基于小區(qū)分割方案的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能研究

紀(jì)珊珊,,2,, ,

(1.西北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730070; 2.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210003)

0 概述

近年來,隨著智能終端的迅速發(fā)展,移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長。思科報(bào)告預(yù)測,到2020年,全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到每年367.2 EB[1]。為應(yīng)對數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長,業(yè)界積極致力于下一代異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Network,HetNet)的研究。HetNet被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。在HetNet中,網(wǎng)絡(luò)的密集化極大改善了系統(tǒng)的能量效率、頻譜效率以及系統(tǒng)容量,同時(shí)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性[3]。雖然HetNet具有眾多優(yōu)點(diǎn),但為了充分發(fā)揮其潛力,一些關(guān)鍵問題亟待解決[4]。

首先,由于小區(qū)結(jié)構(gòu)重疊造成的干擾問題,在HetNet中,小區(qū)邊緣用戶(Cell Edge User,CEU)從宏基站(Macro Base Station,MBS)接收到的信號(hào)強(qiáng)度較弱,并且受到來自相干信道的強(qiáng)干擾。其次,用戶接入點(diǎn)(例如小小區(qū)、微微小區(qū))產(chǎn)生大量的層間干擾,導(dǎo)致CEU的覆蓋性能受損,傳輸速率降低。另外,小區(qū)邊緣區(qū)域(Cell Edge Region,CER)的低傳輸速率使得CEU的帶寬匱乏。由此可見,沒有恰當(dāng)?shù)母蓴_管理技術(shù),網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受到極大的影響。

本文構(gòu)建一種由宏小區(qū)、毫微微小區(qū)和端到端(Device-to-Device,D2D)網(wǎng)絡(luò)組成的三層HetNet模型,引入小區(qū)分割因子(Cell Split Factor,CSF)R將宏蜂窩用戶(Macro cell User,MU)分為小區(qū)中心用戶(Cell Center User,CCU)和CEU。相應(yīng)地,將總可用頻帶也分為2個(gè)部分,即CCU頻帶和CEU頻帶。CCU頻帶由毫微微小區(qū)用戶(Femtocell User,FU)共享,CEU頻帶由D2D網(wǎng)絡(luò)共享,從而提高頻譜效率。同時(shí),采用隨機(jī)頻譜接入(Random Spectrum Access,RSA)方案分配可用信道。在以上模型和所提方案下,分別研究D2D、FU、CCU和CEU的覆蓋性能。

1 相關(guān)工作

為解決干擾問題并提高CEU性能,文獻(xiàn)[5]提出采用頻率復(fù)用技術(shù)避免干擾。此外,為了保護(hù)CEU,3GPP-LTE版本8引入了部分頻率復(fù)用(Fractional Frequency Reuse,FFR)方案,將一個(gè)小區(qū)分割成2個(gè)或多個(gè)區(qū)域。在該方案中,由于用戶與干擾基站之間距離大,CCU受到相鄰小區(qū)干擾,使得小區(qū)中心區(qū)域(Cell Center Region,CCR)具有較低的頻率復(fù)用因子。然而,CER具有較高的頻率復(fù)用因子。文獻(xiàn)[6-7]使用FFR方案,通過將宏小區(qū)劃分為多個(gè)小區(qū)域來提高CEU的性能,然而其僅考慮了單小區(qū)。文獻(xiàn)[8]提出在多層HetNet中使用FFR方案,借助點(diǎn)過程,得到網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率。文獻(xiàn)[9]考慮將可用信道分為2個(gè)子帶,供上行鏈路和下行鏈路使用,同時(shí)采用隨機(jī)幾何方法,對網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能進(jìn)行研究。在文獻(xiàn)[10]中,FFR的概念被擴(kuò)展到宏小區(qū)和小小區(qū)中。在每個(gè)小區(qū)內(nèi),總帶寬被劃分成W1和W22個(gè)子帶。在宏小區(qū)中,CCR使用W1而CEU使用W2,在小小區(qū)中,CCR使用W2而CEU使用W1。

根據(jù)上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),FFR是減輕同層或跨層干擾的有效方案。此外,針對CCU和CEU,一些新的方案也隨之被提出,例如基于距離的和基于瞬時(shí)SINR的方案[6]。但該方案也有缺點(diǎn)。首先,基于瞬時(shí)SINR的方案使用戶在CCU和CEU之間隨機(jī)切換,使得通過不相交小區(qū)CCU和CEU頻帶的業(yè)務(wù)流耦合。其次,基于距離的方案適于網(wǎng)格模型,但不適于泊松點(diǎn)過程(Poission Point Process,PPP)網(wǎng)絡(luò)模型[11],因?yàn)樵赑PP網(wǎng)絡(luò)模型中,小區(qū)的形狀和大小不規(guī)則。最后,由于CCU頻帶僅由小小區(qū)共享,因此以上方案的頻譜效率很低。眾所周知,在5G的關(guān)鍵技術(shù)中,D2D技術(shù)至關(guān)重要[12]。D2D通信被定義為2個(gè)移動(dòng)用戶之間不經(jīng)過BS或核心網(wǎng)的直接通信[13]。D2D通信的優(yōu)點(diǎn)在于它們不僅可以提高頻譜效率,還可以擴(kuò)展蜂窩覆蓋范圍,提高能量效率。由于D2D傳輸具有非常低的傳輸功率,因此對CEU或CCU的影響非常低,可忽略不計(jì)。為此,結(jié)合D2D構(gòu)建一種三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,使D2D用戶與CEU共享頻段,從而提高系統(tǒng)頻譜效率。

2 系統(tǒng)模型與信道假設(shè)

圖1所示為一種由MBS、毫微微小區(qū)接入點(diǎn)(Femtocell Access Point,FAP)和D2D組成的三層HetNet模型。其中每層網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、路徑損耗指數(shù)和空間強(qiáng)度等各不相同。不失一般性,分別將MBS、FAP和D2D發(fā)射機(jī)的空間位置建模成強(qiáng)度依次為λMB、λFB和λD的獨(dú)立PPP。同時(shí),將MU和FU位置建模成強(qiáng)度為λMU和λFU的獨(dú)立PPP,記作ΦMU和ΦFU。MBS、FAP、CCU、CEU和FU的發(fā)射功率分別為PMB、PFB、PMUC、PMUE和PFU。網(wǎng)絡(luò)模型采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度的用戶關(guān)聯(lián)方案,每個(gè)用戶關(guān)聯(lián)到最近的服務(wù)基站。假設(shè)所有D2D終端間距離為d0,D2D接收機(jī)敏感度為ρd。

圖1 三層HetNet模型

為了便于研究,用x表示傳播距離矢量且設(shè)x=‖x‖,其中‖·‖表示歐幾里德距離。假定α為路徑損耗指數(shù),發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)以x-α的速率衰減。小規(guī)模衰落經(jīng)受瑞利衰落,且信道增益滿足單位功率的獨(dú)立同分布,即h～exp(1)。最后,假設(shè)在帶寬B下總共有N個(gè)可用信道。

3 MU分類與RSA策略

3.1 MU分類與用戶距離統(tǒng)計(jì)說明

3.2 頻帶分配

由于總共有N個(gè)可用信道,因此可以通過引入頻譜分配因子pm來進(jìn)行信道分配?？捎眯诺辣环殖捎糜贑CU和CEU通信的不相交集合C1和C2。pm部分用于CCU通信,且有|C1|=pmN,其中|·|表示集合的基數(shù)。類似地,1-pm部分用于CEU通信,且|C2|=(1-Pm)N。同時(shí),為了提高系統(tǒng)高頻譜效率,FU共享信道C1,D2D網(wǎng)絡(luò)共享信道C2。

3.3 RSA機(jī)制

在RSA策略中,任何信道以完全相同的概率被獨(dú)立和隨機(jī)地分配給小區(qū)用戶。不失一般性,考慮CCU通信的任意信道Ci∈C1。定義NMU為基于最近關(guān)聯(lián)策略與MBS相關(guān)聯(lián)的CCU數(shù)量。 那么,概率質(zhì)量函數(shù)Pr{NMU=n}表示為[15]:

(2)

由于宏小區(qū)中所有的MBS共享信道C1,每個(gè)MBS被分配的信道數(shù)僅取決于與其關(guān)聯(lián)的用戶數(shù)量NCU。因此,一個(gè)MBS可用信道數(shù)為min{NMU,|C1|}。 那么,MBS使用信道Ci∈C1為CCU服務(wù)的概率qcf為:

(3)

當(dāng)采用RSA策略時(shí),條件概率qcf|n為:

類似地,定義qef表示為MBS利用信道C2表示為CEU服務(wù)的概率,那么有:

4 D2D與FU鏈路覆蓋性能

4.1 D2D鏈路SINR覆蓋概率

根據(jù)SINR覆蓋概率的定義,D2D覆蓋概率CD(β)表示為:

(10)

其中,β為SINR門限,結(jié)合式(8)～式(10),可得定理1。

定理1對于提出的三層HeNet模型,D2D用戶與CEU共享CER頻帶,對于一個(gè)給定的SINR門限β,D2D傳輸?shù)腟INR覆蓋概率為:

(11)

4.2 FU上行鏈路SINR覆蓋概率

類似地,FU與CCU共享信道C1,當(dāng)考慮上行鏈路傳輸時(shí),FAP接收到的SINR為:

(13)

因此,FU的上行鏈路覆蓋概率為:

定理2對于提出的三層HetNet模型,FU與CCU共享CCR頻段,FU上行鏈路SINR覆蓋概率為:

該節(jié)研究CCU和CEU上行鏈路SINR覆蓋概率。MBS從CCU頻帶C1分配信道的概率是qcf,即一個(gè)CCU以概率qcf接入信道C1。類似地,CEU以概率qef接入信道C2。

5.1 CCU上行鏈路SINR覆蓋概率

首先考慮CCU上行鏈路,MBS接收到的SINR為:

(18)

因此,rCCU的覆蓋概率是:

CCCU(β)= Pr{rCCU>β}=

xc的PDF為:

結(jié)合式(19)～式(21),可得定理3。

定理3在提出的三層HetNet模型中,任一 CCU上行鏈路SINR覆蓋概率為:

(22)

5.2 CEU上行鏈路SINR覆蓋概率

類似地,由于CEU和D2D用戶共享CER頻帶,MBS接收到的SINR為:

(27)

(28)

(29)

Xe是MBS與其相關(guān)聯(lián)CEU的距離。因此,根據(jù)CEU定義,Xe大于xe的概率為:

最后，結(jié)合覆蓋概率定義，得到定理4。

定理4 對于提出的三層HetNet 模型，CEU 上行鏈路的SINR 覆蓋概率為:

6 數(shù)值與仿真分析

假定宏小區(qū)、毫微微小區(qū)和D2D 網(wǎng)絡(luò)路徑損耗指數(shù)均為α = 4; MBS 和FAP 發(fā)射功率分別為PMB =5 W 和FFB = 0.2 W，CCU、CEU 和FU 的發(fā)射功率PMUE = 0.1 W，PMUE = 1 W 和PFU = 0.1 W; 網(wǎng)絡(luò)元素強(qiáng)度分別為λMB = 1 × 10-6，λFB = 10 × 10-6，λMU =10 × 10-6，λFU = λFB = 10 × 10-6，λD = 50 × 10-6; D2D接收機(jī)敏感度ρd = - 80 dBm。上行鏈路和D2D 傳輸?shù)腟INR覆蓋門限值β = 1 dB。D2D 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的最大距離為d0 = 50 m?？捎每傂诺罃?shù)N = 50。

圖2研究了D2D鏈路的SINR覆蓋概率，圖2(a)是SINR覆蓋概率與不同小區(qū)分割因子R和宏小區(qū)用戶強(qiáng)度λMU的關(guān)系。λMU增大導(dǎo)致D2D接收端干擾增大，隨著λMU的增大，D2D鏈路的SINR覆蓋概率減小。根據(jù)系統(tǒng)模型，CCR和用戶數(shù)量隨著R的減少而單調(diào)增加，R的增大導(dǎo)致D2D鏈路覆蓋概率提高。圖2(b)是D2D鏈路覆蓋概率與λMB的關(guān)系，D2D鏈路的覆蓋概率隨著λMB的增大而增大。這是因?yàn)棣薓B的增大導(dǎo)致D2D發(fā)射機(jī)的能量效率增大，由此D2D鏈路覆蓋性能提高。圖2(b)還給出了ρd和pm對D2D 覆蓋概率的影響。

圖2 不同參數(shù)下的D2D 鏈路覆蓋概率

圖3 是不同λFU下CCU 上行鏈路覆蓋概率與λMU的覆蓋概率的關(guān)系。當(dāng)λMU相對較小時(shí)，CCU上行鏈路覆蓋概率隨λMU增大而增大; 當(dāng)λMU較大時(shí)，覆蓋概率會(huì)逐漸減小。觀察結(jié)果表明，λMU的增大并不總是有益于CCU上行覆蓋概率。這是由于: 當(dāng)λMU較小，特別是λMU＜ λMB時(shí)，MU 以較高的概率關(guān)聯(lián)到MBS，因此，宏小區(qū)的吞吐量和覆蓋概率都隨λMU增大; 相反，當(dāng)λMU相對較大時(shí)，特別地λMU＞ λMB時(shí)，MU 上行鏈路受到來自于其他MU 上行鏈路的嚴(yán)重干擾，因此，覆蓋概率隨λMU減小。對于λFU的影響來說，由于受到來自FU上行鏈路的干擾，CCU 鏈路的覆蓋概率隨λFU增大而減小。

圖3 CCU 上行鏈路覆蓋概率與λMU的對應(yīng)關(guān)系( N = 60)

圖4 給出了不同參數(shù)下CEU 上行鏈路的覆蓋概率。

圖4 不同參數(shù)下的CEU 上行鏈路覆蓋概率

雖然CEU 上行鏈路覆蓋概率在λD增大時(shí)減小，但當(dāng)λD遠(yuǎn)大于λMU時(shí)性能損失可以忽略。也就是說，當(dāng)λD相對較小時(shí)，D2D 對宏小區(qū)的影響很小，網(wǎng)絡(luò)頻譜效率大大提高。此外，觀察圖4(b) 可以發(fā)現(xiàn)，CEU 上行鏈路覆蓋概率隨λMB增大而增大，這是因?yàn)樾诺婪峙浣oMU 的概率減小，使用該信道的MU的覆蓋干擾降低。結(jié)果，CEU 上行鏈路的SINR 覆蓋概率增大。

圖5 給出了參數(shù)pm 和R 對于CCU 和CEU 上行鏈路覆蓋概率的聯(lián)合影響。首先，CCU 上行鏈路覆蓋概率隨著pm的增大而增大，而CEU 上行鏈路覆蓋率減小。這是因?yàn)殡S著pm的增大，更多的信道被分配給CCU，使用同一信道的CCU 數(shù)量減少，并且CCU 接收機(jī)的干擾減少。因此，提高了CCU的性能。相反，當(dāng)pm減小時(shí)，分配給CEU 的信道減少，使用同一信道的CEU 數(shù)量增加，使得每個(gè)接收機(jī)的干擾增加。同時(shí)，該圖也描述了CCU 鏈路覆蓋概率與小區(qū)分割因子R 的關(guān)系。隨著R 的減小，CCU 鏈路的覆蓋概率大大提高。其原因是，隨著R 的減小，CCR 單調(diào)遞減，CCR 中被激活的用戶數(shù)量減少，CCU 上行鏈路接收到的干擾也下降。因此，CCU 的覆蓋性能大大提高。然而，觀察圖5(b)發(fā)現(xiàn)，小區(qū)分割因子R 對CEU 鏈路的影響較小。

圖5 pm和R 對上行鏈路覆蓋概率的聯(lián)合影響

7 結(jié)束語

本文研究了由宏小區(qū)、微微蜂窩小區(qū)和D2D 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。為了保證CEU 的傳輸，基于小區(qū)分割方案以及分割因子R，將MU 劃分為CCU 和CEU。同時(shí)，利用RSA 策略將總可用頻帶依據(jù)pm 劃分為2 個(gè)部分，其中，CCU 與FU 共享CCU 頻帶，CEU 與D2D 共享CEU 頻帶。在此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型下，分別研究了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對D2D、FU、CCU 和CEU 鏈路覆蓋性能的影響，得到了各自的SINR 覆蓋概率。研究表明，有效的小區(qū)分割與合理的頻帶分配能改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能，所得結(jié)果對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，下一步將分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物理層安全性能，并在被動(dòng)竊聽環(huán)境下研究CCU 和CEU 的安全概率。