文 武 ，徐旭東

（1.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065）

0 引言

隨著智能終端的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟪手笖?shù)形式增長，LTE-A提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1]。它是在宏基站(Macro eNB)內(nèi)引入低功率的節(jié)點(diǎn)，主要包括微基站(Pico eNB)、家庭基站等，部署在熱點(diǎn)和盲點(diǎn)區(qū)域。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署增強(qiáng)了盲點(diǎn)的覆蓋，提升了系統(tǒng)的性能[1-3]。但是微基站的覆蓋區(qū)域小，轉(zhuǎn)移宏基站負(fù)載的能力較低[1]。為了提高微小區(qū)的轉(zhuǎn)移負(fù)載能力，參考文獻(xiàn)[3]提出小區(qū)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)(Range Expansion，RE)，擴(kuò)大了微基站的覆蓋范圍，減少了宏基站的負(fù)載[4]。這時微基站可分為中心區(qū)域(Inner Cell，INC)和擴(kuò)展區(qū)域(Cell Range Expansion，CRE)。 由于是同頻部署，微基站擴(kuò)展區(qū)域用戶受到宏基站的嚴(yán)重干擾。

為此，參考文獻(xiàn)[5]提出增強(qiáng)型干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。通過宏基站在一些子幀不發(fā)送數(shù)據(jù)，減少擴(kuò)展區(qū)域用戶的干擾，這些子幀稱為空白子幀(Almost Blank Subframe，ABSF)。LET協(xié)議中空白子幀配置沒有給定。對此參考文獻(xiàn)[6]分析了靜態(tài)設(shè)定對系統(tǒng)性能的影響。之后參考文獻(xiàn)[7]建議把空白子幀配置應(yīng)用于動態(tài)。參考文獻(xiàn)[8]提出基于中心用戶與擴(kuò)展區(qū)域用戶比例的設(shè)定方法。參考文獻(xiàn)[9]從系統(tǒng)的角度提出最大化吞吐量的設(shè)定方法。但是為了追求系統(tǒng)吞吐量的最大化，會犧牲擴(kuò)展區(qū)域用戶性能。基于以上不足，本文著眼系統(tǒng)公平性，提出兩種空白子幀配置方法。仿真結(jié)果表明，相比于靜態(tài)的配置方法，提出的這兩種動態(tài)的空白子幀配置方法有效地提升了系統(tǒng)的公平性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 干擾模型

在引入增強(qiáng)型干擾協(xié)調(diào)之后，宏基站在空白子幀不發(fā)送數(shù)據(jù)信號，微基站用戶(Pico UE，PUE)的信噪比可分為正常子幀和空白子幀兩種情形,表示如下：

宏基站只在正常子幀發(fā)送數(shù)據(jù)信號，所以宏基站用戶(Macro UE，MUE)信噪比表示如下：

那么用戶i所獲得的信息速率為：

1.2 空白子幀模型

在一個幀內(nèi)有Nsf子幀，假設(shè)空白子幀有Nsb個，則正常子幀的個數(shù)就為Nsn=Nsf-Nsb，令 θ為空白子幀比率，可表示如下：

空白子幀數(shù)為Nsb=θNsf，正常子幀數(shù)為 Nsn=(1-θ)Nsf。

1.3 用戶劃分模型

當(dāng)宏基站與微基站子幀對齊，系統(tǒng)就存在空白子幀段和正常子幀段。MUE只能在正常子幀傳送數(shù)據(jù)。為了方便起見，規(guī)定INC用戶只在正常子幀傳輸。擴(kuò)展區(qū)域用戶(CRE UE)只在空白子幀傳輸。

定義1：只在空白子幀時間段傳輸?shù)挠脩舴Q為ABSF用戶，只在正常子幀時間段傳輸?shù)挠脩舴Q為NSF用戶，其分類如表1所示。

很多文獻(xiàn)認(rèn)為空白子幀的配置是減少宏基站的資源提升微基站的信道條件，是體現(xiàn)宏基站與微基站之間的權(quán)衡[7-9]。但并非如此，增大空白子幀配置比例的確減少了宏基站的發(fā)送時間，但是微基站INC用戶的發(fā)送時間也就相應(yīng)地較少，增多的只是CRE用戶的發(fā)送時間。所以增強(qiáng)型干擾協(xié)調(diào)技術(shù)體現(xiàn)的是ABSF用戶與NSF用戶的平衡，并給出如下定義。

表1 NSF用戶和ABSF用戶的分類

定義2：宏基站空白子幀的配置，本質(zhì)是ABSF用戶與NSF用戶達(dá)到競爭平衡。

空白子幀設(shè)定轉(zhuǎn)化為求解ABSF用戶和NSF用戶間的平衡。由此，提出基于ABSF用戶比的空白子幀設(shè)定和最大化公平性的空白子幀設(shè)定。

2 空白子幀配置

2.1 基于ABSF用戶比的配置

一般地如果ABSF用戶越多,那么空白子幀也應(yīng)該分配的越多,于是提出了基于ABSF用戶比的配置 (Rate of ABSF，BRABSF)，其公式表示如下：

其 中，Npu，n和 Npu，b分別表示在微小區(qū)p內(nèi)NSF用戶和ABSF用戶數(shù)。Nmu表宏基站m內(nèi)的宏基站用戶數(shù)。

2.2 最大化公平性的配置

空白子幀的配置是在一個幀內(nèi)進(jìn)行的，由于本文只研究單小區(qū)的場景，沒有其他小區(qū)的干擾，同類型的子幀的吞吐量滿足廣義公平性，所以在一個幀內(nèi)NSF用戶吞吐量Thn(θ)和ABSF用戶吞吐量Thh(θ)可以分別表示如下：

式中S表示一個子幀，Sn和Sb分別表示一個幀內(nèi)的正常子幀集合和空白子幀集合。是在正常子幀內(nèi)NSF用戶的平均傳輸速率是在空白子幀內(nèi)ABSF用戶的平均傳輸速率，可以分別表示如下：

為了滿足速率的公平性，θ可以表示成：

把式(9)、式(10)帶入式(11)，最大化公平性的空白子幀配置(Max Fairness ABSF，MFABSF)，表示如下：

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)

仿真拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)規(guī)定每個宏基站小區(qū)內(nèi)有4個微基站小區(qū)、60個用戶。為了模擬熱點(diǎn)區(qū)域，2/3的UE分布在微基站的周圍。其他仿真參數(shù)見表2。對比方案為在不同的偏置值下對比靜態(tài)空白子幀配置(SABSF)和兩種動態(tài)的空白子幀配置。

表2 仿真參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 空白子幀比率

空白子幀比率如圖1所示，隨偏置值增加，微基站邊緣用戶越多，ABSF用戶比率不斷增大?；贏BSF用戶比的配置方法，空白子幀比率一直接近用戶ABSF用戶比率。而最大化公平性的配置，開始時空白子幀比率小于ABSF用戶比率，隨著CRE的增大，ABSF比率開始大于ABSF用戶比率，而且越來越明顯(如圖1)。這是由于隨著偏置值增大，ABSF用戶信道條件越來越差[6]。

圖1 空白子幀比率

3.2.2 吞吐量和公平性

圖2 NOR用戶和ABSF用戶的吞吐量

吞吐量仿真結(jié)果如圖2，空白子幀靜態(tài)配置時隨著偏置值的增大，ABSF用戶速率會下降，而NSF用戶速率不斷增加，這兩條曲線成X型?；贏BSF用戶比的配置考慮了ABSF用戶所占的比例，但是隨著偏置值的增加，ABSF用戶和NSF用戶的速率差異還是很大。最大化公平性的配置方法的兩種類型用戶平均速率曲線比較接近。系統(tǒng)公平性如圖3所示，從圖3也可以看出，整個系統(tǒng)的公平性有很大的提升，特別是當(dāng)偏置值很大時，體現(xiàn)得更加明顯。

圖3 系統(tǒng)公平性

3.2.3 微基站的邊緣用戶性能

微基站5%的邊緣用戶吞吐量如圖4，微基站5%邊緣用戶的吞吐量先增后減，這是由于隨著偏置值增大，邊緣用戶信道先有所提升之后就不斷惡劣[7]。在偏置值比較大時，最大化公平性的空白子幀配置有效地提升了邊緣用戶傳輸速率。

圖4 微基站5%的邊緣用戶吞吐量

4 結(jié)論

本文研究了空白子幀動態(tài)設(shè)定問題，提出空白子幀的設(shè)定是為了達(dá)到ABSF用戶和NSF用戶性能的平衡。在此基礎(chǔ)上，提出基于ABSF用戶比的空白子幀配置和最大化公平性的空白子幀配置。仿真表明，這兩種方法有效地提升了公平性和邊緣用戶的吞吐量。文章還重點(diǎn)對比了這兩種配置方法，表明最大化公平性的配置有效地提升了用戶公平性，并減緩了隨偏置值增大邊緣用戶吞吐量減少的趨勢。

[1]3GPP TR 36.839 V11.1.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Mobility enhancements in heterogeneous networks[Z].2012.

[2]沈嘉.LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(9)：7-9.

[3]陳貝，陳發(fā)堂.LTE-A系統(tǒng)下行鏈路信道估計的性能評估[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(8)：115-117.

[4]3GPP.R1-083813，Range expansion for efficient support of heterogeneous networks[S].2008.

[5]GUVEND I/Capacity and fairness analysis of heterogeneous networks with range expansion and interference coordination[J].IEEE Commun，Letters，2011，12(5)：1084-1087.

[6]SHIRAKABE M，MORIMOTO M.Performance evaluation of inter-cell interference coordination and cell range expansion in heterogeneous networks for LTE-Advanced downlink[C].Proc.ISWCS，2011：844-848.

[7]MADAN R，BORRAN J，SAMPATH A.Cell association and interference coordination in heterogeneous LTE-A cellular networks[J].IEEE Areas Commun.，2010，28(9)：1479-1489.

[8]ABDALLAH K，CERUTTI I.Energy efficient coordinated sleep of LTE Cells[C].IEEE ICC Wireless Networks Symposium，2012：5238-5242.

[9]VASUDEVAN S，PUPALA R N.Dynamic eICIC-A proactive strategy for improving spectral efficiencies of heterogeneous LTE cellular networks by leveraging user mobility and traffic dynamics[J].IEEE Wireless Commun.Trans.，2013，12(10)：4956-4969.