专利名称：Lte系统中基于负载量的动态干扰协调算法的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法。
背景技术：
在蜂窝系统下，一个主要的问题是相邻小区使用相同的频带引起的小区间干扰，尤其对于小区边缘用户，甚至会导致性能的急剧恶化。小区间干扰问题在传统的蜂窝系统中就已经引起了该领域人员的注意，所属技术领域的人员已经提出了一些方案来解决了这个问题。例如，在经典的频/时分多路复用(FDM/TDM)系统，就像全球移动通信系统(GSM),部分频率复用就是用来防止相邻小区使用同一组频率M. Necker, “Interferencecoordination in cellular OFDMA networks, ” IEEE Network, vol. 22, pp. 12-19, 2008.。另一方面，基于码分多址(CDMA)的系统，像通用移动通信系统(UMTS)或是CDMA2000，在不 同的小区使用不同的扰码，从而减少小区间干扰。然而，这些方法不适合实施在未来的蜂窝系统(4G)，因为它建立在正交频分多址接入(OFDMA)传输技术的基础上G. Boudreau，J.Panicker, N. Guo, R. Chang, N. Wang, and S. Vrzic, “Interference coordination andcancellation for 4G networks,，，IEEE Communications Magazine, vol. 47, pp. 74-81, 2009.。第三代合作伙伴项目(3GPP)把LTE定义为后3G或者4G系统的标准框架D. Astely, E. Dahlman, A. Furuskar, Y. Jading, M. Lindstrom, and S. ParkvalI, uLTE: theevolution of mobile broadband-[LTE part 11:3GPP release 8],，，IEEE CommunicationsMagazine, vol. 47，pp. 44-51，2009.。在LTE中频谱效率被高度强调，在这个无线资源变得稀有的时代，它的宗旨在于提供更高的数据速率。不像应用于2G和3G系统的频率复用模式(采用更高的复用因子)，LTE的期望是在实践中达到频率复用因子为I或者几乎接近为IH. Sari, S. Sezginer, andE. Vivier, “Full frequency reuse in mobile WiMAX and LTEnetworks with sectored cells,” in IEEE Mobile WiMAX Symposium, 2009，pp. 42-45.A. Racz, N. Reider, and G.Fodor,“0n the impact of inter-cell interference inLTE, ”in IEEE Global Telecommunications Conference, 2008, pp. 1-6.。然而，由于移动终端传输功率的限制，为了满足基站附近用户和小区边缘用户的高数据速率目标，就要求LTE中的小区规模变小。因此，在LTE系统中小区间干扰的问题会变得更加严重，会显著影响网络性能。为了解决这个问题，许多的方法被提出，其中软频率复用(SFR)在没有牺牲频谱效率的同时有效的进行了小区间干扰协调，使其成为最具代表性的方法3GPPand Huawei, “Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE,，，in Rl-050507，TSGRAN WGlMeeting#41, Athens, Greece, 2005. ] 作为一个受欢迎的频率规划策略，之前的大部分文献都曾介绍过SFR和在它基础上进行改进的一些自适应方法3GPP andHuawei, “Further Analysis of soft frequency reuse scheme, ” in Rl-050841, TSGRAN WG1#42, San Seoul, Korea, 2005.Y. Xiang and J. Luo, ^Inter-cell interferencemitigation through flexible resource reuse in OFDMA based communicationnetworks,，’in Proc. of the 13th European Wireless Conference, Paris, France, 2007.X· Mao, A. Maaref, and K. H. Teo, “Adaptive soft frequency reuse for inter-cellinterference coordination in SC-FDMA based 3GPP LTE uplinks,”in IEEEGlobal Telecommunications Conference, 2008, pp. 1-6.K. Doppler, C. Wijting, andK. Valkealahti,“Interference aware scheduling for soft frequency reuse,，，in IEEE69th Vehicular Technology Conference, 2009, pp. 1-5.。但是软频率复用和它的改进算法仍然属于静态资源分配方式，虽然静态方式在资源调度时操作简单易行，但是它本身还是存在缺陷的。比如说，当中心区域业务量较小，边缘区域业务量较大时，就会出现中心区域的频带剩余很多，而边缘区域频带又不够用的现象，就会导致带宽的极大浪费，而且系统性能较差。有些时候小区中需要服务的用户数很少，在这样的情况下，干扰只是少量的存在，即使不对干扰进行控制也不会影响用户的需求，此时FR one就很适用。在用户需求的高峰期间，不管怎样缓解干扰，干扰还是很严重，甚至导致部分用户无法进行通信。此时采用FR three复用方案可以杜绝干扰,但是牺牲了系统吞吐量。 目前可以采用的系统模型和频谱策略有I. LTE下行链路传输模式，因为LTE的下行链路是基于OFDMA的，基站的调度器在每个传输时间间隔需要给它的服务终端分配无线资源。在LTE中，调度器分配的无线资源的最小单位是一个物理资源块(PRB)，每个PRB在频域由十二个连续的子载波组成，在时域占一个时隙(0.5msec)。在本发明中用于各种算法下的资源分配的带宽单元是一个PRB。为了提高频谱效率，LTE采用多输入多输出(MIMO)模式。举例说明，根据文献D. Astely, E. Dahlman, A. Furuskar, Y. Jading, M. Lindstrom, and S. ParkvalI, “LTE: theevolution of mobile broadband-[LTE part 11:3GPP release 8],，，IEEE CommunicationsMagazine, vol. 47, pp. 44-51，2009. ，4X4MM0和1X4MM0分别应用于实际环境的上行和下行。在本发明中，只考虑单输入单输出模式(SISO)，因为本发明关注的是研究使用频率计划后小区间I干扰协调的效果。此外，为简单起见，考虑一个七个小区，每个小区为六边形的系统布局，基站在每个小区的中心处，并采用全向天线。尽管如此，本发明的分析可以很容易的扩展到多输入多输出模式和三个扇区小区布局情况。2.固定因子频率复用技术，主要包括频率复用因子为I和频率复用因子为3两种。其中频率复用因子为I简称为FR one，频率复用因子为3简称为FR three。在FR one方案中所有小区都可以以相等的功率使用全部的带宽，这种方案很适合用于低负载的情况下，因为在高负载的情况下会产生很强的干扰，从而减弱系统的性能。FR three是把每三个相邻小区分成一组，每组的三个小区可以各自使用总频带的三分之一，并且保证它们的频带没有交集。在这种方案中，干扰被大大的减少了，特别是改善了小区边缘用户的性能，虽然小区的整体性能下降了。根据FR three的特点可以看出，它更适合于高负载的情况。频率复用因子为I和频率复用因子为3这两种方案都是为每个物理资源块提供固定的功率。3.软频率复用(SFR)，被认为是缓解小区间干扰最有效的频率规划策略之一。SFR第一次出现在GSM，然后被使用在3GPP LTE的框架下，为了给小区边缘用户提供更高的性能3GPP and Huawei,“Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE, ”in Rl-050507, TSGRAN WGlMeeting#41, Athens, Greece, 2005. I15SFR的基本理念是在小区中心区域频率复用因子为I，而在小区边缘附近使用更高的频率复用因子。和HFR(hard frequency reuse)、FFR (fractional frequency reuse相比，SFR在减少了小区间干扰的前提下，并没有牺牲很大的频谱效率，这是由于其使用了较低的频率复用因子(几乎等于I)。在SFR中，可用频谱被划分成两个保留部分小区边缘频带和小区中心频带。每个小区内的用户也被分成了两组，小区中心用户和小区边缘用户，是根据他们到基站的距离或者其他因素来区别的。小区边缘用户被限制只能使用保留的小区边缘频带，然而小区中心用户有特权，不仅可以使用小区中心频带，也可以使用小区边缘频带，只是优先级比较低。SFR应用在一个七小区六边形系统布局下，如图3左侧所示。小区中心用户可以使用整个频带，但小区边缘用户只能使用不与相邻小区重叠的部分频带。为了改善小区边缘用户的数据速率，必须使其以一个更高的功率来传输，而小区中心用户则可以减小传输功率。对FR one来说，相邻的小区用户同时使用相同的PRB (物理资源块)时会引起小区间干扰。而FRthree虽然抗干扰能力强，但是频谱利用率很低，造成了频谱资源的严重浪费。上文介绍了很多软频率复用的优点，但是软频率复用仍然属于静态资源分配方式，虽然 静态方式在资源调度时操作简单易行，但是它本身还是存在缺陷的。比如说，当中心区域业务量较小，边缘区域业务量较大时，就会出现中心区域的频带剩余很多，而边缘区域频带又不够用的现象，就会导致带宽的极大浪费，而且系统性能较差。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，主要针对静态资源分配方式缺乏对频谱资源的有效控制，以及在负载严重的情况下不能解决网络拥塞的问题，它的优点是，可以满足对系统吞吐量性能尤其是边缘用户吞吐量有较高要求的用户需求，更好的为用户服务特别是边缘用户，提高了系统的整体性能。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，不仅考虑小区内的负载量，还考虑到小区内中心用户数与边缘用户数的比值，中心用户和边缘用户的功率比值；根据小区内负载量的变化情况动态的选取小区内采用的干扰协调技术；具体步骤如下在调度开始时，统计小区内的通信负载量，如果通信负载量Y e (O, Ytl),小区就采用软频率复用算法；如果通信负载量Y e (Ytl, 1)，此时小区内负载量变大，容易产生干扰，干扰会严重影响小区边缘用户的吞吐量，应该选用频率复用因子为3的算法。所述负载量，在不同的负载量情况下系统的性能有很大差别，本发明把物理资源块的使用作为规范的负载量来考虑；例如，如果在一个小区中只有10%的PRBs被使用，对应的通信负载量为O. I ;如果所有的PRBs都被使用了，那么通信负载量是1，可以说这个小区是全负载；此外，假设通信量是均匀地分布在整个网络的，每个小区就有相同的通信负载量；这样，简单的认为在低通信负载量时小区间干扰是有限的，但是负载量变高时会变得显著。从文献[Yiwei Yu;Dutkiewicz, E. ;Xiaojing Huang;Mueck, Μ. ;GengfaFang;“Performance Analysis of Soft Frequency Reuse for Inter-cell InterferenceCoordination in LTE Networks，，，Communications and Information Technologies (ISCIT), 2010International Symposium on, 2010. IEEE]中可以观察到就小区边缘用户的吞吐量来说，在负载量较小的情况下，SFR几乎接近在不受干扰的情况下的极限情况；但是在负载量慢慢增加到一定程度后，开始大幅度的偏离极值情况，可以看出在负载高时，SFR并不能很完美的改善小区边缘用户的吞吐量性能；再看小区中心用户的吞吐量，负载量较小时，SFR方法下性能接近极值情况，但是在负载量变大以后，甚至出现了下降的现象；在负载重的情况下，很大程度的偏离了极值；在接近全负载时，同没有使用干扰协调时的效果一样。小区总吞吐量也在低负载时与极值差距不大，负载量渐渐增大时很缓慢的上升，但是离极值还是有很大差距的。所述功率比，对FR one来说，在相邻的小区用户同时使用相同的PRB(物理资源块)时会引起小区间的干扰；对SFR来说，相邻小区的中心用户之间不会引起小区间干扰；换句话说，就是小区中心用户不会被其他小区的中心用户所影响，即使他们共享同一个PRB ；其中的原因是在SFR方案中小区中心用户的传输功率被限制在一个较低的水平，而一个小区中心用户和相邻基站之间的距离通常是足够远的，可以确保路径损耗足够大，从而进一 步减少了接收到的干扰功率；因此，在SFR中只考虑小区边缘用户和其相邻小区中心用户之间在同时使用一个PRB时产生的相互干扰；从SFR的频率计划可知，相邻小区的边缘用户使用的是互不重叠的频带，从而不同小区间的边缘用户之间不会产生干扰；为了降低小区间干扰，SFR分配了一个更高的功率给小区边缘用户使用，而小区中心用户的功率要降低；假设对FR one和SFR来说总发射功率是相同的，功率是均匀分给每个PRB的；在FR one中，每个PRB的功率p P = Ptotal/N (I)其中Ptrtal是总的发射功率，N是指在一个小区中可用的物理资源块总数。在SFR中，如果边缘频带的每个PRB的功率为Pedge，那么中心频带的每个PRB的功率则为a Pedge,其中O < α < 1，α表示功率比。Pedge可由下面的方程计算得来PaigA3N+ aPmlge^N ^ Ptaml(2)可得
3 P
Γηηρο P, =-—---I τ)
L0023」· jV(1 + 2a)1通常情况下，功率比α的值被视为一个动态范围而不是一个固定常量，功率比不同可以达到不同的性能目标；基本上来说，较高的功率比，小区中心用户可以得到更好的性能，此时小区边缘用户表现的很糟糕；功率比的不同，会引起小区边缘用户和小区中心用户的性能的不同变化；功率比越高，小区中心用户的吞吐量性能越好；功率比越低，小区边缘用户的吞吐量性能越好；小区总吞吐量会随着功率比的增加而增加；当小区边缘用户数远远多于小区中心用户数，那么为了保证大多数用户的性能，就可以采用较小的α ;当小区边缘用户数近似接近于小区中心用户数时，在这种情况下，适合折中选取α的值，同时保障边缘用户和中心用户的吞吐量性能；小区中心用户数较多时，可以为了大部分用户的性能，取较大的α的值。所述吞吐量评估，为了不失去一般性，用理论的香农公式来计算吞吐量；根据香农的信道容量公式，一个特定用户可达到的吞吐量为Thr = B* Iog2 (I+SNR) (4)式中B是信道带宽，SNR是用户的信噪比；在本发明中，B被定义为一个PRB的带宽；上面这个等式是基于香农原理的，并没有考虑小区间干扰这个因素；因此，香农公式中的SNR应该被换成信号和干扰加噪声的比值(SINR);对于一个特定用户m在物理资源块η上的SINR可以表示成下面这个式子
权利要求
1.一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，它不仅考虑小区内的负载量，还考虑小区内中心用户数与边缘用户数的比值以及中心用户和边缘用户的功率比值；并根据小区内负载量的变化情况动态的选取小区内采用的干扰协调方式；其特征是，具体步骤如下 在调度开始时，统计小区内的通信负载量，如果通信负载量Y e (O，Y 小区就采用软频率复用算法； 如果通信负载量Y e (Y cl)，此时小区内负载量变大，容易产生干扰，干扰会严重影响小区边缘用户的吞吐量，就选用频率复用因子为3的算法。
2.如权利要求I所述的一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，其特征是，所述频率复用因子为3的算法是把每三个相邻小区分成一组，每组的三个小区可以各自使用总频带的三分之一，并且保证它们的频带没有交集。
3.如权利要求I所述的一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，其特征是，所述软频率复用算法，其具体工作步骤为 首先计算小区内边缘用户数和小区中心用户数的比值
4.如权利要求I所述的一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，其特征是，所述Y 0的计算方法为 在每个调度时刻开始时，统计小区内中心用户的数量，计算小区中心用户数与总用户数的比值，定义为β ;对小区内的吞吐量情况进行统计， Thr总吞吐量=Thr中心用户+Thr边缘用户 (8)
全文摘要
本发明公开了一种LTE系统中基于负载量的动态干扰协调算法，不仅考虑小区内的负载量，还考虑到小区内中心用户数与边缘用户数的比值，中心用户和边缘用户的功率比值；根据小区内负载量的变化情况动态的选取小区内采用的干扰协调技术。本发明的有益效果具有能有效缓解小区间干扰问题的特点，又具有能根据小区内实时负载量的变化情况改变小区所采用的干扰协调技术的特点，能充分利用频谱资源，减少资源的浪费。
文档编号H04W24/02GK102932815SQ201210328458
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者曹叶文, 张天馨 申请人:山东大学