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摘要：
给出改进型软频率复用（SFR）方案的目的在于提高边缘区域的性能，改善传统SFR无法适应长期演进（LTE）系统中业务的动态分布和频谱分配灵活性低的缺点.该方案将一部分频谱资源划分为共享频段，边缘区域对其有较高的优先权.仿真结果表明，改进方案能够有效改善边缘区域性能，提高了频谱分配的灵活性.
关键词：
软频率复用； 频谱分配； 共享频段； 长期演进系统
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2017）04-0556-04
Abstract：
In this paper，a modified soft frequency reuse（SFR） scheme is given to improve the performance of edge area and to mitigate the shortcomings of traditional SFR such as low business agility which is unable to adapt to dynamic spectrum allocation and distribution in long term evolution（LTE） system.In our method，a part of spectrum resource is allocated as the shared frequency band，and the edge region has higher priority.The simulation results show that the proposed method can effectively improve the throughput for those users at the edge area and increase the flexibility of spectrum allocation.
Key words：
soft frequency reuse； spectrum allocation； frequency sharing； long term evolution
0引言
隨着无线通信设备的普及以及移动业务需求的迅猛发展，人们对数据速率、服务质量的要求也越来越高，而抑制小区干扰是保证用户服务质量的关键 [1-2].目前，关于小区干扰协调技术已经有较多的研究，软频率复用 （SFR）是其中备受关注的一种方案.SFR将频谱分成主载波和副载波两部分，且相邻小区间的载波互不重叠[3].其中，主载波的发射功率高于副载波的发射功率且优先分配给边缘用户使用，而副载波只能分配给中心用户使用[4].SFR虽然在一定程度上解决了小区间的干扰，但小区主载波为固定分配，无法适应业务负载的变化，因此缺乏有效性和灵活性.本文作者基于参考文献[5]给出一种改进型的SFR方案，提高频谱利用效率和频谱分配的灵活性，抑制小区边缘用户的干扰，提升系统性能.
1系统模型
考虑由i个小区（i=1，2，…，C）构成的长期演进（LTE）系统的下行数据传输场景，总用户数为K.各用户随机分布在小区内且每个小区总用户数相同，并根据平均信干噪比将用户分为中心用户（CCU）和边缘用户（CEU）.系统带宽B（共包含N个子载波）被划分为多个互不重叠的频带.LTE系统中小区间的干扰模型如图1所示.
假设距离相隔较远的小区间干扰可以忽略不计，只考虑相邻小区产生的干扰.对于任一小区i∈{1，2，…，C}用户k在子载波j∈{1，2，…，N}上接收到的信干噪比可以表示为[6]：
式中pji为小区i中用户k在子载波j上发射功率，若子载波j是中心用户频带，则pji=pc，若子载波j是边缘用户频带，则pji=pe；gjm，k为小区i中用户k在子载波j上从小区m获得的信道增益，Cadj表示与小区i相邻的干扰小区集；N0为系统热噪声功率.
依据香农容量定理，用户k在子载波j上的容量可以表示为：
式中B为子频带带宽.
所以，服务小区的吞吐量为：
由正交频分多址（OFDMA）系统的特点可知，一个子载波在一个发送时间间隔（TTI） 内只能分配给一个用户.
2改进的SFR方案
2.1改进方案的频谱分配
为了解决传统SFR方法无法适应用户负载变化的缺点，基于文献[4]，作者提出一种改进的SFR方法，如图2所示，将整个系统的频率资源划分为4段，将其中一段设置为可共享频段.对于小区1的边缘用户固定使用频段1，中心用户固定使用频段2、3.对于共享频段4，当小区边缘负载较小时，分配给中心用户使用；当小区边缘负载较大时，则优先分配给小区边缘用户，即对于共享频段4，小区边缘用户比中心用户有更高的优先使用权.小区2的边缘用户固定使用频段2，中心用户固定使用频段1、4，频段3则作为小区中心用户和边缘用户共享的资源.小区3的边缘用户固定使用频段4，中心用户固定使用频段2、3，频段1则作为小区中心用户和边缘用户共享的资源.
3仿真验证和性能分析
本节通过仿真实验评价改进SFR算法的性能，评价指标包括小区边缘用户吞吐量和小区中心吞吐量.在仿真实验中与传统SFR算法进行性能对比.
3.1仿真场景
仿真实验中构建由7个正六边形结构小区构成的LTE系统，网络拓扑结构如图1所示.用户随机分布在不同小区中，各小区用户数量相同.系统仿真参数如表1所示.为保证算法对比的同一性和不失一般性，当上述软频率复用策略确定分配到各小区的资源后，各小区内采用比例公平（PF）策略为其服务用户分配资源.小区调度每1 ms执行一次，共执行1 000次. 3.2小区边缘区域吞吐量
图3为小区边缘用户吞吐量随着用户数增加的变化曲线.可以看出，当边缘用户数较少时，改进的SFR算法的吞吐量与传统SFR算法的没有太大的差异，但随着用户数的增加，改进SFR的吞吐量低于传统的SFR，这是因为在改进SFR中的可用频带少于传统SFR.但随着用户数的继续增加改进SFR显示出了更好的性能，这是因为在负载较大的情况下边缘区域使用了共享频段资源，这在一定程度上缓解了边缘区域的频谱需求.
3.3小区中心区域吞吐量
图4为小区中心用户吞吐量随着用户数增加的变化曲线.可以看出，在边缘用户数较少的情况下改进的SFR方案的吞吐量与传统SFR方案的没有太大的差异，但随着用户数的增加，改进SFR的性能优于传统的SFR，这是因为在改进SFR中的可用频带多于传统SFR.但随着用户数的继续增加传统SFR显示出了更好的性能，这是因为在负载较大的情况下边缘区域对共享频段资源有较高的优先權，边缘区域使用了共享频段这使得中心区域的可用频段减少.
4结论
通过划分出一段共享频段，边缘区域对其有较高的优先权，以此来提高边缘区域的吞吐量.通过仿真结果可以看到使用改进SFR方案首先增加了频谱利用的灵活性.其次，当边缘区域负载较大时，牺牲了部分中心区域的性能，但边缘区域的性能得到了较大的提升并且改善传统SFR无法适应长期演进系统中业务的动态分布和频谱分配灵活性低的缺点.
参考文献：
[1]Ali S H，Leung V C M.Dynamic resource allocation in fractional frequency reused OFDMA networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（8）：4286-4295.
[2]Novlan T，Andrews J G，Sohn I，et al.Comparison of fractional frequency reuse approaches in the OFDMA cellular downlink [C].Global Telecommunications Conference，Miami：IEEE，2010.
[3]Ksairi K，Bianchi P，Ciblat P，et al.Resource allocation for downlink cellular OFDMA systems—Part II：Practical algorithms and optimal reuse factor [J].IEEE Transactions on Signal Processing，2010，58（2）：735-749.
[4]Li Q，Hu R，Xu Y，et al.Optimal fractional frequency reuse and power control in the heterogeneous wireless networks [J].IEEE Transactions Wireless Communications，2013，12（6）：2658-2668.
[5]Yu Y，Dutkiewicz E，Huang X，et al.Adaptive power allocation for soft frequency reuse in multi-cell LTE networks [C].Communications and Information Technologies（ISCIT） 2012 International Symposium on，Gold Coast：IEEE，2012.
[6]Qian M，Hardjawana W，Li Y H，et al.Inter-cell interference coordination through adaptive soft frequency reuse in LTE networks [C].2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference （WCNC），Shanghai：IEEE，2012.
[7]Andrew M，Capdevielle V，Feki A，et al.Autonomous spectrum sharing for mixed LTE femto and macro cells deployments [C].INFOCOM IEEE Conference on Computer Communications Workshops，San Diego：IEEE，2010.
（责任编辑：包震宇）
给出改进型软频率复用（SFR）方案的目的在于提高边缘区域的性能，改善传统SFR无法适应长期演进（LTE）系统中业务的动态分布和频谱分配灵活性低的缺点.该方案将一部分频谱资源划分为共享频段，边缘区域对其有较高的优先权.仿真结果表明，改进方案能够有效改善边缘区域性能，提高了频谱分配的灵活性.
关键词：
软频率复用； 频谱分配； 共享频段； 长期演进系统
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2017）04-0556-04
Abstract：
In this paper，a modified soft frequency reuse（SFR） scheme is given to improve the performance of edge area and to mitigate the shortcomings of traditional SFR such as low business agility which is unable to adapt to dynamic spectrum allocation and distribution in long term evolution（LTE） system.In our method，a part of spectrum resource is allocated as the shared frequency band，and the edge region has higher priority.The simulation results show that the proposed method can effectively improve the throughput for those users at the edge area and increase the flexibility of spectrum allocation.
Key words：
soft frequency reuse； spectrum allocation； frequency sharing； long term evolution
0引言
隨着无线通信设备的普及以及移动业务需求的迅猛发展，人们对数据速率、服务质量的要求也越来越高，而抑制小区干扰是保证用户服务质量的关键 [1-2].目前，关于小区干扰协调技术已经有较多的研究，软频率复用 （SFR）是其中备受关注的一种方案.SFR将频谱分成主载波和副载波两部分，且相邻小区间的载波互不重叠[3].其中，主载波的发射功率高于副载波的发射功率且优先分配给边缘用户使用，而副载波只能分配给中心用户使用[4].SFR虽然在一定程度上解决了小区间的干扰，但小区主载波为固定分配，无法适应业务负载的变化，因此缺乏有效性和灵活性.本文作者基于参考文献[5]给出一种改进型的SFR方案，提高频谱利用效率和频谱分配的灵活性，抑制小区边缘用户的干扰，提升系统性能.
1系统模型
考虑由i个小区（i=1，2，…，C）构成的长期演进（LTE）系统的下行数据传输场景，总用户数为K.各用户随机分布在小区内且每个小区总用户数相同，并根据平均信干噪比将用户分为中心用户（CCU）和边缘用户（CEU）.系统带宽B（共包含N个子载波）被划分为多个互不重叠的频带.LTE系统中小区间的干扰模型如图1所示.
假设距离相隔较远的小区间干扰可以忽略不计，只考虑相邻小区产生的干扰.对于任一小区i∈{1，2，…，C}用户k在子载波j∈{1，2，…，N}上接收到的信干噪比可以表示为[6]：
式中pji为小区i中用户k在子载波j上发射功率，若子载波j是中心用户频带，则pji=pc，若子载波j是边缘用户频带，则pji=pe；gjm，k为小区i中用户k在子载波j上从小区m获得的信道增益，Cadj表示与小区i相邻的干扰小区集；N0为系统热噪声功率.
依据香农容量定理，用户k在子载波j上的容量可以表示为：
式中B为子频带带宽.
所以，服务小区的吞吐量为：
由正交频分多址（OFDMA）系统的特点可知，一个子载波在一个发送时间间隔（TTI） 内只能分配给一个用户.
2改进的SFR方案
2.1改进方案的频谱分配
为了解决传统SFR方法无法适应用户负载变化的缺点，基于文献[4]，作者提出一种改进的SFR方法，如图2所示，将整个系统的频率资源划分为4段，将其中一段设置为可共享频段.对于小区1的边缘用户固定使用频段1，中心用户固定使用频段2、3.对于共享频段4，当小区边缘负载较小时，分配给中心用户使用；当小区边缘负载较大时，则优先分配给小区边缘用户，即对于共享频段4，小区边缘用户比中心用户有更高的优先使用权.小区2的边缘用户固定使用频段2，中心用户固定使用频段1、4，频段3则作为小区中心用户和边缘用户共享的资源.小区3的边缘用户固定使用频段4，中心用户固定使用频段2、3，频段1则作为小区中心用户和边缘用户共享的资源.
3仿真验证和性能分析
本节通过仿真实验评价改进SFR算法的性能，评价指标包括小区边缘用户吞吐量和小区中心吞吐量.在仿真实验中与传统SFR算法进行性能对比.
3.1仿真场景
仿真实验中构建由7个正六边形结构小区构成的LTE系统，网络拓扑结构如图1所示.用户随机分布在不同小区中，各小区用户数量相同.系统仿真参数如表1所示.为保证算法对比的同一性和不失一般性，当上述软频率复用策略确定分配到各小区的资源后，各小区内采用比例公平（PF）策略为其服务用户分配资源.小区调度每1 ms执行一次，共执行1 000次. 3.2小区边缘区域吞吐量
图3为小区边缘用户吞吐量随着用户数增加的变化曲线.可以看出，当边缘用户数较少时，改进的SFR算法的吞吐量与传统SFR算法的没有太大的差异，但随着用户数的增加，改进SFR的吞吐量低于传统的SFR，这是因为在改进SFR中的可用频带少于传统SFR.但随着用户数的继续增加改进SFR显示出了更好的性能，这是因为在负载较大的情况下边缘区域使用了共享频段资源，这在一定程度上缓解了边缘区域的频谱需求.
3.3小区中心区域吞吐量
图4为小区中心用户吞吐量随着用户数增加的变化曲线.可以看出，在边缘用户数较少的情况下改进的SFR方案的吞吐量与传统SFR方案的没有太大的差异，但随着用户数的增加，改进SFR的性能优于传统的SFR，这是因为在改进SFR中的可用频带多于传统SFR.但随着用户数的继续增加传统SFR显示出了更好的性能，这是因为在负载较大的情况下边缘区域对共享频段资源有较高的优先權，边缘区域使用了共享频段这使得中心区域的可用频段减少.
4结论
通过划分出一段共享频段，边缘区域对其有较高的优先权，以此来提高边缘区域的吞吐量.通过仿真结果可以看到使用改进SFR方案首先增加了频谱利用的灵活性.其次，当边缘区域负载较大时，牺牲了部分中心区域的性能，但边缘区域的性能得到了较大的提升并且改善传统SFR无法适应长期演进系统中业务的动态分布和频谱分配灵活性低的缺点.
参考文献：
[1]Ali S H，Leung V C M.Dynamic resource allocation in fractional frequency reused OFDMA networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（8）：4286-4295.
[2]Novlan T，Andrews J G，Sohn I，et al.Comparison of fractional frequency reuse approaches in the OFDMA cellular downlink [C].Global Telecommunications Conference，Miami：IEEE，2010.
[3]Ksairi K，Bianchi P，Ciblat P，et al.Resource allocation for downlink cellular OFDMA systems—Part II：Practical algorithms and optimal reuse factor [J].IEEE Transactions on Signal Processing，2010，58（2）：735-749.
[4]Li Q，Hu R，Xu Y，et al.Optimal fractional frequency reuse and power control in the heterogeneous wireless networks [J].IEEE Transactions Wireless Communications，2013，12（6）：2658-2668.
[5]Yu Y，Dutkiewicz E，Huang X，et al.Adaptive power allocation for soft frequency reuse in multi-cell LTE networks [C].Communications and Information Technologies（ISCIT） 2012 International Symposium on，Gold Coast：IEEE，2012.
[6]Qian M，Hardjawana W，Li Y H，et al.Inter-cell interference coordination through adaptive soft frequency reuse in LTE networks [C].2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference （WCNC），Shanghai：IEEE，2012.
[7]Andrew M，Capdevielle V，Feki A，et al.Autonomous spectrum sharing for mixed LTE femto and macro cells deployments [C].INFOCOM IEEE Conference on Computer Communications Workshops，San Diego：IEEE，2010.
（责任编辑：包震宇）