提高邊緣吞吐量的軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案研究

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)系統(tǒng)在下行信道上采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)技術(shù)，這種技術(shù)將頻譜資源劃分為相互正交的幾個(gè)部分供小區(qū)用戶重復(fù)使用，以此來(lái)避免用戶之間的干擾，系統(tǒng)的頻譜利用率得到提高[1]，但TD-LTE系統(tǒng)中的所有小區(qū)都利用相同的頻點(diǎn)來(lái)組網(wǎng)時(shí)會(huì)使兩個(gè)相鄰的小區(qū)間產(chǎn)生干擾，尤其當(dāng)用戶分布在小區(qū)邊緣時(shí)相互產(chǎn)生的干擾更為嚴(yán)重，因此為了更好地利用頻率資源，提高小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率和用戶服務(wù)質(zhì)量，小區(qū)間的干擾抑制被廣為研究[2-3]。

固定軟頻率復(fù)用算法因?yàn)橛行У匾种屏诵^(qū)間的干擾及極大地利用了系統(tǒng)資源，常被用于抑制干擾研究[4]。在固定軟頻率復(fù)用算法中，每個(gè)小區(qū)的邊緣用戶只能固定地分配到1/3可用資源，并且相鄰小區(qū)邊緣用戶使用的頻譜資源是相互正交的。近幾年，眾多改進(jìn)方案被提出用以提高邊緣用戶的吞吐量[5-7]，文獻(xiàn)[5]提出的動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用算法在相鄰小區(qū)邊緣用戶分布不均時(shí)，將邊緣吞吐量提升25%，但是總吞吐量下降了3%，文獻(xiàn)[6]根據(jù)邊緣負(fù)載變化情況對(duì)頻譜資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，提高了邊緣用戶的吞吐量，文獻(xiàn)[7]提出一種動(dòng)態(tài)頻率復(fù)用與部分功率控制相結(jié)合的干擾協(xié)調(diào)方案提高了小區(qū)總的吞吐量。

通過(guò)上面的分析，一種動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用(Dynamic Soft Frequency Reuse，D-SFR)算法被提出。該算法能夠以用戶在小區(qū)邊緣的分布情況為依據(jù)為其動(dòng)態(tài)地分配頻率資源。D-SFR算法能夠避免在所有小區(qū)都利用相同的頻點(diǎn)來(lái)組網(wǎng)時(shí)使相鄰的小區(qū)間產(chǎn)生干擾，在不影響中心用戶性能的情況下，保證了邊緣用戶的性能，從而保證系統(tǒng)的整體性能。

1 固定軟頻率復(fù)用算法

固定軟頻率復(fù)用模型如圖1所示。首先，按照?qǐng)D1(a)，將整個(gè)小區(qū)用戶劃分為中心區(qū)域用戶和邊緣區(qū)域用戶，同時(shí)按照?qǐng)D1(b)將系統(tǒng)整個(gè)頻帶資源劃分為2份，一部分為中心頻段，另一部分為邊緣頻段。其中邊緣頻段可供小區(qū)內(nèi)所有用戶使用，而中心頻段只能供小區(qū)中心區(qū)域用戶使用，但小區(qū)邊緣用戶可以優(yōu)先使用邊緣頻段，即邊緣用戶遍歷完邊緣頻段后再在該頻段上調(diào)度中心用戶。中心用戶發(fā)射信號(hào)的功率較小，而邊緣用戶發(fā)射信號(hào)的功率較大，這是因?yàn)橹行挠脩襞c基站間的距離較小、信號(hào)強(qiáng)，對(duì)相鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾小，而邊緣用戶與基站間的距離較大、信號(hào)較弱，對(duì)相鄰小區(qū)產(chǎn)生較大的干擾。由于各個(gè)小區(qū)的中心用戶之間距離較遠(yuǎn)，即使中心用戶使用了同一頻率也不會(huì)影響與之相鄰小區(qū)的正常通信?；竞陀脩舻陌l(fā)射功率被限制，小區(qū)邊緣用戶依次使用互不重疊的三個(gè)頻率資源來(lái)避免相互之間產(chǎn)生干擾。這種方案既使得相鄰小區(qū)間的干擾問(wèn)題得到解決，又有效地提高了頻譜利用率，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是在固定軟頻率復(fù)用算法下，當(dāng)邊緣用戶數(shù)增多時(shí)分配到的頻率資源是固定的，導(dǎo)致了邊緣用戶吞吐量的下降。

圖1 固定軟頻率復(fù)用模型

2 動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用算法

基本原理如下:進(jìn)一步細(xì)劃邊緣頻段，在細(xì)化后的部分邊緣頻段上，可以將相鄰小區(qū)都調(diào)度在該部分邊緣頻段上。當(dāng)較多的用戶分布在小區(qū)邊緣時(shí)，該小區(qū)可以將邊緣用戶調(diào)度在細(xì)化后的部分邊緣頻段上，而所對(duì)應(yīng)的邊緣用戶分布較少的相鄰小區(qū)則不在該頻段上進(jìn)行用戶的調(diào)度，而是將該部分邊緣頻段的功率降低，在該頻段上只進(jìn)行中心用戶的調(diào)度。為保證對(duì)邊緣用戶有足夠的資源進(jìn)行分配，先對(duì)邊緣用戶進(jìn)行資源分配，再對(duì)中心用戶進(jìn)行資源分配。

2.1 用戶類別判定

在軟頻率復(fù)用算法中，將頻率資源合理地分配給小區(qū)用戶，首先要對(duì)用戶類別進(jìn)行準(zhǔn)確的判定，這也在很大程度上影響著系統(tǒng)性能。在TD-LTE系統(tǒng)中，一般通過(guò)距離判定法或接受功率判定法對(duì)用戶類別進(jìn)行判定[8]。

距離判定法是指通過(guò)用戶的物理坐標(biāo)到基站的距離大小進(jìn)行判斷。通常當(dāng)D≤a×R時(shí)為中心用戶，當(dāng)D>a×R時(shí)為邊緣用戶。D為基站與用戶的物理距離，R為小區(qū)半徑，a為距離的比例常數(shù)，取值范圍為0

接收功率判定法是指通過(guò)對(duì)用戶信號(hào)接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)進(jìn)行測(cè)量，利用測(cè)量值對(duì)用戶進(jìn)行分類。獲得用戶的RSRP后，與設(shè)定的門(mén)限RSRPthreshold進(jìn)行比較，當(dāng)RSRP≥RSRPthreshold時(shí)，判斷為中心用戶，當(dāng)RSRP

利用距離判定法對(duì)用戶進(jìn)行分類，方便簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的應(yīng)用中，小區(qū)用戶到基站的距離無(wú)法直接獲得，并且小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的形狀呈現(xiàn)一定的不規(guī)則性。即使獲得了兩者之間的距離，但影響信號(hào)質(zhì)量的其他因素未考慮到[9]。接收功率判定法方便簡(jiǎn)單，減小了信令開(kāi)銷，但是該判定方法只通過(guò)一個(gè)RSRPthreshold對(duì)用戶位置進(jìn)行分類，判斷結(jié)果易出現(xiàn)“乒乓效應(yīng)”[10]。

圖2為用戶判定流程圖，本文利用距離判定法和接收功率判定法對(duì)用戶進(jìn)行分類。首先利用距離判定法，若在此方法下將用戶判定為邊緣用戶，則再利用接收功率判定法進(jìn)行分類，若在兩種方法下都判定為邊緣用戶，則判定該用戶為邊緣用戶，否則為中心用戶。

圖2 用戶判定流程圖

2.2 動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用(D-SFR)頻段劃分

小區(qū)邊緣頻段的劃分如圖3所示。

圖3 小區(qū)邊緣頻段的劃分

① 主控頻段。該頻段只能供本小區(qū)邊緣用戶調(diào)度，相鄰小區(qū)邊緣用戶不能調(diào)度到該頻段上，相鄰小區(qū)間主控頻段相互正交，主控頻段如圖3(b)中B1，B2，B3所示。

② 優(yōu)先頻段。該頻段與相鄰小區(qū)的部分邊緣頻段重合，當(dāng)相鄰小區(qū)間存在嚴(yán)重干擾時(shí)，可以在該頻段上進(jìn)行本小區(qū)邊緣用戶的調(diào)度，而相鄰小區(qū)在這一頻段上不進(jìn)行用戶的調(diào)度，即降低優(yōu)先頻段的發(fā)射頻率，在這一頻段上調(diào)度中心用戶。優(yōu)先頻段如圖3(b)中b1，b2，b3所示。Cell1和Cell3的部分邊緣頻段a1和b3重合，當(dāng)這兩個(gè)小區(qū)的邊緣用戶分別在a1和b3上調(diào)度產(chǎn)生嚴(yán)重干擾時(shí)，由于b3為Cell3的優(yōu)先頻段，則Cell3邊緣用戶可優(yōu)先調(diào)度到該頻段上，而Cell1避免將用戶調(diào)度到該頻段上，降低該頻段的發(fā)射頻率，在這一頻段上只調(diào)度中心用戶。

③ 借用頻段。該頻段對(duì)應(yīng)于與其相鄰小區(qū)的優(yōu)先頻段，當(dāng)小區(qū)的邊緣負(fù)載過(guò)重，本小區(qū)的主控頻段及優(yōu)先頻段無(wú)法為邊緣用戶提供足夠的頻譜資源，同時(shí)在借用頻段上，對(duì)相鄰小區(qū)在優(yōu)先頻段上產(chǎn)生較小的干擾時(shí)，可以在這一頻段上進(jìn)行本小區(qū)邊緣用戶的調(diào)度。借用頻段如圖3(b)中a1，a2，a3所示。當(dāng)Cell1的邊緣負(fù)載過(guò)重，主控頻段B1及優(yōu)先頻段b1無(wú)法滿足邊緣用戶的頻譜資源需求，且當(dāng)在b3上Cell3不調(diào)度用戶或Cell1的邊緣用戶在借用頻段上對(duì)Cell3在優(yōu)先頻段上產(chǎn)生較小的干擾時(shí)，可以在借用頻段上進(jìn)行本小區(qū)邊緣用戶的調(diào)度。若Cell1在借用頻段a1上對(duì)Cell3優(yōu)先頻段上有較大的干擾時(shí)，則Cell1在a1上無(wú)法調(diào)度邊緣用戶，只能在a1上調(diào)度中心用戶在低功率下發(fā)送。

整體方案流程圖如圖4所示。

圖4 整體方案流程圖

首先將邊緣用戶依次調(diào)度在主控頻段、優(yōu)先頻段上，再在借用頻段上進(jìn)行邊緣用戶的調(diào)度，最后將中心用戶調(diào)度在剩余頻段上。

2.3 頻率資源分配

在TD-LTE系統(tǒng)中，資源塊(Resource Block，RB)為資源分配的最小單位，包含12個(gè)頻域子載波和一個(gè)時(shí)隙，所以頻域?qū)挾葹?80 kHz，時(shí)間長(zhǎng)度為0.5 ms。采用輪詢調(diào)度法對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)度，每次分配給用戶1個(gè)RB[11]。

頻率資源分配主要步驟如下:

① 以小區(qū)的物理坐標(biāo)及其他的信息為依據(jù)，確定小區(qū)的相互位置，然后對(duì)每個(gè)小區(qū)用戶的位置進(jìn)行分類。其次，進(jìn)一步細(xì)化小區(qū)邊緣頻段，將邊緣頻段劃分為上面所述的主控頻段、優(yōu)先頻段及借用頻段。最后為每個(gè)小區(qū)確定所分配到的頻率資源。

② 對(duì)邊緣用戶進(jìn)行輪詢調(diào)度。邊緣用戶遍歷分配的主控頻段RBn，重復(fù)，直到主控頻段RBn分配完或邊緣用戶都分配到頻率資源。若部分邊緣用戶未分配到RBn，則進(jìn)行步驟③的操作，否則進(jìn)行步驟⑤的操作。

③ 邊緣用戶遍歷分配的優(yōu)先頻段RBn，重復(fù)，直到優(yōu)先頻段RBn分配完或邊緣用戶都分配到頻率資源。若部分邊緣用戶未分配到RBn，則進(jìn)行步驟④的操作，否則進(jìn)行步驟⑤的操作。

④ 在借用頻段上調(diào)度邊緣用戶，若邊緣用戶調(diào)度完，則將借用頻段重新調(diào)整為中心頻段，并進(jìn)行步驟⑤的操作。

⑤ 中心用戶遍歷剩余頻段RBn，重復(fù)，直到中心用戶都分配到頻率資源，或所有RB分配完。

⑥ 當(dāng)中心用戶都分配到頻率資源時(shí)，不再進(jìn)行頻率分配。

3 仿真研究與性能分析

本文通過(guò)Matlab仿真，用系統(tǒng)用戶傳輸速率和邊緣用戶速率累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)曲線來(lái)比較D-SFR算法和固定軟頻率復(fù)用算法的性能好壞。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 具體仿真參數(shù)

注：SCME為空間信道模型拓展(Spatical Channel Model Extension)；R為基站與用戶設(shè)備之間的距離；UE為用戶設(shè)備(Users Equipment)。

本文對(duì)7個(gè)相鄰小區(qū)的性能進(jìn)行仿真，系統(tǒng)負(fù)載隨機(jī)分布。系統(tǒng)用戶傳輸速率CDF對(duì)比曲線如圖5所示，從圖中可以看出，在用戶傳輸速率高的部分，兩種復(fù)用方案的CDF曲線幾乎重合，由此可知，本文所提出的動(dòng)態(tài)復(fù)用方案幾乎不影響中心用戶的傳輸速率，這就可以很好地保證中心用戶的性能。邊緣用戶傳輸速率CDF對(duì)比曲線如圖6所示，對(duì)于邊緣用戶，動(dòng)態(tài)SFR算法的CDF曲線明顯位于固定軟頻率復(fù)用算法的CDF曲線的右側(cè)，即邊緣用戶的傳輸速率有很大的提高。這就說(shuō)明，動(dòng)態(tài)SFR算法既提高了系統(tǒng)整體的吞吐量，也使邊緣用戶的性能得到很大的提高，很好地抑制了小區(qū)間的同頻干擾。

下面通過(guò)對(duì)邊緣頻段按照不同的比例進(jìn)行劃分，仿真出了系統(tǒng)用戶傳輸速率和邊緣用戶傳輸速率CDF曲線圖。不同比例頻段劃分下系統(tǒng)用戶速率CDF對(duì)比曲線如圖7所示，在3種不同的頻段劃分下，系統(tǒng)整體的用戶傳輸速率CDF曲線很接近，這就說(shuō)明，不同比例頻段的劃分對(duì)中心用戶的傳輸速率影響很小，傳輸速率都較高。而邊緣用戶則會(huì)受到頻段劃分的影響，不同比例頻段劃分下邊緣用戶速率CDF對(duì)比曲線如圖8所示，當(dāng)以12∶4∶4的比例對(duì)邊緣頻段進(jìn)行劃分時(shí)，CDF曲線位于3條曲線的最右側(cè)，邊緣用戶有較好的性能。當(dāng)以14∶2∶2的比例對(duì)邊緣頻段進(jìn)行劃分時(shí)，CDF曲線位于3條曲線的中間，此時(shí)，邊緣用戶所能夠分配到的優(yōu)先頻段及借用頻段的數(shù)量減小，能夠利用較少的資源，邊緣用戶的性能較差。當(dāng)以8∶8∶8 的比例對(duì)邊緣頻段進(jìn)行劃分時(shí)，CDF曲線位于3條曲線的最左側(cè)，此時(shí)，邊緣用戶可以利用的資源較多，但是各個(gè)小區(qū)之間隨之會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾，在這種頻段劃分下，邊緣用戶性能最差。

圖5 系統(tǒng)用戶傳輸速率CDF對(duì)比曲線

圖6 邊緣用戶傳輸速率CDF對(duì)比曲線

圖7 不同比例頻段劃分下系統(tǒng)用戶速率CDF對(duì)比曲線

圖8 不同比例頻段劃分下邊緣用戶速率CDF對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)固定軟頻率復(fù)用算法在小區(qū)邊緣負(fù)載分布不均勻時(shí)頻率資源的浪費(fèi)的問(wèn)題，本文提出了一種動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用算法用于提高系統(tǒng)整體的頻率利用率。該算法以邊緣用戶的分布情況為依據(jù)動(dòng)態(tài)地分配頻率資源。通過(guò)Matlab對(duì)系統(tǒng)整體傳輸速率及邊緣用戶傳輸速率進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，所提出的算法幾乎不影響小區(qū)中心用戶吞吐量，卻極大地提高了邊緣用戶的吞吐量，從而整個(gè)小區(qū)的資源利用率也隨之提高。