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摘要:毫微微小區(qū)(Femtocell)基站外觀與Wi-Fi接入設(shè)備相似，發(fā)射功率小，適用于家庭及辦公室環(huán)境。在分析Femtocell系統(tǒng)的資源復(fù)用模型和接入過程的基礎(chǔ)上，文章針對(duì)宏小區(qū)(Macrocell)和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的干擾問題，通過對(duì)隨機(jī)到達(dá)的用戶合理分配時(shí)頻資源，提出一種功率控制方案。該方案能達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能、降低干擾和提高系統(tǒng)性能的目的。
關(guān)鍵字:毫微微小區(qū)；功率控制；節(jié)能；干擾協(xié)調(diào)
英文摘要:Femtocell is similar to Wi-Fi access devices in appearance and low transmission power. It can therefore be applied in family and office environments. In this paper, wireless resource models and access processes are considered, and a power control scheme is proposed. Time-frequency resources can be reasonably allocated to users who are randomly arrived in order to solve the problem of inteference in macrocell and Femtocell hybrid networks. This scheme can save energy, reduce inteference, and improve system performance.
英文關(guān)鍵字:Femtocell; power control; energy saving; interference coordination
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61071108)
節(jié)約能源、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境是新一代無(wú)線移動(dòng)通信的重要發(fā)展方向，是目前需要研究的緊迫課題。研究表明，未來(lái)超過50%的語(yǔ)音電話和超過70%的數(shù)據(jù)傳輸將在室內(nèi)環(huán)境中發(fā)生[1-2]，包括家里、辦公室、購(gòu)物廣場(chǎng)等。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說，室內(nèi)覆蓋是贏得用戶的關(guān)鍵。為了解決室內(nèi)覆蓋問題，一種稱為毫微微小區(qū)(Femtocell)的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
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用戶的干擾較大，會(huì)造成Femtocell用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)降低；而由于Femtocell對(duì)Macrocell用戶的干擾較小，Macrocell用戶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，此時(shí)Femtocell可以以滿足用戶QoS的最小功率發(fā)射，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這樣的資源分配方式頻帶的利用率較低。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)[5-6]。
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，通過采用慢跳頻技術(shù)來(lái)避免Femtocell用戶和Macrocell用戶之間的相互干擾。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M系數(shù)來(lái)權(quán)衡處理增益，從而減少干擾用戶的平均數(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，以解決跨層干擾問題。在前向鏈路過程中，愛立信提出通過增加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。在反向鏈路過程中，建議根據(jù)Femtocell用戶的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶及相關(guān)的Macrocell用戶。
2 毫微微小區(qū)功控技術(shù)
由于無(wú)線通信系統(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用戶受到的來(lái)自Macrocell基站的干擾比較嚴(yán)重。為了保證Femtocell用戶的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的能耗過大問題值得關(guān)注。
針對(duì)上述問題，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同頻用戶的QoS，F(xiàn)emtocell基站采用滿足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用戶不受Macrocell的同頻干擾，用戶SINR較高，因此Femtocell可以采用較小的發(fā)射功率。這樣做既能滿足用戶的QoS，又能降低能耗，一舉兩得。
