基于頻率分配的Femto-Macro干擾抑制

李 旭，沈佳琪

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

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基于頻率分配的Femto-Macro干擾抑制

李 旭，沈佳琪

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

為有效解決由家庭基站(Femtocell)和宏基站(Macrocell)組成的雙層網(wǎng)絡(luò)間的干擾抑制問題，文中在傳統(tǒng)頻率分配的基礎(chǔ)上提出了一種新的動態(tài)頻率分配方案，該方案利用距離判定法判斷家庭基站范圍內(nèi)是否存在宏基站，利用強(qiáng)干擾區(qū)域判定法判斷該家庭基站是否受其它家庭基站干擾，根據(jù)判定結(jié)果決定如何進(jìn)行頻率分配。仿真結(jié)果表明，該方案和傳統(tǒng)頻率分配方式相比，不僅可以有效地抑制同層干擾和跨層干擾，而且還能提高頻帶利用率和系統(tǒng)吞吐量。

蜂窩網(wǎng)絡(luò);Femtocell;干擾抑制;頻率分配

研究表明，60%的語音業(yè)務(wù)和90%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境下[1-2]。Femtocell是近年來根據(jù)第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和移動寬帶化趨勢推出的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)[3]。但是，F(xiàn)emtocell的廣泛應(yīng)用，也帶來了諸多問題，其中，亟待解決的是小區(qū)間干擾問題。目前，干擾管理可以分為：干擾消除、干擾協(xié)調(diào)和干擾抑制[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于頻率復(fù)用的宏基站和家庭基站之間的干擾協(xié)調(diào)方案，有效降低了跨層干擾并且提高了頻帶利用率。文獻(xiàn)[6]利用自學(xué)習(xí)算法，將整個(gè)頻帶進(jìn)行正交劃分，即同一區(qū)域內(nèi)的Femtocell和宏小區(qū)使用不同頻帶。然后，采用分布式自學(xué)習(xí)算法減少了 Femtocell之間的干擾。文獻(xiàn)[7]提出動態(tài)頻率復(fù)用方案，既解決了Femtocell和Macrocell間的跨層干擾，又解決了Femtocell間的同層干擾。文獻(xiàn)[8]提出基于螢火蟲算法的子信道分配方案，既解決同層干擾問題，又有效降低了家庭基站間的干擾。然而以上分配方案并不能同時(shí)兼顧小區(qū)間干擾，頻帶利用率和系統(tǒng)吞吐量。針對以上不足，本文提出一種新的動態(tài)頻率分配方式，運(yùn)用距離判定法和強(qiáng)干擾區(qū)域判定法，在抑制同層干擾和跨層干擾的同時(shí)，有效提高了頻帶利用率和系統(tǒng)吞吐量。

1 干擾場景分析與干擾協(xié)調(diào)

隨著綠色通信的盛行，運(yùn)營商用Femtocell和Macrocell同頻組網(wǎng)的方式來解決頻率資源有限的難題。而“遠(yuǎn)近效應(yīng)”(來自同頻組網(wǎng)方式)帶來的干擾問題嚴(yán)重地影響宏用戶(MU，Macrocell Users)的通話質(zhì)量[9-10]。因此，對干擾問題的研究顯得尤為重要。

1.1 干擾場景分析

干擾場景從不同的角度分類不同[11-12]，具體干擾場景如表1所示

表1 6大干擾場景描述

1.2 干擾協(xié)調(diào)

干擾協(xié)調(diào)包括：頻率復(fù)用技術(shù)，功率控制技術(shù)和無線鏈路資源分配技術(shù)，本文主要從頻率復(fù)用的角度進(jìn)行研究。

1.2.1 傳統(tǒng)頻率分配

傳統(tǒng)頻率分配方式分為3種[13]：同頻頻率分配干擾抑制(Co-channel Frequency Allocation,CFA)，異頻頻率分配干擾抑制(Dedicated Frequency Allocation,DFA)和部分頻率復(fù)用干擾抑制(Partial Frequency Allocation，PFA)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)頻率分配示意圖

1.2.2 一種新的家庭基站頻率分配(N-FFA)

為抑制家庭基站小區(qū)間的干擾，一種新的家庭基站頻率分配方式(N-FFA)[14]被提出，如圖2所示，整個(gè)頻帶資源被分成fA，fB1，fB2和fB3共4個(gè)子頻帶。其中，小區(qū)中心被分配fA，而fB(fB1,fB2,fB3)分別分配給3個(gè)小區(qū)重疊的部分。

圖2 N-FFA頻率分配圖

利用香農(nóng)公式計(jì)算整個(gè)小區(qū)的吞吐量

R=BW×log2(1+SINR)

(1)

其中，R表示小區(qū)吞吐量； BW代表每個(gè)用戶的帶寬。

每個(gè)用戶的SINR可以用式(2)計(jì)算

其中，用pi表示宏基站和家庭基站的接收功率；hi表示宏基站用戶收到來自家庭基站和宏基站的信道增益；pj表示占用同一頻率資源的家庭基站或宏基站的干擾功率；hj表示占用同一頻率資源的干擾信號(來自宏基站和家庭基站)的信道增益；n0表示高斯白噪聲功率。

圖3 兩個(gè)家庭基站正交區(qū)域示意圖

2 一種動態(tài)頻率分配方式(D-FRAS)

本文提出一種新的動態(tài)頻率分配方案，運(yùn)用了距離判定法和強(qiáng)干擾區(qū)域判定法，使判定標(biāo)準(zhǔn)更加明確，提高頻率分配方式選擇的準(zhǔn)確度。

2.1 家庭基站和宏基站距離判定法

家庭基站(Femtocell Base Station，F(xiàn)BS)和宏基站(Macrocell Base Station, MBS)相鄰，假設(shè)家庭基站的覆蓋范圍是d0， FBS的位置坐標(biāo)是(x1,y1),MBS的位置坐標(biāo)是(x2,y2)，則FBS和MBS之間的距離dFM為

(3)

若dFM≤d0,則在家庭基站覆蓋范圍內(nèi)有宏基站；否則沒有。

2.2 家庭基站之間的強(qiáng)干擾區(qū)域判定法

用信干比(SIR)來判斷兩個(gè)家庭基站是否存在強(qiáng)干擾[15]。圖3為兩個(gè)家庭基站正交區(qū)域示意圖，家庭基站BSk和BSj相鄰，一個(gè)家庭基站用戶UEr在家庭基站BSk覆蓋區(qū)域內(nèi)，該用戶距家庭基站BSk和BSj的距離分別為dk和dj，家庭基站BSk和BSj的半徑分別為rk和rj。家庭基站用戶UEr接收到的家庭基站BSk的有用信號功率為

(4)

家庭基站BSj的干擾信號功率為

(5)

式中，k=1,2,3,…,K;j=1,2,3,…,K,K為家庭基站的數(shù)目；pk和pj分別為家庭基站BSk和BSj的發(fā)射功率；μ為路損常數(shù)；ωk和ωj分別為家庭基站BSk和BSj的穿墻損耗；v為路損指數(shù)。

由(4)式和(5)式得，用戶r的信干比為

(6)

(7)

式中，dk和dj分別為家庭基站用戶r與家庭基站BSk和BSj的距離。假設(shè)家庭基站BSk和BSj的坐標(biāo)分別為(0,0)和(d,0)，家庭基站用戶r的坐標(biāo)為(x,y) ，則

(8)

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，得到 低于門限λth的區(qū)域B

B={(x,y)|Sth(x2+y2)>(x-d)2+y2}

(10)

因?yàn)榧彝セ綛Sk的半徑為rk，所以距家庭基站BSk的距離

SIR低于門限λth的區(qū)域B和家庭基站BSk的覆蓋區(qū)域C的重疊部分，就是家庭基站BSk受家庭基站BSj的強(qiáng)干擾區(qū)域Ak,j

Ak,j={B∩C}

(11)

2.3 一種動態(tài)頻分配方式(D-FRAS)系統(tǒng)模型

雖然傳統(tǒng)的頻率分配方式(CFA,DFA,PFA)以及前一部分提到的N-FFA逐漸被改進(jìn)，但仍然存在一定程度的頻率資源浪費(fèi)。本文在頻率分配的基礎(chǔ)上提出一種新的動態(tài)頻率分配方案，如圖4所示。既然fR是預(yù)留的，當(dāng)fR不被使用時(shí)，就會發(fā)生頻率浪費(fèi)。另外，如果存在一些彼此覆蓋的家庭基站且家庭基站的SINR低于目標(biāo)SINR，那么fR就會被使用。

圖4 動態(tài)頻率分配(D-FRAS)圖

具體分配方案流程如圖5所示。

圖5 D-FRAS流程圖

3 仿真與結(jié)論

3.1 信道模型的建立

信道模型根據(jù)家庭式基站的拓?fù)淠Ｐ投兴煌?。由于本文僅對模型進(jìn)行了仿真分析。因此，下面僅就模型進(jìn)行信道模型的描述,模型中的信道模型包括以下5個(gè)場景：

(1)Macrocell基站和MU

PLc,dB=Ac,dB+10αclog10D

(12)

其中，Ac,dB=30log10fc-71,用以表示固定的室外損耗；

(2)Macrocell基站和FU

PLf,c,dB=Af,c,dB+10αclog10D

(13)

其中，Af,c,dB=30log10fc-71+WdB，WdB表示室外到室內(nèi)的穿墻損耗；

(3)Femtocell基站和所服務(wù)的FU

PLfi,dB=Afi,dB+10αfilog10Rf

(14)

其中，Afi,dB=37表示固定的室內(nèi)傳輸損耗 值；

(4)Femtocell基站和MU

PLc,f,dB=Ac,f,dB+10αf0log10D

(15)

其中，Ac,f,dB=WdB+37；

(5)Femtocell基站到相鄰Femtocell基站

PLc,f,dB=Ac,f,dB+10αf0log10D

(16)

其中，Ac,f,dB=2WdB+37。

3.2 仿真結(jié)果與分析

累計(jì)分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)描述的是實(shí)數(shù)隨機(jī)變量X的概率分布情況?？梢灾庇^地體現(xiàn)出某一物理量在不同情況下的概率分布情況。CDF曲線越陸峭說明系統(tǒng)中室內(nèi)與的分布越均衡，系統(tǒng)越穩(wěn)定；曲線越靠后說明該物理量分布越廣泛，數(shù)量越多，系統(tǒng)性能越好。本文通過信干噪比和吞吐量的累積分布函數(shù)曲線來比較動態(tài)頻率分配和傳統(tǒng)頻率分配性能的好壞。從眾多仿真數(shù)據(jù)中選擇一組，在信道模型的基礎(chǔ)上，用Matlab對CFA，N-FFA和D-FRAS的累積分布函數(shù)進(jìn)行仿真。

圖6是室內(nèi)的信干噪比(SINR)仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出，相對CFA，D-FRAS的曲線明顯靠后。曲線越靠后說明該系統(tǒng)分布越廣泛，數(shù)量越多，系統(tǒng)性能越好。這是因?yàn)镃FA是家庭基站和宏基站共用信道，存在嚴(yán)重的跨層干擾。吞吐量仿真結(jié)果如圖7所示，D-FRAS吞吐量曲線相比其他兩種方式，吞吐量圖像相對靠后，分布更廣泛，性能較好。綜上所述，D-FRAS性能優(yōu)于其他兩種。

圖6 信干噪比仿真圖

4 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有頻率復(fù)用(CFA，PFA，DFA)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種動態(tài)頻率復(fù)用方案(D-FRAS)。Matlab仿真結(jié)果表明，該方案明顯優(yōu)于其他兩種。該方案既能有效抑制跨層干擾，又抑制了同頻Femtocell的同層干擾，并且提高了頻帶利用率。但本文并未考慮信令開銷，而且未考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中其他低功率節(jié)點(diǎn)，如：微微蜂窩(Picocell)，中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Nodes，RN)和遠(yuǎn)端無線射頻單元(Remote Radio Head, RRH)等。目前Femtocell的關(guān)鍵問題，除了干擾技術(shù)，還有自動配置、自動優(yōu)化、移動性管理以及安全性管理，這些將是以后研究的重要方向。

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Femto-Macro Interference Suppression Based on the Frequency Distribution

LI Xu,SHEN Jiaqi

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China)

In order to solve the problem of the interference in a two-tier network consisting of Femtocell and Macrocell, this article proposes a dynamical scheme of frequency assignment between Femtocell and Macrocell based on conventional frequency assignment. The scheme uses the distance determination method to determine whether femtocell is within the scope of macro base station, and the strong interference area determination method to judge whether femtocell base station is interfered by other femtocell base stations. The way of frequency allocation is decided by the above results. Simulation results show the new scheme suppresses the interference and cross layer interference with effectively improved frequency band utilization rate and system capacity.

cellular networks; Femtocell; interference suppression; frequency allocation

2016- 07- 04

李旭(1988-)，女，碩士研究生。研究方向：無線通信。沈佳琪(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：無線通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.025

TN929.5

A

1007-7820(2017)06-092-04