CN101765119B - 一种基于ofdma无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法。该方法在OFDMA无线蜂窝网络中，各个小区在各自的优先子带上向相邻的干扰小区发送干扰避让请求。当各个小区在各自的干扰避让子带上接收到所述的干扰避让请求后，将在这些干扰避让子带上降低相应的发送功率。此时，有利于边缘移动终端的分数频率复用图案将动态得到，各个小区分配到优先子带的边缘移动终端受到的小区间干扰(ICI)将有效减小。本发明所述的方法能够在不降低频谱利用率和网络总容量的情况下，有效降低OFDMA无线蜂窝网络中的ICI，从而提高边缘移动终端的吞吐量性能。

Description

一种基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于正交频分多址(OFDMA)无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法。

背景技术

为了在下一代无线蜂窝网络(例如LTE)中为移动终端提供高速的数据服务，OFDMA被提议作为一种有效的多址接入方案。在OFDMA中，可以通过为每个移动终端在不同的时间片提供不同的可用子载波来实现多移动终端接入。图1给出了OFDMA示意图，其中不同的颜色代表了不同的移动终端，在不同的时间占用了不同的频谱资源。在每个时隙结束后，小区资源将会被从新分配。在OFDMA蜂窝网络下行链路中，由于单一小区内的子载波之间存在正交性，所以同一个小区移动终端间的干扰几乎不存在。但是，当OFDMA蜂窝网络各个小区的频率复用因子为1时，会产生严重的小区间干扰(ICI)，这将使得系统的总吞吐量下降。小区边缘移动终端受到的ICI特别严重，他们的吞吐量性能非常差。因此，在不降低频谱利用率和系统总容量的情况下，如何降低OFDMA蜂窝网络中的ICI，提高小区边缘移动终端的吞吐量仍然是一个具有挑战性的问题。目前，降低ICI的相关方法有：

(1)频率复用因子为3(Reuse 3)方法，见S.E.Elayoubi，O.BenHaddada，and B.Fourestie，“Performance evaluation of frequency planningschemes in OFDMA-based networks，”IEEE Transactions on WirelessCommunications，vol.7，no.5，pp.1623-1633，2008，这种方法把整个可用频段平均分为3份，分别供相邻的三个小区使用，从而大大降低相邻小区间的同频干扰。但是，由于每个小区只能使用1/3的带宽，所以频谱利用率很低。

(2)软频率复用(SFR)方法，见3GPP，R1-050507，Huawei，“Softfrequency reuse scheme for UTRAN LTE，”2005，在SFR方法中，小区中心区域的频率复用因子为1，小区边缘区域的频率复用因子为3。

上述各种方法都是静态的频率复用方案，不能满足动态的信道环境变化需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法，本发明方法可以在不降低频谱利用率和网络总容量的情况下，降低OFDMA无线蜂窝网络中的小区间干扰，提高小区边缘移动终端的吞吐量。

本发明提供的基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法，其特征在于，它包括下述步骤：

第1步将OFDMA无线蜂窝网络的每个小区能够使用的频率资源均匀划分为若干个子频段，每个子频段称为子带，并将这些子带归类为公共子带，优先子带和干扰避让子带，并且公共子带和优先子带的发送功率恒定为每个子带上的最大发送功率P_max，干扰避让子带的发送功率P_IASB是可变的，它的取值范围是0≤P_IASB≤P_max；

第2步每个小区进行子带的规划：每个小区选取其中的一部分子带作为本小区的公共子带，再选取一部分子带作为本小区的优先子带，剩下的子带作为本小区的干扰避让子带，选取过程中满足下述条件：所有的小区都选取相同频率的子带作为本小区的公共子带，相邻的小区选取不同频率的子带作为本小区的优先子带，各个小区的公共子带和优先子带在频率轴上呈梳妆排列；

第3步在公共子带上，移动终端测量来自本小区的有用信号强度和来自周围相邻小区的干扰信号强度，移动终端将这些信息反馈给所属小区基站，小区基站根据移动终端反馈的信息划分所述移动终端为中心移动终端或边缘移动终端；

第4步小区基站根据移动终端的划分信息，把子带分配给移动终端，边缘移动终端允许分配到所有类型的子带，但是中心移动终端只允许分配到公共子带和干扰避让子带；

第5步对于分配到优先子带的边缘移动终端，小区基站为所述边缘移动终端向相邻干扰小区的基站发送干扰避让请求，请求这些干扰基站降低在相同频率子带上的发送功率；

第6步各个小区基站收到干扰避让请求后，在相应的干扰避让子带上降低相应的发送功率。

本发明所述的方法是一种基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法。在OFDMA无线蜂窝网络中，各个小区在各自的优先子带上向相邻的干扰小区发送干扰避让请求。当各个小区在各自的干扰避让子带上接收到所述的干扰避让请求后，将在这些干扰避让子带上降低相应的发送功率。此时，有利于边缘移动终端的分数频率复用图案将动态得到，各个小区分配到优先子带的边缘移动终端受到的ICI将有效减小。因此，本发明所述的方法能够在不降低频谱利用率和网络总容量的情况下，有效降低OFDMA无线蜂窝网络中的ICI，从而提高边缘移动终端的吞吐量性能。

附图说明

图1是背景技术中OFDMA示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3.1是OFDMA无线蜂窝网络的示意图；图3.2是本发明在相邻小区中不同类型子带规划示意图；

图4是本发明不同类型子带分配示意图。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图2所示，本发明具体包括以下步骤：

1、OFDMA无线蜂窝网络由若干个小区构成，每个小区有一个基站和若干个移动终端。在OFDMA无线蜂窝网络下行信道中，每个小区将网络允许使用的频率资源均匀划分为若干个子频段，每个子频段称为子带。网络将这些子带归类为三种类型，它们的名字分别是：公共子带，优先子带和干扰避让子带。各种类型子带的发送功率有如下的限制：

公共子带和优先子带的发送功率恒定为P_max(P_max为每个子带上的最大发送功率)，干扰避让子带的发送功率P_IASB是可变的，它的取值范围是0≤P_IASB≤P_max。

利用如下的公式对每个子带上的最大发送功率P_max进行计算：

$P_{\max }=\frac{P_{\mathrm{cell}}}{N_{\mathrm{SB}}}$

其中，P_cell是小区基站的最大发送功率，N_SB是每个小区的子带个数。

2.每个小区进行公共子带，优先子带和干扰避让子带的规划。

在对每个小区不同类型的子带进行规划时，每个小区选取其中的一部分子带作为本小区的公共子带，再选取一部分子带作为本小区的优先子带，剩下的子带作为本小区的干扰避让子带。上述子带在符合如下选取原则的前提下任意选取：

原则一：所有的小区都选取相同频率的子带作为本小区的公共子带。

原则二：为了更有效的减少小区间的干扰，相邻的小区选取不同频率的子带作为本小区的优先子带。

原则三：为了获得较大的频率分集增益，各个小区的公共子带和优先子带在频率轴上呈梳妆排列。

假设如图3.1所示，OFDMA无线蜂窝网络中共有J(J＝7)个小区，每个小区有一个基站。如图3.2所示，每个小区允许分配所有的子带，假设各小区的子带总数为16个。为方便描述，给每个子带分配唯一的逻辑编号。逻辑编号相同的子带意味着它们是相同频率的子带。所有小区(小区1到7)都选取子带{1，5，9，13}作为本小区的公共子带。小区1选取子带{2，6，10，14}作为本小区的优先子带，小区{2，4，6}选取子带{3，7，11，15}作为本小区的优先子带，小区{3，5，7}选取子带{4，8，12，16}作为本小区的优先子带。因此，相邻小区的优先子带相互正交。各个小区将剩下的子带作为本小区的干扰避让子带。

3.在公共子带上，移动终端测量来自本小区的有用信号强度和来自周围相邻小区的干扰信号强度，移动终端将这些信息反馈给所属小区基站。小区基站根据移动终端反馈的信息划分所述移动终端为中心移动终端或边缘移动终端。

具体过程为：

令i、j表示二个不同的小区的序号，u_i表示小区i中移动终端的序号，c_i表示小区i中公共子带的序号。在小区i的公共子带c_i上，移动终端u_i测量来自本小区的有用信号强度以及来自周围相邻小区j的干扰信号强度

移动终端u_i将

和

反馈给所属小区i的基站。

小区i的基站根据移动终端u_i反馈的

和

利用下式计算所述移动终端u_i在公共子带c_i上的信干比

${\mathrm{\γ}}_{u_i,c_i}=\frac{D_{u_i,i,c_i}}{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{u_i,j,c_i}}$

其中，J表示蜂窝网络中小区的总个数。

小区i的基站得到后，利用如下公式估算出所述移动终端u_i在所有子带上的平均信干比

${\mathrm{\γ}}_{u_i}=\frac{1}{N_{\mathrm{CSB},i}}\underset{c_i\∈A_{\mathrm{CSB},i}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{u_i,c_i}$

其中，A_CSB，i表示小区i中公共子带序号的集合，N_CSB，i表示小区i中公共子带的总个数。

小区i的基站得到

后，把与边缘移动终端预先设定的划分门限δ(划分门限δ在网络规划时确定，它决定中心移动终端和边缘移动终端的比例大小，一般取0＜δ≤10)进行比较，如果 ${\mathrm{\γ}}_{u_i}>\mathrm{\δ},$ 则把该移动终端u_i划分为中心移动终端，否则把该移动终端u_i划分为边缘移动终端。

4.小区基站根据移动终端的划分信息，把子带分配给移动终端。

分配的原则是：

如图4所示，边缘移动终端允许分配到所有类型的子带，但是中心移动终端只允许分配到两种类型的子带：公共子带和干扰避让子带。

5.对于分配到优先子带的边缘移动终端，小区基站为所述边缘移动终端向相邻干扰小区的基站发送若干个干扰避让请求(IAR)，请求这些干扰基站降低在相同频率子带上的发送功率。

具体过程如下：

小区i的基站根据边缘移动终端的平均信干比

把所有的边缘移动终端划分为Q(Q为正整数，一般取2≤Q≤10，该参数在网络规划时确定)个等级。第q(q＝1，2，...Q)级边缘终端的平均信干比区间为[γ_q-1，γ_q]，γ_q定义为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_q=\left\{\begin{array}{cc}0,& q=0\\ g^{-1}\left(\frac{q}{Q}\right),& q=\mathrm{1,2},...Q-1\\ \mathrm{\δ},& q=Q\end{array}\right.$

其中，g(γ)是边缘移动终端平均信干比

的累积分布函数，定义为：

$g\left(\mathrm{\γ}\right)=P\{{\mathrm{\γ}}_{u_i}\≤\mathrm{\γ}\}$

在每个优先子带上，平均信干比最低的第1级边缘终端允许使用I_max(I_max是每个边缘终端允许使用IAR个数的上限，取值为正整数，一般取5≤I_max≤50，该参数在网络规划时确定)个IAR。相邻的两级中，低一级的边缘终端比高一级的边缘终端允许多使用m(m是相邻两级边缘终端允许使用IAR个数的级差，取值为正整数，一般取1≤m≤10，该参数在网络规划时确定)个IAR，第q(q＝1，2，...Q)级边缘终端允许使用的IAR个数为max{0，I_max-m×(q-1)}。其中，每个IAR表示请求相应的干扰基站在相应的干扰避让子载波上降低εdB(ε是每个干扰避让请求降低的功率值，一般取0＜ε≤10，该参数在网络规划时确定)发送功率。

例如，在小区1中，假设Q＝2，δ＝5，[γ₀，γ₁，γ₂]＝[0，1，5]，I_max＝20，m＝5，ε＝3。如果一个属于小区1的边缘移动终端的平均信干比为2，并且分配到了优先子带2。那么，该边缘移动终端属于第2级边缘移动终端，它在优先子带2上允许使用max{0，20-5×(2-1)}＝15个IAR。基站为所述边缘移动终端向相邻干扰小区{2，3，4，5，6，7}共发送15个IAR，请求它们降低各自小区内子带2上的发送功率。其中，每个IAR表示请求相应的小区基站降低它在子带2上3dB的发送功率。

6.各个小区基站收到干扰避让请求后，在相应的干扰避让子带上降低相应的发送功率。

具体过程如下：

令a_i表示小区i的干扰避让子带序号，小区i在干扰避让子带a_i上接收到来自小区j的IAR的个数为那么小区i将在该干扰避让子带a_i上降低

发送功率。

其中， $K_{a_i}=\underset{j\∈{\mathrm{BS}}_{i,a_i}}{\max }{K}_{j,a_i},$ 表示向小区i的干扰避让子带a_i发送IAR的小区序号的集合。

因此，小区i在干扰避让子带a_i上的发送功率

为：

$P_{i,a_i}=P_{\max }-(K_{a_i}\×\mathrm{\ϵdB})$

例如，假设小区1在子带2上，接收到来自小区{2，4，6}的IAR个数分别是：3个，5个，4个。那么，小区1在干扰避让子带2上的发送功率P_1，2为：

P_1，2＝P_max-(5×εdB)

当小区基站通过下行链路传输数据时，小区基站根据分配给该移动终端的子带以及对应的发送功率发送数据给该移动终端，同时该移动终端接收数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于OFDMA无线蜂窝网络的动态分数频率复用方法，其特征在于，它包括下述步骤：

第1步将OFDMA无线蜂窝网络的每个小区能够使用的频率资源均匀划分为若干个子频段，每个子频段称为子带，并将这些子带归类为公共子带，优先子带和干扰避让子带，并且公共子带和优先子带的发送功率恒定为每个子带上的最大发送功率P_max，干扰避让子带的发送功率P_IASB是可变的，它的取值范围是0≤P_IASB≤P_max；

第2步每个小区进行子带的规划：每个小区选取其中的一部分子带作为本小区的公共子带，再选取一部分子带作为本小区的优先子带，剩下的子带作为本小区的干扰避让子带，选取过程中满足下述条件：所有的小区都选取相同频率的子带作为本小区的公共子带，相邻的小区选取不同频率的子带作为本小区的优先子带，各个小区的公共子带和优先子带在频率轴上呈梳状排列；

第3步在公共子带上，移动终端测量来自本小区的有用信号强度和来自周围相邻小区的干扰信号强度，移动终端将这些信息反馈给所属小区基站，小区基站根据移动终端反馈的信息划分所述移动终端为中心移动终端或边缘移动终端；

第4步小区基站根据移动终端的划分信息，把子带分配给移动终端，边缘移动终端允许分配到所有类型的子带，但是中心移动终端只允许分配到公共子带和干扰避让子带；

第5步对于分配到优先子带的边缘移动终端，小区基站为所述边缘移动终端向相邻干扰小区的基站发送干扰避让请求，请求这些干扰基站降低在相同频率子带上的发送功率；

第6步各个小区基站收到干扰避让请求后，在相应的干扰避让子带上降低相应的发送功率。

2.根据权利要求1所述的动态分数频率复用方法，其特征在于，第3 步包括下述过程：

第3.1步令i、j表示二个不同的小区的序号，u_i表示小区i中移动终端的序号，c_i表示小区i中公共子带的序号；在小区i的公共子带c_i上，移动终端u_i测量来自本小区的有用信号强度 

以及来自周围相邻小区j的干扰信号强度 

移动终端u_i将 

和 

反馈给所属小区i的基站；

第3.2步小区i的基站根据移动终端u_i反馈的 和 

利用下式计算所述移动终端u_i在公共子带c_i上的信干比 

其中，J表示蜂窝网络中小区的总个数；

第3.3步小区i的基站得到 

后，利用如下公式估算出所述移动终端u_i在所有子带上的平均信干比 

其中，A_CSB，i表示小区i中公共子带序号的集合，N_CSB，i表示小区i中公共子带的总个数；

第3.4步小区i的基站将平均信干比 与预先设定的边缘移动终端划分门限δ进行比较，如果 

则把该移动终端u_i划分为中心移动终端，否则把该移动终端u_i划分为边缘移动终端。

3.根据权利要求2所述的动态分数频率复用方法，其特征在于，第5步包括下述过程：

第5.1步小区i的基站根据边缘移动终端的平均信干比 按照预先设定的Q值，将所有的边缘移动终端划分为Q个等级，第q级边缘终端的平均信干比区间为 

定义为： 

其中，g(γ)是边缘移动终端平均信干比 

的累积分布函数，定义为：

第5.2步在每个优先子带上，按照预先设定的每个边缘终端允许使用干扰避让请求个数的上限值I_max，将平均信干比最低的第1级边缘终端允许使用的干扰避让请求个数设置为I_max；相邻的两级边缘终端中，按照预先设定的干扰避让请求个数级差m值，将低一级的边缘终端比高一级的边缘终端允许多使用的干扰避让请求个数设置为m；第q级边缘终端允许使用的干扰避让请求个数为max{0，I_max-m×(q-1)}；按照预先设定的每个干扰避让请求降低的功率值ε，每个干扰避让请求表示请求相应的干扰基站在相应的干扰避让子载波上降低εdB发送功率。

4.根据权利要求3所述的动态分数频率复用方法，其特征在于，第6步包括下述过程：

第6.1步令a_i表示小区i的干扰避让子带序号，小区i在干扰避让子带a_i上接收到来自小区j的干扰避让请求的个数为 计算小区i在该干扰避让子带a_i上降低的发送功率，该降低的发送功率的值为 

其中， 

表示向小区i的干扰避让子带a_i发送干扰避让请求的小区序号的集合；

第6.2步设置小区i在干扰避让子带a_i上的发送功率为 

该发送功率的值为

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