兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中femtocell和macrocell間的有效干擾管理

譚　歆, 劉瑞雪, 李　云, 黃　巍

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)

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兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中femtocell和macrocell間的有效干擾管理

譚歆, 劉瑞雪, 李云, 黃巍

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)

摘要：針對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中femtocell和macrocell之間的跨層干擾和同層干擾問(wèn)題,提出了一種新型的干擾管理方案。該方案采用部分頻分復(fù)用將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有小區(qū)劃分成不同的空間區(qū)域抑制macrocell之間同層干擾,然后femtocell利用合作頻譜感知獲得可用信道資源,并通過(guò)設(shè)置干擾閾值的方式將家庭基站用戶(femtocell users, FUEs)進(jìn)行分簇抑制femtocell間的同層干擾。同時(shí),該方案以跨層干擾限制為基礎(chǔ)進(jìn)行功率調(diào)整。 最后,與目前現(xiàn)有的計(jì)劃相比,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案能更有效地抑制系統(tǒng)干擾和提高系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：femtocell; 干擾; 部分頻分復(fù)用; 合作感知; 功率調(diào)整

0引言

近年來(lái),由于移動(dòng)用戶對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越高,智能終端和多媒體業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,使得宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不斷增加[1]。然而,由于宏基站macrocell具有較大的覆蓋區(qū)域,并不能保證所有的宏基站用戶都具有較好的通信性能。而且,較大的覆蓋面積還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)較高的能量消耗。所以,目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過(guò)嵌入家庭基站(femtocell base stations, FBSs)改善宏基站的室內(nèi)覆蓋和容量增益。因此,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

然而,由于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的同頻組網(wǎng)方式,大量的家庭基站用戶與宏基站用戶共享頻譜資源,家庭基站用戶必然會(huì)對(duì)宏基站用戶產(chǎn)生干擾。此外,家庭基站用戶之間以及宏基站用戶之間的相互干擾都成為制約系統(tǒng)傳輸性能的關(guān)鍵因素[3]。

在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,常見的信道部署方式有兩種,即專用信道和共用信道部署[4-5]。雖然專用信道部署方式能夠消除跨層干擾,但其導(dǎo)致了無(wú)效的頻譜利用[6]。相反,共用信道部署方式因具有靈活性、有效性和可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用。但是,其仍然會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的干擾[5,7]。因此,部分頻分復(fù)用策略[3]的采用為減少多小區(qū)間的干擾和改善頻譜效率問(wèn)題提供了較為理想的解決方案。在兩層WiMax網(wǎng)絡(luò)中,使用部分頻分復(fù)用壓縮共層干擾[8]。因而可以看出,部分頻分復(fù)用能夠在干擾消除和頻譜效率之間找到一個(gè)更好的平衡點(diǎn)[2]。

此外,在高密度網(wǎng)絡(luò)中家庭基站搜索可用頻譜資源并能充分利用這些資源是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。目前,很多研究將認(rèn)知技術(shù)與家庭基站相融合,即認(rèn)知家庭基站(cognitive femtocells, CFs)[9]來(lái)尋找可用頻譜資源。然而,在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,認(rèn)知用戶的接收信號(hào)常常受到信道失真的影響。特別是,陰影效應(yīng)、多徑衰落和路徑損耗能夠引起信號(hào)極度削減[10]。每一個(gè)認(rèn)知用戶首先將其當(dāng)?shù)馗兄Y(jié)果報(bào)告給融合中心,然后融合中心通過(guò)融合所有的本地感知結(jié)果對(duì)每一個(gè)信道是否空閑做出最后的判斷,該過(guò)程即為合作頻譜感知的實(shí)現(xiàn)過(guò)程[11]。

針對(duì)家庭基站間的共層干擾問(wèn)題,一種叫做“三對(duì)三家庭基站簇”的新型結(jié)構(gòu)[12]用于處理干擾、系統(tǒng)容量增益和能量效率三者之間的關(guān)系。另外,通過(guò)將家庭基站分成簇的方式消除簇間干擾并限制簇內(nèi)用戶干擾[3]。

本文提出了一種新型的干擾消除方案,該方案將一個(gè)家庭基站用戶所受到的來(lái)自相同簇的其他家庭基站的干擾作為判定條件,決定家庭基站用戶應(yīng)該分到哪一個(gè)簇內(nèi)。以這種方式,家庭基站用戶和宏基站用戶的信干噪比性能(signal to interference noise ratio,SINR)得到了進(jìn)一步的改善。考慮到提高認(rèn)知家庭基站頻譜感知的準(zhǔn)確性,采用合作頻譜感知技術(shù)將分布在宏基站覆蓋區(qū)域的多個(gè)認(rèn)知家庭基站的感知信息融合在一起,并通過(guò)控制中心做出最終的判定,減少多徑效應(yīng)等因素的影響。另外,本文采用的功率調(diào)整方案是在保證家庭基站用戶和宏基站用戶的性能的情況下,降低系統(tǒng)的能量消耗。

1系統(tǒng)模型

本文針對(duì)正交頻分多址接入系統(tǒng)的下行鏈路模型進(jìn)行研究。 如圖1所示,系統(tǒng)中包括M個(gè)macrocells和N個(gè)femtocells。假設(shè)每個(gè)家庭基站至多向一個(gè)用戶提供服務(wù),且該用戶隨機(jī)的分布在半徑為Rf的家庭基站的覆蓋區(qū)域。值得強(qiáng)調(diào)的是,本文重點(diǎn)研究宏基站用戶和家庭基站用戶使用相同信道時(shí)的跨層干擾和家庭基站之間的共層干擾,而不考慮宏基站用戶之間的干擾。

圖1　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾場(chǎng)景

系統(tǒng)的頻帶總寬度為WHz,該頻帶被平均分成3個(gè)正交的子帶(sub-bands,SBs)。每個(gè)子帶包含Ns個(gè)子載波,每個(gè)子載波由n表示,這些子載波可被宏小區(qū)中心和宏小區(qū)邊緣的部分用戶使用。在宏基站的覆蓋范圍內(nèi),每一次子載波至多被分配給一個(gè)宏基站用戶,但是可以應(yīng)用于其他宏小區(qū)。

兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在3種類型的無(wú)線鏈路,分別是室內(nèi)到室內(nèi)鏈路,室外到室外鏈路和室外到室內(nèi)鏈路。另外,無(wú)線鏈路中的路徑損耗,陰影效應(yīng)和瑞利衰落等參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[3]的表I而定義。

(1)

(2)

為了更加精確地表示系統(tǒng)的總體性能,分別以家庭基站的頻譜效率SE和能量效率EE為例,其表達(dá)式[2]如下:

(3)

(4)

(5)

式中,Nsc=3Ns且Ptotal是系統(tǒng)消耗的總功率。Pa是在信息的傳輸期間除了宏基站和家庭基站的發(fā)送功率以外的功率消耗,例如,電路消耗,濾波器,數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器等的功率消耗[13]。

2認(rèn)知干擾管理方案

在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,可用頻譜資源和用戶通常是動(dòng)態(tài)變化的。合作頻譜感知方案能夠通過(guò)采用OR融合規(guī)則將多個(gè)認(rèn)知家庭基站的本地檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合并對(duì)信道資源是否可用作出判決,為用戶找到可用的頻譜資源。另外,在每個(gè)時(shí)隙根據(jù)用戶所受到的干擾情況將大量的家庭基站分成幾個(gè)簇。每一個(gè)簇內(nèi)的家庭基站用戶使用相同的信道,不同的簇使用不同的信道。每一個(gè)家庭基站用戶所受到的來(lái)自相同簇內(nèi)其他家庭基站的干擾低于干擾閾值的情況下才能加入該簇,與該簇內(nèi)的其他家庭基站用戶使用相同的信道。需要說(shuō)明的是,在家庭基站用戶被分成簇和子信道分配的過(guò)程中,家庭基站的傳輸功率是其最大功率Pmax。如果家庭基站用戶簇與宏基站用戶使用相同的子信道,則家庭基站用戶簇對(duì)宏基站用戶的干擾應(yīng)該限制在一定的范圍之內(nèi),避免宏基站用戶受到強(qiáng)烈的干擾。最后,利用拉格朗日乘子的方法調(diào)整家庭基站的傳輸功率。

2.1合作能量檢測(cè)

在該方案中,每一個(gè)認(rèn)知家庭基站檢測(cè)宏基站用戶的上行鏈路信號(hào)強(qiáng)度,并將接收到的信號(hào)功率與設(shè)定的功率閾值比較,從而得到家庭基站的本地檢測(cè)結(jié)果。然后,認(rèn)知家庭基站通過(guò)公共控制信道將本地檢測(cè)結(jié)果bk的值發(fā)送給控制中心。其中,bk=0表示第k個(gè)認(rèn)知家庭基站沒(méi)有檢測(cè)到宏基站用戶的存在,相反,bk=1表示第k個(gè)認(rèn)知家庭基站檢測(cè)到宏基站用戶存在。最后,控制中心接收所有的本地信息并采用融合規(guī)則將這些信息進(jìn)行融合[14]:

(6)

式中,K是融合中心對(duì)子信道做出最終決定的判決閾值；δ表示全局決定,δ=0,即假設(shè)H0,表示宏基站用戶未使用該子信道；而δ=1,即假設(shè)H1,表示宏基站用戶正在使用該子信道。從公式(6)可以看出,如果N個(gè)認(rèn)知家庭基站中至少有K個(gè)家庭基站的本地檢測(cè)結(jié)果為1,就判定宏基站用戶使用該信道,融合規(guī)則即表現(xiàn)為全局決定δ=1的形式。因此,稱該融合規(guī)則為“K out of N”準(zhǔn)則。否則,認(rèn)為宏基站用戶沒(méi)有使用該信道。事實(shí)上,當(dāng)K=N時(shí),公式(6)的融合規(guī)則符合AND融合規(guī)則,而當(dāng)K=1時(shí),符合OR融合規(guī)則[14-15]。所以,AND和OR兩種融合規(guī)則分別是“K out of N”準(zhǔn)則的兩種特殊形式[14]。經(jīng)研究表明,OR規(guī)則更適合于多數(shù)實(shí)際方案并能夠獲得高度準(zhǔn)確的檢測(cè)概率[16]。因此,本文采用OR準(zhǔn)則進(jìn)行信息融合。

(7)

(8)

2.2家庭基站用戶分成簇

由于家庭基站具有較小覆蓋面積,且家庭基站與其用戶之間的距離非常小。為了簡(jiǎn)化,在家庭基站用戶分成簇的過(guò)程中,家庭基站用戶間的路徑損耗就相當(dāng)于家庭基站間的路徑損耗。根據(jù)文獻(xiàn)[3],將使用相同子帶的家庭基站用戶分成簇,且家庭基站簇內(nèi)的每一個(gè)家庭基站可以看作一個(gè)頂點(diǎn),該簇內(nèi)的所有頂點(diǎn)放在集合V中,即V={v1,v2,…,vl},vl表示該簇內(nèi)第l個(gè)家庭基站。更進(jìn)一步,將兩個(gè)家庭基站間路徑損耗看成一條邊,E是包含所有邊元素e1,e2,…,eh的集合,且h是該圖中邊的數(shù)目。另外,一個(gè)頂點(diǎn)l的權(quán)重是與該頂點(diǎn)相關(guān)的路徑損耗之和,表示為wl。因此,W′包含所有頂點(diǎn)權(quán)重w1,w2,…,wl的集合。綜上所述,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可抽象成一個(gè)干擾圖即G={V;E;W′}。另外,一個(gè)簇的權(quán)重是簇中所有頂點(diǎn)相應(yīng)權(quán)重之和。每一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前,選擇加入權(quán)值最小的簇。通過(guò)這種方法,能夠使新加入的節(jié)點(diǎn)所受到的來(lái)自同一簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的干擾最小。然而,這種方式并不能保證同一簇內(nèi)的每個(gè)家庭基站用戶都具有較高的SINR。而且文獻(xiàn)[3]的方法忽視了隨著家庭基站數(shù)量的增長(zhǎng),最小的干擾值不斷增大,用戶的通信質(zhì)量會(huì)隨著干擾值的增大而下降的情況。

所以,本文提出了一種新型的分簇方法,該算法通過(guò)給每個(gè)用戶設(shè)置干擾上限限制同一簇內(nèi)用戶所受到的干擾水平將家庭基站用戶分成不同的簇。每一個(gè)家庭基站用戶簇至多使用一個(gè)子信道,并且使用該子信道的家庭基站用戶簇對(duì)使用該子信道的宏基站用戶產(chǎn)生的干擾應(yīng)減小到最低。

在分簇之前,假設(shè)每一個(gè)家庭基站即為一個(gè)簇,并且簇的數(shù)目等于N。節(jié)點(diǎn)i的權(quán)重如下所示[3]

(9)

式中，τij表示家庭基站i與其在相同的簇內(nèi)且相鄰的家庭基站j之間的路徑損耗。家庭基站的詳細(xì)分簇過(guò)程如下:

初始化:輸入所有頂點(diǎn)且每一個(gè)頂點(diǎn)表示一個(gè)簇,Nc是每一個(gè)簇中家庭基站的數(shù)目,c∈{1,2,…N};1:forv=1toNdo2:forc=1toNdo3: ifv==c4: ifwi(i∈{1,…,Nc+1})

分簇方法描述如下:如果節(jié)點(diǎn)v選擇加入當(dāng)前簇且滿足干擾限制條件,那么該節(jié)點(diǎn)分配完成,進(jìn)行其他節(jié)點(diǎn)的分配。如果節(jié)點(diǎn)v選擇加入其他簇且滿足干擾限制條件,更新節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化的簇內(nèi)家庭基站的數(shù)目,該節(jié)點(diǎn)完成分配,進(jìn)行其他節(jié)點(diǎn)的分配。如果節(jié)點(diǎn)v在所選擇的簇內(nèi)不滿足干擾限制條件,繼續(xù)尋找其他的簇直到所有的節(jié)點(diǎn)都分到相應(yīng)的簇內(nèi)。由上述分簇過(guò)程可知,一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)加入一個(gè)簇內(nèi),必須通過(guò)計(jì)算該簇內(nèi)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重,判斷該節(jié)點(diǎn)是否滿足干擾限制條件。如果簇中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重都小于干擾閾值R,那么該節(jié)點(diǎn)可被分到該簇內(nèi)。否則,該節(jié)點(diǎn)就會(huì)被分到其他的簇。因此,這種方式限制了家庭基站間的干擾并能夠保證每一個(gè)家庭基站用戶可靠地通信。最后,記錄每一個(gè)簇的分簇結(jié)果并輸出分簇的數(shù)目和每一個(gè)簇內(nèi)的家庭基站。

2.3子信道分配和功率調(diào)整

為家庭基站用戶簇選擇合適的信道不僅能夠降低家庭基站用戶對(duì)宏基站用戶產(chǎn)生的干擾,而且能使系統(tǒng)獲得更高的頻譜效率。功率分配的最終目標(biāo)是最大化每一個(gè)簇的吞吐量并控制系統(tǒng)的能量消耗。所以,對(duì)于每一個(gè)家庭基站簇的優(yōu)化表達(dá)式如下：

(10)

0≤Pk≤Pmax,?k∈I,

0≤Pj≤Pmax,?j∈I

(11)

μk≥0,?k, μkPk=0,?k, λ1≥0,

μk+λ1·Gk,u=0,?k

(12)

從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程中,Pk必須大于零。所以,uk可被消除,從式(12)的條件可獲得式(13)。

(13)

現(xiàn)在從式(13)可以看出,λ1·Gk,u必須是非零的。這樣,當(dāng)λ1非零時(shí),可以通過(guò)公式(14)得到λ1的值。

3仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的正確性和有效性,使用Matlab對(duì)宏蜂窩中具有60個(gè)宏基站用戶和300個(gè)家庭基站用戶的系統(tǒng)從SINR、頻譜效率和能量效率幾個(gè)方面進(jìn)行仿真。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1　系統(tǒng)的仿真參數(shù)

宏基站用戶的SINR累積分布函數(shù)如圖2所示。文中提出的方案比文獻(xiàn)[3]中的方案和隨機(jī)分配方案在改善SINR性能方面更具優(yōu)勢(shì)。這說(shuō)明本文中提出的方法能有效地減少跨層干擾。

圖2　宏基站用戶SINR累積分布函數(shù)

家庭基站用戶的SINR累積分布函數(shù)如圖3所示。與文獻(xiàn)[3]中的方案和隨機(jī)分配方案相比,本文提出的方案由于精確的信道感知和相同簇中相鄰家庭基站間的干擾限制而獲得了更好信干噪比性能。盡管文獻(xiàn)[3]的方案同樣減小了共層干擾,但是這種方案忽視了當(dāng)一個(gè)簇內(nèi)存在的家庭基站用戶數(shù)量越來(lái)越多時(shí),該簇內(nèi)鄰近基站之間的干擾也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

圖3　家庭基站用戶SINR累積分布函數(shù)

圖4和圖5分別展示了在不同家庭基站用戶簇?cái)?shù)目的情況下macrocell和femtocell的頻譜效率。從圖中可以看出,本文提出的方案與文獻(xiàn)[3]的方案和隨機(jī)分配方案相比,具有更好的頻譜效率。主要由于本文提出的方案能夠通過(guò)合作頻譜感知計(jì)劃以更高的感知精確度獲得更多的可用信道資源并且這些可用信道能夠被家庭基站用戶充分利用。此外,跨層干擾和共層干擾管理能夠有效地阻止macrocell和femtocell的性能隨著家庭基站用戶簇的增多而下降。

圖4　隨著家庭基站用戶簇的變化macrocell的頻譜效率情況

圖5　隨著家庭基站用戶簇的變化femtocell的頻譜效率情況

圖6描述了家庭基站發(fā)送功率不斷變化的情況下系統(tǒng)的能量效率變化情況。假設(shè)家庭基站用戶簇對(duì)宏基站的干擾限制Ith為10-7W。從圖6可以看出,當(dāng)家庭基站的發(fā)送功率較小時(shí),峰值能量效率之間的差值相對(duì)較小,然后隨著家庭基站發(fā)送功率的不斷增加,3種方案間能量效率的差距越來(lái)越大。而且,在具有相同的傳輸功率時(shí),文中提出的方案具有較高的能量效率,且隨著發(fā)送功率的增大,能量效率基本趨于平穩(wěn)。

圖6　系統(tǒng)的能量效率

4結(jié)論

本文主要研究了兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中存在大量的家庭基站時(shí),根據(jù)系統(tǒng)中可用頻譜資源和用戶的實(shí)際通信數(shù)量,進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配信道和功率控制的干擾消除方案。合作頻譜感知方案的提出有助于找到更多的可用頻譜資源,避免跨層干擾和共層干擾。所有的家庭基站用戶被分成不同的簇,簇中的所有用戶共享同一信道,從而提高了系統(tǒng)的頻譜使用效率。另外,功率調(diào)整方案通過(guò)給每一個(gè)家庭基站分配合適的功率而改善了系統(tǒng)的能量效率。因此,本文提出的方案能夠有效地增強(qiáng)宏基站用戶和家庭基站用戶的通信質(zhì)量,提高系統(tǒng)的性能。

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譚歆(1975-),男,講師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)通信。

E-mail:tanxin@cqupt.edu.cn

劉瑞雪(1988-),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)通信。

E-mail:woshiyongyuanha@163.com

李云(1974-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線接入技術(shù)。

E-mail:liyun@cqupt.edu.cn

黃巍(1968-),男,高級(jí)工程師,博士,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線接入技術(shù)。

E-mail:13908189773@139.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150506.1148.004.html

Efficient interference management in heterogeneous macro-femtocell networks

TAN Xin, LIU Rui-xue, LI Yun, HUANG Wei

(KeyLabofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityof

PostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Abstract:In order to mitigate the co-tier and cross-tier interference in heterogeneous macro-femtocell networks, a novel interference mitigation scheme is proposed. Fractional frequency reuse, which divides all cells into different spatial regions, is applied in macrocell networks with the purpose of suppressing the co-tier interference among macrocell users (MUEs). Femtocells are able to find out the available sub-channels by cooperation sense techniques. The femtocell users (FUEs) are grouped into different clusters for limiting the co-tier interference among them by setting the interference threshold. Simultaneously, the power adjustment scheme is applied based on the cross-tier interference limitation. Finally, numerical results confirm that the proposed scheme can mitigate system interference and improve performance of the system more efficiently than the current scheme.

Keywords:femtocell; interference; fractional frequency reuse; cooperation sense; power adjustment

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN 929.53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.28

收稿日期：2014-01-08；修回日期：2015-03-19；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-05-06。