異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路層間協(xié)作功率控制算法研究*

陳婧婧，蔣占軍，滕世海

(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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異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路層間協(xié)作功率控制算法研究*

陳婧婧，蔣占軍，滕世海

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

為了克服Femtocell網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署所帶來的干擾問題，采用對Femtocell基站發(fā)送功率控制的方法。針對Femtocell網(wǎng)絡(luò)邊緣Macrocell用戶所受到的強下行鏈路跨層干擾，通過比較Femtocell用戶和Macrocell用戶的信干噪比(SINR)與最小SINR閾值的關(guān)系，提出了基于Femtocell用戶路徑損耗的Femtocell基站發(fā)送功率自適應(yīng)調(diào)整算法，從而提高了Macrocell用戶的通信質(zhì)量。通過仿真驗證，該方法使得Macrocell用戶所受干擾明顯降低，整體網(wǎng)絡(luò)性能得以提升。

Femtocell；下行鏈路；功率控制；信干噪比

0 引言

隨著無線通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對通信需求日益提高，移動通信由語音業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[1]。最近行業(yè)報告估計，2011年到2016年，全球移動數(shù)據(jù)流量將增加18倍，并且，大部分移動數(shù)據(jù)量來源于室內(nèi)。隨著移動數(shù)據(jù)量的增加，對信道容量有了更高的要求[2]。為了滿足全球數(shù)據(jù)通信速率提高的要求，3GPP提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，由Femtocell網(wǎng)絡(luò)和Macrocell網(wǎng)絡(luò)及中繼站構(gòu)成[3]。大規(guī)模部署Femtocell網(wǎng)絡(luò)可以解決室內(nèi)覆蓋及信道容量問題，使得位于Macrocell網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)得以提高。

Femtocell技術(shù)的應(yīng)用雖然較好地解決了室內(nèi)覆蓋問題，為用戶提供了更高的數(shù)據(jù)速率和低成本業(yè)務(wù)，但是由于無線頻譜資源的有限性，F(xiàn)emtocell基站(Femtocell Acess Point，F(xiàn)AP)和宏基站(Macrocell Base Station，MBS)采用同頻分配[4]，當大規(guī)模部署FAP時，會產(chǎn)生Femtocell網(wǎng)絡(luò)與Macrocell網(wǎng)絡(luò)的跨層干擾，以及Femtocell網(wǎng)絡(luò)之間的同層干擾，造成用戶數(shù)據(jù)吞吐量降低，甚至發(fā)生掉話，影響用戶滿意度。因此，有必要對Femtocell網(wǎng)絡(luò)進行功率控制，降低對相鄰Femtocell用戶(Femtocell User Equipment， FUE)以及Macrocell用戶(Macrocell User Equipment，MUE)的干擾[5]。相關(guān)文獻提出可以通過終端移動性信息，自適應(yīng)調(diào)整Femtocell網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通過功率控制使其最大化覆蓋范圍的同時，對周圍宏用戶的干擾盡量減少[6]?；蛘逨UE通過估量從Macrocell網(wǎng)絡(luò)層受到的全部干擾來調(diào)整自身發(fā)送功率，但是這種算法也需要知道Macrocell網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的噪聲干擾及干擾電平，增加了復(fù)雜性，因為干擾電平通過回程鏈路獲得，有時延的存在，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體性能[7]。同時也有避免跨層干擾的方法，通過基于跨層干擾信息重新分配蜂窩間的功率和子信道[8]。文獻[9]通過應(yīng)用信息論的知識，對分層網(wǎng)絡(luò)的干擾管理問題進行了分析，得出了每個蜂窩室外用戶和室內(nèi)用戶的總和速率，證明了干擾管理技術(shù)的性能優(yōu)點。

本文主要研究在Macrocell/Femtocell雙層網(wǎng)絡(luò)部署場景下，針對Femtocell網(wǎng)絡(luò)下行鏈路進行干擾管理，通過計算FUE及MUE所受信干噪比(SINR)，設(shè)定FUE的SINR閾值，判斷用戶是否受到嚴重干擾，對Femtocell基站進行功率控制，在保證自身FUE用戶QoS的前提下對周圍MUE的干擾盡量減少。最后通過仿真與基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽模式的智能功率控制方法[10]進行比較，結(jié)果表明本文所提出的方法優(yōu)于智能功率控制，不僅有效提高了網(wǎng)絡(luò)性能，而且對同層干擾和跨層干擾起到了較好的削弱作用。

1 系統(tǒng)模型

由Femtocell/Macrocell組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)由1個半徑為R的MBS和20個半徑為r的FAP組成，F(xiàn)AP分布在MBS的覆蓋邊緣，每個FAP包含5個FUE，在其覆蓋的邊緣均勻隨機分布10個MUE，F(xiàn)AP采用閉合接入方式。

圖1 Femtocell/Macrocell雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

Femtocell網(wǎng)絡(luò)的引入使得原有網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因此，干擾場景也有所變化[5]。如圖中干擾1所示，當MUE位于FAP覆蓋范圍內(nèi)且距離MBS較遠時，接收到的MBS的信號比較差，若此時FAP以固定功率發(fā)送信號，且只允許授權(quán)的FUE 接入，則會對周圍MUE產(chǎn)生較強的干擾，甚至使MUE發(fā)送掉話，形成MBS基站覆蓋的“盲區(qū)”，因此會產(chǎn)生嚴重的下行鏈路跨層干擾；當FAP距離MBS較近時，同樣會受到來自MBS的跨層干擾，如干擾2所示。同時，大規(guī)模地部署FAP也會使Femtocell網(wǎng)絡(luò)間發(fā)生同層干擾，如干擾3所示，當FAP之間部署距離較近時，為保證自身用戶的通話質(zhì)量，會對相鄰FUE產(chǎn)生同層干擾，這種干擾當FAP采用閉合接入時更加突出。本文主要針對跨層干擾進行了研究，提出了一種較為可行的功率控制方法。

2 功率控制

2.1 FAP發(fā)送功率計算

若每個部署的FAP為保證自身用戶的QoS以固定功率發(fā)送信號，則會產(chǎn)生很強的干擾，影響通信質(zhì)量。采用下行鏈路功率控制方法可以降低對周圍MUE的跨層干擾和鄰近FUE的同層干擾。文獻[10]提出了一種智能電源控制的功率控制方法，F(xiàn)AP基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽模式來測量MBS在FAP處的干擾功率，通過式(1)調(diào)整發(fā)送功率：

Pt=max(min(αPm+β,Pfmax),Pfmin)

(1)

其中，Pfmax和Pfmin分別為FAP最大發(fā)送功率和最小發(fā)送功率。Pm為用戶在FAP處所接收到的來自MBS的最強干擾功率，α為根據(jù)MBS半徑大小可以調(diào)整的線性參數(shù)，β為室內(nèi)損失的功率補償。本文在以上公式的基礎(chǔ)上，對發(fā)送功率進行了調(diào)整，當每次接入新的FUE時，重新選擇距離FAP最遠的FUE，并且計算出SINR，若FUE的SINR大于SINR的閾值，則通過式(2)調(diào)整發(fā)送功率。

Pt=min(max(Pfmax×(L(d)-Lmax(d)),Pfmin)，Pfmax)

(2)

如果FUE受到較強干擾，SINR低于閾值時，則FUE無法正常通信，僅根據(jù)式(2)不能準確計算FAP發(fā)送功率，需要對FAP發(fā)送功率進行補償，可通過下面公式計算得出：

Pt=min(max(Pfmax×(L(d)-Lmax(d))+I,Pfmin),Pfmax)

(3)

式中Pfmin與FUE所需QoS的最小SINR閾值有關(guān)，L(d)為FAP與FUE之間的路徑損耗，I為功率補償，為當前FUE的SINR與SINR閾值之差，可通過式(4)計算得出:

I=γFUE-γthr

(4)

2.2 傳播模型

本文所采用的是第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP) LTE-Advanced城市部署路徑損耗模型，MBS及FAP與用戶之間的路損通過式(5)、(6)計算得出：

(5)

LF(dB)=127+30log10(d/1 000)

(6)

其中，D和d分別為用戶與MBS和FAP之間的距離，單位為m，Low為穿透損耗。

2.3 SINR計算

MUE下行鏈路SINR計算如下:

(7)

其中，Pm、Pf分別為MBS、FAP的發(fā)送功率，Gmi、Gfi分別為第i個MUE與MBS和FAP之間的增益，N0為加性高斯白噪聲。

FUE下行鏈路SINR計算如下：

(8)

其中，Pf為服務(wù)FUE的基站發(fā)送功率，Pk為干擾FUE的其他FAP基站發(fā)送功率，Gmj、Gfj分別為第j個FUE與MBS和所受服務(wù)的FAP之間的增益，Gkj為第j個FUE與所受干擾基站FAP之間的增益。

基于距離協(xié)助的功率控制算法通過計算FUE與MUE的SINR，判斷用戶是否受到較強干擾，通過調(diào)整FAP發(fā)送功率，在保證自身FUE的通信質(zhì)量的前提下對周圍的MUE干擾盡量降低。

3 仿真分析

采用功率控制一方面保證了FAP對FUE的覆蓋，另一方面也降低了對MUE所產(chǎn)生的跨層干擾。在本文的仿真中，采用閉合接入方式，對FUE及MUE的SINR通過設(shè)定不同的閾值進行了仿真比較，同時與智能功率控制方法也進行了對比。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

基于FUE的SINR閾值對FAP的發(fā)送功率進行調(diào)整比較簡單可行。

圖2仿真結(jié)果為MUE與FUE在不同閾值條件下的平均SINR變化，從圖中可以看出在采用功率控制后MUE的平均SINR明顯提高。當FUE的SINR閾值越低時，MUE的平均SINR越高。當閾值在-4 dB和4 dB時，本文所提出的功率控制方法優(yōu)于智能功率控制，使得MUE的SINR提高了1倍多，當閾值為12 dB時，智能功率控制方法較好一些。

圖3的仿真圖為FAP采用功率控制后授權(quán)FUE在不同SINR閾值條件下的平均SINR變化情況。從圖中可以看出，在采用功率控制后FUE的平均SINR有所降低，但都基本大于最低閾值-4 dB，滿足QoS要求的最低水平。當FUE的SINR閾值越低時，其平均SINR越小，與MUE的平均SINR的變化剛好相反。當閾值在-4 dB，本文所提出的功率控制方法不如智能功率控制方案好，但此時MUE的平均SINR較高，則在-4 dB時不僅滿足FUE的最小SINR閾值條件，同時降低了周圍MUE所受到的干擾，使得通信質(zhì)量有了比較理想的提高。

圖2 MUE的平均SINR

圖3 FUE的平均SINR

圖4和圖5為MUE及FUE在不同SINR條件下的中斷概率仿真圖。從圖4中可以看出，MUE在未采用下行鏈路功率控制，且當SINR為0 dB時，MUE的中斷概率為1，說明無法與MBS正常通信。

圖4 MUE中斷概率

圖5 FUE中斷概率

當FUE的SINR閾值越低時，MUE的中斷概率越小。MUE的中斷概率在FUE的SINR閾值為-4 dB時，本文所提出的方法明顯低于智能功率控制方法。從圖5中可以看出采用功率控制后的中斷概率大于未采用功率控制時的中斷概率，并且隨著SINR的增大，F(xiàn)UE的中斷概率不斷增大。當FUE的SINR閾值越大時，F(xiàn)UE的中斷概率越小，與MUE的中斷概率的變化剛好相反，則在FAP發(fā)射功率逐漸降低的同時，MUE的中斷概率逐漸減小，使得MUE能正常通信。

4 結(jié)束語

Femtocell是一種新型室內(nèi)覆蓋技術(shù)，在未來的室內(nèi)通信中占有重要的地位。Femtocell 可以由用戶自主購買和安裝，較為方便，但由于Femtocell位置和數(shù)量的不確定性，造成了 Femtocell網(wǎng)絡(luò)與Macrocell網(wǎng)絡(luò)之間的跨層干擾，對整個通信系統(tǒng)的性能造成了嚴重影響。本文所提出的方法很好地解決了這一問題，F(xiàn)UE所在的最遠位置影響著Femtocell網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，F(xiàn)AP發(fā)送功率的調(diào)整在滿足FUE的QoS的前提下又降低了對其網(wǎng)絡(luò)周圍MUE的干擾，與智能功率控制方法相比，使MUE的平均SINR有很好的提高。本文主要研究了跨層干擾，對于閉合接入方式下位于FAP邊緣的FUE所受到的同層干擾將在下一步研究解決。

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A downlink interlayer collaborative power control scheme for heterogeneous network

Chen Jingjing, Jiang Zhanjun, Teng Shihai

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to overcome the interference problem caused by the large-scale deployment of Femtocell network, the method of transmitting power control to Femtocell base station is adopted. As for Macrocell users that around the Femtocell network suffered strong cross-layer downlink interference, through the comparison of the relationship between Femtocell and Macrocell users’SINR and the minimum threshold SINR, an adaptive control algorithm for Femtocell base station transmission power based on the Femtocell users path loss is proposed. Thereby the Macrocell users’ communication quality is improved. Simulation results show that this way can reduce the interference of Macrocell users, and overall network performance can be improved.

Femtocell; downlink; power control; SINR

國家自然科學(xué)基金資助項目(61261014)

TN929.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.019

陳婧婧，蔣占軍，滕世海.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路層間協(xié)作功率控制算法研究[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(13)：62-65.

2017-01-14)

陳婧婧(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理。

蔣占軍 (1975-)，男，博士研究生，教授，主要研究方向：無線移動通信。

滕世海(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信。