原则为：每个扇区的中心区域和中介区域内的次级基站FBS采用与该扇区和相邻扇区内宏基站用户MUE不同的子带，每个扇区的边缘区域内的次级基站FBS采用与该扇区的边缘区域内宏基站用户MUE不同的子带。
本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法，根据需要将宏小区分为K个扇区，然后由内向外将宏小区划分为中心区域、中介区域和边缘区域，共计3K个子区域，首先对各个子区域中的宏基站用户MUE进行频谱分配，然后对各个子区域中的次级基站FBS进行频谱分配，采用本发明设置的频谱分配原则所完成的频谱分配，可以在保证频谱利用率的同时降低干扰，提高系统吞吐量。
附图说明
图1是本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法的具体实施方式流程图；
图2是本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法的具体实施方式流程图；
图3是本实施例中6扇区的宏小区区域划分示意图；
图4是本实施例中频谱分配示意图；
图5是本实施例中19小区网络的结构图；
图6是本实施例中19小区网络内宏基站用户MUE和次级基站FBS分布图；
图7是不同FFR方法下目标小区中次级基站用户FUE总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图；
图8是不同FFR方法下目标小区宏基站用户MUE总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图；
图9是不同FFR方法下系统总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法的具体实施方式流程图。如图2所示，本发明基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法包括以下步骤：
S201：宏小区区域划分：
在宏小区区域内，根据需要将宏小区分为K个扇区，K≥1，然后将与宏小区中心距离在[0,r1]范围内的区域作为中心区域，将与宏小区中心距离在(r1,r2]范围内的区域作为中介区域，剩余区域作为边缘区域，其中r1＜r2＜R，R表示宏小区的半径。可见，根据本发明中的区域划分方法，会将宏小区划分为3K个子区域，即K个扇区，每个扇区各有一个中心区域、中介区域和边缘区域。中心区域为一个圆形区域，其半径r1的取值范围一般为0.25R≤r1≤0.5R，中介区域为一个环形区域，其内半径为r1，外半径r2的取值范围一般为0.5R＜r2≤0.75R。
本实施例中以K＝6、r1＝0.45R、r2＝0.6R为例，说明本发明中宏小区区域划分的具体实现。图3是本实施例中6扇区的宏小区区域划分示意图。如图3所示，本实施例中将宏小区划分为6个扇区，由X1至X6表示，由内向外划分为三个区域：中心区域、中介区域和边缘区域，因此总共划分得到18个子区域。
S202：宏基站用户频谱分配：
子区域频谱分配主要分为宏基站用户MUE的频谱分配和次级基站FBS的频谱分配，首先进行各个子区域中宏基站用户MUE的频谱分配，然后再对次级基站进行频谱分配。
由于中心区域中的宏基站用户MUE与宏基站MBS距离近，能够保证较好的服务质量，因此K个扇区的中心区域内的宏基站用户MUE统一采用一个子带。为了避免同层干扰，每个扇区的中介区域和边缘区域中的宏基站用户MUE采用一个子带，且与中心区域、相邻扇区的中介区域和边缘区域不同。
图4是本实施例中频谱分配示意图。如图4所示，本实施例中将所有频谱资源划分为7个子带，分别为A、B、C、D、E、F、G。假定将A子带分配给K个扇区的中心区域内的宏基站用户MUE。然后以扇区X1为例，其中介区域和边缘区域内的宏基站用户MUE不与中心区域相同，因此采用B子带。为了与扇区X1没有频谱重叠，与扇区X1相邻的扇区X2和X6的中介区域和边缘区域内的宏基站用户MUE不能使用A、B子带，因此扇区X2和X6的中介区域和边缘区域内的宏基站用户MUE分别使用G子带和C子带，以此类推，再分配其他扇区的中介区域和边缘区域内的宏基站用户MUE使用的子带。
S203：次级基站频谱分配：
对于次级基站FBS而言，每个扇区的中心区域和中介区域内的次级基站FBS采用与该扇区和相邻扇区内宏基站用户MUE不同的子带，从而减少同扇区和相邻扇区内宏基站MBS与次级基站FBS之间的跨层干扰。而为了保证边缘区域的频谱利用率，每个扇区的边缘区域内的次级基站FBS采用与该扇区的边缘区域内宏基站用户MUE不同的子带。
由于次级基站FBS的频谱分配原则相对于宏基站用户MUE更加宽松，因此根据频谱子带的划分，每个子区域内的次级基站FBS存在可选子带集，该子区域内的次级基站FBS可以在可选子带集中任意选择一个子带。
那么次级基站FBS进行频谱分配时，可以先根据其频谱分配原则获取其可选子带集，然后查询获取其周围预设范围内各个邻近次级基站FBS的子带信息，在可选子带集中选择在邻近次级基站FBS中被使用次数最少的子带作为其使用的子带。
同样如图4所示，根据以上分配原则，扇区X1内中心区域和中介区域的次级基站FBS应当避免使用A、B、C、G子带，那么其可选子带集为{D、E、F}，边缘区域的次级基站FBS应当避免使用B子带，那么其可选子带集为{A、C、D、E、F、G}。以此类推，再分配其他扇区的各个区域内的次级基站FBS使用的子带。根据图4所示的频谱分配结果可以看出，采用本发明所完成的频谱分配，每个子带都得到了较为充分的利用，其频谱利用率相对较高。
根据以上子区域频谱分配方案可知，中介区域位于中心区域和边缘区域之间，导致其频谱分配原则应该兼具以上两个区域的特点。对于宏基站用户MUE，中介区域内的宏基站用户MUE与边缘区域类似，与宏基站MBS较远，因此采用与边缘区域内的宏基站用户MUE相同的频谱分配方案。而对于次级基站FBS而言，中介区域一方面与中心区域交界，另一方面与相邻扇区的宏基站用户MUE临近，应该考虑两方面干扰问题：一是避免中心区域和中介区域之间互相的跨层干扰，二是避免中介区域和相邻扇区之间的同层干扰和跨层干扰，因此次级基站FBS采用与中心区域内的次级基站FBS相同的频谱分配方案。
为了更好地说明本发明的技术方案，采用一个具体实例进行仿真验证。本实施例中采用19小区网络。图5是本实施例中19小区网络的结构图。如图5所示，在本实施例中所采用的19小区网络中，每个小区宏基站MBS均部署于小区中心，系统的中心小区0也就是目标小区，其宏基站MBS位于坐标原点(0,0)并被18个临近小区环绕。设计19小区模型的目的是使仿真结果更准确，尽可能逼近现实环境，但是在实际环境中的小区数量远大于19小区，考虑到运行能力和仿真时间必须在可接受范围内，19小区模型是比较合适的方案。表1是19小区系统参数表。
表1
在19小区网络内，随机撒点生成宏基站用户MUE和次级基站FBS。图6是本实施例中19小区网络内宏基站用户MUE和次级基站FBS分布图。如图6所示，其中黑点表示宏基站用户MUE，灰点表示次级基站FBS。根据宏基站用户MUE和次级基站FBS的位置，即可知道其在对应宏小区中所位于的子区域，从而得到其所采用的子带信息。
仿真验证所采用的信道模型如下：
根据3GPP典型的城市信道模型，系统信道的路径损耗根据不同的场景有所不同，根据服务链路和干扰链路的不同，主要的信道路径损耗公式如下，其中MUE表示宏基站MBS的用户，FUE表示次级基站FBS的用户。
1)MUE与MBS之间的路径损耗(服务链路、干扰链路)PLM为：
PLM＝28+35log10(d)dB
2)FUE与FBS之间的路径损耗(服务链路)PLF：
其中d表示FUE与FBS之间的路径长度。
3)FUE与其他FBS之间的路径损耗(干扰链路)PL′M：
4)FUE与MBS之间的路径损耗(干扰链路)PL′F：
FUE与MBS的路径由两部分组成，d1为室外路径长度，d2为室内路径长度。其路径损耗公式为：
以上路径损耗单位均为dB，距离单位均为“米”。
决定系统吞吐量的关键因素是用户使用的子载波信噪比大小。对于分层异构LTE系统，干扰由同层干扰和跨层干扰共同构成，而细分到子载波上可将这种干扰定性为来自宏基站MBS的干扰和次级基站FBS的干扰，除此之外还应该考虑白噪声干扰。那么对于一个宏基站用户，其所使用的子载波k上的信噪比可以表示为：
其中，分子为信号功率，表示宏基站MBS在子载波k上的载波功率，表示宏基站用户与对应宏基站MBS之间的路径损耗，属于服务链路的路径损耗。分母由三部分构成，N0Δf表示白噪声功率，由于是针对子载波进行性能分析，那么一个子载波的白噪声只与其载波间隔和白噪声功率谱密度有关，表示子载波k受到的所有来自其他宏基站MBS的干扰，M′表示除用户服务链路的宏基站MBS之外，其他对其产生干扰的宏基站MBS。同理表示受到的来自次级基站FBS对子载波k的干扰，F表示对其产生干扰的次级基站FBS。其中与分别表示宏基站MBS和次级基站FBS在子载波k上的载波功率，和分别表示宏基站MBS和次级基站FBS在子载波k上的路径损耗。
同理可以得出次级基站用户f在子载波k上的信噪比可以表示为
可见干扰主要来自于除服务链路的次级基站FBS之外的所有次级基站F′和所有的宏基站M。
根据各个宏基站用户MUE在每个子载波上的信噪比，即可计算得到信道容量，将所有宏基站用户MUE在各个子载波上信道容量求和，即可得到宏基站用户MUE的总吞吐量。采用同样的方法即可计算得到次级基站用户FUE的总吞吐量。将宏基站用户MUE的总吞吐量和次级基站用户FUE的总吞吐量相加，即可得到系统总吞吐量。
为了体现本发明的技术优势，本次仿真验证中采用无FFR方法(NO_FFR)、硬FFR方法(S_FFR)、FFR3方法、FFR6方法作为对比算法。对于本发明，分别设置扇区数K＝3、K＝6，即采用3扇区(FFR3-R)和6扇区(FFR6-R)两种方式进行仿真验证。下面分别对本次仿真验证中的每个方法进行简要说明。
●无FFR方法
在无FFR方法中，分层异构LTE系统的所有的宏基站MBS和次级基站FBS均使用相同的授权频谱。
●硬FFR方法
在硬FFR方法中，分层异构LTE系统的由于小区被区分成中心区域和边缘区域，同时中心区域和边缘区域中的宏基站MBS与次级基站FBS均使用不同的频段。
●FFR3方法和FFR6方法
在FFR3方法和FFR6方法中，宏小区除了被区分为中心区域、边缘区域之外，整体上又分别被划分为3个和6个扇区，每个扇区中的宏基站用户MUE的服务均是通过定向天线来实现的，每个扇区的边缘区域内宏基站用户MUE所采用的子带与中心区域的宏基站用户MUE不同，每个扇区的中心区域内次级基站FBS所采用的子带与该扇区内宏基站用户MUE不同，每个扇区的边缘区域内次级基站FBS所采用的子带与该区域内宏基站用户MUE不同。
●FFR3-R方法和FFR6-R方法
FFR6-R方法即采用图4所示的频谱分配方法。FFR3-R方法与FFR6-R类似，只是其扇区划分为3个，即总共划分得到的子区域为9个，同样按照本发明分数频率复用方法的频谱分配原则进行频谱分配。
为了获取在不同数量的次级基站下系统吞吐量性能变化，本次仿真验证分别在次级基站FBS的数量为30、60、90和120这4中场景下进行了仿真并获取数据，得到系统性能变化趋势。
图7是不同FFR方法下目标小区中次级基站用户FUE总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图。根据图7所示可以得出以下结论：1)次级基站用户FUE总吞吐量随次级基站FBS数量的增加而上升；2)随着次级基站FBS的增加，次级基站FBS之间的同层干扰上升，次级基站用户FUE总吞吐量上升趋势变缓；3)FFR3方法与FFR6方法对比可以得出，扇区数量由3增加为6可进一步降低系统的跨层干扰，在次级基站FBS数量为60时，次级基站用户FUE吞吐量由58.4Mbps上升到69.6Mbps，系统次级基站用户FUE吞吐量上升约19％；4)分别对比FFR3方法与FFR3-R方法、FFR6方法与FFR6-R方法可得出，中介区域的引入降低了次级基站用户FUE跨层干扰，提高了次级基站用户FUE吞吐量；5)本发明FFR方法(FFR3-R方法和FFR6-R方法)在不同次级基站FBS数量情况下均表现出了最好的系统性能。
图8是不同FFR方法下目标小区宏基站用户MUE总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图。根据图8可以得出以下结论：1)宏基站用户MUE总吞吐量随次级基站FBS的数量上升下降，其原因主要在于次级基站FBS增加使得对宏基站用户MUE跨层干扰增加；2)FFR3方法与FFR6方法对比可以得出，扇区数量由3增加为6可进一步降低系统的跨层干扰，在次级基站FBS数量为60时，宏基站用户MUE总吞吐量由26.8Mbps上升到62.4Mbps，系统宏基站用户MUE吞吐量上升133％，这是由于宏基站用户MUE受到来自宏基站MBS的同层干扰大幅减少；3)分别对比FFR3方法与FFR3-R方法、FFR6方法与FFR6-R方法可得出，中介区域的引入降低了宏基站用户MUE跨层干扰；4)本发明FFR方法(FFR3-R方法和FFR6-R方法)在不同次级基站FBS数量情况下均表现出了最好的系统性能。
综合以上系统中宏基站用户MUE和次级基站用户FUE吞吐量，可以得到系统总吞吐量随次级基站FBS数量增加变化趋势。图9是不同FFR方法下系统总吞吐量随次级基站FBS数量的变化趋势图。如图9所示，可以明显看出本发明FFR方法(FFR3-R方法和FFR6-R方法)较其他方案有很大系统吞吐量的提升，可见本发明较现有技术具有明显的技术优势。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于中介区域的分层异构LTE系统分数频率复用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在宏小区区域内，根据需要将宏小区分为K个扇区，K≥1，然后将与宏小区中心距离在[0,r1]范围内的区域作为中心区域，将与宏小区中心距离在(r1,r2]范围内的区域作为中介区域，剩余区域作为边缘区域，划分得到3K个子区域，其中r1＜r2＜R，R表示宏小区的半径；
S2：对各个子区域中的宏基站用户MUE进行频谱分配，分配原则为：K个扇区的中心区域内的宏基站用户MUE统一采用一个子带，每个扇区的中介区域和边缘区域中的宏基站用户MUE采用一个子带，且与中心区域、相邻扇区的中介区域和边缘区域不同；
S3：对各个子区域中的次级基站FBS进行频谱分配，分配原则为：每个扇区的中心区域和中介区域内的次级基站FBS采用与该扇区和相邻扇区内宏基站用户MUE不同的子带，每个扇区的边缘区域内的次级基站FBS采用与该扇区的边缘区域内宏基站用户MUE不同的子带。
2.根据权利要求1所述的分层异构LTE系统分数频率复用方法，其特征在于，所述步骤S1中r1的取值范围为0.25R≤r1≤0.5R，r2的取值范围为0.5R＜r2≤0.75R。
3.根据权利要求1所述的分层异构LTE系统分数频率复用方法，其特征在于，所述步骤S3中次级基站FBS进行频谱分配时，先根据分配原则获取其可选子带集，然后查询获取其周围预设范围内各个次级邻近次级基站FBS的子带信息，在可选子带集中选择在邻近次级基站FBS中被使用次数最少的子带作为其使用的子带。
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