一种动态TDD网络中小区分簇的干扰协调方法与流程

本发明涉及一种动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，属于移动通信技术领域。

背景技术：

tdd(timedivisionduplexing)时分双工技术，在移动通信技术使用的双工技术之一，与fdd相对应，是在帧周期的下行线路操作中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的一种技术。为了适用动态变化且非对称的上下行流量，根据短时间的流量需求，实现对小小区下行和上行频谱的灵活利用，采用正交频分多址的动态tdd的小小区的部署5g的关键技术之一。动态tdd模式中干扰问题是5g动态tdd网络中干扰协调的重要内容，干扰主要包括同向干扰和交叉时隙干扰。通过小区分簇的方法可以缓解交叉干扰，而使用功率控制的方法可以抑制同向干扰，综合考虑交叉干扰和同向干扰，存在一个最佳的最大簇大小cmax，它与小区密度和上下行流量比例均有关系。由于5g超密集网络中小小区中基站低功率以及密集分布的特点，动态tdd模式下的干扰尤为严重。本发明研究小区分簇算法和功率控制算法在5g动态tdd超密集网络中干扰协调问题中的应用，提出了一种基于最佳最大簇的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，在5g动态tdd网络中达到更大的系统吞吐量。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，同时考虑到5g超密集网络中动态tdd模式下的同向干扰和交叉干扰，在5g超密集网络中抑制了这两种干扰，增加了系统上行及下行吞吐量，取得良好的性能。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，该方法包括如下步骤：

s1.小区分簇算法的触发：设置10ms的定时器，通过小区的上下行的sinr，即信号干扰噪声比水平低于阈值或者定时器重新开始计时触发小区分簇进行干扰协调的过程；

s2.小区分簇：被触发分簇的基站通过基站间接口通知邻区执行干扰协调；被触发的基站作为簇的基准基站，邻区基站通过小区分簇的准则进行分簇；基于最佳最大簇大小，分簇结果将被触发基站与干扰严重被触发基站的小区分在一个簇，最终得到小区分簇的结果；

s3.在小区分簇之后，在小区分簇的基础上采用功率控制，具体包括：

s31.初始的基站发射功率设置；

s32.用户的sinr反馈；

s33.下行功率控制；

s34.上行功率控制。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤(2)中所述的小区分簇的具体方法包括如下步骤：

s21.建立分簇矩阵：将所有小区与邻区所有小区的分离度的计算结果得到一个分簇矩阵dm＝[dmxy]，且当x＝y时，dmxy＝0；

s22.设置分簇的门限dm0和最大簇大小为cmax，假设小区总数为k，首先从k个小区中随机选择一个sinr低于设定阈值的小区的作为簇的主小区，然后将其他小区与主小区的分离度dm值进行从大到小排序，将dm值大于阈值dm0的前cmax个小区和主小区归为同一个簇里面；

s23.随机选择一个sinr低于设定阈值的并且不在簇里的小区的作为簇的主小区对于剩下的所有小区进行上述操作，直至所有的sinr低于设定阈值的小区都已经分进了簇里面；

s24.随机选择不在簇里的小区的作为簇的主小区对于剩下的所有小区重复进行上述操作，直到所有的小区都已经分进了不相交的小区簇里面；

s25.当任何一个小区的上下行的sinr水平低于阈值或者定时器重新开始计时，开始重新对小区进行分簇。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s31所述初始的基站发射功率设置包括如下步骤：

s311.在同一个簇中的每个基站初始发射功率是相同的，根据用户的接收功率pr，以及除服务于该基站的他基站到该用户的损耗，基于确保用户设备的sinr大于预设的阈值sinr0的目的，对于第m个用户设备的sinr应该满足如下不等式：

其中pr表示用户设备的接收功率；pi表示用户设备的服务小区所在的簇中的基站i的发射功率；li-m表示基站i用户设备到的路径损耗；n0表示高斯白噪声，为了公平起见，在一个分簇中每个基站的初始发射功率是相同的，即因此基站的初始功率计算如下：

s312.出于所有基站的发射功率都不可以超过最大的发射功率的限制，最终初始的基站功率为pi(0)＝min(pinitial,pmax)。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s32所述用户的sinr反馈包括如下步骤：

s321.用户一旦感知到干扰，它将向所有覆盖范围包含到该用户设备且在同一个分簇中的基站广播警告消息；

s322.如果一个基站的覆盖范围与邻近基站的覆盖范围重叠，该基站很可能会干扰邻近基站所服务的用户，被干扰的用户会发出警告信息，将基站接收到的警告消息的数量可以作为干扰严重程度的指标，当基站收到的警告的数量大于设定的警告数量阈值时，该基站被认为是严重的干扰源。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s33所述下行功率控制包括如下步骤：

s331.根据以上的反馈信息，基站做出以下调整：

其中δp为基站的发射功率调整量，wi为基站i接收到的警告的数量，ni为基站服务的用户设备的数量，pi(t)为当前时刻基站的功率，pi(t+1)为下一时刻基站的功率；

s332.由于基站的发射功率不能超过最大值，所以实际中基站的下行发射功率应该调整为pi(t+1)＝min(pi(t+1),pmax)；

s333.对于pi(t+1)＝pi(t)-δp，基站降低发射功率后自身服务的用户设备的信噪比将降低，但不应该低于设定的sinr阈值，此时基站功率的调整必须满足下式：

s334.pi(t+1)＝pi(t)，如果基站收到的其他用户的警告信号的个数等于其自身服务的用户的个数时，保持其发射功率不变；

s335.pi(t+1)＝pi(t)+δp，如果基站所在簇中的所有其他基站的信噪比都较低，此时基站收到的其他用户的警告信号的个数小于其自身服务的用户的个数，增加其发射功率。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s34所述上行功率控制包括如下步骤：

s341.计算表示用户设备到服务于该用户的基站设备的路径损耗，根据不同的运用场景，路损的计算公式不同，在室内双街区模型下的计算方式如下：

第一种情况，发射机的位置与接收机在同一栋楼内，使用如下计算公式：无论发射机和接收机是基站还是用户设备，路径损耗的计算方式是一样的，均采用这个公式：

pl＝38.46+20log10r+0.7d2d,indoor

+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)+q·liw(db)

其中，r表示发射机和接收机之间的距离；d2d,indoor是指建筑物内部的距离，该参数表示室内路径损耗大于室外路径损耗；n表示发射机和接收机之间的楼层数，如果发射机和接收机之间的层数越多，路径损耗越大；q是发射机和接收机之间的墙数；liw表示每一堵墙增加的路径损耗，建筑内部的每一面墙都会增加5db的路径损耗；

第二种情况，发射机和接收机的位置在不同幢建筑中，使用如下计算公式：无论发射机和接收机是基站还是用户设备，路径损耗的计算方式是一样的，均采用这个公式，与第一种情况相比不同的是，第二种情况的路径损耗计算需要在与发射机和接收机之间的距离有关的两个简单公式中选择最大值，并且需要考虑建筑外的墙带来的损耗，

pl＝max(2.7+42.8log10r,38.46+20log10r)+0.7d2d,indoor

+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)+q·liw+low,1+low,2(db)

其中，low,1和low,2都是指穿透建筑外的墙的损耗，可以增加20db的路径损耗，low,1表示从发射机到接收机的第一道墙的穿透损耗，low,2表示从发射机到接收机的第二道墙的穿透损耗；

s342.对于用户设备的功率控制，采用如下的公式进行上行功率控制：

其中，p0表示上行发射功率预算补偿，pl表示用户设备到服务于该用户的基站设备的路径损耗，δtf是用于弥补调制和码率对上行物理信道功率偏差值的影响的参数，f(δtpc)表示当前子帧的闭环功率调整量，m为上行带宽(rb数目)，即频域资源。

有益效果：

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出了一种基于最佳最大簇的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，解决了5g动态tdd超密集网络中干扰协调问题，可以同时提升系统上行和下行的吞吐量，特别是在5g超密集网络的情况下。最佳的最大簇大小cmax在实际室内覆盖场景中具有现实意义，对于不同室内覆盖场景下上下行吞吐量的仿真结果符合预期，与不限定分簇大小的分簇方案、限定簇大小为3的启发式算法相比，上下行吞吐量上均有显著增益。并且通过上行功率控制方案和小区分簇方案的结合进行干扰协调能够使该干扰协调方案的性能和复杂性之间得到很好的权衡。

附图说明

图1为本发明的算法流程示意图。

图2为本发明的室内双街区建筑模型示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于小区分簇的功率控制进行5g动态tdd干扰协调的方法。

该方法包括如下步骤：

s1.小区分簇算法的触发：为了适应流量的动态变化，设置10ms的定时器，通过小区的上下行的sinr，即信号干扰噪声比水平低于阈值或者定时器重新开始计时触发小区分簇进行干扰协调的过程；

s2.小区分簇：被触发分簇的基站通过基站间接口通知邻区执行干扰协调；被触发的基站作为簇的基准基站，邻区基站通过小区分簇的准则进行分簇；基于最佳最大簇大小，分簇结果将被触发基站与干扰严重被触发基站的小区分在一个簇，最终得到小区分簇的结果；这样就减小了簇间的干扰，并根据簇内小区设置tdd配置。

s3.在小区分簇之后，考虑小区簇内的干扰，在小区分簇的基础上采用功率控制，小区分簇的不同会影响功率分配的方式。当多个基站紧密地部署在一起时，可以控制小区中基站的传输功率。具体地说，控制至少一个基站簇成员的功率，通过调整基站的功率从而抑制对于其他基站的干扰。具体包括：

s31.初始的基站发射功率设置；

s32.用户的sinr反馈；

s33.下行功率控制；

s34.上行功率控制。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤(2)中所述的小区分簇的具体方法包括如下步骤：

(11)对于初始状态的小区，计算每个小区的下行流量和上行流量的比值以及tdd配置表中7中上下行配置的下行子帧和下行子帧的比值，基站i所小区的下行/上行流量比值表示为ri，第c种配置的下行/上行流量比值表示为rc。对于每个小区，从7中tdd配置中选择下行子帧和上行子帧的比例与该小区的下行/上行流量比例最为接近的配置方式，作为该小区的当前的上下行配置，该配置为

表1不同小区数目和λ下的cmax

(12)最大簇大小cmax的选择根据表1所示，其中λ对簇内同向干扰中采用干扰协调技术消除之后的同向干扰考虑的比例。对于通过以下提出的功率控制方案进行簇内干扰协调情况，在不同场景：在商务写字楼中部署180个基站，商务酒店中部署180个基站，娱乐场所中部署90个基站，家庭住宅中部署240个基站，工厂或医院中部署120个基站这六种情况下，λ取值为表2所示，对应于表1可以得到具体的cmax值。

表25g不同室内场景的业务分析

(13)当定时器重新开始计时或者小区的sinr低于阈值时，开始进行小区分簇，否则不进行操作。小区分簇是首先设置分簇的准则dm,，之后设置分簇的门限dm，设置最大簇大小cmax。首先随机选择一个sinr低于设定阈值的小区的作为簇的主小区，然后计算其他小区与主小区的dm，根据限定的分簇门限和最大簇大小进行分簇。首先随机选择一个小区的作为簇的主小区，然后计算其他小区与主小区的dm并由大到小排序，将dm大于阈值dm0的前cmax个小区和主小区归为同一个簇里面，之后对于剩下的所有小区进行上述操作，直到所有的小区都已经分进了不相交的小区簇里面。

(14)分簇后的tdd配置包括如下步骤：第一步，根据分簇的得到的小区簇的编号，小区簇的总个数为x，编号为1,...,x,...,x,计算每个小区簇的下行流量和上行流量的比值，将小区簇内所有小区的下行流量总和和上行流量总和的比值作为该小区簇的下行流量和上行流量的比值，小区簇x的下行/上行流量比值表示为rx。第二步，对于每个小区簇，从7中tdd配置中选择下行子帧和上行子帧的比例与该小区簇的下行/上行流量比例最为接近的配置方式，作为该小区簇内所有小区的当前的上下行配置，对于小区簇x，该配置为由于在同一个簇里的小区使用相同的时间资源，此时同向干扰主要发生在同一簇中。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s31所述初始的基站发射功率设置包括如下步骤：

s311.首先，为了保证用户之间的公平性，在同一个簇中的每个基站初始发射功率是相同的，根据用户的接收功率pr，以及除服务于该基站的他基站到该用户的损耗，基于确保用户设备的sinr大于预设的阈值sinr0的目的，对于第m个用户设备的sinr应该满足如下不等式：

其中pr表示用户设备的接收功率；pi表示用户设备的服务小区所在的簇中的基站i的发射功率；li-m表示基站i到用户设备m的路径损耗；n0表示高斯白噪声，为了公平起见，在一个分簇中每个基站的初始发射功率是相同的，即因此基站的初始功率计算如下：

s312.出于所有基站的发射功率都不可以超过最大的发射功率的限制，最终初始的基站功率为pi(0)＝min(pinitial,pmax)。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s32所述用户的sinr反馈包括如下步骤：

s321.用户一旦感知到干扰，它将向所有覆盖范围包含到该用户设备且在同一个分簇中的基站广播警告消息；

s322.如果一个基站的覆盖范围与邻近基站的覆盖范围重叠，该基站很可能会干扰邻近基站所服务的用户，被干扰的用户会发出警告信息，将基站接收到的警告消息的数量可以作为干扰严重程度的指标，当基站收到的警告的数量大于设定的警告数量阈值时，该基站被认为是严重的干扰源。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s33所述下行功率控制包括如下步骤：

s331.根据以上的反馈信息，当基站收到的邻区用户设备的警告的个数大于其服务的用户的总个数时，适当减小基站的发射功率从而减少干扰。当基站收到的邻区用户设备的警告的个数等于其服务的用户的总个数时，基站维持当前的发射功率保持不变。当基站收到的邻区用户设备的警告的个数小于其服务的用户的总个数时，基站适当增加发射功率，从而提高自身小区的吞吐量。基站做出以下调整：

其中δp为基站的发射功率调整量，wi为基站接收到的警告的数量，ni为基站服务的用户设备的数量，pi(t)为当前时刻基站的功率，pi(t+1)为下一时刻基站的功率；

s332.由于基站的发射功率不能超过最大值，所以实际中基站的下行发射功率应该调整为pi(t+1)＝min(pi(t+1),pmax)；

s333.对于pi(t+1)＝pi(t)-δp，基站降低发射功率有两个条件。首先，基站收到的邻区用户设备的警告的个数必须大于其服务的用户的总个数，此时可以适当降低基站的发射功率。其次，是基站经过功率调整后，由于基站发射功率的降低，自身服务的用户设备的信噪比将降低，但不应该低于设定的sinr阈值，此时基站功率的调整必须满足下式。

其中，pm为基站原来的发射功率，lm-m为基站到自身服务的用户的耦合损耗。因此基站功率的减少量δp必须满足满足下面的不等式。

；

s334.pi(t+1)＝pi(t)，如果基站收到的其他用户的警告信号的个数等于其自身服务的用户的个数时，为了均衡基站自身服务的用户设备的下行性能和邻区用户设备的下行性能，保持其发射功率不变；

s335.pi(t+1)＝pi(t)+δp，如果基站所在簇中的所有其他基站的信噪比都较低，时基站收到的其他用户的警告信号的个数小于其自身服务的用户的个数，为了保障自身服务用户的性能将增加其发射功率，充分利用电力资源。此时基站收到的其他用户的警告信号的个数小于其自身服务的用户的个数，增加其发射功率。

综合以上的三种功率调整的情况，基站的发射功率功率在以下三种情况下是收敛的。第一种情况，pi(t)＝0。如果基站i服务的用户的信干噪比长时间不能满足要求，基站将会停止传输。第二种情况，pi(t)＝pmax。如果基站i所在簇中所有用户的信干噪比始终低于sinr门限，则基站将不断增加其发射功率。最后，其发射功率将达到最大值。第三种情况，pi(t+1)＝pi(t)。在不改变基站发射功率的前提下，每个用户都能获得稳定的信噪比。第一、二种情况属于特殊情况，一般来说，基站所在簇中的一些用户的信噪比处于可接受范围，在稳定的基站发射功率下，簇内所有用户的信干噪比稳定。

所述的动态tdd网络中小区分簇的干扰协调方法，步骤s34所述上行功率控制包括如下步骤：

s341.计算表示用户设备到服务于该用户的基站设备的路径损耗，根据不同的运用场景，路损的计算公式不同，在室内双街区模型下的计算方式如下：

第一种情况，发射机的位置与接收机在同一栋楼内，使用如下计算公式：无论发射机和接收机是基站还是用户设备，路径损耗的计算方式是一样的，均采用这个公式：

pl＝38.46+20log10r+0.7d2d,indoor

+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)+q·liw(db)

其中，r表示发射机和接收机之间的距离；d2d,indoor是指建筑物内部的距离，该参数表示室内路径损耗大于室外路径损耗；n表示发射机和接收机之间的楼层数，如果发射机和接收机之间的层数越多，路径损耗越大；q是发射机和接收机之间的墙数；liw表示每一堵墙增加的路径损耗，建筑内部的每一面墙都会增加5db的路径损耗；

第二种情况，发射机和接收机的位置在不同幢建筑中，使用如下计算公式：无论无论发射机和接收机是基站还是用户设备，路径损耗的计算方式是一样的，均采用这个公式，与第一种情况相比不同的是，第二种情况的路径损耗计算需要在与发射机和接收机之间的距离有关的两个简单公式中选择最大值，并且需要考虑建筑外的墙带来的损耗，

pl＝max(2.7+42.8log10r,38.46+20log10r)+0.7d2d,indoor

+18.3n((n+2)/(n+1)-0.46)+q·liw+low,1+low,2(db)

其中，low,1和low,2都是指穿透建筑外的墙的损耗，可以增加20db的路径损耗，low,1表示从发射机到接收机的第一道墙的穿透损耗，low,2表示从发射机到接收机的第二道墙的穿透损耗；

s342.对于用户设备的功率控制，采用如下的公式进行上行功率控制：

其中，p0表示上行发射功率预算补偿，pl表示用户设备到服务于该用户的基站设备的路径损耗，δtf是用于弥补调制和码率对上行物理信道功率偏差值的影响的参数，f(δtpc)表示当前子帧的闭环功率调整量，m为上行带宽(rb数目)，即频域资源。

下面给出一种实施实例：

(1)首先考虑小区分簇算法的触发。为了适应流量的动态变化，我们设置10ms的定时器，通过小区的上下行的sinr水平低于阈值或者定时器重新开始计时触发小区分簇进行干扰协调的过程。

(2)对于基站而言，被触发分簇的基站通过基站间接口通知邻区执行干扰协调；被触发的基站作为簇的基准基站，邻区基站通过小区分簇的准则进行分簇；基于最佳最大簇大小，分簇结果将被触发基站与干扰严重被触发基站的小区分在一个簇，最终得到小区分簇的结果，这样就减小了簇间的干扰，并根据簇内小区设置tdd配置。

(3)在小区分簇之后，考虑小区簇内的干扰，在小区分簇的基础上采用功率控制，小区分簇的不同会影响功率分配的方式。当多个基站紧密地部署在一起时，控制至少一个基站簇成员的功率，通过调整基站的功率从而抑制对于其他基站的干扰。

(4)我们考虑毫微微基站密集覆盖的室内双街区建筑模型，每栋楼一共6层，每层有2排房间，一排有10个房间，每个房间的长宽高分别为10m，10m，3m。假设毫微微基站的发射功率和用户设备的发射功率量级差距不大，而且考虑到建筑物墙壁的穿透损耗。基站和用户设备的分布是随机的，首先指定小区的个数k，然后随机选择k个房间，在选中的每个房间里位置随机地撒一个基站和多个用户设备，直到撒完k个房间，这样对于室内双街区建筑模型里每个房间来说，基站的数量为0或1。

(5)我们假设每个用户设备都连接到最近的毫微微基站，其他毫微微基站覆盖范围内的每个用户设备都能检测到这些毫微微基站的干扰，每个用户设备在毫微微基站覆盖范围内，毫微微基站都会收到用户设备的警告信息，一个毫微微基站从同一用户设备接收到的消息被视为相同，因此警告消息的数量不会改变。

需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明的结构及其工作效果，而并不用作限制本发明的保护范围。本领域内的普通技术人员在不违背本发明思路及结构的情况下对上述实施例进行的调整或优化，仍应视作为本发明权利要求所涵盖。