异构Femtocell网络中基于用户公平性的干扰协调

胡海东，张 静

(上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234)

异构Femtocell网络中基于用户公平性的干扰协调

胡海东，张 静

(上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234)

为使含有家庭基站和宏基站的异构网络(HetNet)中各用户的服务质量需求都能满足并达到用户间的公平性，在功率限制条件下对宏用户中最小的用户数据速率最大化，将此最小用户速率提供给家庭基站用户，获得各家庭基站用户的目标信干噪比(SINR)，再利用对分法调整家庭基站的发射功率。仿真结果表明，该方法能够保证最小的宏用户数据速率且提高异构网络用户间的公平性。

异构网络；家庭基站；功率控制；公平性

在最近的几十年里，对宽带移动通信系统提供更高的数据速率和更好的服务质量的需求不断增长。为满足这些需求，移动通信系统正在由单一的网络演变成多种网络融合的异构网络(HetNet)架构，宏-毫微微传输是异构网络中主要的场景之一[1]。宏-毫微微异构网络对频带的部署主要有两种方案：每个网络使用不同资源的专用信道部署以及家庭基站和宏基站分享共同带宽的共同信道部署两种方案。专用信道部署可避免宏基站和家庭基站之间的共信道干扰(CCI)，但是频谱效率会降低；而在共同信道部署时，只要CCI能够被有效地管理，就可以获得更高的频谱效率。

为了减少CCI，毫微微基站之间的协作调度的方法已经被应用。在这些协作调度算法中，当宏基站和家庭基站共享带宽时，依靠功率控制来减小CCI是尤其有效的[2]。常见的方案有固定功率控制方案和基于距离的功率控制方案[3]。虽然这两种方案在实际系统中简单且容易实现，但是对数据速率性能提高不大，而且欠缺公平性。第三代合作伙伴计划已经推出几个基于测量的功率控制策略，这些策略用来减轻宏用户受到的来自家庭基站的干扰，主要有降低干扰宏基站的家庭基站的最强接收功率以及提高来自最近的宏用户的参考信号接收功率[4]。这些策略虽然能在系统的整体性能上有所改善，但这些方案也没有考虑用户之间的公平性，从而导致异构网中的一些用户尤其是家庭基站用户不能得到很好的服务。

本文对家庭基站进行功率控制即在宏基站和家庭基站间进行干扰协调，使网络中各用户之间具有较好的公平性。该方法对宏用户建立最大化最小的用户速率这一优化公式，获得该数据速率后提供给家庭基站来调整发射功率，家庭基站利用对分法来调节自身功率以降低宏基站和家庭基站间信息交换的复杂度。

1 系统模型

考虑一个下行的LTE-A异构网络系统。该系统由一个宏基站和N个家庭基站组成，家庭基站部署在宏基站的覆盖范围内，宏基站采用正交频分复用接入方式，和家庭基站共信道部署。在每个传输时间间隔(TTI)中，整个系统共有K个宏用户和N个家庭用户(每个家庭基站只有一个用户)处在活动中。各用户接收到的信号和所受到的干扰情况如图1所示。

图1 异构网络信号与干扰模型

当家庭基站有发射功率时，就会对该宏用户产生干扰，影响它的数据速率。宏基站用户k在资源块s上可获得的数据速率如

(1)

对于家庭基站用户，它受到的干扰来自于该宏小区中其余的N-1个家庭基站和宏基站。第i个家庭基站用户可获得的数据速率表示为

(2)

2 问题建立

对上述异构网络中的宏基站和家庭基站进行干扰协调，就是在满足宏用户和家庭用户的服务质量要求时对宏基站和家庭基站的发射功率进行优化。这是一个组合优化问题，优化参数有N+1个，获得最优解很难。由于家庭基站用户的信道条件往往较好，可获得较高的数据速率，而宏基站的用户信道条件较差，数据速率较低。为了达到宏用户和家庭基站用户间的公平性，本文首先考虑最大化最小的宏用户数据速率，再把这个数据速率作为家庭基站用户的目标速率，然后调整家庭基站的发射功率来满足这个目标速率。

对于宏用户，其优化问题可以建立为

(3)

(4)

求解式(4)可采用带有限制条件的拉格朗日乘子法，得到次优近似解。

2.2 家庭基站的功率控制

令rtarget为式(4)的近似解。由于家庭基站和它的用户的传输链路一般可以认为是直视链路，并且用户比较靠近家庭基站，所以家庭基站用户的数据速率可以用高SINR近似法来近似，即

(5)

(6)

再有，对家庭基站用户定义公平系数F[5]如

(7)

该系数反映了各家庭基站用户之间的数据速率，F越接近1，表示公平性越高。

“跨区域”协调是四大区域战略最明显的特征，即打破区域行政壁垒，构建新时代区域协调发展的新机制。它有利于推动各地充分发挥比较优势，极大地提高区域经济发展的总体效率。

2.3 家庭基站功率的对分分配

在上文的高SINR近似方法中，家庭基站之间需要大量的信道状态信息交换，提高了计算复杂度。在这种情况下，为降低复杂度，采用对分法调整功率，即在家庭基站用户满足目标速率和家庭基站之间没有信道状态信息交换的情况下，家庭基站自动地控制发射功率。

鉴于家庭基站部署在室内，当它干扰相邻基站时，干扰信号至少要穿透两层墙面，同时宏基站的发射功率通常是家庭基站功率的几倍，所以家庭基站之间的干扰实际上可以忽略不计。在忽略家庭基站之间的干扰后，将式(2)简化为

(8)

对其中一个家庭基站采用对分法调整发射功率的具体步骤是：设置家庭基站的最小和最大发射功率即l和u后，根据式(8)，计算家庭基站的最小和最大数据速率，分别记为 rfi-ign(l) 和rfi-ign(u)，并设置可允许的功率差值ε=u-l；比较rfi-ign(l)与rtarget，若rfi-ign(l)>rtarget，则设置pfi=l；比较rfi-ign(u)与rtarget，若rfi-ign(u)ε时， 令q=(u+l)/2，再用该q值根据式(8)计算rfi-ign(q)，比较rfi-ign(q)与rtarget，若比rtarget大则设置l=q，反之，u=q。重复该步骤直至u-l<ε，此时的l就是家庭基站的发射功率。对N个家庭基站都采用此方法进行功率调整。具体的流程图如图2所示。

图2 对分法的具体流程图

3 仿真结果与分析

考虑如图1所示的基于LTE-A的异构网络两层分布模型，在宏基站的覆盖范围内随机分布了K个宏用户和N个家庭基站。假设家庭基站用户分布在家庭基站的10 m范围内，采用ITU-R Indoor-A的室内信道模型，宏用户处在家庭基站覆盖范围之外，采用瑞利信道模型。详细的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

仿真的具体过程如下：利用拉格朗日乘子法得到次优的宏基站发射功率，计算此时的数据速率rtarget，再把rtarget通知给这个异构网中的所有家庭基站，然后每个家庭基站基于rtarget进行功率调整。将该方案与文献[3]中两种传统功率控制方案，即固定功率控制和基于距离的功率控制作对比。

图3是该异构网络中采用不同的功率控制方案所获得的最小用户速率的对比情况，与固定功率控制方案和基于距离的功率控制方案相比，本文对分法方案可获得更高的最小用户数据速率。当家庭基站数量是50时，对比固定的20 dBm发射功率控制方案，本文方案的最小用户数据速率有近109%的提高，再对比高SINR近似法，本文方案的最小用户速率大约有85%的提高。

图3 异构网中家庭基站数目和最小用户速率的关系

图4表示家庭基站用户间的公平系数。由于本文方案将宏基站的最小用户数据速率提供给各家庭基站，使各家庭基站用户之间的数据速率差异减小，从而导致了家庭基站用户间的更高的公平性。在家庭基站个数为50时，对比固定的20 dBm发射功率方案，本文方案的公平系数提高了近18%，虽然高SINR近似法的公平系数可提高近22%，但是最小的用户数据速率低于本文方案。本文方案同时还可保证宏基站用户和家庭基站用户间的公平性。

图4 异构网中家庭基站数目和公平系数的关系

表2为4种功率控制方案的计算复杂度。本文方案的复杂度介于高SINR近似和基于距离的方案之间。尽管传统方案有比较低的复杂度，但是比较所提方案，用户公平性较低。高SINR近似方案公平性较高，但是在所有家庭基站之间需要大量的信道状态信息交换，从而使得复杂度提高。然而对分法不仅有较高的用户公平性，还有较低的计算复杂度。

表2 4种方案复杂度比较

4 总结

本文针对异构网络利用功率控制所做的干扰协调方案，在满足宏用户的服务质量需求的前提下来调整家庭基站的功率，采用的对分法功率调节方法能减小信息交换的复杂度和算法的复杂度。该方案可使网络中的各用户在公平性上得到较好的协调。

[1] 隗合建，张欣，曹亘，等. LTE-A 增强型小区间干扰协调技术标准化研究[J].现代电信科技，2011，41(8)：38-44.

[2] SAQUIB N，HOSSAIN E，LE L B，et al. Interference management in OFDMA femtocell networks：Issues and Appr-oaches [J]. IEEE Wireless Communications，2012，19(3)：86-95.

[3] Femto-Forum.Interferencemanagement in OFDMA femtocells[EB/OL].[2014-10-15]. Whitepaper available at www.femtoforum.org.

[4] CAO G，YANG D，YE X，et al. A downlink joint power control and resource allocation scheme for co-channel m-acrocell-femtocell networks[C]//Proc. Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).[S.l.]：IEEE Press，2011：281-286.

[5] SHI H，PRASAD R V，ONUR E，et al. Fairness in wireless networks：issues，measures and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，16(1)：5-24.

[6] RHEE W，CIOFFI J M. Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation[C]//Proc. Vehicular Technology Conference. Tokyo：IEEE Press，2000：1085-1089.

责任编辑：许 盈

Interference Coordination Based on Users’ Fairness in Heterogeneous Femtocells Networks

HU Haidong, ZHANG Jing

(DepartmentofInformationandElectronic,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

To make the service quality requirements of each user in heterogeneous network (HetNet) which contains femtocells and macro base stations meet and achieve the fairness among users, under the condition of power constraints, and it’s effective to maximize minimum user data rate among Macro users, this user minimum rate to station users in home base is provided, the target SINR of users among home base station is obtained. And finally adjusting transmission power of the base stations by using bisection method will meet requirements. The simulation results show that this method can guarantee a minimum data rate and improve the user fairness in heterogeneous network.

heterogeneous network; femtocell; power control; fairness

【本文献信息】胡海东，张静.异构Femtocell网络中基于用户公平性的干扰协调[J].电视技术,2015，39(13).

国家自然科学基金项目(61101209)；上海市自然科学基金项目(11ZR1426600)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.13.014

2014-12-25