王小鋒 許方敏

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

密集小區(qū)環(huán)境下干擾抑制策略的性能分析

王小鋒 許方敏

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

密集小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以滿足移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)需求，但此時(shí)密集小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，對(duì)小區(qū)的干擾管理要求更高、更具挑戰(zhàn)性。以基站為中心的干擾抑制策略由于復(fù)雜度低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。文章通過(guò)搭建系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，分析了以基站為中心的干擾抑制策略的系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，以基站為中心的干擾抑制策略有效的提高了系統(tǒng)容量，抑制了密集小區(qū)環(huán)境的小區(qū)間干擾。

密集小區(qū)；干擾抑制；吞吐量

1 引言

傳統(tǒng)移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，宏基站覆蓋半徑通常較大，一般采用較大的頻率復(fù)用因子。而且，宏基站小區(qū)的復(fù)用間隔較遠(yuǎn)，無(wú)線資源利用效率不高，無(wú)法滿足通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋和LTE移動(dòng)寬帶通信需求。另一方面，宏基站的發(fā)射功率大，無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍廣，由于穿墻損耗（尤其是市區(qū)，高層建筑物密度大，有用信號(hào)損耗更加嚴(yán)重）會(huì)使得室內(nèi)（居民區(qū)、商場(chǎng)、地下室等）用戶接收到的有用信號(hào)大大減弱，從而造成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)。而移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量主要發(fā)生在室內(nèi)［1，2］，因此，一種新型的小區(qū)結(jié)構(gòu)密集小區(qū)（Density Cell）被提出來(lái)，它可以解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中室內(nèi)環(huán)境信號(hào)覆蓋不佳的問(wèn)題，提高室內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)流量速率，提高熱點(diǎn)地區(qū)通信系統(tǒng)容量，彌補(bǔ)宏蜂窩的不足。

另一方面，小基站使用密度的增大以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，惡化了密集小區(qū)的同頻干擾問(wèn)題［3-5］。由于較大的同頻干擾，會(huì)制約小區(qū)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的容量的增加，同時(shí)也會(huì)使得用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率迅速下降，嚴(yán)重的話，可能造成掉話，影響小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量。因此，如何有效解決密集小區(qū)結(jié)構(gòu)的小區(qū)間干擾問(wèn)題成為筆者研究的熱點(diǎn)之一。

提高小區(qū)邊緣用戶性能的小區(qū)間干擾抑制策略主要分為以基站為中心和以用戶為中心兩種類(lèi)型［5-7］。目前，以基站為中心的小區(qū)間干擾抑制策略由于簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，受到了人們的廣泛關(guān)注。因此，本文主要介紹密集小區(qū)環(huán)境下，以基站中心的小區(qū)間干擾抑制方案，通過(guò)搭建系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)驗(yàn)證這種方法的有效性。

2 系統(tǒng)模型及以基站為中心的小區(qū)間干擾抑制策略

2.1 系統(tǒng)模型

考慮密集小區(qū)分布服從泊松分布的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型中的下行鏈路的干擾問(wèn)題，如圖1所示。所有的基站均采用全向天線且發(fā)射功率一樣。每個(gè)小區(qū)的用戶均勻的撒入各個(gè)小區(qū)，一個(gè)無(wú)線資源塊只能對(duì)于一個(gè)UE，且不同小區(qū)的頻率資源調(diào)度是相互獨(dú)立的，即小區(qū)的無(wú)線資源不會(huì)服務(wù)于另一個(gè)小區(qū)的用戶，所以小區(qū)內(nèi)干擾接近于零，筆者將中心小區(qū)設(shè)定為參考小區(qū)，參考小區(qū)的基站為 BS0，它相鄰小區(qū)的基站定義為其干擾基站，由于參考基站BS0和其周?chē)母蓴_使用相同的頻段，參考用戶可以接收到相鄰基站干擾信號(hào)（無(wú)用信號(hào)）。參考用戶接收信號(hào)的信干噪比可以表示為：

圖1 小區(qū)系統(tǒng)模型

2.2 以基站為中心的干擾抑制策略

以基站為中心的抑制策略，相比于傳統(tǒng)的抑制策略來(lái)講，可以有效改善系統(tǒng)的通信環(huán)境，提高小區(qū) UE的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量，它有著復(fù)雜度低、成本低實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此是一種滿足今后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求抑制技術(shù)。它是通過(guò)比較干擾基站到參考基站的距離來(lái)判斷是否進(jìn)行頻率復(fù)用的。若干擾基站到參考基站的距離小于等于參考基站設(shè)定的門(mén)限值dthreshold，說(shuō)明此時(shí)無(wú)用信號(hào)對(duì)參考小區(qū)內(nèi)的用戶的同信道干擾較大，通過(guò)二者使用不同的帶寬頻率組，來(lái)減輕小區(qū)間干擾；若干擾基站到參考基站的距離超過(guò)參考小區(qū)規(guī)定門(mén)限值，此時(shí)干擾信號(hào)由于路徑損耗的影響，能量較小不會(huì)對(duì)參考用戶造成很明顯的干擾，所以二者可以被分配一樣的無(wú)線帶寬頻率組，提高無(wú)線資源利用率。如圖1所示，以參考基站為中心畫(huà)一個(gè)半徑為dthreshold的圓形，若干擾基站位置在該圓的覆蓋范圍中，則說(shuō)明其到參考基站的距離小于dthreshold，即不進(jìn)行頻率協(xié)調(diào)。圖中可以看到BS1和BS2分布在圓的覆蓋范圍中，說(shuō)明不能與參考基站同頻。BS3，BS4，和BS5三個(gè)基站在圓的外面，因此可以與參考基站同頻，這時(shí)參考基站的小區(qū)間干擾來(lái)源于BS3，BS4，和BS5三個(gè)基站，但是由于這些基站到參考基站的路徑損耗比較大，不會(huì)對(duì)參考小區(qū)造成明顯的影響。

2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

用戶吞吐量：用戶吞吐量指用戶的業(yè)務(wù)流量速率?？梢愿鶕?jù)香農(nóng)公式（2），來(lái)計(jì)算參考小區(qū)中用戶的吞吐量：

其中，SINR為用戶的信噪比大小，可以通過(guò)式（1）計(jì)算得到；B為每個(gè)參考用戶所占用的帶寬資源，即每個(gè)RB資源塊所占用的帶寬。

小區(qū)吞吐量：參考小區(qū)中所有的用戶業(yè)務(wù)流量速率的總和。

3 仿真和性能分析

下面通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證以基站為中心的干擾抑制方法的性能。仿真中，基站發(fā)射功率43dbm，σ2=1，每個(gè)小區(qū)可用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源為24個(gè)RB資源塊。

本次仿真中筆者對(duì)3種方案進(jìn)行對(duì)比分析。第1種：頻率復(fù)用因子為1，每個(gè)基站使用相同的頻率，此時(shí)參考基站BS0收到周邊所有干擾基站的同頻干擾，此時(shí)小區(qū)的同信道干擾最大，但此時(shí)的無(wú)線資源利用率也最大。第2種：頻率復(fù)用因子為3，即增加同頻小區(qū)空間復(fù)用距離，減少小區(qū)同信道干擾，每3個(gè)基站復(fù)用一段頻率。第3種是以基站為中心的干擾抑制策略。

圖2給出了，當(dāng)每個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目為10，平均5個(gè)干擾基站的情況下，用戶平均吞吐量和它與參考基站距離之間的關(guān)系。其中橫坐標(biāo)為處于不同位置用戶到參考基站的距離，單位為km，縱坐標(biāo)表示每個(gè)用戶的平均吞吐量，單位為Mbps。

圖2 用戶吞吐量v.s. 用戶與服務(wù)基站距離

通過(guò)圖2筆者可以看出，以基站為中心的干擾抑制方法相比于頻率復(fù)用1和頻率復(fù)用3來(lái)說(shuō)，有效地降低了小區(qū)間的干擾，提高了系統(tǒng)容量和用戶接入率。

圖3在圖2仿真條件的基礎(chǔ)上，將干擾基站的平均個(gè)數(shù)增加到20個(gè)。

圖3表明，在這的3種方法里，干擾基站的數(shù)目增加都會(huì)使小區(qū)間干擾變大，導(dǎo)致用戶速率和小區(qū)總速率有所下降，尤其是距離基站較遠(yuǎn)的用戶的業(yè)務(wù)速率。其中采用以基站為中心的抑制方法的參考小區(qū)的性能在三種方案中最好，用戶性能不會(huì)受到明顯的影響。這是因?yàn)橐曰緸橹行牡囊种撇呗裕ㄟ^(guò)門(mén)限來(lái)判斷干擾基站會(huì)不會(huì)對(duì)自己小區(qū)的用戶造成較大的同信道干擾，來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配，避免對(duì)自身有用信號(hào)的沖突，使得參考小區(qū)內(nèi)的用戶速率不會(huì)造成很大影響。

圖3 增加干擾基站后的用戶吞吐量

圖4給出了3種干擾抑制方法在每小區(qū)平均用戶數(shù)變化時(shí)的系統(tǒng)容量。圖4表明，在用戶數(shù)增大時(shí)，3種方案的系統(tǒng)容量都先增大后平緩變化。同時(shí)，與其它兩種方法相比，以基站為中心的干擾抑制策略有效的提高了系統(tǒng)吞吐量。

圖4 參考小區(qū)用戶數(shù)目和系統(tǒng)容量的關(guān)系

綜上所述，筆者可以看出在這3種抑制方法中：

3復(fù)用方案——比較適和于參考小區(qū)用戶數(shù)目少的時(shí)候。但是一旦參考小區(qū)內(nèi)的 UE數(shù)目增加，它的缺點(diǎn)就體現(xiàn)出來(lái)了，頻段利用率低使得參考小區(qū)容量跟不上用戶的增長(zhǎng)，參考小區(qū)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他的兩種方法，滿足不了參考小區(qū)內(nèi)UE的業(yè)務(wù)流量需求，因此不適用在密集的移動(dòng)通信環(huán)境中。

1復(fù)用方案——干擾BS的個(gè)數(shù)增加會(huì)對(duì)頻率因子1造成明顯的影響，因此，1-復(fù)用適合于參考小區(qū)內(nèi)的UE多而相鄰小區(qū)與參考小區(qū)的空間距離比較遠(yuǎn)的情況，更加適合于小容量的大區(qū)制的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

以基站為中心的小區(qū)抑制策略——將相鄰小區(qū)的干擾通過(guò)自動(dòng)采用頻率分配策略控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，通過(guò)參考門(mén)限的設(shè)置來(lái)分配不同的復(fù)用策略，若干擾基站在參考基站的門(mén)限內(nèi)，則干擾基站不會(huì)使用和參考基站一樣無(wú)線資源頻道，從而避免較大的同頻道干擾；若小區(qū)的干擾小，此時(shí)干擾基站距離參考基站的空間距離較遠(yuǎn)，在參考基站規(guī)定的門(mén)限之外，則二者均使用復(fù)用因子1，提高無(wú)線資源的利用率，改善參考小區(qū)的系統(tǒng)的性能和吞吐量。

4 結(jié)論

隨著5G系統(tǒng)的研發(fā)，各種高速率、高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)的不斷增加，用戶對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋和容量提出了更高的要求。在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上通常會(huì)疊加一些新的基站，同時(shí)由于地形地貌的影響，實(shí)際系統(tǒng)的小區(qū)架構(gòu)不能用規(guī)則的六邊形來(lái)建模。本文基于隨機(jī)幾何的小區(qū)模型，研究了以基站為中心的抑制策略的性能。與復(fù)用因子1和復(fù)用因子3進(jìn)行仿真對(duì)比，以基站為中心的抑制策略可以通過(guò)靈活地?zé)o線頻段資源管理和分配，有效的提高用戶吞吐量。

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Performance analysis of interference mitigation schemes in density cell environments

Density cell networks provide an effective way to meet the explosive growth of mobile data traffic， which， however，complicates the network structure and makes intercell interference management more challenging. Bs-Centric Interference mitigation schemes attract great interesting because of low complexity. Therefore， we analyze the performance of Bs-Centric Interference mitigation by using Matlab. Simulation results show that it can effectively solve the intensive interference problem of small cell environment and improve system throughput.

Density cell； interference mitigation； throughput

TN929.5

A

1008-1151（2016）01-0017-03

2015-12-11

浙江省自然基金項(xiàng)目（LQ15F010004）；訪問(wèn)學(xué)者發(fā)展項(xiàng)目（FX2014026）。

王小鋒，男，杭州電子科技大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)的干擾抑制技術(shù)。

許方敏（1980-），女，杭州電子科技大學(xué)講師，研究方向?yàn)槌芗W(wǎng)絡(luò)、無(wú)線資源分配等。