飛小區(qū)基站的自配置功率機(jī)制

徐鵬，方旭明，向征，何蓉

（1. 西南交通大學(xué) 信息編碼與傳輸四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，四川 成都 610031；3. 中國民航飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307）

1 引言

目前越來越多的飛小區(qū)(femtocell)由于其廉價(jià)及更高的室內(nèi)通信速率正在被用戶廣泛地布置于室內(nèi)，但是由于其數(shù)量巨大及位置的隨機(jī)性以及隨時(shí)都可能被用戶移動和關(guān)閉，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)并不再適用于飛小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。另外由于飛小區(qū)用戶并非都具有技術(shù)背景，因此飛小區(qū)為了更好地融入到宏小區(qū)中，必須被設(shè)計(jì)成具有自配置或自適應(yīng)的即插即用方式，以減少對宏小區(qū)的影響。飛小區(qū)的自配置將使其以更少的人力干涉融入已有網(wǎng)絡(luò)，自動學(xué)習(xí)周圍的無線環(huán)境，自動調(diào)整自己的參數(shù)。自配置飛小區(qū)將能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)/信道干擾的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并將提升整個(gè)系統(tǒng)的性能[1]。飛小區(qū)基站自配置主要有以下幾個(gè)方面需求驅(qū)動：通過減少人力參與減少資本支出（CAPEX,capital expenditure）和營運(yùn)成本（OPEX, operational expenditure）；在覆蓋、容量和服務(wù)質(zhì)量(QoS, quality of service)上最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能；允許大量小蜂窩的部署[2]。

飛小區(qū)的發(fā)射功率自配置將是能否成功部署飛小區(qū)的關(guān)鍵，自配置飛小區(qū)必須根據(jù)環(huán)境的變化動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率以減少跨層和同層干擾。文獻(xiàn)[3]提出了通用移動通信系統(tǒng)(UMTS, universal mobile telecommunications system)網(wǎng)絡(luò)中減輕跨層干擾的一種方法，主要是采用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信道的功率控制并保證飛小區(qū)的覆蓋范圍，并分別分析了下行和上行功率如何設(shè)置。文獻(xiàn)[4]通過終端移動性信息來自適應(yīng)調(diào)整飛小區(qū)的覆蓋范圍，采用功率設(shè)置使其最大化覆蓋范圍同時(shí)最小化連接飛小區(qū)的用戶數(shù)。文獻(xiàn)[5]提出了通過調(diào)整噪聲門限來解決上行干擾問題，但會增加對宏小區(qū)的上行干擾。文獻(xiàn)[6]使用下行功率控制來使宏小區(qū)和飛小區(qū)用戶達(dá)到預(yù)定信干噪比(SINR)。但是這些技術(shù)都沒有考慮對已有用戶的干擾問題，進(jìn)而可能造成宏小區(qū)/飛小區(qū)系統(tǒng)性能的下降。文獻(xiàn)[7]考慮了宏基站下行和宏基站用戶上行信號對飛小區(qū)基站功率設(shè)置的影響，并通過仿真驗(yàn)證該方案提高了用戶的吞吐率，然而飛小區(qū)對宏小區(qū)基站可能產(chǎn)生的干擾被忽略了。文獻(xiàn)[8]提出了一種新的適用于各種蜂窩部署的系統(tǒng)資源分配和干擾避免的整體方案，結(jié)果表明該方案提供了巨大的增益。文獻(xiàn)[9]仿真評估了由宏小區(qū)和飛小區(qū)引起的對飛小區(qū)的干擾問題。文獻(xiàn)[10]提出了一種新的跨層干擾避免方法，其主要思想是基于跨層干擾信息重新分配蜂窩間功率和子信道。文獻(xiàn)[11]從信息論的角度分析了分層網(wǎng)絡(luò)的干擾管理問題，并給出了每個(gè)蜂窩的室外與室內(nèi)用戶的總和速率，分析結(jié)果證明了統(tǒng)計(jì)干擾管理技術(shù)的性能優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]分析了分層網(wǎng)絡(luò)共道配置的性能問題，并定義了分層中斷率，得到了飛小區(qū)近似干擾分布。文獻(xiàn)[13]更加完善了飛小區(qū)無線傳輸信道模型，基于此精確分析了干擾對系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[14]詳細(xì)分析了 LTE分層網(wǎng)絡(luò)中上行功率控制問題。文獻(xiàn)[15]分析了大量密集部署飛小區(qū)時(shí)功率和信道聯(lián)合分配的問題，并提出了二進(jìn)制功率分配機(jī)制。但是上述所有文獻(xiàn)對飛小區(qū)功率自配置的研究并不十分全面，主要存在2個(gè)問題。一是已有宏/飛小區(qū)下行鏈路時(shí)只考慮宏小區(qū)基站和其他所有飛小區(qū)基站的影響，因?yàn)轱w小區(qū)基站的低功率特性受到干擾的飛小區(qū)基站只能是近距離的有限幾個(gè)，全部考慮進(jìn)去只能增加基站的計(jì)算量。二是新添加的飛小區(qū)基站下行鏈路對鄰近宏小區(qū)用戶的影響要么被忽略，要么所有宏用戶都被考慮。這2個(gè)問題在上述文獻(xiàn)中往往只著重解決其中一個(gè)，如此就會降低系統(tǒng)整體性能。

本文提出了一種飛小區(qū)基站功率自配置機(jī)制，相對于已有機(jī)制，該機(jī)制不僅減少了已有蜂窩下行時(shí)需要考慮的飛小區(qū)數(shù)即減少了新飛小區(qū)基站的計(jì)算量，還限制了新飛小區(qū)基站對已有蜂窩用戶的干擾。自配置機(jī)制主要是基于干擾模型建立了系統(tǒng)容量最優(yōu)化目標(biāo)，即在保證已有用戶正常通信前提下，最大化了新飛小區(qū)的系統(tǒng)容量。其余部分安排如下：第2節(jié)分析了飛小區(qū)干擾模型；第3節(jié)給出詳細(xì)的自配置機(jī)制；第4節(jié)對提出機(jī)制進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和性能對比；第5節(jié)是結(jié)束語。

2 飛小區(qū)干擾模型

恰當(dāng)?shù)娘w小區(qū)功率設(shè)置對于能否控制分層網(wǎng)絡(luò)中的各種干擾至關(guān)重要。由宏小區(qū)和飛小區(qū)構(gòu)成的分層網(wǎng)絡(luò)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)用戶自主添加一個(gè)飛小區(qū)時(shí)，其發(fā)射功率如何配置就變成急需解決的問題。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，功率自配置指飛小區(qū)在初始化階段首先測量周圍的無線環(huán)境，包括各種可能接收到的信號和干擾，然后在自優(yōu)化階段對發(fā)射功率進(jìn)行最優(yōu)化[1]。

對于新加入的飛小區(qū)接收到的各種信號和干擾可以用圖2表示，主要分為2種類型：各宏小區(qū)基站信號和相鄰飛小區(qū)基站信號。由于宏小區(qū)基站(m-BS)和飛小區(qū)基站(f-BS)發(fā)射功率存在極大差異，通常在13～33dBm之間[16]，因此設(shè)置f-BS功率時(shí)除了主要考慮宏基站的影響外，鄰近f-BS的其他飛小區(qū)的影響也要考慮。假定 f-BS發(fā)射功率為15dBm，覆蓋半徑為10m，f-BS處于房屋中央，其信號穿過圍墻數(shù)為1和2時(shí)的信號衰減情況如圖3所示[13]。

圖1 宏小區(qū)-飛小區(qū)構(gòu)成分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 飛小區(qū)接收到的各種信號和干擾

圖3 飛小區(qū)信號衰減情況

從圖3中可以看出，當(dāng)穿過2堵墻時(shí)其接收到的f-BS信號為-89.1dBm，此時(shí)認(rèn)為設(shè)置f-BS功率時(shí)只需考慮距該f-BS最近的其他飛小區(qū)基站即可，即只考慮緊鄰且圍墻數(shù)小于2的那些飛小區(qū)。具體仿真參數(shù)詳見文獻(xiàn)[13]。

3 自配置功率機(jī)制

基于以上分析以及為了滿足部署飛小區(qū)引起對已有用戶的跨層干擾最小化，本文提出了一種飛小區(qū)發(fā)射功率自配置機(jī)制。該機(jī)制主要目的是通過自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率來抑制跨層干擾，最大化添加的飛小區(qū)吞吐率，并保證原有用戶和新飛小區(qū)用戶的正常通信。對于新加入的飛小區(qū)基站，設(shè)定其可以像用戶終端一樣工作[8]，檢測周圍無線環(huán)境，通過有線回程獲取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即可以獲得需要的發(fā)射功率和信道增益等參數(shù)。因此問題可以描述如下：

其中，Cf_new,i表示添加的飛小區(qū)中用戶i的吞吐率，i={1,2,…,l}表示該飛小區(qū)中的用戶。SINRm,j表示相鄰宏小區(qū)用戶j的接收信干噪比，表示相鄰飛小區(qū)s中用戶k的接收信干噪比。SINRm,thr和SINRf,thr表示對應(yīng)的信干噪比閾值。

吞吐量按香農(nóng)公式計(jì)算[17]，又因?yàn)榘自肼暩蓴_相對于宏小區(qū)和其他飛小區(qū)的聚合干擾來說非常小不具有可比性，在計(jì)算吞吐量中的信干噪比時(shí)將其忽略，則有

其中，s={1,2,…,t}表示相鄰的可以影響功率設(shè)置的飛小區(qū)，Cm,j表示該飛小區(qū)周圍鄰近的宏小區(qū)用戶j的信道容量，j={1,2,…,n}，表示該飛小區(qū)周圍鄰近的飛小區(qū)s中用戶k的信道容量，W表示系統(tǒng)下行帶寬。pf,new表示新添加飛小區(qū)基站的發(fā)射功率，gnew,i/j/k表示新添加飛小區(qū)到用戶i/j/k的信道增益。pf,s表示飛小區(qū)s的基站發(fā)射功率，gs,i/j/k表示飛小區(qū)基站s到用戶i/j/k的信道增益。pm表示當(dāng)前宏基站的發(fā)射功率，hm,j表示當(dāng)前宏基站到用戶j的信道增益。pm,a表示宏基站a的發(fā)射功率，ha,i/j/k表示宏基站 a到用戶 i/j/k的信道增益。Inew,i表示用戶 i收到的下行干擾，Ij,Ik分別表示在未添加飛小區(qū)時(shí)，用戶j和k收到的下行干擾信號。

根據(jù)上面的分析，式(1)可以表示如下：

為了便于分析，做如下變換：

與式(6)中γ對應(yīng)的必定存在一個(gè)gnew,x∈(gnew,j,gnew,k)，將常量W從式(5)去掉則有

對式(7)進(jìn)行拉格朗日乘數(shù)法求解可表示如下[18]：

其中，λ, μ表示拉格朗日乘子，且λ≥0，μ≥0。其最優(yōu)功率設(shè)置滿足Kuhn-Tucker條件[19]可計(jì)算如下：

從Kuhn-Tucker條件還可以得到式(10)：

聯(lián)合式(9)和式(10)可得

定義x+=max(x,0)，那么最優(yōu)功率可以表示為

4 數(shù)值分析結(jié)果

為了體現(xiàn)文中自配置機(jī)制的性能，本節(jié)將與傳統(tǒng)固定發(fā)射功率機(jī)制和基于接收信號強(qiáng)度的功率設(shè)置機(jī)制[8](scheme-RSS)進(jìn)行對比。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括7個(gè)宏小區(qū)，多個(gè)飛小區(qū)均勻布置在各個(gè)宏小區(qū)中，新飛小區(qū)其周圍受到影響的飛小區(qū)(如第2節(jié)描述僅一墻之隔)個(gè)數(shù)在 1～4之間，受到影響的鄰近宏小區(qū)用戶個(gè)數(shù)也在1～4之間，此外每個(gè)飛小區(qū)基站包括2個(gè)用戶。針對下一代移動通信系統(tǒng)基本采用頻分正交多址接入(OFDMA, orthogonal frequency division multiple access)技術(shù)，本文設(shè)定所有基站均采用OFDMA技術(shù)，飛小區(qū)復(fù)用宏小區(qū)所有頻譜資源，采用相同的帶寬。宏基站在所有子載波間等功率發(fā)射，采用輪詢調(diào)度方式，具體參數(shù)詳見表1[8,20]。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖4給出了分別采用固定發(fā)射功率、基于接收信號強(qiáng)度和自配置功率機(jī)制的對比結(jié)果。從圖中可以看出，基于接收信號強(qiáng)度機(jī)制隨著遠(yuǎn)離宏基站飛基站功率逐漸變小。當(dāng)距離大于450m時(shí)其功率設(shè)置變化較小，這是因?yàn)榇藭r(shí)飛小區(qū)用戶接收的信號大于等于來自宏基站的信號。而小于450m時(shí)，因?yàn)楹晷^(qū)基站信號強(qiáng)度相對于飛基站信號過大，飛基站不得不提高功率以改善飛小區(qū)用戶的接收信干噪比。然而設(shè)置較大的發(fā)射功率，可能影響已有宏用戶和飛用戶。從圖中還可以得到自配置功率設(shè)置機(jī)制隨距離緩慢變化，因?yàn)橛袑σ延杏脩舻慕邮招鸥稍氡鹊南拗?，從而可以說3種機(jī)制中對宏小區(qū)和已有飛小區(qū)影響最小的機(jī)制。

圖4 新添加飛小區(qū)功率設(shè)置

圖5給出2種功率設(shè)置機(jī)制對已有用戶的影響。從圖中可以看出基于接收信號強(qiáng)度機(jī)制在距離宏基站較近距離時(shí)（小于400m），由于設(shè)置功率較高將降低原有用戶吞吐率，在距離較遠(yuǎn)時(shí)（大于 400m）功率設(shè)置符合周圍無線環(huán)境，從而吞吐率的幅度降低有所減少，這是因?yàn)榇藭r(shí)其功率與周圍無線環(huán)境相符。而自適應(yīng)機(jī)制因?yàn)橹乜紤]了對已有用戶的影響，從吞吐率上看差別不大，即將添加新飛小區(qū)引起的干擾降到了最小。

圖5 用戶吞吐率對比

圖6給出了自配置功率設(shè)置機(jī)制在飛小區(qū)功率設(shè)置時(shí)與宏基站的距離和用戶接收信干噪比閾值的關(guān)系。從圖中可以看出，在固定SINR閾值情況下隨著距離增大發(fā)射功率逐步減小，在固定距離情況下隨著SINR閾值增大發(fā)射功率逐漸增加。確定一個(gè)飛小區(qū)基站的發(fā)射功率要同時(shí)考慮上述2個(gè)因素，才能保證最小化添加飛小區(qū)引起的干擾和原有用戶的正常通信。

圖6 發(fā)射功率自配置與距離和信干噪比閾值關(guān)系

5 結(jié)束語

根據(jù)上述性能分析可以得知自配置功率設(shè)置機(jī)制將新添加的飛小區(qū)周圍無線環(huán)境自動調(diào)整發(fā)射功率，對比基于接收信號強(qiáng)度設(shè)置功率機(jī)制可以有效地降低對已有用戶的影響，同時(shí)保證了新飛小區(qū)內(nèi)用戶的有效通信。另外相對于只解決下行或上行干擾問題的已有文獻(xiàn)，因?yàn)榭紤]了飛基站發(fā)射功率的特性降低了機(jī)制的計(jì)算復(fù)雜度，雖然文中分析的是當(dāng)添加一個(gè)新的飛小區(qū)時(shí)其功率自配置的情況，明顯地該機(jī)制可以推廣和適用于部署更多的飛小區(qū)。該機(jī)制存在的缺點(diǎn)在于，當(dāng)新加入的飛小區(qū)收到原系統(tǒng)干擾較大時(shí)將無法滿足自身網(wǎng)絡(luò)的需求，即新飛小區(qū)將無法有效地工作。實(shí)際上在新的LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)對飛小區(qū)進(jìn)行了相關(guān)接口或函數(shù)的定義，以支持飛小區(qū)的自配置功能，從而使得文中提出機(jī)制與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)兼容。未來的工作將著手于感知無線電技術(shù)，即如何感知或檢測其周圍無線環(huán)境，只有精確獲得無線環(huán)境參數(shù)飛小區(qū)才能將其引起的干擾降到最低，進(jìn)而可以極大程度上提升整個(gè)宏小區(qū)/飛小區(qū)分層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能。

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