【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于在蜂窝无线通信网络中减少干扰的方法。
技术介绍
本专利技术的具体目的是提供基于干扰调节原理的较为有效的资源分配。本专利技术的另 一 目的是提供一种相应的基站和干扰协调器。
技术实现思路
这些目的和下面出现的其他目的是通过根据权利要求1的用于 在蜂窝无线通信网络中减少干扰的方法、根据权利要求7的干扰 协调器以及根据权利要求9的基站来实现的。根据本专利技术，网络中的每个基站确定干扰参数，干扰参数的目的 是确定系统中的干扰状态。该系统中的干扰状态优选地是测量值的 集合，其描述了在一个特定移动终端的位置处从系统中所有其他基 站接收到的干扰量(如果那些其他基站向该特定移动终端进行传输 的话)。该测量集合允许查明干扰基站对它的移动终端之一的传输 对系统内的任何其他移动终端造成多大干扰。描述系统内干扰状态的测量值集合优选地是通过特定过程测量的。对于该测量，按规则的间隔插入专用的测量无线帧。在这些测 量帧中，基站向其所有移动终端发射已知的测量序列，这允许所有 其他移动终端确定所希望的干扰信息并且将其传输给它们的服务基站。作为替代，所述干扰参数可以从数据库获得，例如基于所有移动 终端的地理坐标和先前所执行的测量或者系统级模拟。在这种'清况 下，干扰参数可以由基站确定，但是也可以由干扰协调器来确定。干扰参数或地理坐标还被传送给干扰协调器，干扰协调器确定要 分配给不同终端的资源，其使总体干扰指标达到最小。优选地，生 成一副图，并根据一种图着色方法对其进行着色。干扰协调器从所 有基站收集上述测量值。以如下方式从这些测量中计算出干扰图(其中移动终端是顶点，而边...
【技术保护点】
一种用于在蜂窝无线通信网络中减少干扰的方法，所述网络包括多个基站和将要在频率和／或时间资源上进行调度的多个终端，所述方法包括步骤： －从至少两个基站确定干扰参数； －从所述至少两个基站向干扰协调器报告所述干扰参数； －在所述干扰协调器处确定要分配给所述多个终端的资源，使总体干扰指标达到最小； －从所述干扰协调器向所述至少两个基站报告被分配给不同终端的资源。
【技术特征摘要】
EP 2007-8-3 07301294.01的用于 在蜂窝无线通信网络中减少干扰的方法、根据权利要求7的干扰 协调器以及根据权利要求9的基站来实现的。根据本发明，网络中的每个基站确定干扰参数，干扰参数的目的 是确定系统中的干扰状态。该系统中的干扰状态优选地是测量值的 集合，其描述了在一个特定移动终端的位置处从系统中所有其他基 站接收到的干扰量(如果那些其他基站向该特定移动终端进行传输 的话)。该测量集合允许查明干扰基站对它的移动终端之一的传输 对系统内的任何其他移动终端造成多大干扰。描述系统内干扰状态的测量值集合优选地是通过特定过程测量的。对于该测量，按规则的间隔插入专用的测量无线帧。在这些测 量帧中，基站向其所有移动终端发射已知的测量序列，这允许所有 其他移动终端确定所希望的干扰信息并且将其传输给它们的服务基站。作为替代，所述干扰参数可以从数据库获得，例如基于所有移动 终端的地理坐标和先前所执行的测量或者系统级模拟。在这种'清况 下，干扰参数可以由基站确定，但是也可以由干扰协调器来确定。干扰参数或地理坐标还被传送给干扰协调器，干扰协调器确定要 分配给不同终端的资源，其使总体干扰指标达到最小。优选地，生 成一副图，并根据一种图着色方法对其进行着色。干扰协调器从所 有基站收集上述测量值。以如下方式从这些测量中计算出干扰图(其中移动终端是顶点，而边代表移动终端间的主要干扰关系)使得 图中相邻的终端一定不能通过相同的资源来服务。通过图着色算法 来对该图进行着色，并且将得到的颜色映射到资源分区。该信息被 传输给每个基站，继而基站仅在它们中央确定的资源分区上对处于 恶劣接收条件下的移动终端进行服务。将在干扰协调器处所确定的对终端的资源映射进 一 步报告给不 同基站。根据本发明的方法优选地被用在支持部分频率重用的基于 OFDMA的网络中。不同的小区区域与不同的频率重用因子相关联 较高的重用因子(例如频率重用3)通常覆盖信号质量较弱的区域， 这些区域可以是靠近小区边界的区域，但是不限于靠近小区边界的 区域，相反，较低的频率重用因子(例如频率重用l)通常覆盖信号 质量较强的区域，这些区域可以是靠近基站的区域，但不限于靠近 基站的区域。根据本发明的方法呈现出降低网络中的总体干扰的优点，并且由 此进一步增加了网络容量。本发明的其他优点在从属权利要求中进行了定义。附图说明通过阅读下面的对作为非限制性说明给出的优选实施例的描述 以及附图，本发明的其他特征和优点将显而易见，在附图中图1: AMC2x3模式的说明图2:带有回绕(wrap-around)的六边形小区布局 图3:干扰图相对于Ds的总扇区吞吐量图4:干扰图中的移动终端的平均顶点度。顶部二级协调，Ds =10dB。中间二级协调，Ds = 0dB。下部零级协调，Ds = 20dB。 注意不同的刻度。图5:针对Ds,。和Ds,r {15; 20; 25)dB的不同值，相对于总 计扇区吞吐量的5%吞吐量分位数。顶部 一级外部图，下部二级 外部图。图6:对于Ds= 10dB的二级协调，取决于位置的吞吐量(以kbit/s 为单位)。图7:对于Ds,。= 10dB和DSJ = 20dB的经优化的全局零级/二级协调，取决于位置的吞吐量(以kBit/s为单位)。图8:针对重用1和重用3区域具有相同资源(顶部)和不相交资源(下部)的FFR的示意说明。图9:具有中央协调器的系统概念的图示。图10:在一个MAC帧中一个AMC区内的Nc折叠重用方案。图11:在多个连续的MAC帧上的Nc折叠重用方案。图12: 通过FFR协调器与基站通信的信令-时间图。图13:针对Ds,。和DSJ= {15; 20; 25 } dB不同值的相对于总计扇区吞吐量的5%吞吐量分位数。具有理想信令条件的经协调的FFR。顶部由FFR协调器进行了一级中央协调，下部由FFR协调器进行了二级中央调节。图14:通过Dsatur着色启发式方法在FFR协调器中进行着色所需的平均颜色数Nc， Ds，,20dB。图15:针对不同延迟Tc,d^y,相对于更新周期Tc，peri。d的总计扇区吞吐量(顶部)和5 %吞吐量分位数(下部)。Ds，。=0dB, DSJ=20dB 的一级中央协调。图16:针对Ds，。=0dB和Ds,i=20dB, Tc，delay=1000ms, Tc,peri。d二2000ms,经协调的FFR，取决于位置的吞吐量(以kBit/s为单 位)。具体实施方式近年来，正交频分多址(OFDMA)已成为一种有吸引力的传输技 术，其是各种涌现出的用于宽带蜂窝通信的系统标准的一部分。例子包 括3GPP长期演进(LTE )和802.16e WiMAX。在OFDMA中，移动终 端在时间和频率上进行复用。在这些系统中的一个主要问题是小区间的 干扰，这是相邻小区在相同的时间和频率片段上进行传输时所造成的。 这个问题可以通过使用波束成形天线以及协调基站之间的传输来解决。 这被称为干扰调节。在本文中，我们提出一种用于干扰协调的分布式算 法，其用中央协调器所提供的全局信息来增强小区边界性能。在与中央 协调器进行通信期间的信令延迟可能是秒级，而每个基站中的附加的本 地干扰协调即使在动态环境中也将确保高性能。相比于重用3系统，在 保持相同的小区边界性能的同时，全局协调和本地协调的这种组合使整 体频谱效率增强了 50%。1引言正交频分多址(OFDMA)是涌现出的用于无线宽带通信的若干标 准的基础。特别地，它是用于802.16e (WiMAX)和未来的3GPP长期 演进(LTE)的底层传输技术。在OFDMA中，不同的用户基于底层的 OFDM系统在时间和频率上复用。由此，OFDMA基本上是频分多址和 时分多址(FDMA和TDMA)的组合。这些系统中的一个主要问题是 小区间干扰，这是相邻小区在相同频率/时间片段中进行传输时所造成 的。这最终导致严重的性能衰退甚或是连接丢失。存在若干方法来减轻小区间干扰。最常见的方法是采用频率重用模 式并且避免在相邻小区中使用相同的频带。该方案的缺点是浪费了珍贵的频率资源。作为替代，理想的是在每个小区中重用整个可用频谱。另 一种降低小区间干扰的可能办法是使用波束成形天线，其将它们的传输 功率导向当前服务的移动终端。这使对其他移动终端的干扰达到最小。 最后但不是最不重要，可以对不同小区中的传输进行协调，以优化所有小区中的干扰状态。这被称为干扰协调(IFCO)。可以对所有这些方 法进行组合，以按照动态方式来优化系统性能〔13〕。在〔11〕中，我们介绍了一种基于干扰图的干扰协调算法。这种图 表示了移动终端之间的主要干扰关系。如果不同小区中的两个移动终端 具有关键关系，那么它们就不能在相同频率/时间资源上被服务。这种 方案需要一个中央全知实体，其能够即时获取系统状态并且以每帧为基 础在所有小区中执行调度判决。自然，这种方案是不可实现的。然而， 它提供了关于关键性能参数的重要信息并且还传递了对性能上界的估 计。在〔13〕中，我们将这种基于方案的干扰图限制在由相同基站服务 的小区扇区的协调。这与部分频率重用(FFR)组合，其在小区的内部 部分使用频率重用1而在外部部分使用频率重用3。虽然这种结合可以 获得与〔11〕的全局方案相同的总计小区吞吐量，但是它在小区边界处 的吞吐量方面有所不足。本文具有两个主要贡献。首先，我们通过优化干扰图的生成显著地 增强了 〔11〕中的全局方案。其次，基于这些优化，我们提出了一种被 称为经协调的部分频率重用的新颖的干扰协调方案，其获得了较高的总 计性能并且同时获得高的小区边界性能。这种方案不需要每帧都执行调 度判决的全知设备。作为替代，它依赖于基站与中央实体在长得多的时 间尺度(例如秒量级)上进行的通信。由此，所提出的方案在实际系统 中可以很好地实现。本文如下组织。章节2介绍了所考虑的802.16e系统和它的仿真模 型。章节3回顾了 〔11〕的全局方案并且提出了干扰图的优化生成。随 后，章节4简要介绍FFR概念并且推导出所提出的经协调的FFR方案。 最后，章节5给出对经协调的FFR方案的全面性能评估，而章节6对本文进^于总结。2系统模型2.1传输系统概述我们考虑总的可用系统带宽为10MHz且MAC帧长度为5ms的 802.16e系统〔10〕。这得到每个MAC帧具有总共49个OFDM符号以 及每个OFDM符号具有768个数据子载波。每个MAC帧被细分成上行 链路和下行链路子帧。考虑到不同的操作模式，两种子帧被进一步划分 成区。在本文献中，我们专注于下行链路子帧中的自适应调制和编码 (AMC)区。特别地，我们考虑AMC2x3模式，其通过3个OFDM符 号限定16个数据子载波的子信道。这在图1中的左边部分中示出。子 信道对应于用于特定移动终端的资源分配粒度。由此，AMC区可以由 图1中右边部分示出的二维资源场来抽象化。我们假定AMC区由9个OFDM符号组成，对应于总的48x3个可 用子信道。应用范围乂人QPSK 1/2至64QAM 3/4的自适应调制和编码。 这得到AMC区内的大约6.2Mbps的理论最大数据速率。突发属性管理 是基于终端的SINR条件与一个MAC帧的信道反馈延迟的指数平均值。2.2仿真模型和度量我们考虑如图2所示的包括19个基站的六边形小区布局，其中距 离dBs- 1400m,小区扇区角为120、这种情形用环绕包围来仿真，使 得所有小区相同，没有任何特殊的中心小区。假定所有小区在帧级别上 是同步的。贯穿本文，在研究小区覆盖时，对阴影观察区域进行估算， 在考虑吞吐量度量时对所有小区扇区的平均值进行估算。除了总的扇区 吞吐量之外，我们估算5%的吞吐量分位数，其是小区边界区域中的可 用吞吐量的较好指示〔3〕。它通过测量每个终端在4秒周期内的平均 短期吞吐量以及计算相对于整个测量的分位数来捕获。所有吞吐量测量 都是在IP层进行，捕获由分段、填充和重传所造成的全部开销。每个基站具有3个收发器，每个收发器为一个小区扇区提供服务。 收发器配有带有4个元以及根据〔11〕的增益模式的线性阵列波束成形天线。它们可以被控制以1°角的精度来朝向每个终端，并且所有终端可 以被理想地跟踪。2.3情形和仿真参数通过使用具有全部相关的MAC协议的事件驱动仿真库IKR SimLib 〔1 〕(诸如具有级联组合的ARQ和HARQ )来将系统模型实现为帧级 别的仿真器。根据〔8 〕地形种类B来对路径损耗进行建模。通过使用 标准偏差为8dB的对数正态阴影模型来考虑慢衰落。基于从物理层仿 真所获得的BLER曲线来对帧错误进行建模。每个扇区包含以v -30km/h的速度移动的N个移动终端。底层的 移动性模型是平均自由路径长度为5 0 m而最大转向角为2 5 °的随机 方向模型。所有移动终端被绑定到它们各自的小区扇区，以避免切换。 贪心流量源(greedy traffic source )正向每个终端发送数据，也即总是有 要发送给终端的数据(也参见〔11〕)。3.基于干扰协调的干扰图 3.1基本概念在[ll]中,提出了一种针对蜂窝OFDMA网络中的全局干扰协调的方 案。它是基于干扰图的，该干扰图的节点代表移动终端并且该干扰图的边 代表这些终端间的主要干扰关系。相连的终端 一定不能使用相同的资源 集来服务。对于每个终端，计算来自在服务基站的某个直径d 内的基 站的干扰。然后，通过在干扰图中建立某个关系阻止来自使用相同的资 源集的最大干扰。完成了这一点，从而获得了针对每个终端的理想的最 小SIR Ds。更详细的描述请参考〔11〕。〔11〕中的原始方案假定一中央全知设备，其能够即时获取系统状 态并在每帧的基础上执行调度决策。自然，这种方案不可实现。然而， 它提供了关于关键性能参数的重要信息并且还传递性能上界的估计值。 3 .2性能基于干扰图的方案中的两个主要可配置参数是期望的最小SIR Ds 和协调直径die。我们将die- 0称为零级协调，表示仅在相同基站的各扇区间的协调。同样， 一级协调意思是相邻基站站点的协调，也即djc =dBS,而二级协调意指我们的情形中的所有小区的全局协调。图3绘出每个小区的总计吞吐量的5 %的吞吐量分位数〔13〕。可 以在基站中本地实现的零级协调虽然在总计小区扇区吞吐量方面获得 了相对于重用3的情形的重要改进，但是在吞吐量分位数方面也即在小 区边界性能方面有所不足。随着协调的级数增加，关于总计吞吐量和吞 吐量分位数二者的性能都增加了 。3.3与图着色问题的关系基于干扰图的全局干扰协调与图着色问题直接相关〔12〕。在图着 色问题中，图中的每个节点需要分配一种颜色，使得任何相连的节点都 不分配相同的颜色。如果颜色对应于在空中接口上的非重叠资源，则图 着色问题的解决对应于将在空中接口上的不同资源分配给在干扰图中 具有关系的节点。通常，无论何时干扰图发生改变(也即每帧)图着色 都必须被重新计算。假设M是干扰图的色彩数，也即M是解决图着色问题所需的颜色 的数目。于是，对于每个调度回合，空中接口资源需要被分成M个不 同的分区。然后，将这些分区中的每一个基于为其分配的颜色而分配给 移动终端。注意，问题的解决方案需要至少N种颜色，其中N是每个 小区扇区中的移动终端数。通常，M将大于N，使得必须要有比要提供服务的移动终端更多的不同资源分区。结果，小区扇区中的资源利用将下降并且通常是^iV/M〈。图着色是个NP难问题。已经提出了各种启发式方法来发现接近最 优的解决方案。在本文献中，我们使用了启发式Dsatur 〔7〕和Tabu搜 索技术〔9〕来获得着色。尽管Dsatur相当快，但是Tabu搜索可以获得 好的多的解决方案，尽管其代价是高度增加的计算复杂度。相比于针对传统的着色问题的启发式方法，〔11〕的资源分配启发 式方法(也被用来生成章节3.2的结果)解决了另一种图着色问题。它 与刚刚描述的原始的图着色问题的不同之处在于在每个调度回合内仅 有某个数目Nj^N个移动终端被服务。换言之，仅使用NF种颜色，并且仅仅NF个移动终端需要分配颜色。与在本章节中所描述的使用全着 色相比，这得到了好得多的资源利用率p,并且由此得到更好的系统性能。在两种情况下，资源利用率^取决于干扰图的结构。特别地，它依 赖于所有节点的顶点度。针对上述的全着色，越高的顶点度将导致越大的色彩数M和越低的资源利用率p。同样，〔11〕的着色启发式方法的 性能将因为较大的顶点度而下降。对顶点度具有影响的最重要的参数是 协调直径die和最小期望SIRDs。如果dic和Ds增加，则顶点度增加，因 此色彩数M就增加，结果导致更低的资源利用率p。这在图4中示出， 图4绘出了干扰图中的节点的平均顶点度，其依赖于相应的移动终端的 位置。该图说明了针对die和Ds的增加，顶点度的增加。在下面的章节中，我们将评估以减少顶点度并由此减d、 M最终得到 较好的资源利用方式来构建干扰图的方式。 3.4性能优化在前面的章节中回顾了来自〔13〕的结果，该结果示出在较低的期 望SIRDs下的一级或二级协调获得了极好的小区边界性能，同时总计 吞吐量下降很少。另一方面，零级协调提供了提高的总计性能，同时吞 吐量分位数下降很少。相对于Ds = 10dB的二级协调的优化情形而言， 两种配置使得干扰图具有顶点度相对较小的特征，这可以从图4中看出 来。这提示了单独生成零级和一/二级干扰图并且随后将两个图进行合 并可以得到二级协调那样的较低的顶点度，同时提供该区域内的优化的 SIR。如前面所讨论的，越低的顶点度将得到越低的干扰图的色彩数， 并且因此可能提高系统性能。两个图的合并是简单地通过将两个原始图 之一 包含的边包括在合并的图中来实现的。图5示出了经基于干扰图组合的全局协调的系统性能，其是针对零 级干扰图和一级干扰图的组合(左边)以及针对零级干扰图和二级干扰 图的组合(右边)。我们将一级图标记为内图，其是针对期望的最小 SIRDs, j生成的，而将一级/二级图标记为外图，其是针对期望的最小 SIRDs,。生成的。图5示出了系统性能极大地取决于DS，。。当我们在一级情况下将Ds,。从-5dB开始增大时，我们首先观察到在Ds, 。=OdB处性能提高。 而在Ds, 。3dB时，性能下降。对于Ds, 。=10dB，性能又极大地提高， 并且最终对于Ds, 。=15dB和更大的值性能下降。这两个单独的最大值可 以通过图3中的曲线的叠加来解释，图3示出了针对不同值Ds的性能 最大值。这种叠加是因为干扰图的叠加而引起的。零级和一级干扰图的组合(图5的左边)具有两个优化配置。对于 Ds, 。=OdB，小区边界性能达到最大化，而对于Ds, 。=10dB，总计吞吐量 达到最大化。相反，零级和二级干扰图的组合(图5的右边)示出了针 对Ds, 。=10dB的一个优化操作点，其最大化了总计吞吐量和小区边界性 能二者。这使得全局方案的频谱效率提高了多于1/3,达到l.lBit/Hz以 上，并且可以用在小区边界区域中的干扰进行更好的二级方案控制来解 释。图6描绘了针对根据章节3.1的全局二级协调的依赖于移动终端的 位置的吞吐量〔11〕。图7描绘了针对组合了零级和二级协调的优化协 调机制的协调度量。我们可以观察到在小区边界的增大的吞吐量，而且 在小区扇区的中央部分也有实质性的性能提高。4经协调的部分频率重用在本章节中，我们首先给出对现有技术的部分频率重用技术的概 述。随后，我们介绍...
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