LTE上行干扰协调技术
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G 排序的用户分为 2 个部分。 对于大于阈值的用户按顺序
其中，M 为资源块 n 中包含的子频带数；γ i,k 为用户 i 在子 频带 k 上的信噪比，并由以下公式计算得到：
γi,n = Pi,k ⋅ Gi,k ⋅ S (θ ) Pn
Pmax Li ⋅ M
, Pi,k =
(3)
其中， Pi,k 为用户 i 分配给子频带 k 的功率； Gi ,k 为用户 i 在 子频带 k 上的信道增益； S (θ ) 表示 θ 角度的天线增益； Pn 表示噪声功率； Pmax 为用户 i 的发射功率； Li 为分配给用 户 i 的资源块数。 (2)用户调度算法 在小区用户的调度方面，考虑基于效能的调度。用户 的效能通过用户的传输速率和累计传输数据量的比值求 得。用户 i = 1, 2,⋯ , N 在每个间断的时间间隔 t = 0,1,⋯ 被调 度重新分配频带资源，切换状态 s = ( s (t ), t = 0,1,⋯) ，在每 个状态 s ，调度器做一个调度选择 w(s ) 。每个调度决定选 择的 w 与用户信道的速率 µ (w(s )) 有关。如果在时间 t ，调 度器处于状态 s ，调度算法将调度以下的用户：
(4)
其中， µi ( w(s )) 为用户 i 的传输速率； U i ( x(t )) 为用户 i 累计 传输数据量； x(t ) 为每个时间间隔 t 传输的数据量。
58
计 算 机
工 程
2012 年 10 月 20 日
Step3 选择 id=1 的小区， 并随机分配频带给小区里的 用户。 Step4 按照小区编号从大到小直到中心小区 (id=1) ， 在每个小区的基站 x(x≠1)处： (1)测量每个频带 t 受到的干扰 Ft ； (2)按照属性 G 的升序将用户进行排列： G1<G2<G3… (3)按照 F 的升序将频带进行排列： F 1<F 2<F 3… (4)按照阈值把用户分成 2 个部分， 对于大于阈值的用 户按照 F 值从大到小分配相应的频带； (5)对于小于阈值的用户， 计算在剩余的每个频带上的 信噪比：
(5)
其中， Gk 为用户 k 属性 G 的值； Px,k 为用户 k 从所属小区 基站 x 接收到功率； N 为网络中所有的基站； K 为以 x 为 基站的小区用户数。 (2)属性 Ft 定义为频带 t 受到的干扰总和：
Ft = ∑ g x,k x 之间的信道增益。
(1)
其中， Ri,n 为用户 i 在资源块 n 上的传输速率； Bn 为资源
) 块 n 的带宽； γ i(,eff n 为资源块 n 的信噪比，并由以下公式计
(6)
其中， k 为所有使用频带 t 的用户； g x,k 表示用户 k 和基站 算法的主要步骤如下：
算得到：
γ
( eff ) i ,n
1 = − 1 1 M γ i ,k M ∑ k =1 γ + 1 i ,k
) Ri ,n = Bn lb(1 + γ i(,eff n )
在得知用户的上行信道条件后，根据信道条件给用户分配 频带。 本文算法定义了以下 2 个属性： (1) 属性 G 定义为用户从所属小区基站获得的功率与 从其他小区基站获得功率和的比值：
Gk = Px ,k / ∑ Pi ,k , i = 1, 2,⋯ , N ; k = 1, 2,⋯ , K
LTE 上行干扰协调技术的研究
余建飞， 余建飞，孙 涌，王士鑫， 王士鑫，胡 欣
(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006) 摘 要：针对 LTE 技术上行链路干扰问题，综合分析现存的各种小区间干扰抑制技术，提出一种新的小区间干扰协调方案，包括频带分配 和能量分配 2 个步骤。将干扰少的频带分配给离基站远的用户，采用集中式能量分配算法分配合适的发射功率。通过计算机仿真，将该方 案与现有方案在吞吐量、效能、时延方面进行对比，可取得较好的实验效果。 关键词： 关键词：LTE 技术；小区间干扰；频带分配；能量分配；干扰协调
图1 小区仿真模型 小区仿真模型
SINR，最终使得整个系统的 SINR 达到一个较高的水平。 3.1 频带分配 通过从下行信道得到的信息估计上行信道条件 [5-6] ，
小区使用集中式 SC-FDMA 分配模式，即分配给用户 的资源块 (RB)由相邻的子频带组成。 (1)用户信道传输速率 带宽 B 由 Ω 个子频带组成， ∆f c wenku.baidu.com识一个 RB 带宽， 整个带宽被分割为 C = B / ∆f c 个 RB，每个 RB 包含 Ω / C 个 连续的子频带。由于用户通道衰减缓慢，因此在一个传输 每个 RB 的衰减亦可认 时间间隔 (TTI)内被认为是不变的， 为是独立的，每个子频带的衰减被认为是一样的。通道的 衰弱符合瑞利衰弱， LTE 的上行传输时间间隔被认为是 1 个时间单位。用户 i 在资源块 n 上的传输速率为：
第 38 卷 第 20 期 Vol.38 No.20 ·网络与通信· 网络与通信·
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号： 文章编号：1000—3428(2012)20—0056—04 文献标识码： 文献标识码：A
2012 年 10 月 October 2012
中图分类号： 中图分类号：TP393
口采用了不同的方式。上行空中接口采用具有更低峰均 (PAPR)的单载波频分多址 (SC-FDMA)方式， 以降低对终端 发射功率的要求，下行空中接口则采用了正交频分多址 (OFDMA) 方式，以获取更高频谱的利用效能。由于 SCFDMA 在载波的分配方面有着特殊的要求与限制 [1] ，而 OFDMA 的载波分配是任意的，相对研究起来比较方便， 因此目前对小区间干扰协调 (ICIC)技术的研究大部分集中 在下行链路。 干扰对无线电通信质量的影响非常大，在同一个小区 中不同的用户受到的干扰各不相同，一般处于小区边沿的 用户受到的干扰大于小区中心的用户，这样会导致小区边 沿的用户信噪比 (SINR)很低。 ICIC 技术能够很好地提高 小区边缘用户的 SINR。最常使用的 ICIC 技术是频帯复用 技术 [2]，这种技术把整个频率带宽分成几个子频带，小区 的每个扇区分别使用其中的一个，相邻小区的相邻扇区使 用不同的子频带。这种方法虽然能够很好地减少干扰，但 同时也降低了频带的使用效率。
Research on Uplink Interference Coordination Technology in LTE
YU Jian-fei, SUN Yong, WANG Shi-xin, HU Xin
(School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China) 【Abstract】Aiming at LTE technology uplink interference problem, based on comprehensive analysis of existing various kinds of interference suppression technology, this paper presents a new uplink interference coordination scheme, which includes two steps, frequency band distribution and energy distribution. Less interference frequency band is assigned band to the users who are far from the base station, and centralized energy distribution algorithm is used to allocate appropriate power. After the computer simulation comparison with the existing scheme in throughput, efficiency, time delay, better experimental result is achieved. 【Key words】LTE technology; inter-cell interference; frequency band allocation; power allocation; interference coordination DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2012.20.015
1
概述
受终端发射功率所限，LTE 技术上行和下行的空中接
文献 [2-4] 提出了一些方法来解决频带复用中频带使 用效率低的问题。文献 [2] 将小区的边缘用户分为不同的 频率组，拥有相同的小区间干扰量化值的用户被分配到同 一组，并分配相应的频带。在文献 [3]中，作者建议给每个 小区分配一个特定的频带集，当小区的频带不够时，基站 可遵照预先定好的规则通过调度从相邻小区借一些频带。 文献 [4]提出了一种自适应模式， 频带的分配会根据边界用 户的数量来确定，然后运用复用避免算法检查所有已分配 的频带。 本文提出了一种新的小区间干扰协调方案。该方案首 先通过对用户和基站间的测量，得到一个能量比参数，并 将用户按照这个参数从小到大排序，同时将小区的频带按 照所受干扰值从小到大排序。然后通过一个能量比参数阈 值把排序后的用户分为 2 类，对于大于阈值的用户按照相 应顺序分配频带，对于小于阈值的用户，计算用户在剩余 频带上的 SINR，把频带分配给拥有最大 SINR 的用户， 最后对每个频带分配相应的发射功率。
w(t ) ∈ max( µi ( w( s )) /U i ( x(t )))
分配相应的频带 F ；小于阈值的用户，计算在剩余的每个 频带上的信噪比；然后在每个频带上寻找信噪比最大的用 户，并把频带分配给该用户，同时将频带标记为已分配。 算法的具体细节表述如下： for TTI=1,2,… Step1 根据基站的资源块数，用 PF(正比公平 )算法调 度出相等数量的用户。 Step2 对 Step1 中的用户 (k=1,2,… ,K) (1)确定用户的数量； (2)测量并报告 Gk 给用户所在小区的基站： 1)测量来用户基站的 Px,k 和其他小区基站的 Pi ,k ； 2)计算用户的 Gk ，并报告给用户的基站。
第 38 卷 第 20 期
余建飞，孙
涌，王士鑫，等：LTE 上行干扰协调技术的研究
57
基站位于小区的中心，在相邻的 3 个小区中分别随机地分 布着 Ν 个用户 (每个小区的 Ν 可能不同 )。
3
干扰协调方案
为了获得更高的信噪比，本文提出了一种分布式干扰
协调方案。该方案首先按照频带分配算法为小区用户分配 频带，频带的分配原则是将受干扰小的频带段分配给小区 边缘的用户，在这些频带段中又将每个频带分配给拥有最 大 SINR 的用户；然后根据功率分配算法为小区用户分配 发射功率，功率分配算法是从全局出发，不是单独地提高 某一个小区频带 SINR，而是使得所有小区 SINR 平均值 最大。通过频带分配算法和功率分配算法不断提高用户的
———————————— 基金项目： 基金项目：苏州市科技发展计划基金资助项目(SYG201032)
2
仿真模型
本文的小区仿真示意图如图 1 所示。小区呈六边形，
作者简介： 作者简介：余建飞(1987－)，男，硕士研究生，主研方向：无线通信；孙 涌，副教授、博士；王士鑫、胡 欣，硕士研究生 收稿日期： 收稿日期：2011-11-16 修回日期： 修回日期：2012-01-19 E-mail：yifinside@126.com
−1
(2)
(1)调度小区的用户； (2)计算小区用户 k 的属性 G ； (3)给小区 1 的用户随机分配频带； (4)给其他小区用户分配频带。对于余下的每个小区， 把小区里的用户按照属性 G 从小到大排序， 把频带按照属 性 F 从小到大排序，按照测量用户参考信号的接收功率 (Reference Signal Received Power, RSRP)把小区用户分为 边界用户和中心用户的方法，设定一个阈值，把按照属性
其中，M 为资源块 n 中包含的子频带数；γ i,k 为用户 i 在子 频带 k 上的信噪比，并由以下公式计算得到：
γi,n = Pi,k ⋅ Gi,k ⋅ S (θ ) Pn
Pmax Li ⋅ M
, Pi,k =
(3)
其中， Pi,k 为用户 i 分配给子频带 k 的功率； Gi ,k 为用户 i 在 子频带 k 上的信道增益； S (θ ) 表示 θ 角度的天线增益； Pn 表示噪声功率； Pmax 为用户 i 的发射功率； Li 为分配给用 户 i 的资源块数。 (2)用户调度算法 在小区用户的调度方面，考虑基于效能的调度。用户 的效能通过用户的传输速率和累计传输数据量的比值求 得。用户 i = 1, 2,⋯ , N 在每个间断的时间间隔 t = 0,1,⋯ 被调 度重新分配频带资源，切换状态 s = ( s (t ), t = 0,1,⋯) ，在每 个状态 s ，调度器做一个调度选择 w(s ) 。每个调度决定选 择的 w 与用户信道的速率 µ (w(s )) 有关。如果在时间 t ，调 度器处于状态 s ，调度算法将调度以下的用户：
(4)
其中， µi ( w(s )) 为用户 i 的传输速率； U i ( x(t )) 为用户 i 累计 传输数据量； x(t ) 为每个时间间隔 t 传输的数据量。
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计 算 机
工 程
2012 年 10 月 20 日
Step3 选择 id=1 的小区， 并随机分配频带给小区里的 用户。 Step4 按照小区编号从大到小直到中心小区 (id=1) ， 在每个小区的基站 x(x≠1)处： (1)测量每个频带 t 受到的干扰 Ft ； (2)按照属性 G 的升序将用户进行排列： G1<G2<G3… (3)按照 F 的升序将频带进行排列： F 1<F 2<F 3… (4)按照阈值把用户分成 2 个部分， 对于大于阈值的用 户按照 F 值从大到小分配相应的频带； (5)对于小于阈值的用户， 计算在剩余的每个频带上的 信噪比：
(5)
其中， Gk 为用户 k 属性 G 的值； Px,k 为用户 k 从所属小区 基站 x 接收到功率； N 为网络中所有的基站； K 为以 x 为 基站的小区用户数。 (2)属性 Ft 定义为频带 t 受到的干扰总和：
Ft = ∑ g x,k x 之间的信道增益。
(1)
其中， Ri,n 为用户 i 在资源块 n 上的传输速率； Bn 为资源
) 块 n 的带宽； γ i(,eff n 为资源块 n 的信噪比，并由以下公式计
(6)
其中， k 为所有使用频带 t 的用户； g x,k 表示用户 k 和基站 算法的主要步骤如下：
算得到：
γ
( eff ) i ,n
1 = − 1 1 M γ i ,k M ∑ k =1 γ + 1 i ,k
) Ri ,n = Bn lb(1 + γ i(,eff n )
在得知用户的上行信道条件后，根据信道条件给用户分配 频带。 本文算法定义了以下 2 个属性： (1) 属性 G 定义为用户从所属小区基站获得的功率与 从其他小区基站获得功率和的比值：
Gk = Px ,k / ∑ Pi ,k , i = 1, 2,⋯ , N ; k = 1, 2,⋯ , K
LTE 上行干扰协调技术的研究
余建飞， 余建飞，孙 涌，王士鑫， 王士鑫，胡 欣
(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006) 摘 要：针对 LTE 技术上行链路干扰问题，综合分析现存的各种小区间干扰抑制技术，提出一种新的小区间干扰协调方案，包括频带分配 和能量分配 2 个步骤。将干扰少的频带分配给离基站远的用户，采用集中式能量分配算法分配合适的发射功率。通过计算机仿真，将该方 案与现有方案在吞吐量、效能、时延方面进行对比，可取得较好的实验效果。 关键词： 关键词：LTE 技术；小区间干扰；频带分配；能量分配；干扰协调
图1 小区仿真模型 小区仿真模型
SINR，最终使得整个系统的 SINR 达到一个较高的水平。 3.1 频带分配 通过从下行信道得到的信息估计上行信道条件 [5-6] ，
小区使用集中式 SC-FDMA 分配模式，即分配给用户 的资源块 (RB)由相邻的子频带组成。 (1)用户信道传输速率 带宽 B 由 Ω 个子频带组成， ∆f c wenku.baidu.com识一个 RB 带宽， 整个带宽被分割为 C = B / ∆f c 个 RB，每个 RB 包含 Ω / C 个 连续的子频带。由于用户通道衰减缓慢，因此在一个传输 每个 RB 的衰减亦可认 时间间隔 (TTI)内被认为是不变的， 为是独立的，每个子频带的衰减被认为是一样的。通道的 衰弱符合瑞利衰弱， LTE 的上行传输时间间隔被认为是 1 个时间单位。用户 i 在资源块 n 上的传输速率为：
第 38 卷 第 20 期 Vol.38 No.20 ·网络与通信· 网络与通信·
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号： 文章编号：1000—3428(2012)20—0056—04 文献标识码： 文献标识码：A
2012 年 10 月 October 2012
中图分类号： 中图分类号：TP393
口采用了不同的方式。上行空中接口采用具有更低峰均 (PAPR)的单载波频分多址 (SC-FDMA)方式， 以降低对终端 发射功率的要求，下行空中接口则采用了正交频分多址 (OFDMA) 方式，以获取更高频谱的利用效能。由于 SCFDMA 在载波的分配方面有着特殊的要求与限制 [1] ，而 OFDMA 的载波分配是任意的，相对研究起来比较方便， 因此目前对小区间干扰协调 (ICIC)技术的研究大部分集中 在下行链路。 干扰对无线电通信质量的影响非常大，在同一个小区 中不同的用户受到的干扰各不相同，一般处于小区边沿的 用户受到的干扰大于小区中心的用户，这样会导致小区边 沿的用户信噪比 (SINR)很低。 ICIC 技术能够很好地提高 小区边缘用户的 SINR。最常使用的 ICIC 技术是频帯复用 技术 [2]，这种技术把整个频率带宽分成几个子频带，小区 的每个扇区分别使用其中的一个，相邻小区的相邻扇区使 用不同的子频带。这种方法虽然能够很好地减少干扰，但 同时也降低了频带的使用效率。
Research on Uplink Interference Coordination Technology in LTE
YU Jian-fei, SUN Yong, WANG Shi-xin, HU Xin
(School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China) 【Abstract】Aiming at LTE technology uplink interference problem, based on comprehensive analysis of existing various kinds of interference suppression technology, this paper presents a new uplink interference coordination scheme, which includes two steps, frequency band distribution and energy distribution. Less interference frequency band is assigned band to the users who are far from the base station, and centralized energy distribution algorithm is used to allocate appropriate power. After the computer simulation comparison with the existing scheme in throughput, efficiency, time delay, better experimental result is achieved. 【Key words】LTE technology; inter-cell interference; frequency band allocation; power allocation; interference coordination DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2012.20.015
1
概述
受终端发射功率所限，LTE 技术上行和下行的空中接
文献 [2-4] 提出了一些方法来解决频带复用中频带使 用效率低的问题。文献 [2] 将小区的边缘用户分为不同的 频率组，拥有相同的小区间干扰量化值的用户被分配到同 一组，并分配相应的频带。在文献 [3]中，作者建议给每个 小区分配一个特定的频带集，当小区的频带不够时，基站 可遵照预先定好的规则通过调度从相邻小区借一些频带。 文献 [4]提出了一种自适应模式， 频带的分配会根据边界用 户的数量来确定，然后运用复用避免算法检查所有已分配 的频带。 本文提出了一种新的小区间干扰协调方案。该方案首 先通过对用户和基站间的测量，得到一个能量比参数，并 将用户按照这个参数从小到大排序，同时将小区的频带按 照所受干扰值从小到大排序。然后通过一个能量比参数阈 值把排序后的用户分为 2 类，对于大于阈值的用户按照相 应顺序分配频带，对于小于阈值的用户，计算用户在剩余 频带上的 SINR，把频带分配给拥有最大 SINR 的用户， 最后对每个频带分配相应的发射功率。
w(t ) ∈ max( µi ( w( s )) /U i ( x(t )))
分配相应的频带 F ；小于阈值的用户，计算在剩余的每个 频带上的信噪比；然后在每个频带上寻找信噪比最大的用 户，并把频带分配给该用户，同时将频带标记为已分配。 算法的具体细节表述如下： for TTI=1,2,… Step1 根据基站的资源块数，用 PF(正比公平 )算法调 度出相等数量的用户。 Step2 对 Step1 中的用户 (k=1,2,… ,K) (1)确定用户的数量； (2)测量并报告 Gk 给用户所在小区的基站： 1)测量来用户基站的 Px,k 和其他小区基站的 Pi ,k ； 2)计算用户的 Gk ，并报告给用户的基站。
第 38 卷 第 20 期
余建飞，孙
涌，王士鑫，等：LTE 上行干扰协调技术的研究
57
基站位于小区的中心，在相邻的 3 个小区中分别随机地分 布着 Ν 个用户 (每个小区的 Ν 可能不同 )。
3
干扰协调方案
为了获得更高的信噪比，本文提出了一种分布式干扰
协调方案。该方案首先按照频带分配算法为小区用户分配 频带，频带的分配原则是将受干扰小的频带段分配给小区 边缘的用户，在这些频带段中又将每个频带分配给拥有最 大 SINR 的用户；然后根据功率分配算法为小区用户分配 发射功率，功率分配算法是从全局出发，不是单独地提高 某一个小区频带 SINR，而是使得所有小区 SINR 平均值 最大。通过频带分配算法和功率分配算法不断提高用户的
———————————— 基金项目： 基金项目：苏州市科技发展计划基金资助项目(SYG201032)
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仿真模型
本文的小区仿真示意图如图 1 所示。小区呈六边形，
作者简介： 作者简介：余建飞(1987－)，男，硕士研究生，主研方向：无线通信；孙 涌，副教授、博士；王士鑫、胡 欣，硕士研究生 收稿日期： 收稿日期：2011-11-16 修回日期： 修回日期：2012-01-19 E-mail：yifinside@126.com
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(2)
(1)调度小区的用户； (2)计算小区用户 k 的属性 G ； (3)给小区 1 的用户随机分配频带； (4)给其他小区用户分配频带。对于余下的每个小区， 把小区里的用户按照属性 G 从小到大排序， 把频带按照属 性 F 从小到大排序，按照测量用户参考信号的接收功率 (Reference Signal Received Power, RSRP)把小区用户分为 边界用户和中心用户的方法，设定一个阈值，把按照属性