异构网络中基于载波聚合的干扰协调方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其针对三层异构网络的下行链路提出了一种基于载波聚合的干扰协调方法来减少网络中的干扰。确切的说是通过聚合多个载波，根据各层的通信特点、簇的分布以及各载波频段的特性，为受干扰比较严重的层和用户分配不同的载波，调整发射功率，减少网络中的干扰，从而提高系统的吞吐率，

背景技术：

近年来，随着智能手机的快速发展，使用的移动数据流量以指数形式不断增长，用户对视频、直播等实时业务的应用也越来越多。为了保证上述实时业务的用户体验，就必须不断提高通信数据速率，确保用户的无缝覆盖，这就对无线通信系统提出了较高的要求。

相关统计结果表明，超过80％的语音业务和接近90％的实时数据业务都是发生在室内或者热点区域。但是，对于室内用户，由于墙壁的遮挡，通信服务质量会受到影响；而对于热点区域，大量用户聚集在一个较小的区域，通信链路拥堵，很容易引起网络接入困难，例如最近的杭州西湖人流过多造成的断网事件。为了解决上述问题，提高通信速率，异构网络的概念被提出来，在传统网络的框架下，根据需求在室内和热点区域分别部署家庭基站或者微基站，形成三层的异构网络。第一层由传统蜂窝网络中的宏基站和与宏基站进行通信的宏用户组成，称为宏基站层；第二层由热点区域的微基站和与微基站进行通信的微用户组成，称为微基站层；第三层由室内的家庭基站和与家庭基站进行通信的家庭用户组成，称为家庭基站层。异构网络中，家庭基站和微基站这些低功率基站成本较低，布置灵活，通过大量部署家庭基站和微基站，缩短了用户与服务基站的距离，可以有效地解决用户覆盖和用户容量的问题，提高网络数据速率。

虽然异构网络能够改善网络的容量和覆盖能力，但是，当异构网络中的三层网络共享频谱资源时，会产生比较严重的层间和层内干扰。具体来说，下行链路中，传统蜂窝网络中的宏基站发射功率远远大于微基站和家庭基站的发射功率，所以，当连接低功率节点的用户会距离宏基站比较近时，会受到很大的层间干扰。因此，低功率节点的引入进一步加重了网络中的干扰。

减少异构网络下行链路干扰的方法包括空间干扰对齐和频域干扰协调方法等。空间干扰对齐在接收端压将干扰信号压缩在尽量小的维度上，从而给有用信号留出独立的维度来正确译码，但是在干扰信号较多的情况下，这种方法会大打折扣。频域干扰协调通过对信道进行干扰探测，为用户提供干扰较小的信道，但是，由于异构网络机构复杂，为了给用户提供最优的信道往往需要使用拉格朗日、梯度法等复杂的迭代运算，复杂度太高。

针对现有方法的诸多不足，本发明提出了一种基于载波聚合技术的干扰协调技术，引入额外的高频频段，通过不同层的控制中心了解各层干扰情况，根据网络干扰情况和高频特点将一部分低功率节点和相应的用户移到高频频段，调整发射功率来减少异构网络中干扰，提高网络速率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种策略简单、经济实用的减少异构网络中下行干扰，提高数据速率的方法。首先通过载波聚合引入多个不连续频段；接下来，在微基站层，根据微基站之间的距离进行分簇，使相互干扰比较严重的微小区形成簇；最后，根据不同频段的特性和异构网络中不同层的传输特点，对不同的层、同层的不同用户或簇进行合理地频谱资源分配和发送功率调整，从而实现减少干扰，提高数据速率。

本发明采用的技术方案为：

一种异构网络中基于载波聚合的干扰协调方法，包括以下步骤：

(1)载波聚合：向异构网络引入不连续的载波频段，异构网络根据家庭基站层、微基站层和宏基站层的传输特点和不同载波频段的特性进行频谱资源分配；

(2)家庭基站层干扰协调：家庭基站根据自身传输特点选取一个载波频段作为通信频段，同时每个家庭用户测量自身的信干噪比，并与设定阈值进行比较，根据比较结果步进地调整家庭基站的发射功率，直到家庭基站在选取的载波频段内正常通信；

(3)微基站层干扰协调：根据所有微基站之间的距离进行微基站分簇，并根据分簇结果对所有微基站进行载波频段资源分配；微基站同时占用多个载波频段，并且在不同的载波频段以不同的发射功率发送信号，同时微用户测量自身接收信号强度和接收信噪比，将测试结果同阈值进行比较，根据比较结果调整占用的载波频段；

(4)宏基站层干扰协调：宏基站在不同的载波频段上以不同的功率发射信号，同时，宏用户测量自身在不同载波频段上的接收信号强度和接收信噪比，并与设定阈值进行比较，根据比较结果进行载波频段的分配。

其中，步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)选取一个载波频段；

(202)设定一个信干噪比阈值ths并设置家庭基站的交换控制中心；

(203)每个家庭用户测量自身的信干噪比sinr并同阈值ths进行比较，sinrij≥ths记为rij＝1，sinrij＜ths记rij＝0，将比较结果通过各自的家庭基站回传给家庭基站的交换控制中心；其中sinrij表示第i个家庭基站到该基站第j个用户的下行链路对应的sinr；

(204)交换控制中心设定两个数组r和r’，将步骤(203)的比较结果存放在数组r中；

(205)交换控制中心检查r中是否存在0元素，如果不存在，则家庭基站和家庭用户之间在选取的载波频段进行通信；如果存在0元素，则执行步骤(206)；

(206)对于rij＝0，交换控制中心找到和目标家庭基站i相邻的家庭基站的集合si；

(207)步进地增加目标家庭基站i的发射功率，每提高一次功率，交换控制中心通知si中的所有家庭基站更新信干噪比sinr，每个家庭用户根据新的sinr同阈值ths再做一次比较得到rij'，将比较结果通过各自的家庭基站回传给交换控制中心，存放在数组r’；

(208)如果r’中的元素和r中对应的元素相比没有发生从1到0的变化，并且r′ij＝0，则将数组r’中的结果存入数组r中，继续执行步骤(207)；如果r’中的元素和r中对应的元素相比没有发生从1到0的变化，并且r′ij＝1，则家庭基站和家庭用户之间在选取的载波频段进行通信；如果r’中的元素和r中对应的元素相比发生从1到0的变化，则撤销目标家庭基站i增加的功率，结束操作。

其中，步骤(3)具体包括以下步骤：：

(301)选取多个载波频段；

(302)设定两个阈值：最大接收信号强度prm以及最小接收信噪比snrrm；

(303)根据微基站之间的距离，进行微基站分簇；

(304)根据微基站分簇的结果，将选取的载波频段中微基站层独占的载波频段进行载波频段资源分配；

(305)微基站在选取的载波频段中的高频段以不同的发射功率发送信号，同时所有的微用户测量自身接收信号强度和接收信噪比；

(306)如果存在微用户在高频段的接收信号强度小于最大接收信号强度prm，同时，接收信噪比大于最小接收信噪比snrrm，则这些微用户和微基站之间在高频段进行通信，剩余的微用户和微基站之间在微基站分配的载波频段进行通信，否则，所有微用户和微基站之间在微基站分配的载波频段进行通信。

其中，步骤(303)具体包括以下步骤：

(3031)预先设定一个距离门限值d1，如果相邻两个微基站的距离小于d1，则这两个基站互相干扰比较严重；

(3032)将所有微基站组成集合pb；

(3033)从集合pb中的第一个微基站开始，依次检测pb中剩余的微基站到第一个微基站的距离，检测到首个到第一个微基站距离小于d1的微基站之后，该微基站和第一个微基站形成一个微基站簇；

(3034)继续检测，如果再次检测到一个微基站到第一个微基站的距离小于d1，则检测这个微基站和已经形成的微基站簇内的所有微基站之间的距离，如果距离都小于d1，则将该微基站并入已经形成的微基站簇，形成普通簇，否则该微基站和已经形成的微基站簇内与自身距离小于d1的微基站形成一个新的微基站簇，这个新的微基站簇是已经形成的微基站簇的相关簇，这些簇形成一个广义簇；

(3035)将集合pb中剩余的微基站都遍历完之后，将已经形成普通簇或者相关簇的微基站从集合pb中删除，更新集合pb；

(3036)继续执行步骤(3033)到(3035)，直到集合pb为空。

其中，步骤(304)具体包括以下步骤：

(3041)统计每个微基站簇内的微基站数目，选出微基站数目的最大值num，将微基站层独占的载波频段均分为num个子频段，形成一个子频段集合；

(3042)对于一个广义簇，首先选出在相关簇中出现次数最多的微基站，随机地为它分配一个子频段，再选出在相关簇中出现次数第二多的微基站，从剩余的子频段中随机地选出一个分配给该微基站，依次进行，直到在多个相关簇中重复出现的微基站都分配到了子频段；

(3043)对于广义簇内的每个相关簇，确定相关簇内是否有已经分配到子频段的微基站，如果有，将已经被分配的子频段从子频段集合中删除，统计相关簇内待分配微基站数目f和剩余子频段的数目n，若n能被f整除，则随机地为每个待分配微基站分配n/f个连续的子频段，若不能整除，计算出n除f的余数re，随机地选出一个微基站，分配(n-re)/f+re个连续的子频段，然后为剩余的每个微基站随机地分配(n-re)/f个连续的子频段；

(3044)对于普通簇，统计簇内微基站数目f，若num能被f整除，则随机地为每个待分配微基站分配num/f个连续的子频段，若不能整除，计算出num和f相除的余数rem，随机地选出一个微基站，分配(num-rem)/f+rem个连续的子频段，然后为剩余的每个微基站随机地分配(num-re)/f个连续的子频段。

其中，步骤(4)具体包括以下步骤：

(401)选取多个载波频段；

(402)根据宏基站层和微基站层以及家庭基站层复用载波频段的数目m，设置m对分别和m个复用载波频段匹配的最大接收信号强度门限值和最小接收信噪比门限值；

(403)宏基站在不同的载波频段上以不同的功率发射信号，宏用户测量自身在不同载波频段上的接收信号强度和接收信噪比；

(404)如果存在宏用户，在某个复用载波频段上的接收信号强度小于该复用频段对应的最大接收信号强度，同时，在该复用载波频段上的接收信噪比大于该复用频段对应的最小接收信噪比门限，则这个宏用户工作在该复用载波频段；

(405)剩余的宏用户在选取的载波频段中的低频段进行通信。

本发明与现有技术相比优点为：

本发明设计了一种针对三层异构网络下行链路的干扰协调方法。通过载波聚合、频谱资源分配和发送功率优化减少了层间的干扰，提高频谱利用率，扩展了网络的用户容量。同时针对微小区层的层内干扰，设计了微基站分簇的方法，通过消除主要干扰的方法减少层内干扰。该方法的的算法复杂度低，操作简单，非常适合应用的实际的异构网络中。

附图说明

图1是本发明处理过程的流程图。

图2是本发明三层异构网络的系统图。

图3是本发明聚合的载波分量示意图。

图4是本发明微基站成簇原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明提出的三层异构网络下行链路干扰协调方法的流程图；图2展示了本发明方法针对的三层异构网络场景的系统图；图3给出了通过载波聚合技术聚合的4个载波分量，也就是450～470mhz、698～862mhz、2.3g～4.2ghz和4.4g～4.99ghz四个频段。图4展示了根据微基站之间的相互位置进行分簇和频率分配的原理图。

本发明一种异构网络中基于载波聚合的干扰协调方法，参照图1，包括以下步骤：

(1)载波聚合：向异构网络引入不连续的载波频段，异构网络根据家庭基站层、微基站层和宏基站层的传输特点和不同载波频段的特性进行频谱资源分配；

(2)家庭基站层干扰协调：家庭基站根据自身传输特点选取一个载波频段作为通信频段，同时每个家庭用户测量自身的信干噪比，并与设定阈值进行比较，根据比较结果步进地调整家庭基站的发射功率，直到家庭基站在选取的载波频段内正常通信；

(3)微基站层干扰协调：根据所有微基站之间的距离进行微基站分簇，并根据分簇结果对所有微基站进行载波频段资源分配；微基站同时占用多个载波频段，并且在不同的载波频段以不同的发射功率发送信号，同时微用户测量自身接收信号强度和接收信噪比，将测试结果同阈值进行比较，根据比较结果调整占用的载波频段；

(4)宏基站层干扰协调：宏基站在不同的载波频段上以不同的功率发射信号，同时，宏用户测量自身在不同载波频段上的接收信号强度和接收信噪比，并与设定阈值进行比较，根据比较结果进行载波频段的分配。

在家庭基站层，家庭基站之间距离较小，在低频段容易发生相互干扰，同时家庭基站发送功率很小，和其它层公用较低的频段很容易被干扰，因此，家庭基站层只占用高频段。家庭基站层进行干扰协调方法如下：

(201)家庭基站层选取载波分量中频率最高的4.4g～4.99ghz频段作为本层的通信频段。

(202)为了保证每个家庭用户的通信质量，预先设定了一个信干燥比(sinr)阈值ths，用户的下行sinr高于ths才能保证较高的通信质量，并设置家庭基站的交换控制中心；

(203)每个家庭用户测量自身的信干噪比sinr并同阈值ths进行比较，sinrij≥ths记为rij＝1，sinrij＜ths记rij＝0，将比较结果通过各自的家庭基站回传给家庭基站的交换控制中心；其中sinrij表示第i个家庭基站到该基站第j个用户的下行链路对应的sinr；

(204)交换控制中心设定两个数组r和r’，将步骤(203)的比较结果存放在数组r中；

(205)交换控制中心检查r中是否存在0元素，如果不存在，则家庭基站和家庭用户之间在选取的载波频段进行通信；如果存在0元素，则执行步骤(206)；

(206)对于rij＝0，交换控制中心找到和目标家庭基站i相邻的家庭基站的集合si；

(207)步进地增加目标家庭基站i的发射功率，每提高一次功率，交换控制中心通知si中的所有家庭基站更新信干噪比sinr，每个家庭用户根据新的sinr同阈值ths再做一次比较得到r′ij，将比较结果通过各自的家庭基站回传给交换控制中心，存放在数组r’；

(208)如果r’中的元素和r中对应的元素相比没有发生从1到0的变化，并且r′ij＝0，则将数组r’中的结果存入数组r中，继续执行步骤(207)；如果r’中的元素和r中对应的元素相比没有发生从1到0的变化，并且r′ij＝1，则家庭基站和家庭用户之间在选取的载波频段进行通信；如果r’中的元素和r中对应的元素相比发生从1到0的变化，则撤销目标家庭基站i增加的功率，结束操作。

在微基站层，距离微基站距离较近区域的用户和家庭基站层复用高频段，并在高频段降功率传输。剩余区域的用户占用较高的频段，在较高的频段正常功率传输。这样既不会造成微基站层和家庭基站层之间的干扰，也可以减轻每个微基站的用户之间的干扰，提高频谱利用率，扩展微基站层的容量。需要注意的是，微基站层经常会出现几个微基站集中部署在一个热点区域，在这种情况下，几个相距很近的微基站共用较高的频段会产生严重的干扰。为了减轻层内干扰，本发明设计微基站分簇方法，根据分簇结果进行一定的频谱分配。微基站层的干扰协调方法包括：

(301)微基站层选取载波分量中两个频率最高的2.3g～4.2ghz和4.4g～4.99ghz频段作为本层的通信频段。

(302)设定两个阈值：最大接收信号强度prm以及最小接收信噪比snrrm；

(303)在微基站交换控制中心，所有微基站组成集合pb。微基站交换控制中心储存这所有微基站之间的距离。根据微基站的距离对微基站分簇，结合图3，分簇的具体步骤描述如下。

a.微基站交换控制中心预先设定一个距离门限值d1，如果相邻两个微基站的距离小于d1，则认为这两个基站互相干扰比较严重。所有微基站组成集合pb。

b.从微基站1(pbs1)开始，在pb中依次检测到pbs1的距离小于等于d1的pbs。如图3所示，pbs2到pbs1的距离小于d1，形成一个簇{pbs1，pbs2}，继续检测，pbs3到pbs1的距离也小于d1，此时pbs1已经和pbs2成簇，接下来检测pbs3和pbs2之间的距离，距离大于d1，所以pbs3不能并入{pbs1，pbs2}，而是形成和第一个簇相关的簇，表示为一个广义簇{{pbs1，pbs2}；{pbs1，pbs3}}。继续检测，其它pbs到pbs1的距离均大于d1，从pb中移除pbs1、pbs2和pbs3。

c.从pb中的第一个元素pbs4开始，检测pbs5，形成簇{pbs4，pbs5}；检测pbs6，形成相关簇{{pbs4，pbs5}；{pbs4，pbs6}}；检测pbs7，距离大于d1，跳过；检测pbs8，pbs8到pbs4和pbs6的距离都小于d1，加入簇{pbs4，pbs6}，得到{{pbs4，pbs5}；{pbs4，pbs6，pbs8}}；检测pbs9，距离大于d1，跳过。从pb中移除pbs4、pbs5、pbs6和pbs8。

d.从pb中的第一个元素pbs7开始，pb中其它pbs到pbs7的距离都大于d1，所以pbs7单独形成普通簇{pbs7}。从pb中移除pbs7。

e.从pb中的第一个元素pbs9开始，此时，pb只剩下pbs9，所以单独成簇{pbs9}。从pb中移除pbs9。

f.检测到pb已空，分簇结束。

(304)由于簇内的微基站相互干扰比较严重，需要为微基站分配不同的频段。具体步骤的如下所述：

a.首先，统计每个微基站簇内的微基站数目，选出最大值num，将微基站层独占的频段均分为num个子频段，形成一个子频段集合，由步骤(303)可知，一个簇内最多包含3个微基站，所以将频带2.3g～4.2ghz均分为3个子频段，如图3所示；

b.接下来为广义簇分配子频带，选出在相关簇中出现次数最多的微基站，随机地为它分配一个子频段，对于簇{{pbs1，pbs2}；{pbs1，pbs3}}，首先为pbs1分配子频带1；

c.对于广义簇内的每个相关簇，确定相关簇内是否有已经分配到子频段的微基站，如果有，将已经被分配的子频段从子频段集合中删除，统计相关簇内待分配微基站数目f和剩余子频段的数目n，若n能被f整除，则随机地为每个待分配微基站分配n/f个连续的子频段，若不能整除，计算出n除f的余数re，随机地选出一个微基站，分配(n-re)/f+re个连续的子频段，然后为剩余的每个微基站随机地分配(n-re)/f个连续的子频段，按照上述规则，相关簇{pbs1，pbs2}为pbs2分配剩余的子频带2和子频带3，相关簇{pbs1，pbs3}为pbs3分配剩余的子频带2和子频带3，如图2和图3所示；

d.对于普通簇，统计簇内微基站数目f，若num能被f整除，则随机地为每个待分配微基站分配num/f个连续的子频段，若不能整除，计算出num和f相除的余数rem，随机地选出一个微基站，分配(num-rem)/f+rem个连续的子频段，然后为剩余的每个微基站随机地分配(num-re)/f个连续的子频段,普通簇{pbs7}为pbs7分配子频带1、2和3，如图2和图3所示；

(305)微基站在高频段4.4g～4.99ghz以远低于正常发射功率水平的pl发射信号，微用户在高频测量自身接收信号强度和接收信噪比。如果存在微用户在高频段的接收信号强度小于prm，同时，接收信噪比大于snrrm，那么这些微用户和家庭用户层共享高频段。效果可以近似地表示成微基站附近实线圆圈以内的微用户在4.4g～4.99ghz频段上进行通信，如图2所示；

(306)剩余的微用户在相应微基站分配的较低频段进行通信。

在宏基站层，在距离宏基站很近区域的用户和其它两层共享高频段，并在高频降功率传输；在距宏基站比较近的区域的用户和微基站层复用较高的频段，在较高频段宏基站也需要降功率发送；剩余区域的用户占用低频段。这样既可以避免层间的干扰，也可以减轻宏小区内用户间的干扰，还可以提高频谱利用率，增加宏小区的用户容量。宏基站层的干扰协调方法包括：

(401)宏用户设置四个阈值：最大接收信号强度pth和ptm以及最小接收信噪比snrth和snrtm；

(402)宏基站在高频段4.4g～4.99ghz以远低于正常发射功率水平的pm1发射信号，宏用户在此频段测量自身接收信号强度和接收信噪比。如果存在宏用户在高频段的接收信号强度小于pth，同时，接收信噪比大于snrth，那么这些宏用户共享高频段。从效果上看，可以将在4.4g～4.99ghz频段上进行通信的宏用户近似地表示成宏基站附近实线圆圈以内的宏用户，如图2所示。

(403)宏基站在较高频段2.3g～4.2ghz以远低于正常发射功率水平的pm2(pm2明显大于pm1)发射信号，宏用户在此频段测量自身接收信号强度和接收信噪比。如果存在宏用户在较高频段的接收信号强度小于ptm，同时，接收信噪比大于snrtm，那么这些宏用户共享较高频段。从效果上看，可以将在2.3g～4.2ghz频段上进行通信的宏用户近似地表示成宏基站附近虚线圆圈以内的宏用户，如图2所示；

(404)剩余的宏用户距离宏基站比较远，在低频段450～470mhz和698～862mhz上进行通信。

以上所述仅为本发明的一个实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。