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摘要： 将软频率复用（SFR）引入到由毫微微小区和宏小区组成的双层异构网络中，提出基于软频率复用的小区间干扰协调（ICIC）方案.先根据SFR方法对宏小区进行频率资源分配，然后使毫微微小区用户使用宏小区用户未占用的频率资源.仿真结果表明：该方案能有效地解决宏小区和毫微微小区间的同频干扰问题.
关键词： 异构网络； 共信道干扰； 频率资源分配； 软频率复用； 小区间干扰协调
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2017）01005405
Abstract： In this paper，soft frequency reuse （SFR） is introduced as an effective Intercell Interference Coordination （ICIC） scheme to overcome interference among femtocells and macrocells.While a macrocell allocates frequency band using a SFR map，femtocell chooses subbands which are not used by the macrocell subarea users to avoid interference.Simulation results show that the proposed scheme can solve the problem of interference among macrocells and femtocells.
Key words： heterogeneous network； cochannel interference； frequency allocation； soft frequency reuse； intercell interference coordination
0 引 言
随着移动用户对数据需求的快速增长，无线资源短缺的问题日益凸显.为了解决无线资源匮乏与用户需求之间的矛盾，异构网络应运而生[1].异构网络技术融合了宏小区、微小区、微微小区、中继站和射频单元节点等多种不同类型的基站，其中的毫微微小区用来解决室内覆盖问题已经成为研究热点.
然而，在现有的宏小区中布置大量毫微微小区的过程中存在许多问题，其中之一是如何在宏小区和毫微微小区共存时进行频谱资源分配[2].相比于传统的蜂窝网络，异构网络中的干扰情况更加复杂，在传统网络干扰的基础上又新增了几种新的干扰情况：1）毫微微小区与邻近家庭用户之间的干扰；2）宏小区用户与邻近毫微微小区之间的干扰；3）家庭用户与邻近宏小区之间的干扰.若小区间相互干扰的问题不能够得到解决，异构网络中毫微微小区就不能发挥优势.
软频率复用（SFR）[3-4]是解决小区间干扰问题的有效方法之一，该方法与其他部分频率复用方法不同的是它给小区内部区域和外部区域分配不同的功率.Yoon等[5]提出一种通过控制基站发射功率来解决毫微微小区干扰问题的方法.Yusuf等[6]提出一种部分频率复用方法来解决毫微微小区与宏小区间的跨层干扰问题.Zahir等[7]采用SFR为宏小区用户分配频域资源，然后让毫微微小区使用全部带宽为家庭用户分配频谱资源.[5-6]均能解决毫微微小区带来的干扰，但是在频谱利用率方面还不够充分，而[7]虽然在频谱利用率方面有所提高，但系统内的共信道干扰比较严重，尤其在大量部署毫微微小区时.
本文作者从减小双层网络间干扰的角度出发，以提高整个系统吞吐量为目的，基于[7]的频谱分配算法，提出一种基于SFR的，适用于LTE通信中的宏小区和毫微微小区双层异构网络间干扰协调（ICIC）的方案.先通过 SFR对宏小区分配频谱资源，然后让各毫微微小区选用未被宏小区占用的子带频谱资源，达到避免干扰的目的，从而提高系统吞吐量.
1 系统模型
考虑由19个宏小区以及毫微微小区组成的双层异构网络，如图1所示.每个宏基站位于每个宏小区的中心，毫微微小区均匀地、相互分隔地分布在每个宏小区中.为了简化复杂度，一个毫微微小区用户的干扰基站只考虑距离此用户最近的宏小区和同一小区内的其他毫微微小区；而对于宏用户而言，其他所有的宏小区以及同一小区内的各毫微微小区都是该用户的干扰基站.宏小区M内的宏小区用户m在使用子载波k进行下行信号传输时的信号与信号与干擾加噪声比（SINR）为
2 算法提出
2.1 宏小区的SFR方法
在本文作者所提出的宏小区的SFR方法中，一个宏小区被划分为两个区域，并且每个区域都被划分为3个扇区：中心区域C1、C2、C3和边缘区域E1、E2、E3.小区用户根据其接收到的SINR将用户划分为中心用户和边缘用户两大类，即如果一个移动用户报告的SINR超过了预先设定的SINR阈值，基站就认为该移动用户是中心用户；反之，则认为是边缘用户.每个小区将系统频率资源分为主载波和副载波两个部分，主载波可用于整个小区，且相邻小区间的主载波互不重叠，副载波只能被小区中心区域用户使用，其发射功率低于主载波.图2为宏小区用户和毫微微小区用户SFR的频谱分配方法，整个频谱为A+B+C+D，代表全部的频谱，其中B=C=D.对宏小区而言，每个宏小区根据SFR分配不同的频谱.中心区域的复用因子为1，而边缘区域的复用因子为3.中心区域C1、C2、C3使用子频带A，边缘区域E1、E2、E3分别使用子频带B、C、D.
2.2 毫微微小区间频谱划分和位置确认
在对宏小区使用SFR方法的基础上，本文作者给出一种改进的毫微微小区间的频谱划分方法.首先根据毫微微小区接收到其所属宏小区在各子频带A、B、C、D上的发射功率相关信息，比较接收信号强度指示（RSSI） 来确定它的位置：若其在子带A上的RSSI最大时，则它位于小区中心区域；若其在子带B上的RSSI次大，那么位于小区中心C1区域；若其在子带A上的RSSI 非最大，那么它位于小区边缘区域，然后再通过 RSSI 最大值对应区域，确定它位于边缘区域E1、E2 或 E3.在确认毫微微小区位置的情况下，毫微微小区选用各个宏小区子区域没有占用的子频带.当毫微微小区位于宏小区中心区域时，毫微微小区不能使用同一扇区边缘区域占用的频谱资源.例如，当一个毫微微小区位于边缘区域E1时，它可以使用的频域资源为A、C、D，而宏小区用户占用频域资源为B；如果当一个 毫微微小区位于小区中心区域C1，此时它可以使用未被宏小区用户占用的频带C、D.为了减小中心区域的干扰，位于小区中心的毫微微小区并没有使用中心带宽A.同时，为了减小对边缘用户的干扰，毫微微小区没有使用频带B，因为B上的接收信号功率强度对此毫微微小区来说比较强. 3 仿 真
3.1 仿真场景和参数设计
从吞吐量的角度评估该本方案的性能.采用的網络布局是19个基站3个扇区模型（图1）.仿真参数如表1所示.
3.2 仿真结果和分析
将所提的方案与[7]方案和不采用SFR（NoSFR）的方案进行了仿真对比，通过获得某一个特定小区的SINR和总吞吐量来验证方案的有效性.仿真结果如图3和4所示.
图3是随着毫微微小区接入数量的不同，各ICIC方案下LTE 毫微微小区系统总吞吐量对比.对比[7]方案与本方案的仿真曲线，本方案的系统吞吐量比[7]方案高；对比NoSFR方案和本方案两条曲线，本方案得到的系统吞吐量相对比较高.因为，对于NoSFR方案和[7]方案，虽然毫微微小区可调用的频谱资源较多，但由于其不同类型用户间干扰严重，致使信道质量下降、重传次数增加，进而系统吞吐量下降.而在本方案中，毫微微用户所使用的是没有被宏用户所占用的子频带，因此，该方案与另外两种方案相比，减小了不同类型用户间的干扰，从而提高了系统吞吐量.
从图4可以看出，本算法与其他两种方案相比具有最高的平均用户SINR.
4 总 结
当宏小区采用软频率复用场景时，为减小由毫微微小区和宏小区组成的双层异构网络间的干扰并提高整个系统的吞吐量，给出了基于软频率复用的干扰解决方案.将频谱划分为4段给宏小区的中心用户和边缘用户以复用的方式分配，然后使毫微微小区用户使用宏小区未占用的频谱资源.仿真结果表明，该方案能有效地解决宏小区和毫微微小区间的同频干扰问题.
参考文献：
[1] Saquib N，Hossain E，Kim D I.Fractional frequency reuse for interference management in LTEadvanced hetnets [J].IEEE Wireless Communications，2013，20（2）：113-122.
[2] Abedi M R，Mokari N，Javan M R，et al.Limited rate feedback scheme for resource allocation in secure relayassisted OFDMA networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（4）：2604-2618.
[3] Yu Y，Dutkiewicz E，Huang X J，et al.Adaptive power allocation for soft frequency reuse in multicell LTE networks [C]//IEEE.2012 International Symposium on Communications and Information Technologies （ISCIT），Gold Coast：IEEE，2012.
[4] Zhang X Y，He C，Jiang L，et al.Intercell interference coordination based on soft frequency reuse in OFDMA cellular systems [C]//IEEE.2008 International Conference on Neural Networks and Signal Processing，Nanjing：IEEE，2008.
[5] Yoon J，Arslan M Y，Sundaresan K，et al.Selforganizing resource management framework in OFDMA Femtocells [J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2015，14（4）：843-857.
[6] Yusuf N，Fahmi A，Astuti R P，et al.Distributed FFR as the novelty solution of the integration Femtocell and Macrocell in cellular network [C]//IEEE.2015 IEEE Asia Pacific Conference on Wireless and Mobile，Bandung：IEEE，2015.
[7] Zahir T，Arshad K，Nakata A，et al.Interference management in Femtocells [J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2013，15（1）：293-311.
[8] Andrews J G，Ganti R K，Haenggi M，et al.A primer on spatial modeling and analysis in wireless networks [J].IEEE Communications Magazine，2010，48（11）：156-163，.
[9] Heinz R K，Skov A N P.Third generation partnership project （3GPP） [M]//Hillebrand F.GSM and UMTS：The creation of global mobile communication.New York：John Wiley & Sons，2002：221-261.
[10] Jin S，Ping L.Parallel twoway relaying in cooperative OFDMA cellular systems [J].IEEE Transaction on Signal Processing，2016，64（1）：48-59.
（责任编辑：顾浩然，包震宇）
关键词： 异构网络； 共信道干扰； 频率资源分配； 软频率复用； 小区间干扰协调
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2017）01005405
Abstract： In this paper，soft frequency reuse （SFR） is introduced as an effective Intercell Interference Coordination （ICIC） scheme to overcome interference among femtocells and macrocells.While a macrocell allocates frequency band using a SFR map，femtocell chooses subbands which are not used by the macrocell subarea users to avoid interference.Simulation results show that the proposed scheme can solve the problem of interference among macrocells and femtocells.
Key words： heterogeneous network； cochannel interference； frequency allocation； soft frequency reuse； intercell interference coordination
0 引 言
随着移动用户对数据需求的快速增长，无线资源短缺的问题日益凸显.为了解决无线资源匮乏与用户需求之间的矛盾，异构网络应运而生[1].异构网络技术融合了宏小区、微小区、微微小区、中继站和射频单元节点等多种不同类型的基站，其中的毫微微小区用来解决室内覆盖问题已经成为研究热点.
然而，在现有的宏小区中布置大量毫微微小区的过程中存在许多问题，其中之一是如何在宏小区和毫微微小区共存时进行频谱资源分配[2].相比于传统的蜂窝网络，异构网络中的干扰情况更加复杂，在传统网络干扰的基础上又新增了几种新的干扰情况：1）毫微微小区与邻近家庭用户之间的干扰；2）宏小区用户与邻近毫微微小区之间的干扰；3）家庭用户与邻近宏小区之间的干扰.若小区间相互干扰的问题不能够得到解决，异构网络中毫微微小区就不能发挥优势.
软频率复用（SFR）[3-4]是解决小区间干扰问题的有效方法之一，该方法与其他部分频率复用方法不同的是它给小区内部区域和外部区域分配不同的功率.Yoon等[5]提出一种通过控制基站发射功率来解决毫微微小区干扰问题的方法.Yusuf等[6]提出一种部分频率复用方法来解决毫微微小区与宏小区间的跨层干扰问题.Zahir等[7]采用SFR为宏小区用户分配频域资源，然后让毫微微小区使用全部带宽为家庭用户分配频谱资源.[5-6]均能解决毫微微小区带来的干扰，但是在频谱利用率方面还不够充分，而[7]虽然在频谱利用率方面有所提高，但系统内的共信道干扰比较严重，尤其在大量部署毫微微小区时.
本文作者从减小双层网络间干扰的角度出发，以提高整个系统吞吐量为目的，基于[7]的频谱分配算法，提出一种基于SFR的，适用于LTE通信中的宏小区和毫微微小区双层异构网络间干扰协调（ICIC）的方案.先通过 SFR对宏小区分配频谱资源，然后让各毫微微小区选用未被宏小区占用的子带频谱资源，达到避免干扰的目的，从而提高系统吞吐量.
1 系统模型
考虑由19个宏小区以及毫微微小区组成的双层异构网络，如图1所示.每个宏基站位于每个宏小区的中心，毫微微小区均匀地、相互分隔地分布在每个宏小区中.为了简化复杂度，一个毫微微小区用户的干扰基站只考虑距离此用户最近的宏小区和同一小区内的其他毫微微小区；而对于宏用户而言，其他所有的宏小区以及同一小区内的各毫微微小区都是该用户的干扰基站.宏小区M内的宏小区用户m在使用子载波k进行下行信号传输时的信号与信号与干擾加噪声比（SINR）为
2 算法提出
2.1 宏小区的SFR方法
在本文作者所提出的宏小区的SFR方法中，一个宏小区被划分为两个区域，并且每个区域都被划分为3个扇区：中心区域C1、C2、C3和边缘区域E1、E2、E3.小区用户根据其接收到的SINR将用户划分为中心用户和边缘用户两大类，即如果一个移动用户报告的SINR超过了预先设定的SINR阈值，基站就认为该移动用户是中心用户；反之，则认为是边缘用户.每个小区将系统频率资源分为主载波和副载波两个部分，主载波可用于整个小区，且相邻小区间的主载波互不重叠，副载波只能被小区中心区域用户使用，其发射功率低于主载波.图2为宏小区用户和毫微微小区用户SFR的频谱分配方法，整个频谱为A+B+C+D，代表全部的频谱，其中B=C=D.对宏小区而言，每个宏小区根据SFR分配不同的频谱.中心区域的复用因子为1，而边缘区域的复用因子为3.中心区域C1、C2、C3使用子频带A，边缘区域E1、E2、E3分别使用子频带B、C、D.
2.2 毫微微小区间频谱划分和位置确认
在对宏小区使用SFR方法的基础上，本文作者给出一种改进的毫微微小区间的频谱划分方法.首先根据毫微微小区接收到其所属宏小区在各子频带A、B、C、D上的发射功率相关信息，比较接收信号强度指示（RSSI） 来确定它的位置：若其在子带A上的RSSI最大时，则它位于小区中心区域；若其在子带B上的RSSI次大，那么位于小区中心C1区域；若其在子带A上的RSSI 非最大，那么它位于小区边缘区域，然后再通过 RSSI 最大值对应区域，确定它位于边缘区域E1、E2 或 E3.在确认毫微微小区位置的情况下，毫微微小区选用各个宏小区子区域没有占用的子频带.当毫微微小区位于宏小区中心区域时，毫微微小区不能使用同一扇区边缘区域占用的频谱资源.例如，当一个毫微微小区位于边缘区域E1时，它可以使用的频域资源为A、C、D，而宏小区用户占用频域资源为B；如果当一个 毫微微小区位于小区中心区域C1，此时它可以使用未被宏小区用户占用的频带C、D.为了减小中心区域的干扰，位于小区中心的毫微微小区并没有使用中心带宽A.同时，为了减小对边缘用户的干扰，毫微微小区没有使用频带B，因为B上的接收信号功率强度对此毫微微小区来说比较强. 3 仿 真
3.1 仿真场景和参数设计
从吞吐量的角度评估该本方案的性能.采用的網络布局是19个基站3个扇区模型（图1）.仿真参数如表1所示.
3.2 仿真结果和分析
将所提的方案与[7]方案和不采用SFR（NoSFR）的方案进行了仿真对比，通过获得某一个特定小区的SINR和总吞吐量来验证方案的有效性.仿真结果如图3和4所示.
图3是随着毫微微小区接入数量的不同，各ICIC方案下LTE 毫微微小区系统总吞吐量对比.对比[7]方案与本方案的仿真曲线，本方案的系统吞吐量比[7]方案高；对比NoSFR方案和本方案两条曲线，本方案得到的系统吞吐量相对比较高.因为，对于NoSFR方案和[7]方案，虽然毫微微小区可调用的频谱资源较多，但由于其不同类型用户间干扰严重，致使信道质量下降、重传次数增加，进而系统吞吐量下降.而在本方案中，毫微微用户所使用的是没有被宏用户所占用的子频带，因此，该方案与另外两种方案相比，减小了不同类型用户间的干扰，从而提高了系统吞吐量.
从图4可以看出，本算法与其他两种方案相比具有最高的平均用户SINR.
4 总 结
当宏小区采用软频率复用场景时，为减小由毫微微小区和宏小区组成的双层异构网络间的干扰并提高整个系统的吞吐量，给出了基于软频率复用的干扰解决方案.将频谱划分为4段给宏小区的中心用户和边缘用户以复用的方式分配，然后使毫微微小区用户使用宏小区未占用的频谱资源.仿真结果表明，该方案能有效地解决宏小区和毫微微小区间的同频干扰问题.
参考文献：
[1] Saquib N，Hossain E，Kim D I.Fractional frequency reuse for interference management in LTEadvanced hetnets [J].IEEE Wireless Communications，2013，20（2）：113-122.
[2] Abedi M R，Mokari N，Javan M R，et al.Limited rate feedback scheme for resource allocation in secure relayassisted OFDMA networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（4）：2604-2618.
[3] Yu Y，Dutkiewicz E，Huang X J，et al.Adaptive power allocation for soft frequency reuse in multicell LTE networks [C]//IEEE.2012 International Symposium on Communications and Information Technologies （ISCIT），Gold Coast：IEEE，2012.
[4] Zhang X Y，He C，Jiang L，et al.Intercell interference coordination based on soft frequency reuse in OFDMA cellular systems [C]//IEEE.2008 International Conference on Neural Networks and Signal Processing，Nanjing：IEEE，2008.
[5] Yoon J，Arslan M Y，Sundaresan K，et al.Selforganizing resource management framework in OFDMA Femtocells [J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2015，14（4）：843-857.
[6] Yusuf N，Fahmi A，Astuti R P，et al.Distributed FFR as the novelty solution of the integration Femtocell and Macrocell in cellular network [C]//IEEE.2015 IEEE Asia Pacific Conference on Wireless and Mobile，Bandung：IEEE，2015.
[7] Zahir T，Arshad K，Nakata A，et al.Interference management in Femtocells [J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2013，15（1）：293-311.
[8] Andrews J G，Ganti R K，Haenggi M，et al.A primer on spatial modeling and analysis in wireless networks [J].IEEE Communications Magazine，2010，48（11）：156-163，.
[9] Heinz R K，Skov A N P.Third generation partnership project （3GPP） [M]//Hillebrand F.GSM and UMTS：The creation of global mobile communication.New York：John Wiley & Sons，2002：221-261.
[10] Jin S，Ping L.Parallel twoway relaying in cooperative OFDMA cellular systems [J].IEEE Transaction on Signal Processing，2016，64（1）：48-59.
（责任编辑：顾浩然，包震宇）