CN110972312B - 一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法 - Google Patents

Abstract

一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，属于无线通信技术领域。首先，收集信息与建立模型。其次，提出两种干扰协调方法，设定干扰协调参数ρ≥1，静默被认定为强干扰源的邻居毫米波基站在指定时频资源块上的信息传输。再次，干扰协调参数选取，基于步骤一收集的信息和建立的模型及步骤二提出的两种干扰协调方法，基于随机几何理论对蜂窝用户关键性能指标予以评估，通过调节干扰协调参数使得目标性能指标达到用户的服务质量要求，确定适用于当前目标网络的干扰协调参数作为执行步骤四的前提条件。最后，实施干扰协调方案。本发明能够对毫米波频段的小区间干扰进行有效抑制，保证毫米波蜂窝用户的通信服务质量，减少用户负担，显著降低骨干网的负荷。

Description

一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法。

背景技术

相对于第四代移动通信网络(4G)，面向2020年的第五代移动通信网络(5G)其峰值速率需要提升10倍，达到10Gbps，用户可获得速率达到10Mbps，特殊用户需求可达100Mbps。5G能够实现如此高的数据传输速率，与它背后使用的各种新技术和标准是分不开的。毫米波技术的使用无疑是最关键的环节。毫米波是一种波长在1-10mm之间的电磁波，频率在30-300GHz之间，是5G通信的主要频带之一。目前4G的频谱资源非常稀缺，中国移动作为中国具有最丰富的频谱资源的运营商，也只有130MHz的频谱资源。相比之下，毫米波频谱资源非常丰富，有望显著提高数据传输速率，因而受到了学术界与工业界的广泛关注。

与传统的微波通信相比，毫米波具有其独特的新特性且在通信中易受到环境因素的限制，因此给毫米波蜂窝网络的部署及运营带来了极大挑战。首先，由于毫米波波长短，衍射能力不强，对建筑物的穿透能力几乎没有，因此在遇到障碍物时信号传播极易受阻。为了解决该问题，毫米波站点的部署将会十分地密集，通过缩短对用户的服务距离来保证覆盖和传输速率的需求。其次，毫米波信号在传播过程中易被空气中的水分子、氧分子吸收，导致能量严重哀减，传播范围非常有限。为了克服上述困难，目前相对成熟的解决方案是在收、发端装备大规模天线阵列，通过波束成形技术来对抗高频产生的严重衰落，从而保证有用信号强度。然而，提高站点密度也会加重相邻小区间的干扰，使得用户的通信性能下降。因此，基站间的协调调度则成为了有效抑制密集部署的毫米波蜂窝小区间干扰的重要手段。

一种管理小区干扰的方法是对多小区进行联合资源(包括时间或频率或空间等维度上)分配，以优化系统总速率或吞吐量为目标(参考文献：W.Zhang,Y.Wei,S.Wu,W.Meng,and W.Xiang,“Joint beam and resource allocation in 5G mmWave small cellsystems,”IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.68,no.10,pp.10 272–10277,Oct 2019.)。然而，多小区资源分配的优化问题通常是非凸问题，这使得最优解(或次优解)需要采用迭代式的搜索方法获得，致使算法的复杂度急剧升高。此外，基于优化理论所提的资源分配算法的复杂度与优化问题的变量数成正比，其中涉及的参与协调调度的基站数，毫米波丰富的频谱资源以及大规模天线阵列大小等因素使得优化变量数远超于传统微波蜂窝网络，导致优化算法复杂度过高而难以实现。因此，毫米波网络场景下资源分配优化算法的复杂度限制了对应算法的实际应用。

另一种管理小区间干扰的方法是小区间干扰协调技术，主要是通过协调相邻基站的资源分配以提升用户的有用接收信号强度或降低干扰信号强度，从而达到提高用户性能(信干噪比、传输速率)的目的，其中干扰协调技术包括联合传输技术(参见文献：D.Maamari,N.Devroye,and D.Tuninetti,“Coverage in mmWave cellular networkswith base station co-operation,”IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.15,no.4,pp.2981–2994,April 2016.)，动态基站选择技术(参见文献：C.Skouroumounis,C.Psomas,and I.Krikidis,“Low-complexity base stationselection scheme in mmwave cellular networks,”IEEE Transactions onCommunications,vol.65,no.9,pp.4049–4064,Sep.2017.)和基站静默技术(参见文献：J.Yoon and G.Hwang,Distance-based inter-cell interference coordination insmall cell networks:Stochastic geometry modeling and analysis[J].IEEETransactions on Wireless Communications,2018,17(6):4089–4103.)。联合传输和动态基站选择虽然可以显著提升信干噪比性能，但要求所有参与资源协调的基站预先共享需要传输给用户的非信令数据，从而严重增加了骨干网的负荷，限制了其在骨干链路容量受限场景的应用。相比之下，基站静默技术仅需要用户的服务基站通知邻居干扰基站静默指定的一些资源块(所述静默具体指通知对应基站在指定(时间/频率/空间)资源上停止发送信号)，使得用户在使用这些资源进行数据传输时免受邻居基站的干扰。这种基站静默技术的优势在于仅需要通过骨干网传输较少的信令数据，不会对其产生严重的负荷。

当基站静默技术应用于传统微波蜂窝网络的干扰协调时，仅需要基于距离判断邻居基站是否为主要干扰源并通知邻居基站进行静默处理，以防止近距离邻居基站的强干扰。然而，由于毫米波信号的一些独有特性(例如高传播损耗、易受遮挡、定向传播等)，现有的小区间干扰协调技术无法直接应用于毫米波频段。最关键的不同在于，在毫米波蜂窝网络中某一小区的基站是否为主要干扰源不再仅仅取决于距离或小尺度衰落，它还与干扰波束的实际功率增益以及干扰链路是否为视距传播有着密切的关系。换句话说，毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调调度要比传统的蜂窝网络复杂很多。而目前为止，尚未提出一个适用于毫米波蜂窝网络的能够协调那些真正产生严重干扰的小区基站的有效方法。基于此，本发明提出一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法。具体地，该方法涉及两个不同的干扰协调方案，分别应对不同的应用场景及性能需求，可根据实际情况进行自适应调度，以提升所提方案的鲁棒性、灵活性以及普适性。其中，方案一是仅根据信道传播模型中的路径损耗及遮挡效应信息对相邻的干扰基站进行静默。方案二是联合考虑信道传播中的损耗以及定向阵列增益来对相邻干扰基站进行静默。方案一相比方案二简单且适用于提高单个用户的通信性能，但它是以牺牲网络整体性能为代价的；方案二虽比方案一稍显复杂，但能够在单个用户性能与网络整体性能中取得一个良好的折中。

由于本发明提出的干扰协调方案是由两个具体的方案通过自适应动态调度来完成的，而这两个方案各自有其优缺点，需要根据实际情况及时评估以便灵活调度。因此，本发明提出了一个基于随机几何理论的匹配分析方法，给出方案一与方案二的单个用户成功概率以及网络整体用户的平均成功概率的计算方法，用于快速评估出某一具体应用场景及性能需求下的最优干扰协调方法。

发明内容

密集部署毫米波站点会带来非常严重的小区间干扰，造成用户通信性能的降低。针对上述问题，本发明提出一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，并且提出一个与之相匹配的性能评估与优化方法。这种干扰协调方式适用于毫米波网络，对小区间干扰能够有效地抑制，同时不对骨干网产生严重的负荷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，包含以下步骤：

步骤一：信息收集与模型建立

步骤1.1收集信息：根据信息来源的不同，毫米波基站收集信息过程主要包括两个过程：

1)用户向基站反馈其对所发起业务的服务质量要求(Quality of Service,QoS)，其中所述服务质量要求包括信干比(Signal-to-interference ratio,SIR)门限要求θ，传输可靠性要求ε，传输速率要求τ等。

2)基站通过网络侧获取其他系统信息，包括路径损耗模型

基站密度λ_b、天线阵列的主瓣增益G_m、旁瓣增益G_s、半功率波束宽度

信道条件为LOS传播的比例p_L以及LOS传播的最大距离R。所述的路径损耗模型为

α_x是位于x的基站到用户的路径损耗指数α_x＞2，并且路径损耗指数取决于基站到用户传播链路是LOS还是NLOS链路，其中LOS链路的路损指数为α_L和NLOS链路的路损指数为α_N。小尺度信道衰落为Nakagami衰落，即衰落因子h_x服从伽马分布，其中LOS链路的伽马分布参数为M_L和NLOS链路的伽马分布参数为M_N。

步骤1.2模型建立：依据收集的基站密度将毫米波基站的位置建模为密度是λ_b的泊松点过程Φ。毫米波基站到用户的传播信道条件建模为LOS球遮挡模型，其中当信道传播距离大于R时，信道条件为NLOS传播链路；当信道传播距离小于等于R时，信道条件以概率p_L为LOS传播链路而以概率1-p_L为NLOS传播链路。根据收集信息中的主瓣增益、旁瓣增益和半功率波束宽度，建立毫米波基站的平顶天线阵列方向图模型：

其中，

是发送波束所对应的到达角相对于天线阵列孔径方向的夹角。在该模型下，用户被最大参考接收信号强度的毫米波基站服务。

所述参考接收信号强度是由毫米波基站以最大的阵列增益发送信号而在接收端检测出的信号强度。因此由从毫米波基站到用户的阵列增益和路径损耗决定的，表示为：

其中，毫米波基站的位置为x，用户的位置为y，

为毫米波基站到用户的路径损耗。

步骤二：干扰协调方法

设定干扰协调参数ρ≥1，其中该参数用于决定某个邻居毫米波基站是否为强干扰源。所提干扰协调方法的核心思想就是静默那些被认定为强干扰源的邻居毫米波基站在指定时频资源块上的信息传输(即不发送数据)。所述指定时频资源块具体指服务基站分配给用户的用于传输数据的时频资源块。通过上述静默机制，可有效降低用户所受的来自邻居毫米波基站的干扰，进而提高用户通信的可靠性。

具体地，某用户通过周期性测量服务毫米波基站和邻居毫米波基站的下行同步信号，得到服务毫米波基站的物理IDx₀和参考接收信号强度ζ₀，以及该用户能够测量到的邻居毫米波基站的物理IDx_n和参考接收信号强度ζ_n，其中n＝1,2,...,N,N≥1。

当在轻负载毫米波蜂窝网络场景中，采用第一种干扰协调方法，具体为：仅根据信道传播模型中的路径损耗及遮挡效应信息依次对用户能够测量到的相邻干扰基站x_n，n＝1,2,...,N,N≥1，判断是否需要静默。也就是说，若满足ζ₀＜ρζ_n，则对邻居毫米波基站x_n在服务毫米波基站x₀给用户分配的时频资源块上进行静默。若不满足，则不对该邻居毫米波基站进行静默。依次对用户能够测量到的所有邻居毫米波基站执行上述操作。

当在重负载毫米波蜂窝网络场景中，采用第二种干扰协调方法，具体为：联合考虑信道传播中的损耗以及定向阵列增益来依次对用户能够测量到的相邻干扰基站x_n，n＝1,2,...,N,N≥1，判断是否需要静默。具体来说，若满足G_mζ₀＜ρG_sζ_n，则对邻居毫米波基站x_n在服务毫米波基站x₀给用户分配的时频资源块上进行静默。若不满足，则不对该邻居毫米波基站进行静默。依次对用户能够测量到的所有邻居毫米波基站执行上述操作。

步骤三：干扰协调参数选取

由步骤二可以看出，所提两种干扰协调方法是分别针对两种不同的应用场景。同时，针对不同的实际网络，用户可测量的邻居基站数目N也不同，需要结合恰当的评估手段对上述干扰协调方法中的干扰协调参数ρ进行合理选取和优化。也就是说，所述干扰协调参数不是一成不变的，根据实际网络的具体情况不同(取决于步骤一收集到的信息)，对当前网络的最佳干扰协调参数值的选取也将不同。因此，步骤三的主要目的是基于步骤一所收集的信息和建立的模型以及步骤二提出的两种干扰协调方法，基于随机几何理论对蜂窝用户关键性能指标予以评估，通过调节干扰协调参数使得目标性能指标达到用户的服务质量要求，确定适用于当前目标网络的干扰协调参数作为执行步骤四的前提条件。

所述干扰协调参数的设置具体为在ρ≥1范围内，即从起始值1开始选取并逐步增加，用于分析在给定干扰协调参数大小的情况下，蜂窝用户在采用所提干扰协调方法所能够获得的性能，并判断是否满足用户的服务质量要求，最终选取能够满足用户的服务质量要求的干扰协调参数。

所述关键性能指标依具体场景及需求而定：1)在轻负载网络场景下，关键性能指标包括用户的传输成功概率(可靠性)和平均传输速率；2)在重负载网络场景下，关键性能指标包括归一化吞吐量和网络吞吐量。所列关键性能指标均可通过基于SIR的统计分布和经过简单变换变形而得到。

所述基于SIR的统计分布在本发明中具体为采用随机几何理论，根据步骤一所建立的模型以及步骤二提出的两种具体的干扰协调方法，对毫米波蜂窝用户的SIR统计特性进行分析，该分析是选取和优化协调参数ρ的依据，是能够针对实际的具体网络情况进行切实有效的干扰抑制操作的关键环节。具体过程如下：

3.1)采用静默方案一，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中θ为SIR门限(是用户上报的一个反映服务质量要求的参数)，L和N分别表示LOS和NLOS链路；M_k表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标k，当k＝L时，M_k＝M_L，当k＝N时，M_k＝M_N；λ_k和λ_i表示毫米波基站的密度，它们的取值分别取决于下标k和i，当下标取值为L时，λ_k和λ_i取值为λ_L＝p_Lλ_b表示与典型用户传播链路是LOS链路的毫米波基站密度；当下标取值为N时，λ_k和λ_i取值λ_N＝(1-p_L)λ_b表示与典型用户传播链路是NLOS链路的毫米波基站密度；α_i和α_k是路损指数，它们的取值取决于下标i和k，当下标取值为L时，α_i和α_k取值为α_L，当下标取值为N时，α_i和α_k取值为α_N；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；η_k(r,u)是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且η_k(r,u)的表达式为:

其中L和N分别表示LOS和NLOS链路；m和s分别表示波束主瓣和波束旁瓣；M_i表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标i，当i＝L时，M_i＝M_L，当i＝N时，M_i＝M_N；G_j表示波束增益，它的取值取决于下标j，当j＝m时，G_j＝G_m，当j＝s时，G_j＝G_s；w_j是波束主瓣或旁瓣的比例，它的取值取决于下标j，当j＝m时，

表示波束主瓣的角度比例，当j＝s时，

表示波束旁瓣的角度比例；u为Laplace变换的变量；t为积分变量。

是

关于变量u的第l阶导数；对于

可以采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数。

基于典型用户的信干比的互补累计分布函数，可以得到静默方案一下用户的平均可达速率

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量可表示为

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求。

由归一化吞吐量，可得采用方案一时网络吞吐量为T(θ，ρ)＝H(θ，ρ)log₂(1+θ)。

3.2)采用静默方案二，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中M_k，λ_k，λ_i，α_i和α_k的物理意义和取值的规则与静默方案一中的物理意义和取值规则一致；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；

是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且

的表达式为

其中M_i，G_j，w_j的物理意义和取值规则与静默方案一中的物理意义和取值规则一致；u为Laplace变换的变量；t为积分变量。

是

关于变量u的第l阶导数；对于

采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数。

同样地，基于典型用户的信干比的互补累计分布函数，可以得到静默方案二下用户的平均可达速率

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量可表示为

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求；

由归一化吞吐量，可得采用静默方案二时的网络吞吐量T(θ，ρ)＝H(θ，ρ)log₂(1+θ)。

所述轻、重负载网络场景，则由基站从网络侧获取的关于各小区的用户业务量大小与小区的资源数的比例进行判定。若该比例大于某个预设阈值(如0.5)，则表示重负载场景。反之，则为轻负载场景。

所述用户的服务质量要求是指用户所提的在一定SIR门限达到的传输成功概率(可靠性)不小于1-ε，用户的平均可达速率不小于要求的平均可达速率等。

步骤四：实施干扰协调方案

步骤4.1)用户对服务毫米波基站和邻居毫米波基站下行同步信号进行周期性检测，得到服务毫米波基站的物理ID x₀和参考接收信号强度ζ₀，以及邻居毫米波基站的物理IDx₁,x₂,…,x_N和参考接收信号强度ζ₁,ζ₂,…,ζ_N，其中N为可检测到的邻居毫米波基站个数，并将其反馈给用户的服务毫米波基站。

步骤4.2)用户的服务毫米波基站根据参考接收信号强度、步骤三选取的干扰协调参数和分配给用户的时频资源块，按照步骤二的干扰协调方法确定需要静默的邻居毫米波基站集合，并通过骨干网链接通知该集合的毫米波基站需要静默的具体时频资源块。

步骤4.3)邻居毫米波基站收到静默通知后，停止在需要静默的时频资源块上发送数据。

本发明的有益效果为：本发明所提出的毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法及所提出的匹配分析评估方法能够对毫米波频段的小区间干扰进行有效抑制，保证毫米波蜂窝用户的通信服务质量。同时，所提干扰协调及其评估方法具有简单、快捷的优势，对用户来说是透明的，不需要用户进行额外的测量与汇报，减少用户负担。此外，所提干扰协调仅需要服务毫米波基站与邻居毫米基站进行信令上的沟通，不需要进行用户数据的交互，显著降低骨干网的负荷。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2(a)是本发明的基站侧工作流程图。

图2(b)是本发明的用户侧工作流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，包含以下步骤：

步骤一：信息收集与模型建立

步骤1.1收集信息：根据信息来源的不同，毫米波基站收集信息过程主要包括两个过程：1)用户向基站反馈其对所发起业务的服务质量要求，其中所述服务质量要求包括信干比门限要求θ，传输可靠性要求ε，平均速率要求等。2)基站通过网络侧获取其他系统信息，包括路径损耗模型

基站密度λ_b、天线阵列的主瓣增益G_m、旁瓣增益G_s、半功率波束宽度

信道条件为LOS传播的比例p_L和LOS传播的最大距离R。所述的路径损耗模型为

α_x是位于x的基站到用户的路径损耗指数α_x＞2，并且路径损耗指数取决于基站到用户传播链路是LOS还是NLOS链路，其中LOS链路的路损指数为α_L和NLOS链路的路损指数为α_N。小尺度信道衰落模型，以Nakagami衰落为例，即衰落因子h_x服从伽马分布，其中LOS链路的伽马分布参数为M_L和NLOS链路的伽马分布参数为M_N。

步骤1.2模型建立：依据收集的基站密度将毫米波基站的位置建模为密度是λ_b的泊松点过程Φ。毫米波基站到用户的传播信道条件建模为LOS球遮挡模型，其中当信道传播距离大于R时，信道条件为NLOS传播链路；当信道传播距离小于等于R时，信道条件以概率p_L为LOS传播链路而以概率1-p_L为NLOS传播链路。根据收集信息中的主瓣增益、旁瓣增益和半功率波束宽度，建立毫米波基站的平顶天线阵列方向图模型：

其中

是发送波束所对应的到达角相对于天线阵列孔径方向的夹角。在该模型下，用户被最大参考接收信号强度的毫米波基站服务。

步骤二：干扰协调方法

以位于原点的典型用户为例说明，典型用户的服务毫米波基站为：

除去毫米服务基站，其余毫米波基站组成典型用户的干扰集合，表示为Φ^！＝Φ\{x₀}。对于位于x∈Φ^！的干扰毫米波基站，其到典型用户的参考接收信号强度为ζ_x＝G_ml(x)。设定干扰协调参数ρ≥1，本发明针对轻、重负载两种场景提出两个干扰协调方案以降低邻居干扰基站对用户的强干扰。

1)方案一：根据信道传播模型中的路径损耗及遮挡效应信息对相邻的干扰基站进行静默，则静默毫米波基站的集合为：

2)方案二：联合考虑信道传播中的损耗以及定向阵列增益来对相邻干扰基站进行静默，则静默毫米波基站的集合为：

步骤三：干扰协调参数选取

根据用户上报的服务质量要求，毫米基站通过步骤一建立的模型和步骤二提出的干扰协调方案对用户要求的性能指标进行分析，并调节协调参数使得性能指标达到用户的服务质量要求。具体地，本发明以传输成功概率和归一化吞吐量作为用户关于可靠性和传输有效性的服务质量要求，并以平均可达速率和网络吞吐量作为用户关于传输速率的服务质量要求。

所述传输成功概率、归一化吞吐量、平均可达速率、和网络吞吐量四个指标的具体定义和如何根据用户上报的服务质量要求选择干扰协调参数的具体过程如下：

1.传输成功概率

成功概率通常表示为在给定一个信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)门限θ前提下，用户的接收SIR大于该门限的概率。根据用户上报的反映可靠性的参数θ，ε，即用户需要在给定SIR门限θ的条件下达到传输可靠性不小于1-ε。即要求

其中

是在干扰协调参数为ρ时蜂窝用户信干比的互补累计分布函数。由于

是关于ρ的单调增函数，则满足用户服务质量的干扰协调参数选择为

这种选择机制的好处在于能够最小化参与干扰协调的基站数，避免因静默邻居毫米波基站而严重影响邻区用户的服务质量，同时还有效降低骨干网中用于干扰协调的信令传输。

2.平均可达速率

基于固定SIR门限的速率传输模型，可达速率表示为

据用户上报的反映传输速率的参数θ，τ，即用户需要在给定SIR门限θ的条件下达到传输速率不小于τ。即要求：

由于

是关于ρ的单调增函数，则满足用户服务质量的干扰协调参数选择为：

3.归一化吞吐量

由于干扰协调方案实质是对一些强干扰的邻居毫米波基站进行静默操作，因此，一方面通过干扰协调可以提高目标小区典型用户的服务质量，而另一方面也减少了邻居毫米波基站服务自身用户的可用资源。这就使得在重负载的情况下很多用户将无法得到服务，降低网络整体对用户的服务质量。因此，在重负载场景下，需要以归一化吞吐量为目标来进行干扰协调。具体地，归一化吞吐量定义为

其中ξ(ρ)是在干扰协调参数为ρ时，被静默的毫米波基站个数。根据用户上报的反映可靠性的参数θ，ε，用户需要在给定SIR门限θ的条件下达到传输可靠性不小于1-ε，则满足用户服务质量的干扰协调参数选择为

ρ＝argmin{ρ≥1:H(θ，ρ)≥1-ε}.

4.网络吞吐量

基于固定SIR门限的速率传输模型，网络吞吐量表示为

T(θ，ρ)＝H(θ，ρ)log₂(1+θ).

根据用户上报的反映传输速率的参数θ，τ，用户需要在给定SIR门限θ的条件下达到传输速率不小于τ，则满足用户服务质量的干扰协调参数选择为

ρ＝argmin{ρ≥1:H(θ，ρ)log2(1+θ)≥τ}.

在得到不同性能指标的理论表达后，将ρ从起始值1开始选取并逐步增加(以步长为0.1为例，实际中可根据计算资源和复杂度要求进行增减)，直至蜂窝用户在采用所提干扰协调方法下能够获得的性能满足其服务质量要求。选取该满足用户服务质量要求的参数值作为最终执行干扰协调方案的协调参数ρ。需要说明的是，若随着ρ的增大(达到系统预先设定的最大步数)，用户性能指标始终达不到用户的服务质量要求，则说明所提干扰协调方案无法满足用户所提服务质量要求，则终止干扰协调操作。

根据用户传输成功概率、归一化吞吐量、平均可达速率、和网络吞吐量四个指标的定义可知，信干比是反映用户与网络可达性能的一个基本物理量，并且对蜂窝用户的信干比统计特性的分析是实现对上述四个指标评估的必经之路。同时，对静默基站个数的统计特性分析也是实现归一化吞吐量和网络吞吐量的另一个必经之路。因此，接下来将具体展开说明如何基于所建立的点过程模型以及所提出的两种干扰协调方法，对蜂窝用户的SIR统计特性和静默基站个数进行分析。具体过程如下：

3.1)采用静默方案一，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中θ为SIR门限(是用户上报的一个反映服务质量要求的参数)，L和N分别表示LOS和NLOS链路；M_k表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标k，当k＝L时，M_k＝M_L，当k＝N时，M_k＝M_N；λ_k和λ_i表示毫米波基站的密度，它们的取值分别取决于下标k和i，当下标取值为L时，λ_k和λ_i取值为λ_L＝p_Lλ_b表示与典型用户传播链路是LOS链路的毫米波基站密度；当下标取值为N时，λ_k和λ_i取值λ_N＝(1-p_L)λ_b表示与典型用户传播链路是NLOS链路的毫米波基站密度；α_i和α_k是路损指数，它们的取值取决于下标i和k，当下标取值为L时，α_i和α_k取值为α_L，当下标取值为N时，α_i和α_k取值为α_N；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；η_k(r,u)是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且η_k(r,u)的表达式为:

其中L和N分别表示LOS和NLOS链路；m和s分别表示波束主瓣和波束旁瓣；M_i表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标i，当i＝L时，M_i＝M_L，当i＝N时，M_i＝M_N；G_j表示波束增益，它的取值取决于下标j，当j＝m时，G_j＝G_m，当j＝s时，G_j＝G_s；w_j是波束主瓣或旁瓣的比例，它的取值取决于下标j，当j＝m时，

表示波束主瓣的角度比例，当j＝s时，

表示波束旁瓣的角度比例；u为Laplace变换的变量；t为积分变量。

是

关于变量u的第l阶导数；对于

可以采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数。

基于典型用户的信干比的互补累计分布函数，可以得到用户的平均可达速率。

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量可表示为

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求；。

由归一化吞吐量，可得到采用方案一时网络吞吐量。

3.2)采用静默方案二，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中M_k，λ_k，λ_i，α_i和α_k的物理意义和取值的规则与静默方案一中的物理意义和取值规则一致；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；

是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且

的表达式为

其中M_i，G_j，w_j的物理意义和取值规则与静默方案一中的物理意义和取值规则一致；u为Laplace变换的变量；t为积分变量。

是

关于变量u的第l阶导数；对于

采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数。

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量可表示为

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求；。

由归一化吞吐量，可得到采用方案二时的网络吞吐量。

步骤四：干扰协调实施

步骤4.1)用户对服务毫米波基站和邻居毫米波基站下行同步信号进行周期性检测，得到服务毫米波基站的物理ID x₀和参考接收信号强度ζ₀，以及邻居毫米波基站的物理IDx₁,x₂,…,x_N和参考接收信号强度ζ₁,ζ₂,…,ζ_N，其中N为可检测到的邻居毫米波基站个数，并将其反馈给用户的服务毫米波基站。

步骤4.2)用户的服务毫米波基站根据参考接收信号强度、步骤三选取的干扰协调参数和分配给用户的时频资源块，按照步骤二的干扰协调方法确定需要静默的邻居毫米波基站集合，并通过骨干网链接通知该集合的毫米波基站所要静默的时频资源块。

步骤4.3)邻居毫米波基站收到静默通知后，停止在需要静默的时频资源块上发送数据。

从上述说明可以看出，本发明所提出的毫米波蜂窝网络干扰协调方案与现有蜂窝网络(Sub-6G频段)的干扰协调方案有着明显的不同。所提出的方案融入了毫米波的自身特性，如信道的遮挡效应和天线阵列的方向性增益。此外，本发明与毫米波现有的基站协同技术也有明显不同。所提方案不需要毫米波站点间共享需要传输给用户的实际数据，仅需要通过骨干网交换少量的信令信息。该方案操作简单、便于实际系统的实现，同时能够对小区间的干扰进行有效抑制，对于用户来说是透明的，不增加用户的负担。还有很重要的一点，本方案还给出了信干比和静默基站个数的统计特性的精确理论分析结果，为基站侧计算最小干扰协调参数提供了快速、有效且准确的评估方法。基于这两个统计特性还可进一步得到很多实际系统常用的评估指标，例如单用户传输成功概率和单用户可达速率。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：信息收集与模型建立

步骤1.1收集信息：根据信息来源的不同，毫米波基站收集信息过程主要包括两个过程：

1)用户向基站反馈其对所发起业务的服务质量要求；2)基站通过网络侧获取其他系统信息，包括路径损耗模型

基站密度λ_b、天线阵列的主瓣增益G_m、旁瓣增益G_s、半功率波束宽度

信道条件为LOS传播的比例p_L以及LOS传播的最大距离R；所述的路径损耗模型为

α_x是位于x的基站到用户的路径损耗指数且α_x＞2，并且路径损耗指数取决于基站到用户传播链路是LOS还是NLOS链路，其中LOS链路的路损指数为α_L，NLOS链路的路损指数为α_N；小尺度信道衰落为Nakagami衰落，衰落因子h_x服从伽马分布，其中LOS链路的伽马分布参数为M_L，NLOS链路的伽马分布参数为M_N；

步骤1.2模型建立：依据收集的基站密度将毫米波基站的位置建模为密度是λ_b的泊松点过程Φ；毫米波基站到用户的传播信道条件建模为LOS球遮挡模型，其中当信道传播距离大于R时，信道条件为NLOS传播链路；当信道传播距离小于等于R时，信道条件以概率p_L为LOS传播链路而以概率1-p_L为NLOS传播链路；根据收集信息中的主瓣增益、旁瓣增益和半功率波束宽度，建立毫米波基站的平顶天线阵列方向图模型：

其中，

是发送波束所对应的到达角相对于天线阵列孔径方向的夹角；在该模型下，用户被最大参考接收信号强度的毫米波基站服务；

所述参考接收信号强度是由毫米波基站以最大的阵列增益发送信号而在接收端检测出的信号强度，其是由从毫米波基站到用户的阵列增益和路径损耗决定的，表示为：

其中，毫米波基站的位置为x，用户的位置为y，

为毫米波基站到用户的路径损耗；

步骤二：干扰协调方法

设定干扰协调参数ρ≥1，其中该参数用于决定某个邻居毫米波基站是否为强干扰源；所述干扰协调方法的核心为静默被认定为强干扰源的邻居毫米波基站在指定时频资源块上的信息传输，不发送数据；所述指定时频资源块具体指服务基站分配给用户的用于传输数据的时频资源块；

具体地，某用户通过周期性测量服务毫米波基站和邻居毫米波基站的下行同步信号，得到服务毫米波基站的物理IDx₀和参考接收信号强度ζ₀，以及该用户能够测量到的邻居毫米波基站的物理IDx_n和参考接收信号强度ζ_n，其中n＝1,2,...,N,N≥1；

当在轻负载毫米波蜂窝网络场景中，采用第一种干扰协调方法，具体为：仅根据信道传播模型中的路径损耗及遮挡效应信息依次对用户能够测量到的邻居毫米波基站x_n，n＝1,2,...,N,N≥1，判断是否需要静默；也就是说，若满足ζ₀＜ρζ_n，则对邻居毫米波基站x_n在服务毫米波基站x₀给用户分配的时频资源块上进行静默；若不满足，则不对该邻居毫米波基站进行静默；依次对用户能够测量到的所有邻居毫米波基站执行上述操作；

当在重负载毫米波蜂窝网络场景中，采用第二种干扰协调方法，具体为：联合考虑信道传播中的损耗以及定向阵列增益来依次对用户能够测量到的邻居毫米波基站x_n，n＝1,2,...,N,N≥1，判断是否需要静默；具体来说，若满足G_mζ₀＜ρG_sζ_n，则对邻居毫米波基站x_n在服务毫米波基站x₀给用户分配的时频资源块上进行静默；若不满足，则不对该邻居毫米波基站进行静默；依次对用户能够测量到的所有邻居毫米波基站执行上述操作；

步骤三：干扰协调参数选取

基于步骤一所收集的信息和建立的模型以及步骤二提出的两种干扰协调方法，基于随机几何理论对蜂窝用户关键性能指标予以评估，通过调节干扰协调参数使得目标性能指标达到用户的服务质量要求，确定适用于当前目标网络的干扰协调参数作为执行步骤四的前提条件；

所述干扰协调参数的设置具体为在ρ≥1范围内，从起始值1开始选取并逐步增加，用于分析在给定干扰协调参数大小的情况下，蜂窝用户在采用所述干扰协调方法所能够获得的性能，并判断是否满足用户的服务质量要求，最终选取能够满足用户的服务质量要求的干扰协调参数；

步骤三所述的关键性能指标依具体场景及需求而定：1)在轻负载网络场景下，关键性能指标包括用户的传输成功概率和平均传输速率；2)在重负载网络场景下，关键性能指标包括归一化吞吐量和网络吞吐量；所列关键性能指标均可通过基于SIR的统计分布和经过变换变形而得到；

步骤四：实施干扰协调方案

步骤4.1)用户对服务毫米波基站和邻居毫米波基站下行同步信号进行周期性检测，得到服务毫米波基站的物理IDx₀和参考接收信号强度ζ₀，以及邻居毫米波基站的物理IDx₁,x₂,…,x_N和参考接收信号强度ζ₁,ζ₂,…,ζ_N，其中N为可检测到的邻居毫米波基站个数，并将其反馈给用户的服务毫米波基站；

步骤4.2)用户的服务毫米波基站根据参考接收信号强度、步骤三选取的干扰协调参数和分配给用户的时频资源块，按照步骤二的干扰协调方法确定需要静默的邻居毫米波基站集合，并通过骨干网链接通知该集合的毫米波基站需要静默的具体时频资源块；

步骤4.3)邻居毫米波基站收到静默通知后，停止在需要静默的时频资源块上发送数据。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，其特征在于，步骤1.1所述的1)中服务质量要求包括信干比SIR门限要求θ，传输可靠性要求ε，传输速率要求τ。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：所述基于SIR的统计分布具体为采用随机几何理论，根据步骤一所建立的模型以及步骤二提出的两种具体的干扰协调方法，对毫米波蜂窝用户的SIR统计特性进行分析，该分析是选取和优化协调参数ρ的依据，是能够针对实际的具体网络情况进行切实有效的干扰抑制操作的关键环节；具体过程如下：

3.1)采用第一种干扰协调方法，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中θ为SIR门限；L和N分别表示LOS和NLOS链路；M_k表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标k，当k＝L时，M_k＝M_L，当k＝N时，M_k＝M_N；λ_k和λ_i表示毫米波基站的密度，它们的取值分别取决于下标k和i，当下标取值为L时，λ_k和λ_i取值为λ_L＝p_Lλ_b表示与典型用户传播链路是LOS链路的毫米波基站密度；当下标取值为N时，λ_k和λ_i取值λ_N＝(1-p_L)λ_b表示与典型用户传播链路是NLOS链路的毫米波基站密度；α_i和α_k是路损指数，它们的取值取决于下标i和k，当下标取值为L时，α_i和α_k取值为α_L，当下标取值为N时，α_i和α_k取值为α_N；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；η_k(r,u)是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且η_k(r,u)的表达式为:

其中L和N分别表示LOS和NLOS链路；m和s分别表示波束主瓣和波束旁瓣；M_i表示Nakagami信道的参数，它的取值取决于下标i，当i＝L时，M_i＝M_L，当i＝N时，M_i＝M_N；G_j表示波束增益，它的取值取决于下标j，当j＝m时，G_j＝G_m，当j＝s时，G_j＝G_s；w_j是波束主瓣或旁瓣的比例，它的取值取决于下标j，当j＝m时，

表示波束主瓣的角度比例，当j＝s时，

表示波束旁瓣的角度比例；u为Laplace变换的变量；t为积分变量；

是

关于变量u的第l阶导数；对于

可以采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数；

基于典型用户的信干比的互补累计分布函数，得到第一种干扰协调方法下用户的平均可达速率

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量表示为：

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求；

由归一化吞吐量，得采用第一种干扰协调方法时网络吞吐量为T(θ，ρ)＝H(θ，ρ)log₂(1+θ)；

3.2)采用第二种干扰协调方法，在给定干扰协调参数为ρ时，典型用户的信干比的互补累计分布函数表示为：

其中M_k，λ_k，λ_i，α_i和α_k的物理意义和取值的规则与第一种干扰协调方法中的物理意义和取值规则一致；

表示毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝L时，

为典型用户接入LOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换，当k＝N时，

为典型用户接入NLOS毫米波基站时来自毫米波基站干扰的Laplace变换；r为服务毫米波基站到典型用户的距离；u为Laplace变换的变量；

是

的指数部分的关于变量r,u的函数表示，且

的表达式为

其中M_i，G_j，w_j的物理意义和取值规则与第一种干扰协调方法中的物理意义和取值规则一致；u为Laplace变换的变量；t为积分变量；

是

关于变量u的第l阶导数；对于

采用递归的方法求得，如下表示：

其中

其中Γ(M_i)为自变量取值为M_i的Gamma函数和Γ(M_i+l-n)为自变量取值为M_i+l-n的Gamma函数；

同样地，基于典型用户的信干比的互补累计分布函数，得到第二种干扰协调方法下用户的平均可达速率

当考虑静默基站个数对用户服务质量的影响时，归一化吞吐量表示为

其中

表示平均被静默的毫米波基站个数；θ表示信干比SIR门限要求；

由归一化吞吐量，得采用第二种干扰协调方法时的网络吞吐量T(θ，ρ)＝H(θ，ρ)log₂(1+θ)。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，其特征在于，所述的轻、重负载网络场景，由基站从网络侧获取的关于各小区的用户业务量大小与小区的资源数的比例进行判定：若该比例大于预设阈值，则表示重负载场景；反之，则为轻负载场景。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波蜂窝网络的小区间干扰协调方法，其特征在于，所述的预设阈值为0.5。

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