CN103237309B - 用于lte-a中继***干扰协调的准动态频率资源划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信频率资源管理领域，公开了一种用于LTE-A中继***干扰协调的准动态频率资源划分方法，包括：***进行初始化；规划小区内可用频率资源；配置小区内频率资源；进行干扰计算；计算小区内用户设备在不同位置的SINR；重复计算中继站位置变更后小区内用户设备的SINR情况；将通信环境改为基于OFDMA的LTE-A通信***中继下行链路，并且用户设备在中继站所处位置与小区边缘之间服从均匀分布；求频谱效率；求当前方法的平均频谱效率；重复频谱计算直到平均频谱效率曲线趋势明朗为止。本发明通过规划小区内频率资源、分配部分资源用作初始资源分布和设立准动态的分配机制管理剩余资源，提高了用户通信质量。

Description

用于LTE-A中继***干扰协调的准动态频率资源划分方法

技术领域

本发明属于无线通信频率资源管理领域，涉及一种基于资源复用与调度的准动态频率资源划分方法。

背景技术

在近几十年里，随着人们对移动通信服务需求的不断增加，移动通信得到了迅猛的发展。在第一代(1G)和第二代(2G)移动通信***中，通信业务主要是以传统的话音业务为主。而在第三代(3G)宽带移动通信***中，由于分组数据业务的发展，使得***中同时存在话音业务和数据业务。随着蜂窝移动通信***向着更高传输速率、更高频谱利用率以及更大***吞吐量的方向发展，3GPP为了应对基于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)技术的WiMAX和Wi-Fi等宽带无线接入技术的市场竞争，于2004年底开始了通用移动通信***(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)和***架构演进(System Architecture Evolution,SAE)的长期演进(Long Term Evolution,LTE)项目，并于4年后启动了LTE的后续演进(LTE-Advanced)项目。在从LTE平滑过渡的基础上，LTE-Advanced(简称LTE-A)引入了中继(Relay)、载波聚合(Carrier Aggregation,CA)、协作多点传输与接收(Coordinated Multi-Point transmission/reception,CoMP)、上下行MIMO扩展等关键技术，以进一步提升网络性能，提高用户对于移动通信业务的体验，降低组网与运维成本。

由于LTE-A***中引入了中继技术，使得小区基站(BS)的覆盖范围得以扩大，位于小区边缘或通信盲点区域的移动终端(UE)可以通过接入中继站(RS)进行两跳甚至多跳通信以提升其通信质量。虽然中继技术为通信***带来了一定的性能增益，但由于增加了小区内的通信链路，需要为其配备额外的频率资源，因此引入了更多的干扰。由于频率规划不合理，使得相邻小区或本小区内邻近站点(基站或中继站)中存在与本站点工作频率相近的频率，或者基于某种因素引起的本站点或相邻站点覆盖范围比原设计要求大，所产生的干扰均属于邻频干扰。而由于其它站点发射信号的载频与本站点发射信号载频相同，对接收节点造成影响的干扰称为同频干扰。

在LTE-A通信***中，存在两类同频干扰：第一类是小区内同频干扰，即小区内不同站点使用相同频率对接收节点造成的干扰。由于LTE-A***拥有基于OFDM的传输和多址技术，因此只要频率资源划分相对合理，小区内干扰就不会十分突出；第二类是小区间同频干扰，即相邻小区站点与本小区内的发射节点使用相同频率对接收节点造成的干扰，此类干扰为LTE-A通信***内的主要干扰。为了减少小区间干扰，相关文献提出了干扰协调、多小区协作等技术。其中干扰协调具有实现较为简单、可以应用于各种带宽的业务、对于干扰抑制有较好效果的特点，而资源复用和调度则是干扰协调的重要实现途径之一。

W.Lee等在CCNC2008.5th IEEE上发表的论文“An orthogonal resource allocationalgorithm to improve the performance of OFDMA-based cellular wireless systems using relays”，梁慜2010年的博士学位论文“无线中继网络中的频率复用与中继选择研究”，和杨丽娜2011年在西南交通大学学报上发表的论文“LTE-A中继***中自适应资源分配算法仿真研究”等相关文献中，均对LTE-A***的频率资源管理有了较为深入的研究。W.Lee等提出的ORAA(Orthogonal Resource Allocation Algorithm)方法将频段划分为三部分，小区内相同扇区内的中继站使用全部资源的一部分，该扇区内的基站使用剩余的资源，不同扇区内的中继站使用资源不同，基站使用的资源部分相同。梁慜对W.Lee提出的方法进行了改进，提出了两种ORAA的改进方法，两种改进方法的中继站均采用具有一定幅角的定向天线。改进方法一将频率资源划分为六部分使用；每个中继站使用全部频率资源的1/6；基站使用与该扇区内中继站不相邻的1/3的频率资源。改进方法二将频率资源划分为3部分使用，每个中继站使用频率资源的1/3，且同扇区内中继站使用频率资源不同。基站使用与该扇区内中继站不同的频率资源。杨丽娜提出的RRIAS(RS-RS Interference Avoiding Scheme)与BRIAS(BS-RS InterferenceAvoiding Scheme)方法，对频率资源均做出了更细致的划分，并且分别在一定程度上解决了中继间干扰以及基站与中继间的干扰，但在获得该方面优势的同时忽略了对于另一方面的优化。以上文献所述方法对于***内干扰的抑制以及小区内频率资源利用率缺乏统筹考虑，资源分配方式固定、不灵活，不能适应变化的通信环境。

发明内容

针对现有技术中存在的对LTE-A通信***内两种干扰的抑制，以及小区内频率资源利用率缺乏统筹考虑，资源分配方式固定、不灵活，不能适应变化的通信环境等问题，本发明结合资源裕度及资源分配等概念，提出了一种用于LTE-A中继***干扰协调的准动态的频率资源划分方法。

本发明通过细致规划小区内全部频率资源，合理分配部分资源用作初始资源分布，设立准动态的分配机制管理剩余空闲资源，达到提高用户通信质量的目的。本发明包括以下步骤：

步骤一，对***进行初始化，方法如下：

(1)设定通信网络模型为7小区两跳正交频分多址中继网络模型，设定通信环境为基于OFDMA技术的LTE-A下行链路；

(2)设定通信小区内基站与参与协作的中继站作为发射节点，用户设备作为接收节点；

(3)设定小区基站及中继站天线均采用具有一定辐角的定向天线，天线配置采取2×2模式，并设定功率固定且满足一定比值；

(4)设定中继站的通信方式为半双工通信模式；

(5)设定用户设备在小区半径上服从均匀分布。

步骤二，规划小区内可用频率资源，方法如下：

(1)将全部资源均匀划分为20块较小频率资源f_j；

(2)定义Ω_i为一个物理上频率连续的频率组，并将f_j归纳进Ω_i中；随后依据LTE-A通信***潜在应用频段现状配置Ω_i所属频段；

(3)定义概念组F_i为组内频率资源不连续的一组频率资源块，并将f_j再次归纳入F_i中用以完成资源分配。

步骤三，配置小区内频率资源，方法如下：

(1)按照F_i在小区内基站与中继站上的配置，配属各F_i中的f_j以得到本发明的频率初始分布；

(2)设定一个准动态的空闲资源分配机制，根据通信需求分配空闲的f_j给予请求站点，并检测已使用的空闲f_j是否于分配站点处置闲，置闲则收回该f_j。

步骤四，采取基于发射节点到接收节点几何距离的平均路径损耗模型进行干扰计算，方法如下：

接收节点j的有用信号接收功率P_j可以表示为：

P_j＝g_ij×P_i     (1)

式中，P_i为发送节点的发射功率，g_ij为从发射节点到接收节点的信号衰落。

将上式中的g_ij细化为平均路径损耗PL：

$\mathrm{PL}={\left(\frac{4\mathrm{\π}{d}_{0}f}{c}\right)}^2{\left(\frac{d}{d_0}\right)}^{\mathrm{\η}}---\left(2\right)$

式中，d₀为参考距离；f为载波频率；c为光速；d为发送节点与接收节点之间的几何距离；η为传播指数。

步骤五，按下式计算小区内用户设备在不同位置的信号干扰噪声比SINR(Signal toInterference plus Noise Ratio)：

式中，I_j为外部干扰；v_j为接收节点处的加性高斯白噪声；为正交因子，在OFDMA***中为0。

步骤六，变更中继站位置并重复步骤五，得到中继站位置变更后的小区内用户设备的SINR。通过比对不同中继站位置下用户的SINR，选择中继站的最优位置。

步骤七，将通信环境改为基于OFDMA的LTE-A通信***中继下行链路，并且设定用户设备在中继站所处位置与小区边缘之间服从均匀分布。

步骤八，按下式计算频谱效率k：

k＝log₂(1+Kγ)       (4)

$K=\frac{1.5}{\ln (0.2/{\mathrm{BER}}^{\mathrm{tar}})}---\left(5\right)$

式中，γ为接收节点的SINR；BER^tar为误码率阈值。

步骤九，求同种方法下所有中继用户频谱效率的均值，得到当前方法的平均频谱效率。

步骤十，重复步骤八、九，求同一方法下的用户平均频谱效率，每次用户总数递增10个，直至平均频谱效率曲线趋势明朗。

本发明的有益效果是：通过对小区内频率资源的合理规划与调配，减少了同频干扰源的数目，避免了部分邻频干扰，提高了小区内用户的SINR以及平均频谱效率。通过准动态的空闲频率资源分配，使得小区内部分频率资源得以灵活调配，提高了频率资源的利用率。

附图说明

图1为本发明所涉及的方法流程图；

图2为LTE-A中继蜂窝网络模型示意图；

图3为可用频率规划示意图；

图4为概念组频率配置示意图；

图5为具体频率资源划分示意图；

图6为频率初始分布示意图；

图7为准动态空闲资源调度流程图；

图8为本发明所涉及的方法直传用户干扰情况图；

图9为本发明所涉及的方法中继用户干扰情况图；

图10为用户在小区内不同位置的SINR对比图，图中：表示本发明所涉及的方法的SINR曲线，表示对比方法ORAA的SINR曲线，表示对比方法ORAA改进方法一的SINR曲线，表示对比方法ORAA改进方法二的SINR曲线；

图11为中继站位置改变后的SINR对比图，不同线型表示的含义同上；

图12为中继用户平均频谱效率对比图，图中：表示本发明所涉及的方法中继用户的平均频谱效率曲线，表示对比方法ORAA中继用户的平均频谱效率曲线，表示对比方法ORAA改进方法一中继用户的平均频谱效率曲线，表示对比方法ORAA改进方法二中继用户的平均频谱效率曲线。

具体实施方式

本发明的方法流程图如附图1所示，包括以下步骤：

步骤一，对***进行初始化：对于7小区两跳正交频分多址中继网络模型，设定通信小区半径为R＝1000m，每个小区共划分3个扇区，基站位于小区中心，沿蜂窝小区的正六边形对角线对称分布6个中继站，所有中继站和小区基站间的距离为L，并暂时选取L＝2R/3。基于无线中继网络的半双工特性，考虑当用户选择接入中继站时，BS-RS与BS-UE两条链路在第一个时隙进行通信，RS-UE链路在第二个时隙进行通信。固定小区基站与中继站的发射功率并确定其比值为0.6，小区内基站及各中继站的发射天线均为具有一定辐角的定向天线。小区内用户设备根据与基站间距离服从均匀分布。根据LTE-A***的最大***带宽设定小区内可用频率资源F为100MHz。

步骤二，对小区内可用频率资源进行划分并对其做出规定，方法如下：

(1)为了便于后续步骤对于频率资源的调配，先将小区内可用频率资源均匀划分为多个f_j，其中，f_j＝5MH_Z，j＝1,2,...,20。

(2)将F划分为7个Ω_i，即设定各Ω_i相互离散，用以解决通信小区内的邻频干扰问题。设定Ω₁～Ω₆为初始频率组，用于确定本方法的初始频率分布；设定Ω₇为无干扰裕度并予以暂留。基于小区内同一扇区中存在三个站点(小区基站及两个中继站)的分布特点，设定初始频率组中每个Ω_i内配置3个f_j；剩余的f₁₉与f₂₀配置给Ω₇用作空闲资源分配。小区内所有频率资源规划结果如附图3所示的。

(3)将F再次划分为4个F_i，i＝1,2,3,4，即F＝F₁∪F₂∪F₃∪F₄，且设定F₁～F₃用于确定初始频率分布；F₄为预留裕度，即F₄＝Ω₇。对于F₁～F₃，设定每组拥有6个f_j，且符合f_3j-2∈F₁，f_3j-1∈F₂，f_3j∈F₃，j＝1,2,...,6。

步骤三，配置小区内频率资源，即步骤二中已划分的f_j与F_i，方法如下：

(1)基于基站及中继站的部署情况，将F₁～F₃轮循地分配给各扇区内的三个站点，并且位于相同位置的站点使用不同的F_i，即保证其中F_RSa与F_RSb分别表示同一扇区内的两个中继站使用的F_i，F_BS表示该扇区内基站使用的F_i。频率初始分布基础如附图4所示。随后按照已得到的F_i分布将F₁～F₃内的f_j轮循地分配给各站点获得附图5所示的分配结果，以及附图6中本方法的频率初始分布。附图5从整个频率资源划分以及概念组频率划分两个角度，表明了所有f_j对于F_i的归属结果及其用途。图中f_j旁均标有其在小区内的配属位置，“XX”表明该f_j尚未被分配。由于小区内各站点使用的频率资源不同，因此小区内部基本不存在同频干扰。

(2)按照附图7所示流程图对步骤三(1)中未分配的频率资源进行调配：

a.优先调用空闲的无干扰裕度Ω₇；

b.当Ω₇全部被占用时，优先调用请求资源的基站或中继站所用F_i内的f_j给予该站点；

c.当请求资源的基站或者中继站所用F_i内的f_j均被占用时，调用其他的空闲f_j；

d.当请求分配f_j的站点为中继站时，基于中继协作的通信方式，也需分配不同的空闲f_j给予该中继站所在扇区的基站，该f_j也优先选择该基站所用F_i内的资源块；

e.调用的空闲资源f_j尽量不与周围站点已使用的频率资源在同一Ω_i中；

f.当得到空闲资源f_j的站点不再需要该资源时，立即释放f_j以供应其它站点需求；

g.如若释放f_j的站点是中继站，则与之相对应的基站也应同时释放与中继站配对使用的f_j；

h.初始分布中已配置的f_j不可释放。

步骤四，采取基于发射节点到接收节点几何距离的平均路径损耗模型进行干扰计算。对于平均路径损耗PL的计算公式如式(2)所示，式中，参考距离d₀设为10m，载波频率f设为2GHz；光速c设为3×10⁸m/s；d为由勾股定理算出的发送节点与接收节点之间的几何距离。由于本方法将BS-RS、BS-UE、以及RS-UE三条链路全部设为可视链路(Line of Sight，LOS)，因此，η＝LOS＝2。

步骤五，按下式计算接收节点的SINR：

$\mathrm{\γ}=\frac{P_x/\mathrm{PL}\left(L_x\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=a}^b{P}_{\mathrm{Bi}}/P\left(L_{\mathrm{Bi}}\right)+{\mathrm{\Σ}}_{j=c}^d{P}_{\mathrm{Rj}}\left(L_{\mathrm{Rj}}\right)}---\left(6\right)$

式中，P_x为发射节点的发射功率，L_x为发射节点到目标节点的几何距离，x∈{BS,RS}；P_Bi与P_Rj分别为充当干扰源的基站与中继站的发射功率，L_Bi和L_Rj分别为干扰源的基站与中继站到接收节点的几何距离，a,b,c,d∈{1,2,...,20}。

由于本方法中小区内基站及各中继站的发射天线均为具有一定辐角的定向天线，因此直传用户的干扰情况可以表示为附图8，即直传用户的干扰只来自于相邻小区3个使用相同频率资源的基站，继而直传用户的SINR可以精确表示为：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{P_B/\mathrm{PL}\left(L_B\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{P}_{\mathrm{Bi}}/\mathrm{PL}\left(L_{\mathrm{Bi}}\right)}---\left(7\right)$

中继用户的干扰情况可以表示为附图9，即中继用户的干扰只来自相邻小区使用相同频率资源的4个中继站，因此中继用户的SINR可以精确表示为：

${\mathrm{\γ}}_2=\frac{P_R/\mathrm{PL}\left(L_R\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^4{P}_{\mathrm{Rj}}/\mathrm{PL}\left(L_{\mathrm{Rj}}\right)}---\left(8\right)$

步骤六，将L设为R/2，重复步骤五，得到中继站位置变更后的小区内用户设备的SINR情况。将L＝2R/3的情况与L＝R/2的情况进行对比，按需选取中继站最优位置。如L＝R/2的情况仍不理想，可继续选取L直至满足需求。

步骤七，将通信环境改为基于OFDMA的LTE-A通信***中继下行链路，并将L重新设定为2R/3，用户设备在中继站所处位置与小区边缘之间服从均匀分布。

步骤八，按(2)式求频谱效率k，式中，L取2R/3时，BER^tar＝10^-6。

步骤九，将同种方法下所有中继用户频谱效率求均值得到当前方法的平均频谱效率。

步骤十，重复步骤八、九，每次用户总数递增10个，直至同一方法下的平均频谱效率曲线趋势明朗为止。此处选定中继用户总数上限为100个。

附图10是采用本发明所述的方法和ORAA方法、ORAA改进方法一、ORAA改进方法二得到的用户在小区内不同位置的SINR对比图。由图中不同方法下SINR曲线对比可以看出：本发明所述的用于LTE-A中继***干扰协调的准动态频率资源划分方法，实质上是通过对小区内频率资源进行的用于避免邻频干扰的相关规定、对中继站天线的发射辐角做出限定，以及对于频率资源做出更加细致的划分及分配，提升了用户的SINR。值得注意的是：由于本发明所述方法中继站的部署位置以及天线辐角的设定，使得用户在小区内的SINR随着与小区基站间距离的增加，呈先减小后发生向上跳变，之后再次减小的趋势；而作为对比的ORAA方法，由于中继站采用全向天线，故根据中继站相关参数，设定用户从距小区基站R/2处开始接入中继，因此用户在小区内的SINR随着与小区基站间距离的增加，呈先减小后增加，达到峰值后再次减小的趋势。对于本发明所述方法，在0～L的范围内，所有用户均直接与基站进行通信。在距离基站较近的区域，用户的SINR可以达到35dB左右，并且在接近L的区域仍可以保有5dB以上的SINR。在L～R的区域内，所有用户均选择通过中继站进行两跳通信。在SINR曲线跳变处，中继用户所获得的峰值与基站附近直传用户所获得的峰值相近，并且在小区边缘处仍能获得10dB左右的SINR。由图可知，在0～R/2以及L～R区域内，本发明与三种对比方法相比，具有明显的优势。

附图11是采用本发明所述的方法和ORAA方法、ORAA改进方法一、ORAA改进方法二得到的中继站位置改变后，用户在小区内不同位置的SINR对比图。由图可以看出：本发明所述的方法可以通过调整中继站所处位置来进一步提升用户在小区内的SINR性能。值得注意的是：由于ORAA方法中继站的设置，用户可以在R/2～2R/3区域内获得较高的SINR，因此ORAA方法在这一区域内占据一定优势。为了弥补本发明在这一区域内的不足，本发明将中继站位置向小区基站方向适当移动，具***置可根据实际情况选定，此处暂定L＝R/2。由图中可以看出，在距离基站临近500m处，直传用户可以取得8dB左右的SINR。在距离基站约620m处，本发明所述方法和ORAA方法获得了相同的SINR，以该点为中心，位于其两侧的两种方法的SINR曲线基本呈对称分布，并且两种方法在峰值处获得的SINR数值相近。在距离基站约750m处，两种方法再次获得了相同的SINR值。在该点至R区域内，本发明所述方法的SINR再次优于ORAA方法，并在R处取得了6dB左右的SINR。

附图12是采用本发明所述方法和ORAA方法、ORAA改进方法一、ORAA改进方法二得到的中继用户平均频谱效率对比图。由图可以看出：本发明所述方法可以通过改善接收节点的SINR来提升小区内用户的平均频谱效率。与三种对比方法相比，本发明所述方法具有明显优势，当中继用户总数为40个时，平均频谱效率达到了3bps/Hz，并且随着总数的增加平均频谱效率继续缓慢增加，最后稳定在3.1bps/Hz左右。

Claims (1)

1.一种用于LTE-A中继***干扰协调的准动态频率资源划分方法，其特征在于通过规划小区内全部频率资源，分配部分资源用作初始资源分布，设立准动态的分配机制管理剩余资源的途径，从而达到提高用户通信质量的目的；本发明所述的方法包括以下步骤：

步骤一，对***进行初始化，方法如下：

(1)设定通信网络模型为7小区两跳正交频分多址中继网络模型，设定通信环境为基于OFDMA技术的LTE-A下行链路；

(2)设定通信小区内基站与参与协作的中继站作为发射节点，用户设备作为接收节点；

(3)设定小区基站及中继站天线均采用具有一定辐角的定向天线，天线配置采取2×2模式，并设定功率固定且满足一定比值；

(4)设定中继站的通信方式为半双工通信模式；

(5)设定用户设备在小区半径上服从均匀分布；

步骤二，规划小区内可用频率资源，方法如下：

(1)将全部资源均匀划分为20块较小频率资源f_j；

(2)定义Ω_i为一个物理上频率连续的频率组，并将f_j归纳进Ω_i中；随后依据LTE-A通信***潜在应用频段现状配置Ω_i所属频段；

(3)定义概念组F_i为组内频率资源不连续的一组频率资源块，并将f_j再次归纳入F_i中用以完成资源分配；

步骤三，配置小区内频率资源，方法如下：

(1)按照F_i在小区内基站与中继站上的配置，配属各F_i中的f_j以得到本发明的频率初始分布；

(2)设定一个准动态的空闲资源分配机制，根据通信需求分配空闲的f_j给予请求站点，并检测已使用的空闲f_j是否于分配站点处置闲，置闲则收回该f_j；

步骤四，采取基于发射节点到接收节点几何距离的平均路径损耗模型进行干扰计算，方法如下：

接收节点j的有用信号接收功率P_j可以表示为：

P_j＝g_ij×P_i

式中，P_i为发送节点的发射功率，g_ij为从发射节点到接收节点的信号衰落；

将上式中的g_ij细化为平均路径损耗PL：

$\mathrm{PL}={\left(\frac{{4\mathrm{\πd}}_{0}f}{c}\right)}^2{\left(\frac{d}{d_0}\right)}^{\mathrm{\η}}$

式中，d₀为参考距离；f为载波频率；c为光速；d为发送节点与接收节点之间的几何距离；η为传播指数；

步骤五，按下式计算小区内用户设备在不同位置的信号干扰噪声比SINR：

式中，I_j为外部干扰；v_j为接收节点处的加性高斯白噪声；为正交因子，在OFDMA***中为0；

步骤六，变更中继站位置并重复步骤五，得到中继站位置变更后的小区内用户设备的SINR；通过比对不同中继站位置下用户的SINR，选择中继站的最优位置；

步骤七，将通信环境改为基于OFDMA的LTE-A通信***中继下行链路，并且设定用户设备在中继站所处位置与小区边缘之间服从均匀分布；

步骤八，按下式计算频谱效率k：

k＝log₂(1+Kγ)

$K=\frac{1.5}{\ln (0.2/{\mathrm{BER}}^{\mathrm{tar}})}$

式中，γ为接收节点的SINR；BER^tar为误码率阈值；

步骤九，求同种方法下所有中继用户频谱效率的均值，得到当前方法的平均频谱效率；

步骤十，重复步骤八、九，求同一方法下的用户平均频谱效率，每次用户总数递增10个，直至平均频谱效率曲线趋势明朗。