CN101977386A - 蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法，包括：(1)求强干扰区域与覆盖区域比值的矩阵；(2)根据求得的矩阵对家庭基站进行分组；(3)计算家庭基站用户所占带宽和宏用户所占带宽；(4)分配子信道，家庭基站路由器计算分配给每个分组中家庭基站相同的子信道数。本发明的优点是，将所有家庭基站分为互不干扰的分组，不同分组间频率可以复用，提高了频谱利用率；分配完全正交的频段给宏用户和家庭基站用户，可以协调宏用户和家庭基站用户之间的干扰；精确的量化了家庭基站间互相干扰的大小，计算了应分配给所有家庭基站的子信道数目，频谱资源分配更加合理，从而提高了***容量。

Description

蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更进一步涉及一种在传统蜂窝网中部署大量家庭基站的情形下，协调宏用户和家庭基站用户以及家庭基站用户之间干扰的一种方法，可用于下一代移动通信长期演进***中。

背景技术

家庭基站也叫毫微微基站，是面向室内场景的极低发射功率的通信基站，为室内用户提供服务。它通过DSL、LAN、xPON等宽带连接到专用家庭基站网关，再经过专用网关连接到核心网。

由于用户可以自行购买家庭基站，任意开关家庭基站，并且可以随意摆放家庭基站的位置。所以宏用户和家庭基站用户以及家庭基站用户之间都会产生干扰。

目前，解决蜂窝网中干扰问题的有效方法是准静态干扰协调方法。这种方法是指在静态规划的基础上，无线网络控制中心根据网络负荷、用户测量情况等因素调整频带资源的分配比例。例如，许宁等人发表在《现代电子技术》第21期2007年的论文“3GPP LTE小区间干扰协调研究”中公开的一种准静态干扰协调方法。这种协调方法设置的静态规划是将边缘复用因子设为3，中心复用因子设为1。在准静态调配过程中由基站和无线网络控制中心交互网络负荷信息和用户测量情况，告知无线网络控制中心其边缘业务量，最后根据各小区边缘业务量无线网络控制中心按比例分配一定的频带给各个小区。相邻小区各用户使用的频带互不重叠，解决了蜂窝网中的干扰问题。

由于家庭基站是通过家庭基站网关连入核心网的，所以家庭基站和宏基站之间的信息交互周期较长时延过大。并且在同一蜂窝网中的宏基站和家庭基站可能占用相同的频段，使得宏用户和家庭基站用户之间的干扰比较严重，降低了***容量，也使得频谱效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出了一种在蜂窝网中对家庭基站进行分组的干扰协调方法，以提高***容量和频谱效率。

本发明包括如下步骤：

(1)求强干扰区域与覆盖区域比值的矩阵：

1a)计算每个家庭基站受其相邻家庭基站强干扰的区域；

1b)计算每个家庭基站受其相邻家庭基站强干扰区域与该家庭基站覆盖区域的比值；

1c)将计算所得的所有比值构成一个矩阵[R]。

(2)根据求得的矩阵[R]对家庭基站进行分组：

2a)计算行向量，计算每个家庭基站所受强干扰区域与其覆盖区域的比值之和ic_k，按照从大到小的顺序重排所有和构成的行向量；

2b)逐次分组，对所有家庭基站依次进行分组并删除已分组家庭基站对应行向量中的元素，直至行向量为空。

(3)计算家庭基站用户所占带宽C_b和宏用户所占带宽C_a，

$C_b=\mathrm{\α}\frac{N}{\mathrm{\βM}+N}$ C_a＝C-C_b

其中，α和β为大于0的常数

N为所有家庭基站用户的数目

M为宏用户数目

C为***总带宽

(4)分配子信道，家庭基站路由器计算分配给每个分组中家庭基站相同的子信道数L_n：

L_n＝round[ω_n×C_d]

${\mathrm{\ω}}_n={[1+\frac{\underset{k=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{g_n\left(k\right),g_n\left(j\right)}}{e}(N_n-1)]}^{-1}$

其中：round代表取整运算

g_n(k)代表第n个分组中的第k个家庭基站

N_n代表第n个分组中的家庭基站数目

代表向上取整。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，频谱资源分配更加合理，由于本发明计算了家庭基站强干扰区域和其相应覆盖区域的比值，精确的量化了家庭基站间互相干扰的大小，比起现有技术只根据网络负荷和用户测量情况进行频谱资源分配更加合理。

第二，提高频谱利用率，由于本发明首次在家庭基站干扰协调中，将分组方法引入频谱资源分配，分组后的各个分组中家庭基站互相不干扰，从而在不同分组间频率可以进行复用，提高了频谱利用率。

第三，协调宏用户和家庭基站用户之间的干扰，与现有技术采用宏用户和家庭基站用户共用同一频段的方法相比，由于本发明在计算宏用户和家庭基站用户占用的带宽的基础上，分配完全正交的频段给宏用户和家庭基站用户，所以完全正交的频段可以协调宏用户和家庭基站用户之间的干扰。

第四，提高了***容量，比起现有技术分配给所有家庭基站同样数目的子信道的技术方案，由于本发明精确的量化了家庭基站间互相干扰的大小并对家庭基站进行了分组，由此计算了应分配给所有家庭基站的子信道数目，使得频谱资源的分配更加合理，提高了***容量。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的***模型图。

图3为一个家庭基站受相邻家庭基站强干扰区域的示意图。

图4为本发明与现有技术***容量对比仿真图。

图5为本发明与现有技术频谱效率对比仿真图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，计算强干扰区域与覆盖区域的矩阵。

根据所有家庭基站位置信息和家庭基站发射功率，家庭基站路由器计算家庭基站两两间强干扰区域面积，对每两两间强干扰区域面积和其相应家庭基站覆盖区域面积求比值。

以两个家庭基站为例，计算强干扰区域和其相应覆盖区域比值。图3中家庭基站BS_k和BS_j相邻，一个家庭基站用户r在家庭基站BS_k覆盖区域内，该用户距离家庭基站BS_k和BS_j的距离分别为d_k和d_j，家庭基站BS_k和BS_j的半径分别为r_k和r_j。家庭基站用户r接收到的家庭基站BS_k的有用信号和家庭基站BS_j的干扰信号功率分别为：

有用信号功率： $P_{r,k}=P_k/{10}^{(\mathrm{\μ}+{\mathrm{\ω}}_k)/10}{d}_k^v$

干扰信号功率： $P_{r,j}=P_j/{10}^{(\mathrm{\μ}+{\mathrm{\ω}}_j)/10}{d}_j^v$

其中，k，j＝1，2，3，...，K，K为家庭基站的数目，P_k和P_j分别为家庭基站BS_k和BS_j的发射功率，μ为路损常数，ω_k，ω_j分别为家庭基站BS_k和BS_j的穿墙损耗，v为路损指数。

由有用信号功率和干扰信号功率可以得到用户r的信干比：

${\mathrm{SIR}}_{k,j}=\frac{P_k}{P_j}{\left(\frac{d_j}{d_k}\right)}^v{10}^{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_k)/10}$

当

时，服务质量无法满足家庭基站用户r的要求。

为了后续描述方便，设定 $s_{\mathrm{th}}\≈{\left({10}^{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_k)/10}\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{th}}{P}_j}{P_k}\right)}^{2/v}>{\left(\frac{d_j}{d_k}\right)}^2$ (公式1)

其中，d_k和d_j分别为家庭基站用户r与家庭基站BS_k和家庭基站BS_j的距离。家庭基站BS_k和BS_j的坐标分别为(0，0)和(d，0)，家庭基站用户r的坐标为(x，y)，由下列公式可分别得到：

$d_k=\sqrt{x^2+y^2}$ (公式2)

$d_j=\sqrt{{(x-d)}^2+y^2}$ (公式3)

将(公式2)和(公式3)带入(公式1)得到SIR低于门限λ_th的区域B：

B＝{(x，y)|s_th(x²+y²)＞(x-d)²+y²}

因为家庭基站BS_k的半径为r_k，所以和家庭基站BS_k距离小于r_k的家庭基站用户都属于家庭基站BS_k的覆盖区域C。

SIR低于门限λ_th的区域B和家庭基站BS_k的覆盖区域C的重叠部分就是家庭基站BS_k受家庭基站BS_j的强干扰区域A_k，j，即

A_k，j≈{B∩C}

家庭基站BS_k受家庭基站BS_j强干扰区域A_k，j与家庭基站BS_k覆盖区域的比值r_k，j为：

$r_{k,j}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{k,j}/\mathrm{\π}{r}_k^2,& k\≠j\\ 0,& k=j\end{array}\right.$

依照计算两个家庭基站强干扰区域和其相应覆盖区域比值的方法，逐一求出所有家庭基站受到其它家庭基站的强干扰区域与其覆盖区域的比值，所有比值构成待计算家庭基站的强干扰区域与覆盖区域比值的一个矩阵[R]。矩阵中每个元素r_k，j表示家庭基站BS_k受到家庭基站BS_j强干扰区域与家庭基站BS_k覆盖区域的比值。

步骤2，对家庭基站进行分组。

2a)计算行向量，根据家庭基站强干扰区域与覆盖区域比值矩阵，家庭基站路由器计算每个家庭基站所受强干扰区域与其覆盖区域的比值之和。所有和构成一个行向量，将这一行向量的元素按照从大到小的顺序重排，得到待求行向量ic。

由矩阵[R]可以求得每个家庭基站受到其它家庭基站的强干扰区域和其覆盖区域比值之和：

${\mathrm{ic}}_k=\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{k,j}$ k，j＝1，2，3，...，K

2b)逐次分组，并删除已分组家庭基站对应行向量中的元素，直至行向量为空。

第一步：初始化，将行向量ic中最大的元素所对应的家庭基站分成一组；

第二步：更新分组，判断剩余家庭基站中是否存在与初始化后的家庭基站之间的干扰大于0的家庭基站，若存在，将该家庭基站加入到初始化分组中；若不存在，继续分组步骤的第三步；

第三步：判断行向量ic是否为空，删除行向量ic中已分组家庭基站所对应的元素，判断行向量ic是否为空，若为空，结束分组；若不为空，返回分组步骤第一步。

步骤3，计算家庭基站用户和宏用户所占用的带宽。

根据家庭基站用户数目N与宏用户数目M，计算家庭基站用户所占带宽C_b：

$C_b=\mathrm{\α}\frac{N}{M+N}$ α为大于0的常数

宏用户所占带宽C_a等于总带宽C_sum中去除家庭基站所占带宽C_b的剩余部分。

步骤4，给所有家庭基站分配子信道。

家庭基站路由器分配给同一分组中的每个家庭基站相同数目的子信道。通过下列公式，家庭基站路由器计算分配给W个分组中家庭基站的子信道数L_n：

L_n＝round[ω_n*C_b]

其中：round代表取整运算，此处为四舍五入

n＝1，2，...，W

${\mathrm{\ω}}_n={[1+\frac{\underset{k=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{g_n\left(k\right),g_n\left(j\right)}}{e}(N_n-1)]}^{-1}$

g_n(k)代表第n个分组中的第k个家庭基站

N_n代表第n个分组中的家庭基站数目

代表向上取整

本发明的实施效果可通过以下仿真做进一步的说明：

仿真条件：

本发明的仿真中一个宏基站部署了16个家庭基站，每个家庭基站中只有一个家庭基站用户，仿真参数选取如下表所示：

仿真内容：

求本发明的***容量C和频谱效率Ps。

$C=\frac{C_a}{M}\×{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_m)+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{B}_k{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_k)$ (公式4)

其中，SINR_m(m＝1，2，...，M)是宏用户m的信干噪比

是家庭基站用户k的信干噪比

(k＝1，2，...，K)为家庭基站用户k的衰落

μ＝20×log₁₀(f)-28

f代表载频

B_k＝L_n×b

b代表每个子信道的频带宽度

本发明的频谱效率为： $\mathrm{Ps}=\frac{C}{{B^{\′}}_{\mathrm{sum}}}$ (公式5)

其中， ${B^{\′}}_{\mathrm{sum}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{B}_k$

将表1中参数分别代入本发明各个步骤中的公式求得***容量C和Ps。在信噪比分别为1～20dB的情况下，求得本发明***容量曲线如图4中本发明***容量曲线所示。在信噪比分别为1～20dB的情况下，求得本发明频谱效率曲线如图5中本发明频谱效率曲线所示。

在现有技术中所有家庭基站占用相同的带宽B_k′：

B_k′＝n*b    (公式6)

其中， $n=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n$

因为现有技术中所有家庭基站没有进行分组，不能给相互干扰的家庭基站分配正交的频段，所以家庭基站k受到相邻家庭基站的干扰为：

(公式7)

***占用总带宽B′_sum为：B′_sum＝K*B′(公式8)

将(公式6)、(公式7)、(公式8)带入(公式4)和(公式5)可得现有技术的***容量C′和频谱效率P′。

在信噪比分别为1～20dB的情况下，求得现有技术***容量C′的曲线如图4中现有技术***容量曲线所示。在信噪比分别为1～20dB的情况下，求得现有技术频谱效率P′的曲线如图5中现有技术***容量曲线所示。

仿真结果：

图4为本发明***容量曲线和现有技术容量曲线的比较，显而易见，本发明的***容量高于现有技术，***容量的提高使得本发明可以适合蜂窝网中部署了大量家庭基站后，干扰比较严重的情况。本发明也可以广泛的应用于未来生活中家庭基站部署越来越密集的场合。

图5本发明频谱效率曲线和现有频谱效率曲线的比较，显而易见，本发明的频谱效率高于现有技术。本发明可以明显缓解用户日益增长的无线通信需求与有限的无线频率资源间的矛盾。

Claims (4)

1.一种蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法，包括如下步骤：

(1)求强干扰区域与覆盖区域比值的矩阵：

1a)计算每个家庭基站受其相邻家庭基站强干扰的区域；

1b)计算每个家庭基站受其相邻家庭基站强干扰区域与该家庭基站覆盖区域的比值；

1c)将计算所得的所有比值构成一个矩阵[R]；

(2)根据求得的矩阵[R]对家庭基站进行分组：

2a)计算行向量，计算每个家庭基站所受强干扰区域与其覆盖区域的比值之和ic_k，按照从大到小的顺序重排所有和构成的行向量；

2b)逐次分组，对所有家庭基站依次进行分组并删除已分组家庭基站对应行向量中的元素，直至行向量为空；

(3)计算家庭基站用户所占带宽C_b和宏用户所占带宽C_a，

$C_b=\mathrm{\α}\frac{N}{M+N}$ C_a＝C-C_b

其中，α为大于0的常数

N为所有家庭基站用户的数目

M为宏用户数目

C为***总带宽

(4)分配子信道，家庭基站路由器计算分配给每个分组中家庭基站相同的子信道数L_n：

L_n＝round[ω_n×C_b]

${\mathrm{\ω}}_n={[1+\frac{\underset{k=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{g_n\left(k\right),g_n\left(j\right)}}{e}(N_n-1)]}^{-1}$

其中：round代表取整运算

g_n(k)代表第n个分组中的第k个家庭基站

N_n代表第n个分组中的家庭基站数目

代表向上取整。

2.根据权利1要求所述的蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法，其特征在于：所述1a)求矩阵的步骤为：

第一，由家庭基站路由器求出信干比小于门限λ_th的区域B：

B＝{(x，y)|s_th(x²+y²)＞(x-d)²+y²}

$s_{\mathrm{th}}\≈{\left({10}^{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_k)/10}\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{th}}{P}_j}{P_k}\right)}^{2/v}>{\left(\frac{d_j}{d_k}\right)}^2$

其中，D(x_k，y_k)为家庭基站的位置信息

门限λ_th＞0

P_k和P_j分别为家庭基站BS_k和BS_j的发射功率

d_k和d_j分别为用户距离家庭基站BS_k和BS_j的距离

d为两个家庭基站之间的距离；

第二，家庭基站路由器计算家庭基站覆盖区域C：

π为圆周率，r_k为家庭基站BS_k的半径；

第三，将信干比小于门限λ_th的区域B和家庭基站BS_k的覆盖区域C的重叠部分A_k，j确定为家庭基站BS_k受家庭基站BS_j的强干扰区域。

3.根据权利1要求所述的蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法，其特征在于：所述步骤1b)中计算强干扰区域与其覆盖区域C的比值r_k，j为：

$r_{k,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{A_{k,j}}{\mathrm{\π}{r}_k^2},& k\≠j\\ 0,& k=j\end{array}\right.$ k，j＝1，2，...，K

4.根据权利1要求所述的蜂窝网中家庭基站分组的干扰协调方法，其特征在于：所述步骤2b)的分组步骤为：

第一步：初始化，将行向量ic中最大的元素所对应的家庭基站分成一组；

第二步：更新分组，判断剩余家庭基站中是否存在与初始化后的家庭基站之间的干扰大于0的家庭基站，若存在，将该家庭基站加入到初始化分组中；若不存在，继续分组步骤的第三步；

第三步：判断行向量ic是否为空，删除行向量ic中已分组家庭基站所对应的元素，判断行向量ic是否为空，若为空，结束分组；若不为空，返回分组步骤第一步。

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