基于ABS的干扰协调方案研究

胡 浩，赵天呈

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于ABS的干扰协调方案研究

胡 浩，赵天呈

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

异构网通过运用不同功率的基站同频部署，扩大了网络覆盖率及系统容量。但同时这种多层结构也带来了小区间干扰问题。ABS是一种时域上的小区间干扰协调技术，解决了下行传输中高功率宏基站和低功率小基站共享频域资源时的干扰问题，但该技术的缺点是降低了宏基站的用户容量。文中研究了一种从频域、时域、功率三个维度联合进行干扰协调的新型ABS解决方案。仿真结果证明该方案可以显著增加宏基站用户的吞吐量，同时不对小基站产生过多干扰。

异构网；干扰协调；几乎空白子帧

0 引言

对高数据速率应用的需求呈指数级增长，极大地推动了第四代蜂窝网技术LTE-A(LTE-Advanced)的标准化。为了解决系统容量不够的问题，在LTE-A中引入了异构网络。在引入异构网络之前，通信系统是由以宏基站为主要部署的同质网络组成。然而，这些传统的网络已经被证明不足以应付UE(User Equipment)分布及数据通信的复杂性[1]。对于上述问题，一种解决方案是通过在高功率节点宏基站下增加部署诸如微微基站和毫微微基站之类的小基站。加入这些不同功率不同覆盖范围的小基站的网络即为异构网络(Heterogeneous Networks，HetNets)。然而异构网络是多层网络，且由于与微微基站关联的毫微微基站和小区范围扩展区域的封闭接入性质，共层和跨层的干扰问题比较突出，从而带来一系列挑战，例如小区选择优化的问题、资源分配及干扰管理的问题[2]。在LTE版本8和版本9中标准化的小区间干扰协调方法中，没有专门说明针对HetNets的设置和主要干扰场景，而在版本10中定义了增强的小区间干扰协调技术(enhanced Inter-Cell Interference Coordination, eICIC)。eICIC技术主要面对共信道下的宏基站-小基站共同部署的场景，分为时域技术、频域技术、功率控制技术[3]。

1 系统模型

几乎空白子帧技术(Almost Blank Subframes，ABS)是一种时域eICIC方案，即将子帧划分为两种类型：普通子帧和几乎空白子帧。该方案要求宏基站在ABS子帧段中不传输用户数据，使得受干扰影响的小基站用户可以在干扰减少的情况下传输数据，但宏基站的吞吐量会降低[4]。

在异构网络中，因为小基站的传输功率更低，所以连接到小基站的UE数目减少，而宏基站上通信负载过大。为了克服这个问题，引入了小区扩展技术(Cell Range Expansion，CRE)，扩大了小基站的覆盖区域。通过宏基站留出空白子帧不传输数据的方式，小基站扩展区域的UE(受害用户)可以使用这些子帧资源，从而受到较少的干扰影响[5]。如图1，受害用户和普通用户为小基站用户，宏基站对前者影响较大。

图1 ABS资源调度模型

ABS算法的关键在于在小基站的干扰减少及宏基站吞吐量降低之间进行权衡，改进系统整体性能。更具体地说，需要合理分配基站的时域资源，确定在ABS中将调度多少受害UE和对参与调度的受害UE的选择[6]。经典ABS算法多采用时域、频域和功率分开的控制方式，不能很好地解决宏基站吞吐量降低的问题[7]，本文提出一种新型ABS联合调度算法。该算法通过实施特定的小基站部署方式及在时域、频域和功率上联合的控制技术，使得宏基站的吞吐量大幅增强，获得更好的系统资源利用效率。

本文研究的场景中，宏基站的集合为i=1,…,M，小基站的集合为k=1,…,S。UE分布在异构网络场景中，UE的集合为U，并形成一些UE密度比其他区域要高的热点区域。UE和小区间的关联与测量到的接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)及基站偏移门限Δ(dB)相关。与宏基站i关联的UE的集合为UM,i，与小基站k关联的UE的集合为US,k。将与小基站k关联的UE进一步划分为两个子集。CRE中UE的集合为UCRE,k，是小基站k扩展区域的UE的集合。该子集中的UE与小基站关联，但是接收到更强的宏基站的信号。普通UE的集合UN,k，其中的UE与小基站关联并且接收到小基站的信号更强。可知UCRE,k∪UN,k=US,k。

分析下行方向的通信链路。根据LTE的标准，资源块的分配从时域和频域两个维度进行划分。资源块在频域上总共有numRB个子载波，带宽为BRB=180 kHz。资源块在时域上一个帧长为10 ms，其中每个子帧为1 ms。因此，一帧中可以被利用的资源块可以记为RB(f,t)，其中，f=1,…,numRB，t=1,…,10。每个基站传输的每帧都按照调度算法将资源块分配给UE。使用ABS技术时，用μ表示每帧中ABS子帧的数量。普通子帧即为非ABS子帧。

对于每名UEu(u∈U)传输的资源块RB(f,t)，宏基站i中的UE传输时的总传播损耗记为LM,u,i,RB(f,t)，小基站k中UE传输时的总传播损耗记为LS,u,k,RB(f,t)。引起传播损耗的原因包括由于多径效应引起的快衰落和阴影衰落。

2 新型基于ABS的eICIC解决方案

新型ABS联合调度算法允许在特殊的限制条件下使用ABS子帧通信以避免对小基站产生过多的干扰，而不是让宏基站在这些子帧中处于完全静默状态。对宏基站i及其覆盖到的小基站根据不同案例采取的不同策略如图2所示。

图2 不同案例中的分配策略

图2(a)中描述了案例1中的宏基站UE和小基站UE的资源块分配标准。案例1中，无论何时，当小基站的位置离宏基站距离较远时，即宏基站到距离宏基站最近的小基站的距离ds在一个固定的门限值Ths之上时，小基站UE受到来自宏基站的干扰原本就较少，在这种情况下，宏基站可以在ABS子帧上以较低的功率传输数据。为了利用ABS子帧，将宏基站的覆盖区域分为中心区域和外侧区域两个部分。将宏基站UE与宏基站间的平均传播损耗高于固定门限值Lth的UE划分为外侧区域UE，将UE与基站间的传播损耗低于Lth的UE划分为中心区域UE。宏基站i外侧区域UE的集合为子集UO,i，中心区域UE的集合为子集UI,i。Lth值根据传播损耗模型确定，根据Lth划分出的宏基站中心区域的边界要小于宏基站到最近的小基站的距离ds。

中心区域的UE使用μ个ABS子帧中的资源块以较低的传输功率发送，而外侧区域的UE只能使用普通子帧。此外，对于宏基站i使用的每个资源块的传输功率，中心UE使用的ABS子帧的传输功率为PTM,i,Low，其他无论是中心UE还是外侧区域UE，使用普通子帧的传输功率皆为PTM,i,High。

对于小基站的资源分配策略，CRE中UE仅使用ABS子帧，普通UE首选ABS子帧，但当ABS子帧资源不足时，可以给其分配普通子帧。小基站k分配给每个小基站UE使用的每个资源块的传输功率皆为PTS,k，无论是普通子帧还是ABS子帧。

对于案例2，如果宏基站的近距离范围内有小基站，即离宏基站最近的小基站到宏基站的距离ds小于门限值Ths，此时小基站的UE更加容易受到宏基站的干扰影响。案例2中对小基站UE和宏基站UE的分配策略如图2(b)所示。即使宏基站使用低功率在ABS上传输数据，宏基站和小基站同时使用这些子帧传输数据也是行不通的。在这种情况下，可以使用一种在频域上进行分割的应对策略。在每个ABS子帧中定义一些特殊的保留资源块，保留资源块的数目为ε≤numRB。这些保留资源块将不会给宏基站用来传输数据。这些资源块将主要留给小基站的CRE中UE使用，因为这些边缘区域的UE对来自宏基站的干扰影响更加敏感。此外，给宏基站UE分配使用普通子帧和ABS的非保留资源块(数量为numRB-ε)。通过这种设置，可以避免宏基站在ABS子帧期间处于完全静默状态，增加了宏基站的用户容量。这个方案的关键点在于保留资源块数量ε的计算，应当根据CRE中UE的数目重新设定。在本文中对ε的估计如下：

ε=min([α·numCRE],numRB)

(1)

其中α为算法中的参量，numCRE为宏基站i覆盖范围下所有小基站的CRE中UE的总数量。[·]代表凑整运算。

依照上述方案，在CRE中UE数量较少时，减少ε的值；当CRE中UE数量增多时，采用传统的ABS方案。宏基站不可使用ABS资源块传输数据，即此时ε=numRB。小基站的CRE中UE仅被分配ABS中的保留资源块，而小基站的普通UE优先被分配ABS中所有资源块，包括子帧中的保留资源块和非保留资源块。但是当ABS资源不够使用时，小基站普通UE也可以使用普通子帧。这个场景中，宏基站i所有子帧的每个资源块的传输功率为PTM,i,High。对于小基站k每个资源块的传输功率为PTS,k。

3 仿真及结果分析

3.1仿真场景

仿真场景由一个宏基站和两个小基站组成。场景中分布着90名UE。此外，如图3所示，一部分UE形成热点区域分布其中。

图3 仿真场景

图3中展示了两个场景。两个场景的不同之处在于小基站与宏基站间的距离。每次仿真时会改变热点区域内的UE数量。

3.2参数设置

表1为调度算法中用到的不同参数。此外，对于场景2中保留资源块数量ε的计算，由式(1)得出，其中α=2/μ。之所以这么设置，是考虑到每个CRE中UE传输数据时平均需要2个资源块。宏基站的传播损耗LM,u,i,RB(f,t)及小基站的传播损耗LS,u,k,RB(f,t)由下面的一般传播损耗模型计算：

L(dB)=128.1+37.6logd(km)+S-10logF

(2)

其中，d为UE与基站之间的物理距离。S(dB)为阴影衰落，服从标准偏差为σ=6 dB的高斯随机分布。F代表多径引起的快衰落损耗，对于每一帧的每个资源块，F是独立的均值为1的指数变量。

场景1中用来将UE区分为中心区域UE和外侧区域UE的门限值为Lth=101.8 dB，根据传播损耗模型，该值对应于中心区域的半径为200 m。

用平均用户容量作为性能指标。一名UE在一帧上获得的容量为Cu。平均用户容量是一名UE在所有帧上获得的Cu的平均值。Cu是该UEu在一帧中被分配到的资源块的传输速率的总和，即：

(3)

式中，(S/N)u,RB(f,t)是UEu在资源块RB(f,t)上的信号与干扰噪声比。

表1 仿真参数设置

3.3结果分析

3.3.1场景1中的仿真情况

在该场景中，两个小基站与宏基站之间的距离分别为400 m和150 m，如图3(a)中所示。由于距离的门限值Ths=250 m，可以使用案例2中对频域进行划分的解决算法。从图4可以发现，随着ABS子帧数目的增加，新方案相对于经典方案的用户容量增益也更大，当μ=6时，增益达到45%。达到如此高增益的关键要素在于保留资源块数量ε与小基站的CRE中UE数量间的匹配。尤其当热点区域UE数量与小基站UE总体数量相比较少时，算法中配置的每个ABS子帧中传输的保留资源块的数量ε也非常少。相反，当小基站UE数量增加时，算法趋向于增大保留资源块数量ε的值。当ABS子帧数为1时，该方案的性能表现与经典ABS方案类似。因为这种情况下，算法中有ε=numRB，相当于经典算法，即宏基站不可使用ABS子帧传输数据。

图4 平均用户容量增益/%

3.3.2场景2中的仿真情况

在这个场景中，两个小基站与宏基站之间的距离分别为400 m和320 m，如图3(b)中所示。因为两个基站与宏基站之间的距离都高于门限值Ths=250 m，因此案例1适用于这种场景，此时宏基站使用两种传输功率。从图5中发现，新型方案优于经典方案，且获得的增益随着ABS子帧数目μ的增加而增加。当μ=6时，这种案例下用户容量增益可以高达16%。

图5 平均用户容量增益/%

新型方案下，场景2中UE获得的增益与场景1相比略低。原因如下：(1)场景2中宏基站中心区域的UE在使用ABS子帧时使用的是较低的传输功率，同时它们受到相同的来自小基站UE的干扰，因此与场景1中运用案例2的情况对比，场景2中宏基站的平均用户容量增益降低；(2)场景2中小基站UE的用户容量也降低了，但与场景1中情况相比，降低的程度较轻。这是因为不同于只给CRE中UE分配使用保留资源块，场景2中允许这些UE使用ABS子帧所有的资源块，然而由于小基站与宏基站相距较远，所以CRE中UE受到的干扰能够保持在较低的水平。

4 结束语

本文研究了一种用于解决由宏基站和小基站组成的异构网中的干扰问题的新型干扰降低方案。从时域、频域和功率联合的角度提出解决方案，在小基站UE干扰降低和宏基站UE吞吐量降低之间取得平衡，得到更优的系统性能。与经典ABS方案相比，在小基站UE受宏基站影响较大的场景中，新型方案中平均用户容量增益高达45%。系统资源的利用率更高，系统整体容量扩大。但该方案对资源的利用方式及干扰的降低方式仍有改进空间。对于一个小基站与宏基站距离较近的情况，该方案并未减轻小基站受到的干扰。

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A study on eICIC schemes based on almost blank subframes

Hu Hao, Zhao Tiancheng

(College of Communication & Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Heterogeneous Networks (HetNets) deployments, combining a variety of different cell sizes, are considered in order to enhance the coverage and capacity of cellular system. At the same time, this multi-layer structure also brings inter-cell interference. The use of Enhanced Inter-Cell Interference Coordinaton (eICIC) techniques such as Almost Blank Subframes (ABS) which is a time domain technique has been introduced in HetNets to protect the small cells from high interferences. However, this is done at the expense of lower macrocell user capacities.Then the thesis presents a novel scheme that exploits jointly the frequency, time and power dimensions for interference mitigation. Simulation results have shown that the novel scheme can increase throughput for macrocell users without generating severe interference to the small cell users.

heterogeneous network; interference coordination; almost blank subframes

TN911.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.020

胡浩，赵天呈.基于ABS的干扰协调方案研究[J].微型机与应用，2017,36(19)：70-73.

2017-05-06)

胡浩(1991-)，男，硕士，主要研究方向：通信与信号处理。赵天呈(1992-)，女，硕士，主要研究方向:信息处理。