詹志強(qiáng)，尚絳，解悅

（1. 北京郵電大學(xué)，北京 100876；2. 中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011）

基于OFDMA的Femtocell網(wǎng)絡(luò)的高效頻譜分配方案

詹志強(qiáng)1，尚絳2，解悅2

（1. 北京郵電大學(xué)，北京 100876；2. 中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011）

提出了一種自適應(yīng)的頻譜分配方案，以減輕兩層OFDMA網(wǎng)絡(luò)的共信道干擾。該方案利用正交動(dòng)態(tài)頻譜共享以減少宏蜂窩和毫微微蜂窩間的跨層干擾。在該方案中，基于家庭基站間的潛在干擾，采用不同的頻譜分配策略，以降低共層干擾和協(xié)調(diào)之間的信令開(kāi)銷。仿真結(jié)果驗(yàn)證了宏蜂窩和毫微微蜂窩用戶的性能。

femtocell OFDMA 頻譜分配 共信道干擾

1 引言

基于OFDMA的femtocell網(wǎng)絡(luò)己被證實(shí)是克服室內(nèi)覆蓋問(wèn)題、解決系統(tǒng)容量不足的有效技術(shù)。引入femtocell后，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由2個(gè)分開(kāi)的層組成：macrocell層和femtocell層，在采用共信道部署來(lái)提高頻譜利用效率時(shí)，將導(dǎo)致跨層干擾和共層干擾提高。這成為大規(guī)模部署femtocell網(wǎng)絡(luò)主要面臨的問(wèn)題。

目前，已經(jīng)有很多論文在探討解決femtocell的干擾問(wèn)題。研究人員提出了femtocell感知頻譜分配方案[1]，將頻譜分成2個(gè)部分：一部分由宏蜂窩專用；另一部分由宏蜂窩和femtocell共享，以避免上行鏈路的跨層干擾。為了減少跨層干擾和共信道干擾，提出了頻譜共享機(jī)制[2]，即聯(lián)合利用導(dǎo)頻檢測(cè)和頻率復(fù)用。在這個(gè)方案中，femtocell檢測(cè)導(dǎo)頻信號(hào)，并選擇導(dǎo)致宏蜂窩用戶SINR增加的頻率子頻帶，同時(shí)丟棄它又具有最大的接收信號(hào)功率。還有研究人員提出了在基于OFDMA的femtocell網(wǎng)絡(luò)使用頻譜感測(cè)[3]，利用宏小區(qū)的用戶的調(diào)度信息（上行鏈路和下行鏈路）接收自宏小區(qū)基站（MBS）的方式來(lái)提高頻譜感測(cè)結(jié)果。為了減少下行鏈路干擾（包括跨層和共層），另一框架[4]呈現(xiàn)為基于OFDMA的毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)站（FBS），其中使用了毫微微蜂窩基站系統(tǒng)控制器。此方案結(jié)合了動(dòng)態(tài)頻譜分配與毫微微蜂窩基站（FBS）的集群。參考文獻(xiàn)[5]提供了一種節(jié)能的干擾抑制方案，在這個(gè)方案中FBS都集中在基于其地理位置的鄰里區(qū)。通過(guò)降低在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的不必要的可用間隔，將共層的干擾最小化，提出了一種有效的下行鏈路共層干擾管理方案[6]，此方案采用了一種基于分布式頻譜感知的認(rèn)知無(wú)線電方法。在這個(gè)方案中，F(xiàn)BS估計(jì)了共層干擾，它是基于其鄰居之間共享的路徑損耗信息。智能頻譜的接入也能減少干擾。然而，上述一些方案使用一個(gè)固定的分區(qū)，由于不能有效地利用帶寬資源，會(huì)導(dǎo)致吞吐量性能損失，而且在使用這些方案后，系統(tǒng)可能會(huì)背負(fù)大量的信令交互。

本文重點(diǎn)探討在FBS之間的干擾抑制與動(dòng)態(tài)帶寬共享方案，以適應(yīng)每一個(gè)FBS的周邊環(huán)境。為了減少FBS之間的協(xié)調(diào)信令開(kāi)銷，提出一種基于由毫微微用戶設(shè)備（FUEs）檢測(cè)到潛在干擾電平的自適應(yīng)頻譜分配方案。對(duì)于FBSs與低電位干擾電平，隨機(jī)分配子信道采用無(wú)信息交換（在非合作的方式）。具有高電位的干擾電平的FBSS彼此合作，正交共享帶寬，從而消除它們之間的干擾。

2 系統(tǒng)模型

介紹系統(tǒng)模型中使用的一些定義。考慮一個(gè)雙層的基于OFDMA的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)宏小區(qū)擁有3個(gè)扇區(qū)，其覆蓋范圍為六邊形覆蓋區(qū)域，在宏小區(qū)的六邊形覆蓋區(qū)域中心安置一個(gè)宏基站。在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)有一個(gè)街區(qū)，由分布在街道兩旁的建筑構(gòu)成。這兩旁的建筑都有L層，并且有Na公寓。家庭基站隨機(jī)分布在公寓內(nèi)。同時(shí)假設(shè)宏小區(qū)用戶均勻分布在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)。將宏小區(qū)用戶看作室外用戶，家庭基站用戶看作室內(nèi)用戶。在部署家庭基站的公寓內(nèi)，HUE（家庭基站用戶）用戶隨機(jī)分布。

采用在下文將會(huì)描述的共信道和專用信道的聯(lián)合部署[7]?；旌夏Ｐ椭校谝欢ㄇ闆r下，MUE（宏小區(qū)用戶）用戶被允許接入FBS[8]。

假設(shè)每個(gè)用戶需要的平均傳輸速率為Rreq，為了保證傳輸速率，需要的帶寬為：

相應(yīng)的資源塊為：

其中，BRB_unit是一個(gè)資源塊的帶寬，表示小于或等于x的最大整數(shù)。

3 頻譜分配方案

在提出的方案中，消除跨層干擾可以通過(guò)正交動(dòng)態(tài)頻譜分配來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了避免使用相同的子信道，可能導(dǎo)致對(duì)附近的MUE產(chǎn)生高的干擾，F(xiàn)BS允許被干擾的MUE有限的能量。在隨機(jī)接入過(guò)程中，被干擾的MUE可以向干擾其的FBS報(bào)告它的頻譜分配信息。假設(shè)被干擾的MUE所占用的帶寬為。之后FBS將會(huì)避免使用這些子信道以提高M(jìn)UE的性能。

為了減少FBS間的共層干擾，提出的頻譜分配方案由來(lái)源于周圍femtocell小區(qū)的潛在干擾檢測(cè)和相應(yīng)的自適應(yīng)頻譜分配方案組成。

（1）潛在干擾檢測(cè)

由于家庭基站是由用戶部署而不是運(yùn)營(yíng)商，因此家庭基站周圍的環(huán)境也會(huì)隨著時(shí)間改變。來(lái)自于FUEs的測(cè)量報(bào)告可以用于檢測(cè)和收集的信息，如相鄰femtocell小區(qū)的參考信號(hào)接收功率（RSRP）。

RSRPi和RSRPj分別表示家庭基站用戶從為其服務(wù)的家庭基站i和鄰近家庭基站j接收到的RSRP。

如果假設(shè)RSRPi和RSRPj的關(guān)系滿足：

認(rèn)為家庭基站j對(duì)于家庭基站i是潛在的干擾源，其中Rthr是門限值。

考慮到當(dāng)一個(gè)家庭基站的潛在干擾基站數(shù)量較小時(shí)，家庭基站和它的潛在干擾基站同時(shí)共用相同頻譜的可能性很小。設(shè)定一個(gè)閾值mthr為分界點(diǎn)來(lái)決定使用不同的分配方案，這些分配方案將在下文具體講述。

對(duì)于每個(gè)因?yàn)樾^(qū)重選和切換而需要測(cè)量RSRP的家庭基站用戶來(lái)說(shuō)，并不會(huì)因?yàn)樵黾娱_(kāi)銷而使得潛在的干擾者增加。

（2）自適應(yīng)頻譜分配

假定一個(gè)FBS的潛在干擾數(shù)為m，如果m小于閾值mthr，則此FBS會(huì)選擇隨機(jī)頻譜分配方案，在此方案中，該FBS將在可用帶寬中隨機(jī)選擇需要的資源塊。在這種情況下，F(xiàn)BS與其潛在干擾者使用相同頻譜的概率相對(duì)較小。在無(wú)協(xié)調(diào)任何信令交換的情況下，隨機(jī)分配是一個(gè)更好的選擇，以實(shí)現(xiàn)低干擾。當(dāng)家庭基站的FUE的帶寬需求較大時(shí)，頻譜將會(huì)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)重新分配以避免競(jìng)爭(zhēng)。

如果干擾數(shù)m大于閾值mthr，則選用正交頻譜分配方案以避免相鄰FBS間的干擾。該FBS將通知其FUE檢測(cè)潛在的干擾者，要求干擾者FBS來(lái)創(chuàng)建一個(gè)集群，集群中的FBS將采用正交頻譜分配。這里將是2種可能的情況，即干擾者FBS是否屬于另一個(gè)集群。前一種情況，F(xiàn)BS需要返回其頻譜分配信息，并保持其分配不變。假設(shè)符合前者情況的FBS有m0個(gè)，F(xiàn)BSj的帶寬為。對(duì)于不屬于任何其他集群的FBS，則可用的帶寬是不屬于同一集群中的被干擾MUE和其他FBS所使用的子信道部分。可以表示為：

其中，N是可用資源塊數(shù)。

雖然正交信道分配的可用帶寬小于對(duì)同信道分配，但是集群中的HUE可以得到更高的SINR，從而減少所需的資源塊。

4 仿真結(jié)果

本節(jié)將利用仿真來(lái)驗(yàn)證所提出的頻譜分配方案的性能。

用C++程序進(jìn)行仿真。建立的宏小區(qū)模型有7個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有3個(gè)扇區(qū)。根據(jù)3GPP TR36.814采取雙條紋模型作為家庭基站部署模式。公寓的長(zhǎng)、寬、高分別為10m、10m、3m。系統(tǒng)總帶寬為10MHz，共劃分為600個(gè)子載波，50個(gè)資源塊，每個(gè)資源塊由120個(gè)子載波組成。載波頻率為2.0GHz。宏小區(qū)基站和家庭基站的發(fā)射功率分別為46dBm和20dBm。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差為8dB/4dB。MBS/FBS的天線增益為14dB/5dB。室外和室內(nèi)的穿透損耗為20dB/5dB。干擾門限值為3dB。

在此仿真分析中，評(píng)價(jià)所提出的方案的標(biāo)準(zhǔn)是MUE的中斷概率、家庭小區(qū)和宏小區(qū)的平均頻譜效率，以及家庭基站用戶的公平性。將該方案與共信道部署方案進(jìn)行對(duì)比。

圖1顯示出了對(duì)于不同的室內(nèi)MUE分布的MUE中斷概率，F(xiàn)BS的部署比率為100%?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)MUEs室內(nèi)的概率從10%增加到100%時(shí)，提出的頻譜分配方案中的MUEs的平均中斷概率始終小于2%，但對(duì)于同信道部署方案而言，概率甚至提高到了100%（門檻中斷設(shè)置為6dB）?？梢缘贸鼋Y(jié)論，從FBS到MUEs的下行鏈路的同信道干擾由于該FBS避免使用附近MUEs的頻譜資源而降低了。

圖1 不同MUE分布的MUE中斷率

圖2示顯示了被提出的方案和同信道部署方案中宏小區(qū)的平均頻譜效率。可以直接得出，與同信道部署方案相比，所提出的頻譜分配方案中宏小區(qū)的平均頻譜效率增加了18%。在同信道部署方案中，與FBS相鄰近的MUE遭受了下行干擾。然而，在提出的方案中，干擾被大大地減少，從而使宏小區(qū)的平均頻譜效率提高。

從圖3可知，毫微微蜂窩基站的10%的頻譜效率是通過(guò)使用建議的頻譜分配方案提高的，因?yàn)樵谝粋€(gè)集群中的正交頻譜分配機(jī)制，可以減少相鄰FBS之間的干擾，特別是在FBS密集部署時(shí)。

圖2 宏小區(qū)的平均頻譜效率

圖3 毫微微蜂窩基站的平均頻譜效率

在圖4中，毫微微小區(qū)邊緣的家庭基站用戶的平均吞吐量在最壞的性能下所代表的10%，對(duì)比同信道部署方案，提出的方法實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)。

圖4 毫微微小區(qū)邊緣的家庭基站用戶的平均吞吐量

圖5顯示了不同方案下的頻譜利用率的公平性。得到每個(gè)HUE所分配的RB的比值相比于總的RB的結(jié)果，并定義公平性為平均值。

圖5 HUE公平性對(duì)比

圖5中，x軸表示家庭基站的平均負(fù)載，y軸表示HUE間的公平性。從仿真結(jié)果中可以看到，提出的方案相對(duì)共信道部署方案公平性可以提高18%。提出的方案可以更好地滿足HUE的數(shù)據(jù)傳輸速率要求，因?yàn)樵摲桨缚梢愿鶕?jù)HUE的數(shù)據(jù)傳輸速率，分配相應(yīng)的帶寬。

綜上所述，提出的方案不僅可以減少每個(gè)FBS之間的小區(qū)間干擾，而且還可以提高毫微微小區(qū)層的頻譜利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本文中，開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)頻譜分配方案，以減輕共層干擾和跨層干擾。所提出的方案采用了基于不同的潛在干擾的情況下不同的分配策略，以實(shí)現(xiàn)更好的性能，減少信令開(kāi)銷。仿真結(jié)果表明，該方案可以提高頻譜利用率，滿足MUE和HUE的性能需求。

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[8] Jie Zhang, Guillaume de la Roche. Femtocells: Technologies and Deployment[M]. John Wiley and Sons Ltd Publication, 2010: 146-165.★

詹志強(qiáng)：副教授，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于北京郵電大學(xué)，主要研究通信信息系統(tǒng)。

尚絳：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于大連海事大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)交通通信信息中心，主要從事交通信息化及通信導(dǎo)航等領(lǐng)域的研究工作。參加多個(gè)國(guó)家省部級(jí)項(xiàng)目，如國(guó)家發(fā)改委衛(wèi)星專項(xiàng)、交通運(yùn)輸部西部項(xiàng)目及軟課題研究項(xiàng)目等，組織并參與編制交通通信及衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)，其中正式發(fā)布實(shí)施的有6項(xiàng)，在編1項(xiàng)。

解悅：助理工程師，學(xué)士畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)交通通信信息中心北斗工程辦公室，主要研究方向?yàn)楸倍穼?dǎo)航及交通供應(yīng)鏈管理，多年從事高速公路通信及監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和實(shí)施，并參與交通運(yùn)輸部《全國(guó)高速公路光纖通信資源管理研究》軟課題研究及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制工作。

第一線網(wǎng)站榮獲無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)嘉許計(jì)劃獎(jiǎng)項(xiàng)

4月13日第一線宣布，其公司網(wǎng)站榮獲香港無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)嘉許計(jì)劃獎(jiǎng)項(xiàng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)是由香港政府資訊科技總監(jiān)辦公室與平等機(jī)會(huì)委員會(huì)合辦，旨在表彰在其網(wǎng)站及移動(dòng)應(yīng)用程序采用無(wú)障礙設(shè)計(jì)的企業(yè)及機(jī)構(gòu)。第一線的代表及近二百名來(lái)自參與計(jì)劃的公司代表于4月13日出席了無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)嘉許計(jì)劃的頒獎(jiǎng)典禮。

第一線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)聯(lián)席總裁吳海金表示，據(jù)統(tǒng)計(jì)香港有580,000名殘疾人士和超過(guò)150萬(wàn)名60歲以上的長(zhǎng)者，企業(yè)參與無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)嘉許計(jì)劃事在必行，“我們的一小步將可能為有需要人士提供莫大的方便。第一線一直本著‘取諸社會(huì)，用諸社會(huì)’的理念，堅(jiān)守我們?cè)谏鐣?huì)上的崗位，并努力發(fā)揮互助精神。我們將繼續(xù)肩負(fù)使命，在未來(lái)的日子參與更多有意義的活動(dòng)。”

所謂無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)，指的并非是一個(gè)網(wǎng)站在搜索引擎上的可搜索性，更重要的是網(wǎng)站的設(shè)計(jì)是否切合所有人士以不同方式上網(wǎng)的需要。無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)必須針對(duì)殘疾與有特殊困難人士的需要作出相應(yīng)調(diào)整，讓長(zhǎng)者、受色盲困擾的人群、以及患有認(rèn)知和身體不便如讀寫(xiě)困難、癲癇病等人士得以受惠。作為無(wú)障礙網(wǎng)頁(yè)嘉許計(jì)劃獎(jiǎng)項(xiàng)的得獎(jiǎng)?wù)?，參與企業(yè)的網(wǎng)頁(yè)必須符合14項(xiàng)有關(guān)條件，使得上述人士得以享用基本瀏覽功能。（本刊）

An Effi cient Spectrum Allocation Scheme Based on OFDMA for Femtocell Network

ZHAN Zhi-qiang1, SHANG Jiang2, XIE Yue2
(1. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2. China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing 100011, China)

This paper presents an adaptive spectrum allocation scheme to mitigate the co-channel interference for two-tier OFDMA networks. The proposed allocation scheme utilizes a dynamic orthogonal spectrum sharing between macrocell and femtocell to reduce the cross-tier interference. It adopts different spectrum allocation strategies according to the potential interference between femtocells to reduce co-tier interference and coordinate signaling overhead. Simulation results verify the performances of both macrocell and femtocell users.

femtocell OFDMA spectrum allocation co-channel interference

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.07.009

TN929.5

A

1006-1010(2015)07-0042-05

詹志強(qiáng),尚絳,解悅. 基于OFDMA的Femtocell網(wǎng)絡(luò)的高效頻譜分配方案[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(7): 42-46.

2014-04-08

責(zé)任編輯：劉文竹 liuwenzhu@mbcom.cn