通過(guò)Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)控制達(dá)到抗干擾與節(jié)能的作用

在宏小區(qū)（Macrocell）和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)中，有兩種資源分配方式：一種是兩種網(wǎng)絡(luò)共享頻譜資源，另一種是兩種網(wǎng)絡(luò)采用相互正交的頻譜資源[3-4]。

如果Femtocell采用與Macrocell相同的頻譜資源，由于Macrocell基站的功率較大，而Femtocell基站的功率較小，因Macrocell對(duì)Femtocell用戶(hù)的干擾較大，會(huì)造成Femtocell用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）降低；而由于Femtocell對(duì)Macrocell用戶(hù)的干擾較小，Macrocell用戶(hù)受到的影響可忽略不計(jì)。

如果Femtocell采用與Macrocell正交的頻譜資源，則兩種網(wǎng)絡(luò)互不干擾。由于目前通信系統(tǒng)的頻帶資源極為寶貴，這種相互正交分配資源的方式造成了資源的極大浪費(fèi)。

本文在綜合分析干擾、頻帶利用率和能耗的情況下，將兩種資源分配方式相互結(jié)合，提出了一種基于動(dòng)態(tài)資源分配的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，從而達(dá)到節(jié)約能源、降低干擾和提高系統(tǒng)性能的目的。

1 毫微微小區(qū)中降低干擾的方法

針對(duì)Femtocell，現(xiàn)在已經(jīng)有一些降低干擾的方法。

（1）干擾避免

由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特殊，在Femtocell網(wǎng)絡(luò)中單一的干擾抑制技術(shù)是無(wú)效的。采用串行干擾抵消技術(shù)是將接收到的信號(hào)減去最強(qiáng)的臨近干擾，從而起到信號(hào)還原的作用。如果干擾抵消不準(zhǔn)確，抗干擾效果會(huì)很差。由于Femtocell設(shè)備的低成本要求，F(xiàn)emtocell的基站和發(fā)射器必須復(fù)雜度低，使得串行干擾抵消技術(shù)的不易實(shí)現(xiàn)，所以干擾抵消技術(shù)不能滿(mǎn)足Femtocell的要求。在Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于干擾避免技術(shù)是避免干擾而不是抑制干擾，因此減少干擾是更為有效的方法。對(duì)于碼分多址復(fù)用（CDMA）系統(tǒng)，由于Femtocell網(wǎng)絡(luò)采用頻率復(fù)用技術(shù)，當(dāng)宏單元和Femtocell用戶(hù)使用共同帶寬時(shí)，干擾避免是采用跳時(shí)技術(shù)和定向天線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以提供7倍的系統(tǒng)容量改善。

（2）跳頻與跳時(shí)技術(shù)

在GSM網(wǎng)中，通過(guò)采用慢跳頻技術(shù)來(lái)避免Femtocell用戶(hù)和Macrocell用戶(hù)之間的相互干擾。同樣，跳頻正交頻分多址（OFDMA）網(wǎng)絡(luò)使用隨機(jī)子信道分配，以減少與周邊基站持續(xù)干擾的概率。在跳時(shí)CDMA中，CDMA的持續(xù)時(shí)間被分散在M個(gè)時(shí)隙中，用戶(hù)將隨機(jī)選擇發(fā)送時(shí)隙或者發(fā)送時(shí)隙保持靜默。隨機(jī)跳時(shí)技術(shù)通過(guò)M系數(shù)來(lái)權(quán)衡處理增益，從而減少干擾用戶(hù)的平均數(shù)量。這種方法就是改變現(xiàn)有的CDMA Macrocell的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)Femtocell技術(shù)。

（3）自適應(yīng)功率控制

Femtocell（例如Sprint公司的Airave Femtocell）使用自適應(yīng)方案來(lái)調(diào)節(jié)Femtocell的發(fā)射功率，以解決跨層干擾問(wèn)題。在前向鏈路過(guò)程中，愛(ài)立信提出通過(guò)增加Femtocell和Macrocell之間的距離來(lái)降低Femtocell發(fā)射功率，從而減少對(duì)宏單元用戶(hù)的干擾。這種折衷的方法將減小Femtocell的家庭覆蓋范圍。在反向鏈路過(guò)程中，建議根據(jù)Femtocell用戶(hù)的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶(hù)及相關(guān)的Macrocell用戶(hù)。

2 毫微微小區(qū)功控技術(shù)

由于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的頻帶資源有限，Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)一般使用相同的頻譜資源，以便增加系統(tǒng)的頻譜利用率。在這種資源分配方式下，下行鏈路Femtocell用戶(hù)受到的來(lái)自Macrocell基站的干擾比較嚴(yán)重。為了保證Femtocell用戶(hù)的QoS，要求Femtocell基站以較大的功率發(fā)射信號(hào)。因此傳統(tǒng)的Femtocell系統(tǒng)中所有Femtocell基站都采用了最大功率發(fā)射，即使在干擾很小的情況下，也采用了很大的發(fā)射功率，造成能源非常浪費(fèi)。

雖然Femtocell基站的發(fā)射功率比Macrocell基站低得多，但其基站數(shù)目卻是Macrocell基站的幾十倍甚至上百倍，因此Femtocell的能耗過(guò)大問(wèn)題值得關(guān)注。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)資源分配的功率控制方法。首先，在傳統(tǒng)的模型基礎(chǔ)之上，改變Femtocell的功率，使每個(gè)Femtocell都以最小的功率發(fā)射。同時(shí)，結(jié)合接入控制，使每個(gè)用戶(hù)信號(hào)在隨機(jī)的時(shí)間間隔點(diǎn)到達(dá)且占用隨機(jī)的服務(wù)時(shí)間，由系統(tǒng)在每個(gè)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)時(shí)為其合理分配資源。接著在模型中加入功率控制，即Femtocell的發(fā)射功率隨著每個(gè)用戶(hù)的信號(hào)與干擾噪聲比（SINR）情況而改變，F(xiàn)emtocell與Macrocell存在同頻干擾時(shí)，增大Femtocell的發(fā)射功率；當(dāng)同頻干擾結(jié)束時(shí)，F(xiàn)emtocell恢復(fù)到原來(lái)的最小功率值。

如圖1所示。當(dāng)Femtocell復(fù)用了Macrocell的資源，即資源匱乏時(shí)，為了保證Femtocell同頻用戶(hù)的QoS，F(xiàn)emtocell基站采用滿(mǎn)足QoS的較大的發(fā)射功率。

如圖2所示。當(dāng)Femtocell不復(fù)用Macrocell的資源，即資源充裕時(shí)，F(xiàn)emtocell用戶(hù)不受Macrocell的同頻干擾，用戶(hù)SINR較高，因此Femtocell可以采用較小的發(fā)射功率。這樣做既能滿(mǎn)足用戶(hù)的QoS，又能降低能耗，一舉兩得。

3 毫微微小區(qū)系統(tǒng)功控流程建模

在混合網(wǎng)絡(luò)中Macrocell和Femtocell是共享資源。相對(duì)與Femtocell基站的干擾而言，Macrocell基站的干擾要大很多。在考慮Femtocell基站功控的同時(shí)，我們應(yīng)該盡量避免Femtocell與本小區(qū)的Macrocell的復(fù)用，所以在給Macrocell用戶(hù)分配資源時(shí)，要盡可能避免與本小區(qū)中正服務(wù)的Femtocell用戶(hù)復(fù)用。鑒于此，本文給出Femtocell分配資源流程圖和Macrocell分配資源流程圖。

對(duì)于Femtocell用戶(hù)，資源分配的流程如圖3所示。對(duì)于Macrocell用戶(hù)，資源分配的流程如圖4所示。

Femtocell的功率可以動(dòng)態(tài)改變。隨著Macrocell同頻資源的釋放，F(xiàn)emtocell用戶(hù)不再受到來(lái)自Macrocell的同頻干擾，F(xiàn)emtocell便可將發(fā)射功率降低；隨著系統(tǒng)逐漸飽和，時(shí)頻資源復(fù)用情況增多，同頻干擾逐漸增大，F(xiàn)emtocell的發(fā)射功率則需要提高，甚至恢復(fù)到無(wú)功控時(shí)的發(fā)射功率。本文將無(wú)功控的Femtocell發(fā)射功率設(shè)為最大功率。實(shí)際中Femtocell的功控流程如圖5所示。

在下行鏈路中，由于用戶(hù)可能接入Macrocell，也可能接入Femtocell，因此分別討論兩種情況下對(duì)用戶(hù)信干噪比（SINR）的計(jì)算。

對(duì)接入服務(wù)小區(qū)Macrocell的用戶(hù)：

式中：Pm'為用戶(hù)接收到服務(wù)Macrocell的信號(hào)強(qiáng)度，Pm'為用戶(hù)接收到的非服務(wù)Macrocell的信號(hào)強(qiáng)度，Pf 為Femtocell對(duì)Macrocell用戶(hù)的干擾，N為噪聲功率。

對(duì)接入服務(wù)小區(qū)Femtocell的用戶(hù)：

式中：Pm為用戶(hù)接收到服務(wù)Femtocell的信號(hào)強(qiáng)度，Pm為用戶(hù)接收到的Macrocell的信號(hào)強(qiáng)度，Pf ' 為其他Femtocell對(duì)用戶(hù)的干擾，N為噪聲功率。

總的來(lái)說(shuō)：

其中：

將其轉(zhuǎn)化為分貝形式，用戶(hù)SINR的計(jì)算公式為：

SINR（dB）=Pt +Gt -ShadowFading

-PathLoss-PN -Itotal +Gr （5）

其中等式右邊各項(xiàng)參數(shù)：Pt為信號(hào)發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線(xiàn)增益，ShadowFading為陰影衰落，PathLoss為路徑損耗，PN為噪聲功率，Itotal為小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的總干擾，Gr為接收天線(xiàn)增益。

4 系統(tǒng)性能仿真與分析

圖6所示為本文所仿真的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)，其中Macrocell引用了一個(gè)簡(jiǎn)單的WiMAX系統(tǒng)模型[7-8]。圖中，右側(cè)的矩形表示整個(gè)頻率資源，小區(qū)中央的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射塔為基站（BS），小區(qū)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)為Femtocell基站（HBS）。其中，Macrocell和Femtocell共享整個(gè)頻帶。Femtocell主要分布于室內(nèi)，因此路徑損耗模型中也包括穿透損耗。

在這種兩層網(wǎng)絡(luò)中，下行鏈路中涉及到的路徑損耗鏈路包括：鏈路BS→mue（mue為接入Macrocell基站的用戶(hù)），鏈路BS→hue（hue為接入Femtocell基站的用戶(hù)），鏈路HBS→mue，當(dāng)前接入的鏈路HBS→hue，周?chē)渌溌稨BS→hue。

路徑損耗模型的計(jì)算公式如表1所示。表1中：L為穿透損耗，單位為dB；d為基站到用戶(hù)的距離，單位為km。

對(duì)接入模型進(jìn)行仿真，由于用戶(hù)到達(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間分別是服從參數(shù)為λ和μ的指數(shù)分布，因此，仿真結(jié)果會(huì)隨著服務(wù)時(shí)間和到達(dá)時(shí)間的改變而改變。

當(dāng)λ=5，μ=100時(shí)，仿真參數(shù)采用表2中的參數(shù)值，可以得到功控混合網(wǎng)絡(luò)的SINR累計(jì)分布函數(shù)如圖7（b）所示。將圖7（b）與圖7（a）相比，可以看出，Macrocell的性能幾乎沒(méi)有改變，而Femtocell性能改善很多，之前SINR小于10 dB的用戶(hù)概率大約為40%，而在本模型中不到10%。更多的Femtocell用戶(hù)可以選擇高調(diào)制編碼方式，系統(tǒng)吞吐率也大大提升。另外，F(xiàn)emtocell采用最小功率發(fā)射，更加節(jié)約能源，對(duì)人體的電磁輻射也大大降低。

圖8所示為加入功控的系統(tǒng)與未加功控的系統(tǒng)吞吐率隨著時(shí)間的變化曲線(xiàn)，其中系統(tǒng)吞吐率為兩種系統(tǒng)吞吐率之和。從圖中可以看出，當(dāng)用戶(hù)從t =0時(shí)刻開(kāi)始到達(dá)，隨著用戶(hù)的增大，系統(tǒng)的吞吐率逐漸增大。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到飽和后，系統(tǒng)的吞吐率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

比較圖8中上下兩條曲線(xiàn)可以看出，加入功率控制后，系統(tǒng)飽和時(shí)的吞吐率比沒(méi)有加入功率控制前增大了。因此我們可以認(rèn)為，功率控制對(duì)降低系統(tǒng)干擾，提升系統(tǒng)性能效果明顯。

圖9為系統(tǒng)飽和吞吐率隨Femtocell數(shù)目增加的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，隨著每個(gè)Macrocell中Femtocell數(shù)目的增加，混合系統(tǒng)的飽和吞吐率不斷提高。由于加入功控實(shí)際上是提高了Femtocell用戶(hù)的SINR，因此在一定范圍內(nèi)，隨著Femtocell數(shù)目的增加，加功控系統(tǒng)的飽和吞吐率比不加功控系統(tǒng)的高，且差距不斷增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)的組合部署，僅僅毫微微小區(qū)系統(tǒng)的24小時(shí)開(kāi)通平均功耗即可降低30%以上，單站點(diǎn)一年節(jié)省電耗6300 kWh。而基站功耗的減少，又使得相關(guān)的供電設(shè)備、散熱設(shè)備、維護(hù)設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備的數(shù)量和功耗也隨之降低，再配合新型能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能的應(yīng)用，可節(jié)省約50%的整網(wǎng)能源消耗。

本文提出了一種Macrocell小區(qū)和Femtocell小區(qū)混合網(wǎng)絡(luò)中基于動(dòng)態(tài)資源分配的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。仿真結(jié)果表明，加入功控后，不僅可以降低能耗，還可以提高Femtocell用戶(hù)的SINR，從而提高整個(gè)混合系統(tǒng)的吞吐率。本文在考慮功控的同時(shí)還考慮了混合小區(qū)的干擾避免策略，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的Macrocell和Femtocell的混合網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面更具優(yōu)勢(shì)。