（通信与信息系统专业论文）干扰协调中功率设置技术研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c honp o w e r s e t t i n gt e c h n o l o g y f o r in t e r f e r e n c ec o o r d in a t i o n a u t h o r sn a m e ：m a ox u s p e c i a l i t y ： - c o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o ns y s t e m s u p e r v i s o r ：p r o f w e i d o n gw a n g f i n i s h e dt i m e ： m a y l 吼，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原刽性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：差金箍 签字日期：2 生! ! ! ：生 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 团公开口保密( 年) 作者签名：墨盒，蕴：翩虢仉乡导师签名：芝! = z ： 签字日期：兰! 1 2 ：鱼：! 签字日期：兰叟! ! ：! ：竺 摘要 摘要 l t e 蜂窝系统在空口采用正交频分复用( o f d m ) 和频分多址( f d m a ) 技 术，宏小区间的频率复用因子为1 ，这样会造成严重的小区问同频干扰，从而降 低系统的性能。特别是处于小区边缘的用户，不但会受到来自相邻小区较强的干 扰，而且路损较大，其通信质量往往非常差。在系统中引入f e m t o 后，由于家庭 基站与宏基站使用相同的频率资源，这将进一步造成家庭基站之间的同频干扰， 家庭基站与宏基站之间的同频干扰。干扰会严重影响网络的服务质量，破坏用户 的体验，极端情况下会导致网络无法正常工作。所以，如何抑制干扰已经成为未 来无线通信网络中一个重要的研究内容。 本文围绕干扰协调中功率设置技术进行了深入的研究，并分别从两个方面展 开：同构网络中宏基站的干扰协调功率分配技术；异构网络中家庭基站的干扰协 调功率设置技术。本文的主要内容和贡献如下： 在只存在宏基站的蜂窝网络中，小区问的干扰会严重影响小区边缘用户的通 信质量。本文总结了宏小区间的干扰协调方法，重点研究了通过功率分配减小干 扰的技术，并分析了基于基站协作的多小区联合功率分配技术的优势。本文针对 小区边缘用户通信质量差的特点，提出了一种基于用户速率调和均公平性的多小 区联合功率分配算法，该算法可以优先减轻小区边缘用户的同频干扰。在算法中， 相邻的基站需要通过交互干扰信息进行相互协作，为了提高算法的实用性，本文 还提出了减小信息交互开销的有效方法。仿真结果表明，该算法在保证了小区中 心用户有较高通信速率的同时，极大地提升了小区边缘用户的通信速率。 在存在家庭基站的异构网络中，家庭基站会对邻近的同频宏用户和家庭用户 造成严重的干扰，系统中断率因此而大大提高。本文总结了异构网络中的干扰协 调方法，并重点研究了家庭基站的功率设置技术。本文以最大化系统家庭用户和 宏用户容量比例公平效用和为出发点，寻求系统容量与用户中断性能的平衡点。 通过引入家庭基站发送功率惩罚因子，提出一种基于干扰惩罚的家庭基站异步分 布式功率设置算法，并提出减少实现复杂度的近似算法。在算法中，被干扰的用 户需要向家庭基站传递干扰惩罚值，然后家庭基站据此进行功率设置。仿真表明， 与已有算法相比，所提出的算法在尽量牺牲较小家庭用户容量的同时提升同频宏 用户的容量，并能保证系统较小的中断概率。 关键字；l t e 干扰协调功率设置基站协作异构网干扰惩罚 原书空白页 不缺内容 a b s 仃a c t a b s t r a c t o r t h o g o n a l 仃e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a n df r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( f d m a ) t e c h n o l o g yu s i n gi nl t e c e l l u l a rs y s t e m ，a sw e l la st h e m a c r oc e l lf r e q u e n c yr e u s ef a c t o ri s1 ，l e a dt os e r i o u si n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，t h e r e b y r e d u c i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ec e l le d g eu s e r sw i l lr e c e i v es t r o n gi n t e r f e r e n c e f r o ma d j a c e n tc e l l s ，a n dt h e i rp a s sl o s si sq u i t el a r g e a sar e s u l t ，t h eq u a l i t yo ft h e i r c o m m u n i c a t i o ni so f t e nv e r yp o o r i nm a c r o f e m t oh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，t h eh o m e e n o d eb ( h e n b ) s h a r e st h es a n l cf r e q u e n c yr e s o u r c e sw i t ht h em a c r oe n o d eb ( m e n b ) ，w h i c ha sar e s u l tl e a d st ot h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ef c m t o c e l l s ， a n da ts a m et i m eb e t w e e nt h ef e m t o e e l la n dt h em a c r o c e l l i n t e r f e r e n c ew o u l d s e r i o u s l ya f f e c tt h es e r v i c eq u a l i t yo f t h en e t w o r ka n du n d e r m i n et h eu s e re x p e r i e n c e i ne x t r e m ec a s e s ，t h en e t w o r ke v e nc a r l tw o r kn o r m a l l y t h e r e f o r e ，h o wt om i t i g a t e i n t e r f e r e n c eh a sb e c o m ea n i m p o r t a n t r e s e a r c h t o p i c i nt h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t eo nt h ep o w e rs e t t i n gt e c h n o l o g yf o ri n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o n o u rr e s e a r c hf o c u s e so nt w op a r t s ，i e ，m a c r ob a s es t a t i o np o w e r a l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi nh o m o g e n e o u sn e t w o r k s ，f e m t o c e l lp o w e rs e t t i n gt e c h n o l o g y i nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： i nt h em a c r oc e l ln e t w o r k s ，t h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ew i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h e q u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o no ft h e c e l le d g eu s e r s w es u m m a r i z et h em a c r oc e l l i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o na p p r o a c h ，i n v e s t i g a t eo nt h em e n bp o w e ra l l o c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c ha i m st or e d u c et h ei n t e r f e r e n c e ，a n da n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm u l t i - c e l lj o i n tp o w e ra l l o c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h eb a s e s t a t i o nc o o r d i n a t i o n a i m i n ga tt h ep o o rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo ft h ec e l le d g eu s e r s ， w ep r o p o s e dam u l t i c e l lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nh a r m o n i cm e a nf a i r n e s s o fu s e r s r a t e ，w h i c hc a nm i t i g a t et h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c eo fc e l le d g eu s e r sf i r s t t h ea l g o r i t h mr e q u i r e st h ea d j a c e n tb a s e s t a t i o n st oc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e rb y e x c h a n g i n gi n t e r f e r e n c em e s s a g e s i n o r d e rt oi m p r o v et h e p r a c t i c a l i t y o ft h e a l g o r i t h m ，w ea l s op r o p o s e da 1 1e f f e c t i v ew a yt or e d u c et h e c o s to fi n f o r m a t i o n e x c h a n g e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a na c h i e v eah i g h d a t ar a t eo fc e l lc e n t e ru s e r s ，w h i l eg r e a t l ye n h a n c i n gt h ed a t ar a t eo fc e l le d g eu s e r s i l i a b s t r a c t i nm a c r o - f e m t od e p l o y m e n tc a s e ，an o n - c s gm a c r ou e ( m u e ) i se x p o s e dt o d o m i n a n ti n t e r f e r e n c ec o n d i t i o nw h e ni ti si nc l o s ep r o x i m i t yo fac s gf e m t oh e n b a sar e s u l t ，t h es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t yi sv e r yh i g h w es u m m a r i z et h ei n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o na p p r o a c hi nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，a n di n v e s t i g a t eo nt h ep o w e r s e t t i n gt e c h n o l o g yo ft h eh e n b t h i st h e s i sa s s u m e sap r o p o r t i o n a l l yf a i ro b j e c t i v e a m o n ga l lu s e r si na l lc e l l s ，w h i c hp r o v i d e sab a l a n c ep e r f o r m a n c eb e t w e e nt h e s y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t ya n ds y s t e mc a p a c i t y u s i n gt h ei d e ao fi n t e r f e r e n c ep r i c i n g f o rs p e c t r u mb a l a n c i n g ，w ep r o p o s e daf e m t o c e l la s y n c h r o n o u sd i s t r i b u t e dp o w e r s e t t i n ga l g o r i t h m i na d d i t i o n ，a na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt or e d u c et h e c o m p l e x i t y i nt h ea l g o r i t h m ，au s e rs h o u l dp a s si n t e r f e r e n c ep r i c i n gs i g n a l st ot h e h e n b ，w h i c hi sg e n e r a t i n gi n t e r f e r e n c et ot h eu s e r a n dt h e nt h eh e n ba d j u s t si t s p o w e ra c c o r d i n g l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a nr e d u c e t h es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t y ，w h i l ee n h a n c i n gt h es y s t e mc a p a c i t y k e yw o r d s ：l o n gt e r me v o l u t i o n ，i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n , p o w e rs e t t i n g ， b a s es t a t i o nc o o r d i n a t i o n ，h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，i n t e r f e r e n c ep r i c i n g i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景一l 1 。2 干扰协调技术研究现状一2 1 2 1i c i c 技术2 1 2 2e l c i c 技术3 1 3 论文的主要内容、创新点和章节安排一4 1 3 1 论文的主要内容和创新点4 1 ，3 ，2 论文章节安排一4 第2 章同频干扰和功率分配中的数学方法7 2 1l t e 系统中的干扰分析7 2 1 1 同频干扰成因7 2 1 2 同频干扰类型一7 2 2 功率分配常用数学方法研究1 1 2 2 1 基于非合作博弈的功率分配方法1 2 2 2 2 基于优化理论的功率分配方法1 4 2 3 本章总结1 6 第3 章宏基站干扰协调功率分配技术1 6 3 。1 引言1 7 3 。2 系统模型1 8 3 3 频率资源分配1 9 3 。4 基于调和均值公平的多小区功率分配算法2 0 3 4 1 对偶分解2 1 v 目录 3 4 。2 牛顿法2 2 3 4 3 实用性考虑，2 4 3 4 4 算法流程2 4 3 5 仿真分析2 5 3 5 ，1 仿真环境2 5 3 5 2 仿真结果2 6 3 6 本章总结2 9 第4 章家庭基站干扰协调功率设置技术3 1 4 1 引言31 4 2 系统模型3 2 4 3 传统的家庭基站功率设置方案3 3 4 3 1 固定功率3 3 4 3 2 根据所接收宏小区下行功率进行功率设置3 4 4 3 3 根据宏用户的信息进行功率设置3 4 4 4 基于干扰惩罚的家庭基站功率设置算法3 5 4 4 1 数学模型3 5 4 4 2 基于干扰惩罚的家庭基真占功率设置算法3 7 4 5 仿真性能分析3 9 4 5 1 仿真环境3 9 4 5 ，2 仿真结果4 l 4 6 本章总结4 4 第5 章总结与展望_ 4 5 5 1 本文工作总结4 5 5 2 未来工作展望4 5 参考文献4 7 致谢：51 攻读硕士学位期间的研究经历和研究成果5 3 v i 图目录 图目录 图2 1 宏小区间下行干扰场景8 图2 2 宏小区间上行干扰场景8 图2 3m a c r o f e m t o 宏用户下行干扰场景9 图2 4m a c r o f e m t o 家庭用户下行干扰场景1 0 图2 5m a c r o f e m t o 宏用户上行干扰场景1 0 图2 - 6m a c r o f e m t o 家庭用户上行干扰场景1 1 图3 1 典型的o f d m a 多小区结构1 8 图3 2 软频率复用方案2 0 图3 3m c h m f 算法随机选取的5 个用户的功率更新过程2 7 图3 4 四种算法系统边缘用户平均速率比较2 7 图3 5 四种算法系统中心用户平均速率比较2 8 图4 1m a c r o f e m t o 仿真环境4 0 图4 2f a d p 算法随机选取的5 个用户的功率更新过程4 2 图4 3 用户s i n r 的c d f 曲线4 3 图4 4 用户s i n r 的c d f 曲线( 放大图) 4 3 v i i 原书空白页 不缺内容 表目录 表目录 表3 1 公共系统参数2 6 表4 1 宏小区仿真参数j 4 0 表4 。2 家庭基站仿真参数4 1 表4 3 三种算法的性能比较4 4 i x 原书空白页 不缺内容 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，为了应对全球微波互联接入技术( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 的挑战，3 g p p 启动了长期演进l t e ( l o n gt e r m e v o l m i o n ) 的研究和标准化工作【1 。在网络结构方面，l t e 系统采用扁平化的 网络结构，取消了无线网络控制器，将此功能整合到l t e 基站( e n o d e b ) 中实 现，这样有利于简化接口，进一步减小系统时延。在物理层技术方面，l t e 系统 为了进一步提高系统带宽效率，使用正交频分复用( o r t h o g o n mf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e ，o f d m ) 和频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， f d m a ) 技术。与3 g 相比，l t e 更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分 组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容，l t e 技术又被称为“准4 g ”技术。 为了提高室内覆盖质量、提升用户体验、减少用户离网率，f e m t o 技术在3 g p pr 8 中被引入，并成为r 8 的研究热点 2 1 1 3 。3 g p p 称f e m t o 为家庭基站( h o m ee n o d e b ，h e n b ) ，它是放置在家庭等室内环境的无线接入设备。f e m t o 具有发射功率 低、覆盖范围小、部署方便、价格低廉等特点，同时还可以在空口分流宏网络流 量、缓解宏网络扩容压力，所以受到了业界的广泛关注。但是，f e m t o 应用仍然 面临着许多挑战，f e m t o 的移动性管理、干扰抑制、接入控制仍是研究的难a 4 1 。 l t e 系统采用正交频分多址技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 。o f d m a ) oo f d m a 具有频谱效率高和抗多径衰落的优点，它将整个频 带划分为若干相互正交的窄带子载波，并将这些子载波分配给不同的用户，这样 可以有效地避免小区内用户的相互干扰 5 】o 但是采用o f m d a 技术的蜂窝系统 的频率复用因子为1 ，不同的宏基站( m e n b ) 使用相同的频率资源会带来严重 的小区间干扰，系统性能会因此降低。特别是处于小区边缘的用户，不但会受到 来自相邻小区较强的干扰，而且路损较大，其通信质量往往非常差。在系统中引 入f e m t o 后，家庭基站与宏基站将使用相同的频率资源 6 】，这将进一步造成家 庭基站之间的同频干扰，以及家庭基站与宏基站之间的同频干扰。一种典型的场 景就是当一个宏基站用户( m u e ) 距离家庭基站很近且使用相同频率资源时， 该宏用户的控制信道和数据信道会受到家庭基站较强的下行干扰，甚至无法与宏 基站进行通信。综上所述，在l t e 异构网络场景下的干扰问题十分复杂，干扰 会严重影响网络的质量，破坏用户的体验，极端情况下会导致网络无法正常工作。 第1 章绪论 所以，如何抑制干扰已经成为未来无线通信网络中一个重要的研究内容。 现有的干扰抑制技术主要有三大类：干扰随机化、干扰消除和干扰协调。干 扰随机化技术 7 通过小区专属加扰和小区专属交织，将小区间干扰随机化为“白 噪声”，这种技术虽然易于实现，并不能降低干扰的能量。干扰消除技术 8 是 对干扰小区的干扰信号进行解调、解码，然后利用接收机的处理消除接收信号中 的干扰信号分量，这种方法能到得到最高的频谱效率，但是复杂度较高，不易在 接收端实现。而小区间干扰协调 9 ( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ，i c i c ) 技术主要通过对时频资源和功率资源的合理分配来进行干扰的管理，能够减轻小 区间干扰，有效地提高系统性能，其优越性为易于实现并能较大地抑制干扰。在 l t e 异构网中，干扰协调技术又被称为增强的干扰协调技术 1 0 ( e n h a n c e di c i c ， e l c i c ) 。这三种干扰抑制技术各有优缺点，但并不排斥，可以相互结合，本文 主要研究干扰协调中的功率设置技术抑制干扰。 1 2 干扰协调技术研究现状 1 2 1i c i c 技术 为了解决宏小区间的干扰问题，许多3 g p p 提案提出了部分频率复用 ( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ，f f r ) 和软频率复用( s o f tf r e q u e n c yr e u s e ，s f r ) 两种典型的i c i c 技术 1 1 ，这两种技术都能通过小区中心和边缘频率资源的划 分有效地减轻宏小区边缘的用户干扰。s f r 技术还能根据负载轻重进行简单的功 率设置以提升小区边缘用户的吞吐量，比如为小区中心的用户分配较小的功率， 为小区边缘的分配较高的功率。在l t e 标准中，定义了相对窄带发送功率 ( r n t p ) 、高干扰指示( h i i ) 、过载指示( 0 i ) 三种可以通过x 2 接口传递 的指示信息用于干扰协调 1 2 】 1 3 】，基站收到相邻基站传递的这类指示信息时， 可以通过频率资源的调整避免干扰，同时通过功率的调整减小干扰。这些干扰协 调方案在工业界讨论较多，其中的功率设置的方案都较为简单且易于实现，但系 统的性能并不能通过功率的调整而得到较大的提升。 对于l t e 下行链路，宏基站的功率分配会直接影响小区间干扰的大小，干 扰协调功率分配技术是抑制小区干扰的重要方法。关于此类技术研究可以分为单 小区非协作功率分配和多小区协作功率分配两大类，这些方案的出发点主要是减 小干扰提升容量和保证用户通信速率的公平性。对于单小区功率分配算法，它们 只考虑本小区用户的信道信息和所受到干扰大小，然后根据不同的目标进行功率 分配，常见的目标有单个小区的容量最大、单个小区中断概率最小等 1 4 1 1 6 1 。 第1 章绪论 这类算法的优势是不需要小区间的信息交互，而也正因为如此，此类算法对系统 性能的提升较小，这是由于单个小区用户的功率分配同时会对相邻小区造成干扰， 算法忽略了干扰所导致的相邻小区性能的下降。而有研究表明 1 7 1 8 ，多小区 联合功率分配技术具有提升系统容量或频谱效率8 0 的潜力，此类算法需要基站 间交互干扰信息。虽然多小区联合功率分配的算法需要小区间不同程度地协作， 且复杂度较高，但由于此类算法能够带来更大的性能增益，所以该此类干扰协调 算法已成为研究的热点。文献【1 9 2 0 对多小区联合功率分配方法进行了综述， 主要考虑如何使系统总容量最大，其出发点并不是干扰协调，小区边缘用户通信 质量较差的问题仍然没有解决。文献 2 1 1 提出了改进方法以提升小区边缘用户的 通信质量，但其提升程度较小。 鉴于以上分析，本文研究点之一是：如何通过多小区联合功率分配方法优先 减小小区边缘用户的干扰，较大地提升小区边缘的吞吐量。 1 2 2e l c i c 技术 在存在家庭基站的l t e 异构网络中，当基于非封闭用户组( n o n c s g ) 的宏用 户距离基于封闭用户组( c s g ) 的家庭很近时，该宏用户的下行控制信道( p d c c h ) 和数据信道( p d s c h ) 会受到严重的同频干扰。为了解决此类e l c i c 问题，3 g p p 在r a n l 群6 2 会议上达成了共识，支持采用时域和功率设定的办法进行干扰协调 2 2 】。时域干扰协调技术主要采用空白子帧等方式进行干扰抑制 2 3 ；家庭基站 功率设置技术主要通过降低功率以减小对邻近同频宏用户的干扰程度。这两种方 法都会降低家庭用户的容量。 家庭基站功率设置技术的目标是根据当前无线环境设置恰当的功率值，保证 对其他同频用户干扰较小且自身的容量牺牲较小。由此可知，根据哪些信息设置 功率，当获取了这些信息后该如何设置功率是家庭基站功率设置技术的核心问题。 现有许多功率设置方法 2 4 2 5 1 ，其区别在于使用了不同的信息，主要可以依此 分为两类：第一类不需要获取被干扰宏用户的任何信息，l g ! z n 固定功率和根据家 庭基站位置设定功率的两种家庭基站功率算法 2 6 2 7 1 ，这两种算法较为简单易 于实现，但并不能准确地根据实际无线环境进行调整，实际性能较差；第二类算 法需要获取被干扰宏用户信息，包括信道增益和用户信干比等。研究表明 2 8 2 9 】， 第二类算法相比第一类算法，系统中断率大幅度降低，用户吞吐量也有所提高。 但是现有的现有功率设置方案存在两个问题：一是这些方案没有充分利用家庭用 户所能获取的所有信息，其功率设定值跟所获取参数值成线性关系，需要根据无 线环境设置一些固有参数，虽然较为简单，并不是最优的算法：二是在权衡家庭 用户和性能的时候，没有一个适当的标准，许多方案更多地关注对宏用户的干扰 第1 章绪论 而忽略了对家庭用户的干扰。 鉴于以上分析，本文研究点之二是：研究平衡家庭用户性能和宏用户性能的 标准，然后针对此标准提出接近最优的分布式家庭基站功率设置算法，并讨论完 成算法所需要的信息。 1 。3 论文的主要内容、创新点和章节安排 1 3 1 论文的主要内容和创新点 本文主要研究内容分为两大块：一是宏小区干扰协调功率分配方法研究；二 是家庭基站干扰协调功率设置方法研究。其主要内容和创新点也分为两个方面： 1 宏小区干扰协调功率分配方法研究：为了优先提升小区边缘用户的平均 通信速率，在多小区系统中应用调和均值公平准则，把功率分配问题建 模为在此公平性约束条件的多小区联合优化问题：构造迭代算法求出该 非凸优化问题的接近最优解；算法需要相邻小区间传递交互大量信息来 实现各个基站的协作功率分配，本文设计了一种有效减少信息交互开销 的方案，使得本算法可以应用于实际系统，具有较高的实用价值；仿真 表明，该算法在保证了小区中心用户通信速率损失较小的前提下，极大 地提升了边缘用户的通信速率。 2 家庭基站干扰协调功率设置方法研究：为了平衡家庭用户性能和宏用户 性能，本文提出了最大化系统用户服务质量的数学模型，并把用户的服 务质量定义为用户的比例公平效用；利用干扰惩罚的思想，提出了家庭 基站功率惩罚因子的概念，把对于系统的非凸优化问题，转化为一系列 可变功率惩罚因子的凸优化问题；提出了基于干扰惩罚的家庭基站异步 分布式功率设置算法；在分析完成算法所需信息的前提下，提出减少实 现复杂度的近似算法：仿真表明，跟已有家庭基站功率算法相比，所提 出的算法在尽量牺牲较小家庭用户容量的同时提升同频宏用户的容量， 并能保证系统较小的中断概率，且不需要参数的设定。 1 3 2 论文章节安排 本文分为五章，具体章节安排如下： 第一章介绍了干扰协调技术提出的背景，然后分别介绍了宏小区干扰协调功 率分配方法研究现状和家庭基站干扰协调功率设置方法研究现状，并对现有的方 法进行总结，对其优缺点进行分析，最后提出了本文的研究内容。 第1 章绪论 第二章首先分析未来无线蜂窝网络中的同频干扰成因和类型，然后研究功率 分配的一般数学方法，并分析不同方法适用的场景，对本文的研究具有指导意义。 第三章主要研究l t e 宏小区间的下行干扰问题。本章以优先减轻小区边缘 的干扰为出发点，提出了一种基于调和均值公平性( h a r m o n i cm e a nf a i m e s s ， h m f ) 的多小区联合功率分配算，并提出简化算法以减小基站间信息交互开销。 最后给出性能仿真结果。 第四章主要研究l t e 异构网络中的家庭基站下行干扰问题。本章对传统家 庭基站功率设置方法进行了分析，并通过引入家庭基站发送功率惩罚因子，提出 一种基于干扰惩罚的家庭基站异步分布式功率设置算法( f e m t oa d pa l g o r i t h m ， f a d p ) 。并给出性能仿真结果。 第五章对全文进行总结，并分析了宏小区间的下行干扰问题与异构网络中的 家庭基站下行干扰问题的异同点，最后对提出未来值得研究的方向。 5 原书空白页 不缺内容 第2 章同频干扰和功率分配中的数学方法 第2 章同频干扰和功率分配中的数学方法 2 1l t e 系统中的干扰分析 本节首先简单介绍l t e 系统中的物理层技术和资源划分方式，分析l t e 系 统中的干扰成因。然后对同频干扰进行分类，并指出需要重点关注的干扰的类型。 2 1 1 同频干扰成因 在l t e 系统中的同频干扰是由物理层技术和资源划分方式所决定的。l t e 系统在空口采用o f m d a 技术，它将传输带宽分为若干相互正交的子载波，并 将不同的子载波集分配给不同的用户以实现多址。由于小区内不同用户子载波之 间的正交性，小区问干扰很小，甚至可以忽略不计。l t e 系统把频率上连续的1 个子载波和时域上连续的眠个o f d m 符号称为物理资源块 1 】( p r b ) 。p r b 是 l t e 系统的中最小资源分配单元，i o m h z 带宽的l t e 系统中有5 0 个p r b ， 2 0 瑚带宽的l t e 系统中有1 0 0 个p r b ，宏基站会根据信道信息和用户信息为 用户分配物理资源块。由于l t e 系统的小区问频率复用因子为1 ，不同的宏小区 可以使用相同的p r b ，这样就会带来严重的小区间同频干扰。 而家庭基站也同样在空口采用o f d m a 技术，其资源划分方式和宏小区类 似，并且与宏小区使用相同的频带，这里假定家庭用户是封闭用户集，宏小区用 户不能通过切换到家庭基站进行通信。与宏基站不同的是，家庭基站的带宽可配 置，每个家庭基站可以根据实际情况为用户分配系统总带宽的1 m ，为了分析 的简便，常用带宽配置方式是为每个家庭用户分配与宏基站的p r b 相同的频带。 在l t e 异构网络中，家庭基站随机分布在宏小区内，若相邻的家庭基站使用相 同的频带，会造成家庭基站之间的干扰；若家庭基站附近的宏用户与家庭用户使 用相同的频带，会造成家庭基站与宏基站之间的干扰。 2 1 2 同频干扰类型 本节分别研究只存在宏基站同构网络和存在家庭基站的异构网络中的干扰 场景，并根据上行和下行干扰进行分类。 对于只存在宏基站同构网络，其宏小区间下行干扰场景如图2 1 所示。假设 相邻小区的用户a 和b 使用相同的资源块。用户a 或者b 在接收来自本小区的 下行信号的同时，会收到来自相邻小区的同频干扰信号。可以看出，若用户a 处于小区的边缘并且靠近干扰小区，其受到的干扰较大，又因为小区边缘用户离 第2 章同频干扰和功率分配中的数学方法 服务基站较远，路损较大，其通信质量很差。而中心用户受到的干扰小，路损也 相对较小，其服务质量远高于边缘用户。所以对于下行链路，如何抑制边缘用户 的干扰十分重要。 卜服务信号 一一一 干扰信号 图2 - 1 宏小区间下行干扰场景 对于上行链路，干扰场景如图2 2 所示。假设相邻小区的用户a 和b 使用 相同的资源块。基站1 不但会收到来自本小区用户a 的信号，还会接收到来自 邻小区的用户b 的同频干扰信号。与下行干扰不同的是，不论对于中心用户还 是边缘用户，所受到的干扰能量是相同的，只是路损不同而导致服务质量的差异， 其干扰的大小主要取决于相邻小区干扰用户的位置。其中边缘用户对相邻同频小 区的干扰较大，在此场景下，不论小区边缘用户还是小区中心用户，都需要抑制 干扰。 。 服务信号 一一一干扰信号 图2 - 2 宏小区间上行干扰场景 第2 章同频干扰和功率分配中的数学方法 对于存在家庭基站异构网络，假设宏用户a 和b 以及家庭用户c 和d 都使 用相同的频带。系统宏用户的下行干扰场景如图2 3 所示。对于宏用户b ，它在 接收来自本小区的下行信号的同时，不仅会接收到来自同频相邻宏小区的下行干 扰，还会接收到来自邻近家庭基站的下行干扰。一般来说，当同频家庭基站距离 宏用户很近，家庭基站对于宏用户的干扰是非常大的，会严重影响宏用户的通信 质量。若该宏用户同时处于小区的边缘，该宏用户与服务宏基站间的路损很大， 且很有可能同时受到相邻宏小区的同频干扰，这样会导致此用户的通信质量非常 糟糕，甚至有可能无法通信。可以看出，家庭基站对邻近同频宏用户的干扰是非 常严重的，此类干扰必须通过干扰协调的方法进行抑制。 卜服务信号 一一一 干扰信号 图2 - 3m a c r o f e m t o 宏用户下行干扰场景 系统家庭用户的下行干扰场景如图2 4 所示。对于家庭用户c ，它同样会接 收到来自邻近同频家庭基站的干扰，也会接收到来自宏基站的干扰。但考虑到家 庭基站的实际分布情况，家庭基站与家庭用户的距离一般远小于宏基站与家庭用 户间的距离，且宏基站的信号进入室内会有穿墙损耗，所以宏基站对家庭用户的 干扰程度是很小的。而邻近家庭用户间的干扰相对较大，因为它们可能距离非常 近，家庭基站间的同频干扰也需要进