南京郵電大學通信與信息工程學院 武婷婷

超密集網絡中基于小小區(qū)分簇的干擾管理方案

南京郵電大學通信與信息工程學院 武婷婷

隨著移動流量的爆炸式增長，用于流量集中區(qū)域分流和增加網絡容量的小小區(qū)技術受到了廣泛關注，其具有部署更為便捷，組網更為靈活，頻譜利用率高，建網成本也更低等優(yōu)勢。然而，小小區(qū)帶來便利的同時也帶了新的技術挑戰(zhàn)。小小區(qū)使得基站之間與基站與用戶之間的距離變短，用戶能更有效的接入小區(qū)中，但是同樣也使得小區(qū)之間的干擾增強，如何設計有效的干擾管理方案變成了必然的研究熱點。研究了超密集網絡環(huán)境中的干擾管理的方案，提出了SCVC（Semi-clustering of Victim-cells Approach）方案，是根據用戶的狀態(tài)來定義所在小小區(qū)是干擾源還是被干擾小小區(qū)，區(qū)分兩者之后，基于用戶狀態(tài)對被干擾小小區(qū)進行分簇。在分簇的簇內動態(tài)的分配無線資源，實現(xiàn)從關鍵用戶的資源共享到非關鍵用戶的頻率復用。從而實現(xiàn)小小區(qū)間干擾最小化，提高資源利用率。

超密集網絡；小小區(qū)；干擾管理；分簇；無線資源分配

0 引言

隨著萬物互聯(lián)的愿景的一步步實現(xiàn)，數(shù)據流量大幅增加，在原有網絡基礎上，實現(xiàn)網絡容量大幅增加成為了新的挑戰(zhàn)[1]。同時，用戶對服務質量的高期望也推動著移動網絡運營商對現(xiàn)有基礎架構的擴容。因此，網絡密集化成為必然的趨勢。

而部署低成本、低功耗的小小區(qū)被普遍認為是實現(xiàn)密集化的有效方案，尤其是在流量密集的熱點區(qū)域。本文就是基于超密集網絡中的小小區(qū)技術，來研究小小區(qū)之間的干擾管理和無線資源分配問題。

1 小小區(qū)

網絡密集化，是應對未來流量大幅增長最可信的解決方案，超密集網絡也是5G的關鍵技術之一。其中，可靈活部署的小小區(qū)基站提供給用戶了更好的容量和更大的覆蓋范圍，也可以使得運營商的成本降低，部署簡單，提升用戶體驗。

1.1 小小區(qū)的部署場景

3GPP已經確定了三種小小區(qū)的部署場景[3]：

（1）場景1：室外部署，并且與宏小區(qū)工作在相同的載波上；

（2）場景2：室外或者室內部署，但工作在與宏小區(qū)不同的載波上；

（3）場景3：室外或者室內部署，小小區(qū)獨立部署。

為了安全性及隱私性，小小區(qū)一般是以封閉用戶組（ Closed Subscriber Group，CSG）的形式工作，因此，當小區(qū)越來越密集的時候，用戶就會活躍在不同的若干個小區(qū)之間，這樣就會導致下行鏈路干擾更加嚴重和復雜。只有解決了小小區(qū)間干擾問題，部署小小區(qū)的優(yōu)勢才能實現(xiàn)。然而，小小區(qū)部署與傳統(tǒng)基站部署不同，無法直接利用傳統(tǒng)的干擾解決方案來減少小小區(qū)之間的干擾。

1.2 小小區(qū)干擾研究現(xiàn)狀

目前已經有很多相關研究人員提出了超密集網絡中不同的干擾協(xié)調和無線資源分配的方案。其中，分簇方案可以最大程度的減少小小區(qū)之間的干擾，并降低超密集網絡中資源分配模型的復雜度。

而現(xiàn)有的研究中，所提出的方案[7,8]等均沒有對小小區(qū)中的用戶做區(qū)分。在大多數(shù)情況下，同一個小小區(qū)中可能存在著有不同需求的用戶，而不做區(qū)分就會使所有有不同需求的用戶都是占用相同的資源，會導致資源利用率較低。本文就這一現(xiàn)象提出了一種新的干擾協(xié)調方案——被干擾小小區(qū)半分簇方案（the Semi-clustering of Victim-cells Approach，SCVC），用來解決超密集網絡中小小區(qū)間干擾的問題。該方案不僅區(qū)分不同的用戶，還區(qū)分干擾源小區(qū)和被干擾小區(qū)，并根據小小區(qū)中活躍用戶狀態(tài)來形成小小區(qū)分簇。此外，還提出了基于小小區(qū)的各自用戶的狀態(tài)來分配小小區(qū)中無線資源。

2 小小區(qū)的干擾

為了設計出最優(yōu)的小小區(qū)干擾管理方案，必須對產生的干擾的小小區(qū)和用戶之間的干擾分布做詳細的研究[9,10]?？梢詫τ脩粼O備的干擾源進行降序排列，找出所有干擾源中主干擾源（Dominant Interferer，DI）。顯性干擾比（Dominant Interference Ratio ,DIR）被量化為DI和其他可以感知到的干擾的比率：

其中，是DI的信號功率，代表接收到的干擾總功率，N表示熱噪聲功率?？梢钥闯鲂盘柵c干擾噪聲比（Signal to Interference and Noise Ratio ，SINR ）和消除DI是成正比的，合理的干擾管理方案可以集中于DI的消除，也可以選擇減少其他較小的干擾。

如圖2.1所示，F(xiàn)1到F4分別表示四個基站，每個顏色表示不同的分簇，每個簇中有其服務的用戶設備（User Equipment，UE），UE用兩位數(shù)表示身份，其中第二位表示服務基站的身份。假設所有UE都是活躍狀態(tài)，我們可以將小小區(qū)的干擾分為四類：第一類，被干擾簇，它包含至少一個高于預定閾值的用戶（UE31），并且這個用戶被認為是關鍵用戶，同時，它和其他所有導致閾值升高的由相鄰基站（F1）服務的UE的DI無關；第二類，被干擾-干擾簇，其中的一些或者所有用戶被認為是關鍵用戶，并且與導致閾值升高的至少一個的由相鄰基站（F2）服務的用戶（UE31）的DI有關；第三類，干擾簇，其與導致預定閾值升高的由鄰居節(jié)點服務的UE（UE32）的DI有關，但是其服務的用戶都被認為是非關鍵用戶；第四類，中性簇，其服務的用戶都是安全的、非關鍵的，并且與影響鄰居的DI都不相關。

圖2.1 小小區(qū)分類示意圖

圖2.1只是僅表示了只有一個干擾簇的情況，然而在超密集網絡的實際部署中，被干擾簇的用戶可以感知到很多干擾源，同時，一個簇可以是多個相鄰簇的干擾源。另外需要注意的是，任何UE的狀態(tài)是隨時變化的，可能從關鍵變?yōu)榉顷P鍵，非關鍵變?yōu)殛P鍵，簇也是這樣，隨時可能從任意一類變?yōu)槿我饬硪活悺?/p>

圖2.2 超密集網絡部署模型

在本文中，我們的研究是基于小小區(qū)組成的超密集網絡，即前文中提到的3GPP確定的小小區(qū)部署場景中的第三種——小小區(qū)獨立部署。我們模擬一個如圖2.2所示的環(huán)境，每個公寓有兩層，每層高10m，有10間公寓，每間10×10m，每棟間隔10m。每個基站根據泊松點過程（Poisson Point Process，PPP）模型放在每個公寓內，隨機放置，結構不規(guī)則，與內墻間距最小為25cm。UE也根據PPP隨機放置在每間公寓中，其與內墻間隔最小限制為10cm。假設全流量緩沖模型，所以我們得到了最壞情況下的干擾場景，不能通過簡單的調度來解決。此外，我們假設所有基站都是采用循環(huán)（Round Robin，RR）方式來為其各自的用戶服務，而采用的信道模型是國際電聯(lián)室內熱點（ITU Indoor Hotspot，InH）。這樣我們就模擬出了一個具有高密度且隨機部署的CSG小小區(qū)的典型城市熱點，并且同層干擾最大。我們根據3GPP場景三部署網絡，所以不考慮小小區(qū)基站和宏基站之間的跨層干擾。

我們還需要假設一個稱為小小區(qū)網關（femtocell gateway ，F(xiàn)GW）的中間實體，工作在小小區(qū)和核心網之間。小小區(qū)通過S1接口連接到這個網關，這個網關為一組小小區(qū)提供集中和聚合功能。因此，對于小小區(qū)來說，該網關是移動核心網路實體。

設F為小小區(qū)集合，Ia為干擾源小小區(qū)FAB的集合，Iu為用戶ka和u的干擾集合。本文中，我們研究被干擾小區(qū)中的兩種用戶，關鍵用戶和安全或稱為非關鍵用戶。在FAB中，設va為關鍵用戶v的集合，sa為非關鍵用戶s的集合。Ia的確定是通過以下兩個方面：1）每個用戶的DIR值必須大于3db，則DI是其他干擾源總功率的2倍；2）接受信號功率和DI的比值低于預定義閾值（本文中假設為10db）。

這兩個條件是為了確保增加邊緣用戶的吞吐量不會影響其他用戶的吞吐量。我們假設上面的兩個條件用變量，m和n分別表示條件1和2。當m或者n為假時，用戶是非關鍵用戶，當m和n都為真時，用戶是關鍵用戶。

如上說述，我們的研究目標是找到小小區(qū)中最佳的資源分配方案，在最小化小小區(qū)間干擾的同時提升用戶體驗。其中很重要的一點就是要考慮到在小小區(qū)中每個用戶的狀態(tài)和優(yōu)先級。因此，我們定義了一個新的度量指標——GU，它代表總的可用RB與所分配資源之間的利用率差值。對于每個FAB，我們定義特定的二進制資源分配模型，由中i和j是否為1 表示是否使用。如果我們用L表示可用的RB個數(shù)，那么利用率差值可以表示為：

對于給定的干擾源小小區(qū)Ia，，我們目標函數(shù)可以表示如下：

如表2.1，C1表示資源調度程序需要保證關鍵用戶無法獲得所需全部資源，而需要與干擾源共享；C2表示非關鍵用戶可以獲得所有可用資源并且不管對Fa的干擾；C3中的不等式確保關鍵用戶不能與干擾小區(qū)使用相同的資源；C4表示非關鍵用戶可以與干擾小區(qū)使用相同的資源；C5指定是二進制變量。

表2.1 小小區(qū)分類條件

為了解決如上問題，我們提出將其劃分為分簇和資源分配的這兩個子問題。首先，每個FAB產生一個列表，列表中列出其活躍用戶從相鄰的小小區(qū)中收集的信息；然后，每個FAB 通過S1接口將其列表發(fā)送給FGW?；谶@些收到的列表，F(xiàn)GW開始執(zhí)行預分簇階段，就是把這些小小區(qū)分類，之后FGW開始執(zhí)行分簇階段。分簇信息將通過S1接口發(fā)送給每個FAP，因此，每個干擾源和被干擾小區(qū)都被分到獨立的不相交的分簇。

3 SCVC方案的提出

這一章主要來介紹我們提出的SCVC方案。方案分為三個階段，第一，獲取小小區(qū)以及其活躍用戶的一些必要信息，例如小小區(qū)之間的物理身份、位置統(tǒng)計和小小區(qū)之間的信道增益。然后區(qū)分關鍵用戶和非關鍵用戶，將小小區(qū)分到不同的類中并識別是干擾源還是被干擾小小區(qū)，再判斷被干擾小小區(qū)是屬于哪一類。第二，根據其服務用戶的狀態(tài)，實施適當?shù)谋桓蓴_小小區(qū)虛擬半分簇。第三，最后，SCVC根據每個小小區(qū)的用戶狀態(tài)來執(zhí)行動態(tài)智能的資源分配方案。下面我們詳細的介紹每個階段。

3.1 小小區(qū)的分類階段

網絡中的每個小小區(qū)收集信息，都是從標記距離其只有一跳的鄰居開始，并且與其一跳鄰居共享列表。因此，每個小小區(qū)可以預估每個一跳鄰居的干擾程度。值得一提的是，小小區(qū)之間通過X2接口是可能通信的。基于該列表，每個小小區(qū)內的每個用戶測量DIR和SDIR的值，然后報告給該小小區(qū)?；谶@些值，小小區(qū)在用戶行為發(fā)生的過程中指定用戶是否為關鍵用戶。如果兩個變量的值同時滿足(1)和(2)，F(xiàn)a被認為是被干擾小小區(qū)，被分到1類中，而被認為是干擾源小小區(qū)，被分到3類中。然而，如果Fb中至少有一個用戶被Fa引導到同時滿足(1)和(2)兩個條件，那么Fa和Fb既屬于干擾源也屬于被干擾小小區(qū)，被分到3類中。另外，如果其中有一個條件不滿足并且Fa對其鄰居小小區(qū)不產生干擾，就被認為是中立的，分到4類中。

3.2 干擾小小區(qū)半分簇階段

識別出干擾和被干擾小區(qū)之后，第二階段就是實現(xiàn)被干擾小小區(qū)的半分簇。在該過程中，被干擾小小區(qū)中的用戶根據用戶狀態(tài)分為成了兩組——。第一組是包含所有關鍵用戶，第二組是包含安全或者非關鍵用戶。換句話說，每個組由Fa中的不同小區(qū)服務。這兩個虛擬小區(qū)可被標記為和，分別表示被干擾和干擾源，即Fa中包含了兩個單元。接下來SCVC為被干擾小區(qū)和其一跳鄰居形成分簇。因此，這樣可以降低為每個分簇選擇CH的復雜度并簡化資源分配機制。然而，屬于不同相鄰分簇的小小區(qū)在同一資源的使用上還是可能有干擾。在這種情況下，干擾源小小區(qū)和受到干擾源干擾且被干擾關鍵用戶最多的被干擾小區(qū)進行分簇。然而，如果兩個被干擾小區(qū)的關鍵用戶數(shù)相同，則干擾源與其分簇的概率都為50%。

必須說明的是，實際應用中中會存在用戶移動在兩個虛擬小區(qū)在中的情況。如果Fa中的用戶由關鍵用戶變?yōu)榉顷P鍵用戶，則它會移動到，反之亦然。

3.3 資源分配階段

小小區(qū)都分到不相交的分簇之后，下一個階段就是在不考慮網絡中其他小小區(qū)的情況下，每個簇內的資源分配問題。研究資源分配的目的是最小化每個分簇間及分簇內干擾的同時盡可能實現(xiàn)資源利用率最大化。為了實現(xiàn)這個目標，每個分簇獨立的解決資源分配問題。

每個分簇內實施資源共享機制，目的是找到被干擾小小區(qū)和干擾源小小區(qū)之間的最佳資源分配方案。因此，根據用戶的吞吐量達到最大化的組合來將可用的RBs分配給用戶。首先，將可用資源分為不相交的兩組RB，設A為被干擾小小區(qū)專用的RB，B為干擾源小小區(qū)的專用RB。上文提到，F(xiàn)a包含兩個虛擬單元——和，這樣，A服務于，假設A={L-x1}，B={L-(xL-1)}，L表示可用資源數(shù)，因此，除了分配給Fb的一個RB，所有其他RB都分配給Fa。第二，從A中拿出一個RB給B，由x表示的步數(shù)等于L-1，在最后一步中，除了分配給Fa的一個，所有其他RB被分配到Fb，即A={L-(xL-1)}而B={L-x1}。

A和B的專用資源連續(xù)分配可以表示為如下：

Pu的值在0到100之間，當它接近100，小小區(qū)用戶體驗最佳，資源利用率最高，反之，Pu越小，資源利用率越差。

下面我們通過對我們提出的方案與文獻11中提出的FCRA（Femtocell Cluster-based Resource Allocation Scheme for OFDMA Networks）方案做對比來評估其性能。為了對比公平且簡單，分配給兩種方案的無線資源是相等的。

圖3.1為僅針對被干擾小小區(qū)和整個系統(tǒng)的資源利用率。SCVC方案中，分布相對稀疏和分布相對密集的被干擾小小區(qū)的資源利用率分別為96%和99%，數(shù)值變化是由于隨著部署越來越來密集，第3類數(shù)量的減少以及第2類數(shù)量的增加。而FCRA方案中，被干擾小小區(qū)以及整個網絡的平均資源利用率分別為66.26%和77.90%，因為這種方案中，每個被干擾小小區(qū)均共享資源而不區(qū)分用戶狀態(tài)。

圖3.1 小小區(qū)資源利用率函數(shù)仿真圖

4 結束語

部署超密集的小小區(qū)被大多數(shù)研究人員認為是滿足流量暴增的有效解決方案，尤其是在室內外的熱點地區(qū)。然而，這種解決方案的應用也存在很多挑戰(zhàn)，只有解決了這些問題，小小區(qū)的優(yōu)勢才可以得到發(fā)揮。在本文中，我們提出了一種用于超密集小小區(qū)網絡中的減少干擾的半分簇方案。SCVC是基于被干擾小小區(qū)的定義的，而被干擾小小區(qū)的定義是基于其中活躍用戶的狀態(tài)。在這個基礎上，SCVC使用的是簡單而且智能的動態(tài)資源分配方案，可以根據用戶狀態(tài)來區(qū)分被干擾小小區(qū)。這種動態(tài)的分配可以實現(xiàn)非關鍵用戶的頻率復用以及關鍵用戶與其干擾源的資源共享。在即將到來的5G超密集網絡中，SCVC方案可以有效減少小小區(qū)間的干擾，更合理的利用無線資源，把小小區(qū)的優(yōu)勢發(fā)揮出來。

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Research on Interference Management Based on Small Area Clustering in Ultra - dense Network

WU Ting-ting1
(College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

The use of femtocells seems to be the most feasible solution for hotspot areas where high traffic is concentrated.However, femtocell densif ication will face a number of technical challenges.Femtocells the distance between the base station and the base station shorter, but also make the interference between the cells enhanced.How to design an effective interference management program has become a research focus.This paper implements a new approach for radio resource utilization and management for victim femtocells in an ultra-dense network environment.The proposed Semi-clustering of Victim-cells Approach (SCVC) focuses mainly on users’status whether critical or non-critical to categorize victim femtocells and their aggressors.Once victim femtocells identified, the SCVC scheme semi-cluster each victim femtocell based on the status of each user.Then, it smartly allocates the appropriate radio resources in a dynamic manner which allows ranging from shared use of resources for critical users, to the frequency reuse 1 for noncritical users.Thereby ensuring minimum co-tier interference and enhancement of spectrum efficiency.

ultra-dense network；femtocells；interference management；clustering；wireless resource allocation

武婷婷（1993-），女，碩士研究生，研究方向：超密集移動蜂窩網絡。