一种小区动态多模式频率复用方法的研究

王渊 唐智灵 李思敏

摘  要： 频率复用技术是移动通信系统中提升系统容量和边缘用户通信质量的核心技术，但是已有的方法无法根据相邻小区边缘用户的分布调整频率复用分配，导致边缘用户的信干噪比下降，其抗干扰能力减弱。文中提出一种动态多模式频率复用方法，该方法可以根据网络的实时需求选择频率复用模式，建立该方法的网络模型，同时也提出了对系统用户的信干噪比和覆盖率的评价方法。仿真结果表明，根据网络的实时需求，该方法能够有效地提高通信系统用户的信干噪比及覆盖率。

关键词： 频率复用; 覆盖率提高; 干扰管理; 模式选择; 网络模型建立; 信干噪比评价

中图分类号： TN911.4?34                        文献标识码： A                        文章編号： 1004?373X（2020）09?0001?04

Research on method of dynamic multi?mode frequency reuse in a cell

WANG Yuan1， TANG Zhiling1， LI Simin2

（1. School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China;

2. Institute of Electrical & Information Engineering， Guangxi University of Science & Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The frequency reuse technology is the core technology for improving system capacity and edge user communication quality in mobile communication systems. However， the existing methods cannot adjust frequency reuse allocation according to the distribution of neighboring cell edge users， resulting in a decrease of signal?to?influence plus noise ratio （SINR） of mobile communication systems held by the edge users. The anti?interference ability of their communication systems of the edge users is weakened. A dynamic multi?mode frequency reuse method is proposed in this paper， which can select the frequency reuse mode according to the real?time requirements of the network. The network model of the method is established， and also a method for evaluating SINR and coverage rate of the users′ communication systems is proposed. The simulation results show that the method can effectively improve the SINR and coverage rate of the users′ communication systems according to the real?time requirements of the network.

Keywords： frequency reuse; coverage rate improvement; interference management; mode selection; network model establishment; SINR evaluation

0  引  言

正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）广泛应用于下一代广播无线通信系统。LTE的下行链路就采用OFDMA技术，因为小区内用户彼此正交，避免了小区内干扰[1]，但由于LTE是同频组网，相邻小区的两个用户有可能使用相同的时频资源块，从而产生同频干扰，称为小区间干扰（Inter Carrier Interference，ICI）[2]。

若用户处在小区的边缘位置，受到ICI的影响比较严重，从而导致小区边缘用户通信质量下降，降低了整个通信系统的吞吐量，传统解决ICI的办法是采用频率复用技术，其复用系数是固定的，较大的复用系数是通过牺牲频谱效率为代价来抑制ICI，这不符合未来移动通信的要求。

文献[3]考虑到吞吐量、服务用户数量和实际覆盖面积，提出一种先进的能效措施，模拟表明能源效率增加和最佳距离阈值随着用户数量的增加而减少。文献[4]提出的方案为宏蜂窝部分分配更少的资源，其具有更多部署的毫微微蜂窝能尽可能地重用可用资源。文献[5]以避开主要干扰源的原则对用户进行分类，不同的用户采用不同的复用因子来提高整个系统的吞吐量。文献[6]提出了一种适用于毫微微蜂窝网络的自适应频率复用方案，其目的是避免出现干扰和交叉干扰。文献[7]考虑到用户分布的随机性，相邻的3个小区动态调整载波分配给边缘用户的可能性低。文献[8]虽然在一定程度上增加了边缘用户的吞吐量，但大多只是固定地给边缘用户分配更多的频率资源，这种资源分配方式会导致边缘用户吞吐量急剧下降。文献[9]在多用户场景中研究了如何通过资源分配来最小化网络的服务时间。

针对以上问题，本文提出一种小区动态多模式频率复用方法，其可根据实时的网络需求选择不同的频率复用模式，提高系统用户的信干噪比，使得用户的抗干扰能力增强，从而提升了小区的覆盖率。

1  动态多模式频率复用方法

常用的频率复用方式有部分频率复用和软频率复用，由于小区间的同频干扰随着距离的增加而减小，小区的中心用户受到的同频干扰小，小区边缘用户受到同频干扰大，通过理论分析得出：频率复用因子越大，频谱效率越低，干扰越小[10?11]。

由于在实际的蜂窝通信系统中，用户的位置是时变且随机的，故小区内的中心用户和边缘用户数目是变化的，这就导致了单一的频率复用不能满足现有小区的通信需求，所以本文提出了一种小区动态多模式频率复用方法，通过4种不同复用模式的联合，可根据网络系统的实时需求选择合适的频率复用模式。

假设全网通信状态同步，基站处于发射状态，用户处于接收状态，通信网络中会存在基站对基站的干扰和用户对用户的干扰。若相邻小区的用户使用同一频谱资源时，将会产生ICI。由于LTE网络下行采用OFDMA，确保了小区内信号间的正交性，避免了小区内的干扰，所以信干比的计算公式为：

[SINR=PIother+N] （1）

式中：[Iother]是相邻小区间的干扰;[N]是噪声;[P]是用户接收到的有用信号功率，其计算如式（2）所示：

[P=Pbs+G-Ploss-Pshadow] （2）

式中：[Pbs]为基站发射功率;[G]为天线的增益;[Ploss]为路径损耗;[Pshadow]为阴影衰落。

评价系统性能的指标主要有：

1） 吞吐量

吞吐量的计算与调制方式有关[12]，调制编码方式越高，信道质量越好，传输的速率越高。在这里假设一个用户采用QPSK（正交相移键控）的调制方式，其编码速率为[12]，则吞吐量计算公式为：

[Throughput=n×RbTf] （3）

式中：[n]为每个资源块所包含的子载波个数，在后面的仿真中取48;[Rb]表示每个子载波的比特率，本文所采用的是QPSK调制方式且编码速率为[12]，所以每个子载波的比特率为[2×12];[Tf]表示帧长为5 ms;吞吐量指的是小区内所有用户的吞吐量之和。

2） 覆盖率

设接收信号门限为[γ]，若接收信号大于或等于[γ]的用户所占总用户的百分比，就称为覆盖率，在后面的仿真实验中，以QPSK（正交相移键控）调制方式（[112]）对应的信噪比值-3.14 dB为门限，如表1所示。

表1  不同调制编码方式的信干噪比阈值

[MCS ID MCS SINR /dB Slot Efficiency 1 QPSK（[112]） -3.14 1.6 2 QPSK（[16]） -0.73 3.2 3 QPSK（[13]） 2.09 6.4 4 QPSK（[12]） 4.75 9.6 5 QPSK（[23]） 7.86 12.8 6 16QAM（[12]） 9.94 19.2 7 16QAM（[23]） 13.45 25.6 8 64QAM（[12]） 18.6 38.4 9 64QAM（[23]） 24.58 48 ]

在频率复用方案中，定义整个系统的频率复用因子为[K]，它介于1和3之间，频谱资源的有效利用反映了复用因子的大小，定义有效使用的频谱利用因子为：

[Uspe=1S?Pmaxi∈SnPi] （4）

式中：[S]为总的子带数;[Pmax]为系统中子带的最大发射功率;[Pi]为子带[i]的发射功率。软频率复用因子与频谱利用因子互为倒数，如式（5）所示：

[K=1Uspe] （5）

如果边缘区域的带宽是总带宽的[13]，假设发射功率为[Pmax]，中心区域的带宽是总带宽的[23]，则发射功率为[αPmax（0≤α≤1]），则：

[Uspe=1S?PmaxS3?Pmax+2S3?αPmax=1+2α3] （6）

从式（5）和式（6）可以看出，频谱利用率与软频率复用因子都可以通过发射功率比[α]来表示，[α]越大，复用因子越小，频谱利用率越高。

小区动态多模式频率复用方法包含以下4种不同的复用模式：

模式1为频率复用因子为1的普通复用方式，频谱的利用率最高，但边缘用户受到干扰严重，覆盖率最低;

模式2采用软频率复用，整个频段分成高功率和低功率两部分，其中，高功率是低功率的2倍;

模式3采用软频率复用，整个频段分成高功率和低功率两部分，其中，高功率是低功率的4倍;

模式4频率复用因子为[13]，频谱利用率低，受到同频干扰小，覆盖率变大。

在动态多模式频率复用方法的过程中，主要包括以下几点：

每个基站由模式1开始，本文仿真中以调制方式QPSK（[112]）对应的信干噪比-3.14 dB为门限，由表1可知，若用户信干噪比小于门限值，则不能接入，通过不能接入的用户数量（根据式（7））来确定覆盖率。

如基站处于模式1中，若检测到问题（当前的吞吐量及覆盖率小于模式2的吞吐量及覆盖率），则保持不变;反之，则切换到模式2的復用方式。若基站处于模式2中检测到不存在覆盖问题，基站则发消息给相邻小区说明它更倾向的模式，若相邻小区所处的模式都是小于或等于该模式，它就降低到低级的模式。每种模式的覆盖率都是逐渐增大，频谱利用率逐渐减小。

[coverage=1-unaccess_numtotal_num] （7）

式中：coverage表示覆盖率;unaccess_num表示用户信噪比值小于-3.14 dB的用户;total_num表示该小区内的总用户。

小区内用户的SINR利用式（8）进行计算：

[SINR=SN+I] （8）

式中：[S]表示有用信号的功率;[N]为噪声;[I]表示相邻小区的干扰。

综上所述，动态多模式频率复用方法的流程图如图1所示。

2  仿真与讨论

动态多模式频率复用仿真采用LTE中的4种模式的信道模型，自适应调制编码方式与信干噪比的对应关系如表2所示。本文采用一个由19个六边形组成的LTE蜂窝网络，仿真参数如表3所示。

4种模式的信干噪比分布曲线如图2所示。仿真采用LTE中的4种模式的信道模型，根据不同的需求来确定适合的复用模式，由图2与表4可得，模式1的频谱利用率最高，但其ICI是最严重的，覆盖率是最差的;若边缘用户量较大时，为了获得更好的性能，应该选择模式2;在中心用户业务量大的情况下，并且希望获得较大的吞吐量，则可以采用模式3;若想使得ICI最小，实现覆盖面积较大，则应该采用模式4;图3所示是系统根据实际需求，选择合适的复用模式并进行切换。4种模式及动态多模式频率复用吞吐量及覆盖率的统计值如表4所示。由表4中可以看出，4种不同模式下，其各自吞吐量的值差异很大，这也使其能够满足动态的业务需求，动态多模式频率复用方法在提高了小区用户SINR的同时也提高了覆盖率。

将动态多模式频率复用、SFR与频率复用因子为1进行了仿真对比，由图4和图5可以看出，采用动态多模式频率复用方法，小区全部用户和小区边缘用户的SINR有了明显的提升。

3  结  语

传统的频率复用算法在小区网络中不能根据实时的网络需求进行频率复用因子的调整。实验仿真结果表明，本文所提出的动态多模式频率复用方法，能够根据小区用户实时的分布位置及业务量情况，通过选择适合于实时网络需求的复用模式，提高通信系统用户的信干噪比及覆盖率。当边缘用户量较大时，采用模式2会获得更好的性能;若小区中心业务量大的情况下，并且希望获得较大的吞吐量，则可以采用模式3;若想实现覆盖面积大，则应该采用模式4。本文所提出的动态多模式频率复用方法，在提高通信系统用户的信干噪比的同时也提高了系统的覆盖率。

参考文献

[1] LIU Libin， PENG Tao， ZHU Pengbo， et al. Analytical evaluation of throughput and coverage for FFR in OFDMA celluar network [C]// 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference. [S.l.]： IEEE， 2016： 1?5.

[2] MA Fuying， WANG Pin， ZHANG Rifang. LTE system of inter?cell interference coordination analysis [J]. Data communication， 2010（5）： 15?17

[3] ZHU Pengbo， PENG Tao， QI Zhiqiang， et al. Energy efficiency and optimal threshold for FFR schemes in OFDMA cellular networks [C]// 2016 10th International Conference on Signal Processing and Communication Systems （ICSPCS）. Gold Coast， Australia： IEEE， 2016： 1?7.

[4] SULTAN Alotaibi， ROBERT Akl. Dynamic fractional frequency reuse （FFR） scheme for two?tier network in LTE [C]// 2017 IEEE 8th Annual Ubiquitous Computing， Electronics and Mobile Communication Conference （UEMCON）. New York： IEEE， 2017： 408?413.

[5] XU Fangmin. Fractional frequency reuse （FFR） and FFR?based scheduling in OFDMA systems [C]// 2010 International Conference on Multimedia Technology （ICMT）. Ningbo， China： IEEE， 2010： 1?4.

[6] HUANG G， LI J. Interference mitigation for femtocell networks via adaptive frequency reuse [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2016， 65（4）： 2413?2423.

[7] QIAN Manli， HARDJAWANA W， LI Y， et al. Adaptive soft frequency reuse scheme for wireless cellular networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2015， 64（1）： 118?131.

[8] YANG Xuezhi. A multi?level soft frequency reuse technique for wireless communication systems [J]. IEEE communications letters， 2014， 18（11）： 1983?3986.

[9] YAO Chuting， YANG Chengyang， XIONG Zixiang. Energy?saving predicative resource planning and allocation [J]. IEEE transactions on communications， 2016（99）： 1?17.

[10] BELLESCHI M， FODOR G， PENDA D D， et al. Benchmar?king practical RRM algorithms for D2D communications in LTE advanced [J]. Wireless personal communications， 2015， 82（2）： 883?910.

[11] TEHRANI M N， UYSAL M. Device?to?device communication in 5G cellular networks： challenges， solutions， and future directions [J]. IEEE communications magazine， 2014， 52（5）： 86?92.

[12] DBE S， MONOGIOUDIS P， MIERNIK J， et al. Algorithms for enhanced inter?cell interference coordination （eICIC） in LTE HetNets [J]. IEEE/ACM transactions on networking， 2014， 22（1）： 137?150.