一种多小区异构网络中的动态频谱共享方法

摘要

本发明公开了一种多小区异构网络中的动态频谱共享方法，属于无线通信领域。将每个Macro小区分成一个Macro小区内环与三个Macro小区外环四部分，三个Macro小区外环只可以使用指定的一部分频段，而Macro小区内环可以使用所有Macro小区外环未使用的频段；对Pico小区重新分类，中心Pico只可以用TDD的方式复用Macro小区所有上行频段，而边缘Pico可用TDD方式复用Macro小区所有上行频段或区域D对应的下行频段；将每个扇区的可用资源平均分给扇区内的每个CMUE、EMUE和PUE。本发明显著提高了小区边缘用户的通信质量，同时在一定程度上解决了Macro与Pico小区间频率复用方式的难点，协调了Macro与Pico小区间的干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于多小区异构网络的频谱共享方法，具体涉及一种提升小区边缘用户通信质量和系统频谱利用率的动态频谱共享方法。属于无线通信领域。 

背景技术

无线通信业务需求的持续增长，用户(UE，user)对于移动通信传输速率的要求越来越高。为了有效地解决这个问题，在长期演进(LTE，Long Term Evolution)技术的后续演进LTE-Advanced中提出了异构网络(Het-Net，Heterogeneous Network)的概念。异构网络就是在传统小区内部署低功率节点的混合网络，这里的传统小区即为本发明中的宏(Macro)小区，低功率节点即为微(Pico)小区。Pico节点的使用使得热点区域的速率和覆盖效果明显增强。但是，无线通信系统对无线频谱资源的需求仍不能满足。研究表明：频谱的稀缺并非是频谱资源本身的不充足，而是由固定频谱管理模式造成的。近年来，为了充分发掘频谱资源提出了很多改进的技术，但从长远来看，动态频谱共享(DSS，Dynamic Spectrum Sharing)技术是提高频谱利用率的根本方法。Wan Lei等学者在“Heterogeneous Network in LTE-Advanced System”中对DSS系统中存在的干扰进行了简要分析。DSS系统原理说明，Macro小区下行链路不会对Pico系统(Pico基站和Pico用户)产生干扰，而在上行链路中，Macro用户对Pico基站的干扰、Macro用户对Pico用户的干扰以及邻区Macro基站对边缘Macro用户的干扰仍无法克服。其中，邻区Macro基站对边缘用户干扰不容忽视。而部分频率复用(FFR，Fractional Frequency Reuse)方式被看作是在全球微波互联接入(WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access)和LTE网络中解决边缘用户干扰问题最为有效的方法。Chun Nie等学者在文章“Interference Management using Frequency Planning in an OFDMA based Wireless Network”中提出了一种应用于OFDMA系统中的基于FFR的频率复用方案；Suzan M.Shukry等学者在文章“Adaptive Fractional Frequency Reuse(AFFR)scheme for multi-cell IEEE 802.16e systems”也提出了一种应用于IEEE 802.16e系统中的基于FFR的频率复用方案。通过仿真验证，这两种基于FFR的不同频率复用方案在OFDMA系统和IEEE 802.16e系统中都可以很好地提升小区边缘用户的SINR。 

目前，尽管动态频谱共享技术和部分频率复用技术都具有各自不同的优点，但还没有一种方案将这两者的优点结合起来，并用于多小区异构网络的设计。本发明首先提出了一种应用于多小区异构网络的DSS系统，并将部分频率复用技术应用到DSS系统中，这种改进的DSS系统可以有效地解决DSS系统中小区边缘用户受干扰严重的问题，并在一定程度上解决Macro与Pico小区间频率复用方式的难点，使系统的频谱利用率显著提高。 

发明内容

针对目前异构网络中频谱利用率较低和小区边缘用户受干扰严重的问题，本发明提出了一种在不改变网络整体布局的前提下，提高频谱利用率及小区边缘用户通信质量的系统设计方案。 

为实现上述目的，本发明方法包括如下步骤： 

其中Macro小区指异构网络中的宏小区，Pico小区指低功率节点的微小区。 

步骤1，将每个Macro小区分成四部分：1个Macro小区内环D以及3个Macro小区外环A、B、C。其中Macro小区内环D的确定方法是：以该Macro基站为中心，根据Macro基站的发射功率确定Macro基站到终端的覆盖半径，所覆盖的圆形区域即为Macro小区内环D的覆盖范围。而Macro小区外环则为除去内环D以外的Macro小区剩余部分，将该部分划分为大小相等、形状相同的三部分，即构成了Macro小区外环A、B、C； 

其中3个Macro小区外环区域分别使用指定的频段，而Macro小区内环D可以使用所有Macro小区外环未使用的频段； 

其中3个Macro小区外环所使用的频段的指定方法为：根据Macro小区外环内用户的数量、服务种类、服务质量、需要改善的程度等信息，确定三个Macro小区外环A、B、C在整个可用频率资源中所占的比例，并获取它们可使用的频段； 

步骤2，对Pico小区重新分类：若Pico小区位于Macro小区内环区域D，则归为中心Pico，若Pico小区位于Macro小区外环区域(A，B或者C)，则归为边缘Pico；中心Pico只采用时分双工(TDD，Time Division Duplexing)的方式复用其所在Macro小区所有上行频段，而边缘Pico采用TDD的方式复用其所在Macro小区所有上行频段，或者Macro小区内环区域D使用的下行频段； 

步骤3，对UE进行分类：对每个UE，分别测量其接收到的来自所处Macro 小区内的Macro基站和Pico基站在指定频带内参考信号的接收功率，然后比较这些来自不同基站的接收功率的大小。如果该UE接收到的最大功率来自Pico基站，那么就将这个UE归为Pico UE(简称为PUE)，否则归为Macro UE(简称为MUE)； 

步骤4，对MUE进行分类：若MUE位于Macro小区内环区域，则归为中心MUE(简称为CMUE)，若MUE位于Macro小区外环区域，则归为边缘MUE(简称为EMUE)； 

步骤5，根据步骤1实现的频段分配结果，将每个Macro小区内环D可以使用的频率资源平均分配给该区域内的每个CMUE，将每个Macro小区外环区域A，B，C可使用的频率资源分别平均分配给相应外环区域内的每个EMUE。位于中心Pico中的PUE只可以复用上行所有频率资源，而位于步骤2所述边缘Pico中的PUE既可以复用上行所有频率资源，还可以使用Macro小区内环D可用的下行频率资源。 

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于： 

本发明针对目前异构网络中频谱利用率较低和小区边缘用户受干扰严重的问题，提出的系统设计方案无需改变网络的整体布局，只需调整Macro基站端、Pico基站端和UE端的功率大小，便可显著提高小区边缘用户的通信质量，同时在一定程度上解决Macro与Pico小区间频率复用方式的难点，协调Macro与Pico小区间的干扰。 

在本发明设计的DSS系统中，由于Macro内环覆盖范围(可以通过调整发射功率来有效地控制)与边缘Pico不发生重叠，因此边缘Pico小区可以使用Macro小区全部上行频段；根据DSS系统原理，边缘Pico小区还可以使用Macro小区内环的下行频段。由此可知，Pico的可用资源有所增加。 

附图说明

图1为本发明提出的DSS系统原理框图；其中，图(a)为DSS系统示意图，图(b)为Macro小区和Pico小区的频率资源使用情况； 

图2为本发明提出的DSS系统中的主要干扰场景； 

图3为本发明设计的DSS系统原理框图； 

图4为本发明设计的DSS系统中Macro小区和Pico小区的资源分配及实际使用情况。其中，图(a)为Macro小区中资源分配及实际使用情况，图(b)为Macro小区和Pico小区分别在上行传输时间T_UL和下行传输时间T_DL内的频率使用情况； 

图5为本发明设计的DSS系统边缘用户受干扰情况； 

图6为本发明设计的DSS系统Macro用户SINR的积累分布函数，其横坐标为用户的SINR值(单位：dB)； 

图7为本发明设计的DSS系统Macro用户频谱效率的积累分布函数，其横坐标为Macro用户的频谱效率(单位：b/s/Hz)； 

图8为本发明设计的DSS系统Pico用户频谱效率积累分布函数，其横坐标为Pico用户的频谱效率(单位：b/s/Hz)。 

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 

本技术方案所述一种与FFR技术相结合的动态频谱共享技术，主要解决多小区异构网络中小区边缘用户受干扰严重，以及频谱利用率较低的问题。本发明通过引入动态频谱共享(DSS，Dynamic Spectrum Sharing)技术，并将其与部分频率复用技术结合后应用于多小区异构网络中，使得改进的系统性能兼具了动态频谱共享技术和部分频率复用技术两者的优势。具体步骤为： 

将每个Macro小区分成一个Macro小区内环与三个Macro小区外环四部分，三个Macro小区外环只可以使用指定的一部分频段，而Macro小区内环可以使用所有Macro小区外环未使用的频段；对Pico小区重新分类：将位于Macro小区内环的Pico小区归为中心Pico，将位于Macro小区外环的Pico小区归为边缘Pico；中心Pico只可以用TDD的方式复用Macro小区所有上行频段，而边缘Pico不仅可以用TDD的方式复用Macro小区所有上行频段，还可以使用区域D对应的下行频段；对UE进行分类：对每个UE分别测量并比较来自不同基站的接收功率的大小，把接收来自Pico小区功率大的UE归为Pico UE(PUE)，其他归为Macro UE(MUE)；对MUE进行分类：将位于Macro小区内环的MUE归为中心MUE(CMUE)，将位于Macro小区外环的MUE归为边缘MUE(EMUE)；将每个扇区的可用资源平均分给扇区内的每个CMUE、EMUE和PUE。本发明显著提高了小区边缘用户的通信质量，同时在一定程度上解决了Macro与Pico小区间频率复用方式的难点，协调了Macro与Pico小区间的干扰。 

图1为本发明提出的DSS系统原理框图。其中，图(a)为DSS系统原理框图。在DSS系统中，Macro小区采用FDD模式，而Pico小区采用TDD模式，Pico 小区仅可以复用Macro小区的上行(UL，UpLink)频率资源。图(b)为频率资源使用情况，Primary DL表示Macro小区使用的下行(DL，DownLink)频率资源，PrimaryUL表示Macro小区使用的上行频率资源；Secondary UL/DL表示Pico小区用TDD的方式复用Macro小区的上行频率资源。图2为分析所得该系统中存在的主要干扰场景。为了解决图2中Macro小区边缘用户受到的干扰，提升小区边缘用户的通信质量，同时保持DSS系统在频谱效率方面带来的良好性能，本发明利用图3所示的DSS系统对初始多小区异构网络进行改进，具体步骤为： 

步骤1，区域划分。将每一个Macro小区看作一个正六边形，并将其分成四部分：1个Macro小区内环D以及3个Macro小区外环区域A、B、C。其中Macro小区内环D的确定方法是：以Macro基站为中心，根据Macro基站的发射功率确定Macro基站到终端的覆盖半径，所覆盖的圆形区域即为Macro小区内环D的覆盖范围。而Macro小区外环则为除去内环D以外的Macro小区覆盖部分，将该部分平均划分为三部分，即构成了Macro小区外环区域A、B、C。 

进而将每个Macro小区分成一个Macro小区内环D与三个Macro小区外环A、B、C，四个部分。 

其中频率资源的分配方法为：根据Macro小区外环区域A、B、C内用户的数量、服务种类、服务质量、需要改善的程度等信息，确定区域A、B、C分别在整个频率资源中所占的比例，并获取它们可使用的频段。例如，区域A中的UE数量明显多于区域B和区域C中的UE数量，即A中UE数量在区域A、B、C中所有UE数量的比值较大，因此为区域A分配更多的频率资源。但是，某个区域中UE的数量只能作为频率分配的一个参考因素，因为频率的分配还受服务种类、服务质量等其他因素制约。区域D可使用的频段为区域A、B、C未使用的其他所有频段。 

步骤2，Pico的重新归类。将位于区域D中的Pico小区归为中心Pico；将位于区域A、B、C中的Pico小区归为边缘Pico。中心Pico只可以用TDD的方式复用Macro小区所有上行频段；而边缘Pico不仅可以用TDD的方式复用Macro小区所有上行频段，还可以使用区域D对应的下行频段。 

步骤3，UE分类。按照RSRP的方法，对每个UE，分别测量其接收到的来自所处Macro小区内的Macro基站和Pico基站在指定频带内参考信号的接收功率，然后比较这些来自不同基站的接收功率的大小。如果该UE接收到的最大功率来自Pico基站，那么就将这个UE归为Pico UE(简称为PUE)，否则归为Macro  UE(简称为MUE)。 

步骤4，MUE的重新归类。把位于A、B、C三个区域中的MUE归为边缘MUE(简称为EMUE)；位于区域D中的MUE归为中心MUE(简称为CMUE)。 

步骤5，资源分配。将每个扇区的可用资源平均分给扇区内的每个CMUE、EMUE和PUE。 

表1为本次仿真中使用的参数，参数值的设定基于3GPP TR 36.814标准。 

表1 

  参数   设置   载频   2GHz   带宽   10MHz   MBS之间距离   500米   MBS个数   7   PBS个数   3   每Macro小区中MUE个数   30   每Pico小区中PUE个数   6   MBS功率   40W，10MHZ   热噪声   -174dbm/Hz   子载波分配方式   随机平均分配   MUE与MBS衰落模型   PL＝128.1+37.6logR/1000   PUE与PBS衰落模型   PL＝140.7+37.6logR/1000   PUE与同频MUE衰落模型   PL＝140.7+37.6logR/1000   阴影衰落标准方差   8dB   阴影衰落相关性   0.5   PBS功率   1W   MUE功率   0.2W

在本发明设计的DSS系统中，Macro小区和Pico小区的资源分配及实际使用情况如图4所示。其中，图(a)为Macro小区中资源分配及实际使用情况，频段A、B、C、D分别对应着图3中划分的Macro小区外环区域A、B、C、D。频段在分配过程中，设定在D区域内可以使用全部频段，在A、B、C区域内只可以使用一部分指定的频段。但在实际的使用过程中，首先由A、B、C区域在它们各自可使用的频段范围内选择使用频段，然后确定D区域的实际使用频段，即为A、B、C区域未使用的所有剩余频段。需要注意的是，A、B、C三个频段在整个频率资源中所占的比例，可以根据其各自区域内用户的数量、服务种类、服务质量、需要改善的程度等信息进行调整。图(b)为Macro小区和Pico小区分别在上行传输时间T_UL和下行传输时间T_DL内的频率使用情况。在Macro小区内， 采用FDD模式，因此，无论是在上行传输时间T_UL和下行传输时间T_DL内，可使用的频率资源均不变。在Pico小区内，在下行传输时间T_DL内，中心Pico将对用户产生极大的干扰，故不为其分配频率资源，而边缘Pico的覆盖范围与中心区域D的覆盖范围没有重叠，即边缘Pico对D区域内用户不产生干扰，故边缘Pico可以使用与区域D相同的频段；在上行传输时间T_UL内，由于Pico内系统对Macro基站产生的干扰可以忽略，故所有Pico都可以用TDD的方式复用Macro小区的所有频率资源。 

在本发明设计的DSS系统中，小区边缘用户的干扰只为原DSS系统中干扰的一部分。如图5所示，由于Macro小区外环区域分为三个部分，且这三部分使用不同的频率资源，故小区边缘用户只收到来自相邻Macro小区相应扇区的干扰，接收到的干扰信号只为原来的一部分。如Macro基站1第1扇区中边缘用户的干扰信号只来自于相邻Macro基站的扇区1。邻区基站对Macro小区边缘用户的干扰明显减少了，小区边缘用户的通信质量便得到了明显的改善。在本实施例中，本发明的效果可以通过以下仿真图进一步说明，图中，“-”表示传统DSS系统中的情况；“△”表示采用FFR技术改进的DSS系统中的情况： 

由图6可知，Macro小区边缘用户的SINR得到了显著的提升，这主要是由于受到的干扰减少了。由图7可知，Macro小区边缘用户的频谱效率得到了提升，这主要是因为边缘用户占有RB资源的机会增多了，从而使边缘用户的频谱效率有所提升。而由图8可知，Pico用户的频谱效率得到了明显提升，主要是因为Pico小区的可用资源增加了。根据DSS系统原理以及Macro内环覆盖范围与边缘Pico不发生重叠的事实可知，边缘Pico小区不仅可以使用Macro小区全部上行频段，还可以使用Macro小区内环的下行频段。Pico小区可用资源的增加，使得该区域内用户占有RB资源的机会增多了，从而使所有用户的频谱效率得到了提升。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。