异构蜂窝网络中小区间干扰管理策略研究

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为了更好地应对快速增长的移动数据业务需求,3GPP在其第四代移动通信标准化工作LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)中,提出了异构形式的网络部署架构,在现有的蜂窝移动网络覆盖范围内部署低功率节点,例如微微基站、家庭基站(Femtocell Base Station,FBS)以及中继节点等,形成同覆盖不同节点类型的异构网络(Heterogeneous Cellular Network,HCN),能够在有效地改善小区覆盖的同时提高系统吞吐量。低功率节点密集部署及全频复用使得小区间的同频干扰问题凸显,以部署家庭基站为例,主要表现为家庭基站间的同层干扰,以及家庭基站与宏基站(Macrocell Base Station,MBS)间的跨层干扰。小区间干扰问题是无线通信领域不可避免的问题,也是异构蜂窝网络中的核心问题,尤其是在低功率节点密集部署场景。  因此,本文针对异构蜂窝网络中因家庭基站密集部署带来的同层干扰和跨层干扰问题,提出有效的干扰管理策略,并深入探讨三维立体小区场景中应用频率复用方法解决跨层干扰问题,对所提策略从理论和仿真等方面进行分析,促进家庭基站的进一步推广部署,具体从以下三个方面开展研究工作。  针对家庭基站间的同层干扰问题,提出了一种基于动态基站休眠的资源分配策略以缓解干扰。首先,集中控制器建立全局干扰关系图用于记录家庭基站间的下行干扰情况,即判断家庭用户(Femtocell User Equipment,FUE)是否受到相邻家庭基站的干扰;接下来,基于所建立的干扰关系图,设计一系列评价准则及相应策略选择合适的基站休眠,在缓解干扰的前提下,使得用户平均速率提升;最后,在基站休眠策略结束之后,家庭基站间干扰关系发生变化,需要重新分配资源,我们将相应的资源分配问题建模为最优化问题,提出了启发式的子信道和功率分配策略,并从速率和能耗两方面对其进行分析,证明相对于随机分配、自组织分配等策略,所提策略能够更有效地缓解干扰,且适用于家庭基站密集部署场景。  针对家庭基站与宏基站间的跨层干扰问题,提出了一种基于受害用户切换的干扰管理策略。首先,根据用户位置以及与基站间的距离对存在的干扰类型进行分析,并按照干扰功率强度进行排序;然后,针对两种最强的干扰场景——位于宏小区边缘的宏用户(Macrocell User Equipment,MUE)对邻近家庭用户的上行干扰,以及宏基站对邻近家庭用户的下行干扰,从受害用户角度出发,当其受到强干扰导致无法正常通信时,若所属基站尚有空闲资源则立即分配给受害用户以避免干扰,否则受害用户发起切换,接入新基站并获得充分资源用以补偿所受干扰;最后,将相应的资源分配问题建模为最优化问题,在充分保障受害用户速率条件下最大化受害用户与新加入用户的速率之和,并利用对偶分解法求得最优的子信道和功率分配方法,将其与功率控制和部分频率复用等策略进行比较,证明所提策略在干扰缓解方面的有效性,而且通过核心网的信令交互次数更少,适用于家庭基站密集部署场景。  针对三维立体小区场景中的跨层干扰问题,提出了一种基于三维频率复用的干扰管理策略。首先,对立体小区中存在的干扰类型以及所使用的信道模型进行介绍,并按照宏基站天线辐射特点对立体小区进行区域划分,包括能够被宏基站天线直接覆盖的小区中心区域、小区边缘高层区域以及不被直射的小区边缘底层区域;然后,为位于不同区域的宏用户和家庭用户分配恰当的频段以避免主要干扰,并对剩余的干扰进行分析和仿真,证明所提策略能够有效避免干扰;接下来,基于干扰分析,对宏用户和家庭用户的上下行数据速率进行分析,并与直接应用部分频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)策略以及随机分配策略相比,证明所提策略更适用于三维立体小区,能够获得更高的系统容量;最后,对最优区域划分问题进行分析,证明所提策略存在最合适的区域划分方法使得系统吞吐量达到最高。
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