0 引言

　　隨著智能終端的廣泛應用，人們對數據傳輸的需求呈指數形式增長，LTE-A提出了異構網絡[1]。它是在宏基站(Macro eNB)內引入低功率的節點，主要包括微基站(Pico eNB)、家庭基站等，部署在熱點和盲點區域。異構網絡的部署增強了盲點的覆蓋，提升了系統的性能[1-3]。但是微基站的覆蓋區域小，轉移宏基站負載的能力較低[1]。為了提高微小區的轉移負載能力，參考文獻[3]提出小區覆蓋增強技術(Range Expansion，RE)，擴大了微基站的覆蓋范圍，減少了宏基站的負載[4]。這時微基站可分為中心區域(Inner Cell，INC)和擴展區域(Cell Range Expansion，CRE)。由于是同頻部署，微基站擴展區域用戶受到宏基站的嚴重干擾。

　　為此，參考文獻[5]提出增強型干擾協調技術。通過宏基站在一些子幀不發送數據，減少擴展區域用戶的干擾，這些子幀稱為空白子幀(Almost Blank Subframe，ABSF)。LET協議中空白子幀配置沒有給定。對此參考文獻[6]分析了靜態設定對系統性能的影響。之后參考文獻[7]建議把空白子幀配置應用于動態。參考文獻[8]提出基于中心用戶與擴展區域用戶比例的設定方法。參考文獻[9]從系統的角度提出最大化吞吐量的設定方法。但是為了追求系統吞吐量的最大化，會犧牲擴展區域用戶性能。基于以上不足，本文著眼系統公平性，提出兩種空白子幀配置方法。仿真結果表明，相比于靜態的配置方法，提出的這兩種動態的空白子幀配置方法有效地提升了系統的公平性。

1 系統模型

　　1.1 干擾模型

　　在引入增強型干擾協調之后，宏基站在空白子幀不發送數據信號，微基站用戶(Pico UE，PUE)的信噪比可分為正常子幀和空白子幀兩種情形,表示如下：

　　別表示微基站i用戶在正常子幀和空白子幀的信噪比，M和P表示宏基站和微基站的集合, 用m和p表示某一個宏基站和微基站，在一個宏基站內包含Np個微基站，P(i)表示接收到的微基站最大的信號功率。IP(i)表示用戶i受到的來自微基站小區的干擾。IM(i)表示i來自宏基站的干擾。

　　宏基站只在正常子幀發送數據信號，所以宏基站用戶(Macro UE，MUE)信噪比表示如下：

　　1.3 用戶劃分模型

　　當宏基站與微基站子幀對齊，系統就存在空白子幀段和正常子幀段。MUE只能在正常子幀傳送數據。為了方便起見，規定INC用戶只在正常子幀傳輸。擴展區域用戶(CRE UE)只在空白子幀傳輸。

　　定義1：只在空白子幀時間段傳輸的用戶稱為ABSF用戶，只在正常子幀時間段傳輸的用戶稱為NSF用戶，其分類如表1所示。

　　很多文獻認為空白子幀的配置是減少宏基站的資源提升微基站的信道條件，是體現宏基站與微基站之間的權衡[7-9]。但并非如此，增大空白子幀配置比例的確減少了宏基站的發送時間，但是微基站INC用戶的發送時間也就相應地較少，增多的只是CRE用戶的發送時間。所以增強型干擾協調技術體現的是ABSF用戶與NSF用戶的平衡，并給出如下定義。

　　定義2：宏基站空白子幀的配置，本質是ABSF用戶與NSF用戶達到競爭平衡。

　　空白子幀設定轉化為求解ABSF用戶和NSF用戶間的平衡。由此，提出基于ABSF用戶比的空白子幀設定和最大化公平性的空白子幀設定。

　　2 空白子幀配置

　　2.1 基于ABSF用戶比的配置

　　一般地如果ABSF用戶越多,那么空白子幀也應該分配的越多,于是提出了基于ABSF用戶比的配置 (Rate of ABSF，BRABSF)，其公式表示如下：

　　其中，N分別表示在微小區p內NSF用戶和ABSF用戶數。N表宏基站m內的宏基站用戶數。

　　2.2 最大化公平性的配置

　　空白子幀的配置是在一個幀內進行的，由于本文只研究單小區的場景，沒有其他小區的干擾，同類型的子幀的吞吐量滿足廣義公平性，所以在一個幀內NSF用戶吞吐量Thn(?茲)和ABSF用戶吞吐量Thh(?茲)可以分別表示如下：

　　式中S表示一個子幀，Sn和Sb分別表示一個幀內的正常子幀集合和空白子幀集合。是在正常子幀內NSF用戶的平均傳輸速率，是在空白子幀內ABSF用戶的平均傳輸速率，可以分別表示如下：

　　把式(9)、式(10)帶入式(11)，最大化公平性的空白子幀配置(Max Fairness ABSF，MFABSF)，表示如下：

3 仿真與分析

　　3.1 仿真參數

　　仿真拓撲網絡規定每個宏基站小區內有4個微基站小區、60個用戶。為了模擬熱點區域，2/3的UE分布在微基站的周圍。其他仿真參數見表2。對比方案為在不同的偏置值下對比靜態空白子幀配置(SABSF)和兩種動態的空白子幀配置。

　　3.2 結果分析

　　3.2.1 空白子幀比率

　　空白子幀比率如圖1所示，隨偏置值增加，微基站邊緣用戶越多，ABSF用戶比率不斷增大。基于ABSF用戶比的配置方法，空白子幀比率一直接近用戶ABSF用戶比率。而最大化公平性的配置，開始時空白子幀比率小于ABSF用戶比率，隨著CRE的增大，ABSF比率開始大于ABSF用戶比率，而且越來越明顯(如圖1)。這是由于隨著偏置值增大，ABSF用戶信道條件越來越差[6]。

　　3.2.2 吞吐量和公平性

　　吞吐量仿真結果如圖2，空白子幀靜態配置時隨著偏置值的增大，ABSF用戶速率會下降，而NSF用戶速率不斷增加，這兩條曲線成X型。基于ABSF用戶比的配置考慮了ABSF用戶所占的比例，但是隨著偏置值的增加，ABSF用戶和NSF用戶的速率差異還是很大。最大化公平性的配置方法的兩種類型用戶平均速率曲線比較接近。系統公平性如圖3所示，從圖3也可以看出，整個系統的公平性有很大的提升，特別是當偏置值很大時，體現得更加明顯。

　　3.2.3 微基站的邊緣用戶性能

　　微基站5%的邊緣用戶吞吐量如圖4，微基站5%邊緣用戶的吞吐量先增后減，這是由于隨著偏置值增大，邊緣用戶信道先有所提升之后就不斷惡劣[7]。在偏置值比較大時，最大化公平性的空白子幀配置有效地提升了邊緣用戶傳輸速率。

4 結論

　　本文研究了空白子幀動態設定問題，提出空白子幀的設定是為了達到ABSF用戶和NSF用戶性能的平衡。在此基礎上，提出基于ABSF用戶比的空白子幀配置和最大化公平性的空白子幀配置。仿真表明，這兩種方法有效地提升了公平性和邊緣用戶的吞吐量。文章還重點對比了這兩種配置方法，表明最大化公平性的配置有效地提升了用戶公平性，并減緩了隨偏置值增大邊緣用戶吞吐量減少的趨勢。

　　參考文獻

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　　[2] 沈嘉.LTE的技術創新與挑戰[J].電子技術應用，2009，35(9)：7-9.

　　[3] 陳貝，陳發堂.LTE-A系統下行鏈路信道估計的性能評估[J].電子技術應用，2013，39(8)：115-117.

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　　[5] GUVEND I/Capacity and fairness analysis of heterogeneousnetworks with range expansion and interference coordination[J].IEEE Commun，Letters，2011，12(5)：1084-1087.

　　[6] SHIRAKABE M，MORIMOTO M.Performance evaluation ofinter-cell interference coordination and cell range expansionin heterogeneous networks for LTE-Advanced downlink[C].Proc.ISWCS，2011：844-848.

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　　[8] ABDALLAH K，CERUTTI I.Energy efficient coordinatedsleep of LTE Cells[C].IEEE ICC Wireless Networks Sym-posium，2012：5238-5242.

　　[9] VASUDEVAN S，PUPALA R N.Dynamic eICIC-A proactivestrategy for improving spectral efficiencies of heterogeneousLTE cellular networks by leveraging user mobility and trafficdynamics[J].IEEE Wireless Commun.Trans.，2013，12(10)：4956-4969.