飛小區基站的自配置功率機制

徐鵬，方旭明，向征，何蓉

（1. 西南交通大學 信息編碼與傳輸四川省重點實驗室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 數學學院，四川 成都 610031；3. 中國民航飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307）

1 引言

目前越來越多的飛小區(femtocell)由于其廉價及更高的室內通信速率正在被用戶廣泛地布置于室內，但是由于其數量巨大及位置的隨機性以及隨時都可能被用戶移動和關閉，傳統的網絡規劃設計并不再適用于飛小區網絡的優化和設計。另外由于飛小區用戶并非都具有技術背景，因此飛小區為了更好地融入到宏小區中，必須被設計成具有自配置或自適應的即插即用方式，以減少對宏小區的影響。飛小區的自配置將使其以更少的人力干涉融入已有網絡，自動學習周圍的無線環境，自動調整自己的參數。自配置飛小區將能夠對網絡/業務/信道干擾的變化進行自適應調整，并將提升整個系統的性能[1]。飛小區基站自配置主要有以下幾個方面需求驅動：通過減少人力參與減少資本支出（CAPEX,capital expenditure）和營運成本（OPEX, operational expenditure）；在覆蓋、容量和服務質量(QoS, quality of service)上最優化網絡性能；允許大量小蜂窩的部署[2]。

飛小區的發射功率自配置將是能否成功部署飛小區的關鍵，自配置飛小區必須根據環境的變化動態調整發射功率以減少跨層和同層干擾。文獻[3]提出了通用移動通信系統(UMTS, universal mobile telecommunications system)網絡中減輕跨層干擾的一種方法，主要是采用導頻和數據信道的功率控制并保證飛小區的覆蓋范圍，并分別分析了下行和上行功率如何設置。文獻[4]通過終端移動性信息來自適應調整飛小區的覆蓋范圍，采用功率設置使其最大化覆蓋范圍同時最小化連接飛小區的用戶數。文獻[5]提出了通過調整噪聲門限來解決上行干擾問題，但會增加對宏小區的上行干擾。文獻[6]使用下行功率控制來使宏小區和飛小區用戶達到預定信干噪比(SINR)。但是這些技術都沒有考慮對已有用戶的干擾問題，進而可能造成宏小區/飛小區系統性能的下降。文獻[7]考慮了宏基站下行和宏基站用戶上行信號對飛小區基站功率設置的影響，并通過仿真驗證該方案提高了用戶的吞吐率，然而飛小區對宏小區基站可能產生的干擾被忽略了。文獻[8]提出了一種新的適用于各種蜂窩部署的系統資源分配和干擾避免的整體方案，結果表明該方案提供了巨大的增益。文獻[9]仿真評估了由宏小區和飛小區引起的對飛小區的干擾問題。文獻[10]提出了一種新的跨層干擾避免方法，其主要思想是基于跨層干擾信息重新分配蜂窩間功率和子信道。文獻[11]從信息論的角度分析了分層網絡的干擾管理問題，并給出了每個蜂窩的室外與室內用戶的總和速率，分析結果證明了統計干擾管理技術的性能優點。文獻[12]分析了分層網絡共道配置的性能問題，并定義了分層中斷率，得到了飛小區近似干擾分布。文獻[13]更加完善了飛小區無線傳輸信道模型，基于此精確分析了干擾對系統性能的影響。文獻[14]詳細分析了 LTE分層網絡中上行功率控制問題。文獻[15]分析了大量密集部署飛小區時功率和信道聯合分配的問題，并提出了二進制功率分配機制。但是上述所有文獻對飛小區功率自配置的研究并不十分全面，主要存在2個問題。一是已有宏/飛小區下行鏈路時只考慮宏小區基站和其他所有飛小區基站的影響，因為飛小區基站的低功率特性受到干擾的飛小區基站只能是近距離的有限幾個，全部考慮進去只能增加基站的計算量。二是新添加的飛小區基站下行鏈路對鄰近宏小區用戶的影響要么被忽略，要么所有宏用戶都被考慮。這2個問題在上述文獻中往往只著重解決其中一個，如此就會降低系統整體性能。

本文提出了一種飛小區基站功率自配置機制，相對于已有機制，該機制不僅減少了已有蜂窩下行時需要考慮的飛小區數即減少了新飛小區基站的計算量，還限制了新飛小區基站對已有蜂窩用戶的干擾。自配置機制主要是基于干擾模型建立了系統容量最優化目標，即在保證已有用戶正常通信前提下，最大化了新飛小區的系統容量。其余部分安排如下：第2節分析了飛小區干擾模型；第3節給出詳細的自配置機制；第4節對提出機制進行了仿真驗證和性能對比；第5節是結束語。

2 飛小區干擾模型

恰當的飛小區功率設置對于能否控制分層網絡中的各種干擾至關重要。由宏小區和飛小區構成的分層網絡一般結構如圖1所示，當用戶自主添加一個飛小區時，其發射功率如何配置就變成急需解決的問題。根據3GPP標準，功率自配置指飛小區在初始化階段首先測量周圍的無線環境，包括各種可能接收到的信號和干擾，然后在自優化階段對發射功率進行最優化[1]。

對于新加入的飛小區接收到的各種信號和干擾可以用圖2表示，主要分為2種類型：各宏小區基站信號和相鄰飛小區基站信號。由于宏小區基站(m-BS)和飛小區基站(f-BS)發射功率存在極大差異，通常在13～33dBm之間[16]，因此設置f-BS功率時除了主要考慮宏基站的影響外，鄰近f-BS的其他飛小區的影響也要考慮。假定 f-BS發射功率為15dBm，覆蓋半徑為10m，f-BS處于房屋中央，其信號穿過圍墻數為1和2時的信號衰減情況如圖3所示[13]。

圖1 宏小區-飛小區構成分層網絡結構

圖2 飛小區接收到的各種信號和干擾

圖3 飛小區信號衰減情況

從圖3中可以看出，當穿過2堵墻時其接收到的f-BS信號為-89.1dBm，此時認為設置f-BS功率時只需考慮距該f-BS最近的其他飛小區基站即可，即只考慮緊鄰且圍墻數小于2的那些飛小區。具體仿真參數詳見文獻[13]。

3 自配置功率機制

基于以上分析以及為了滿足部署飛小區引起對已有用戶的跨層干擾最小化，本文提出了一種飛小區發射功率自配置機制。該機制主要目的是通過自適應調整發射功率來抑制跨層干擾，最大化添加的飛小區吞吐率，并保證原有用戶和新飛小區用戶的正常通信。對于新加入的飛小區基站，設定其可以像用戶終端一樣工作[8]，檢測周圍無線環境，通過有線回程獲取相關網絡參數，即可以獲得需要的發射功率和信道增益等參數。因此問題可以描述如下：

其中，Cf_new,i表示添加的飛小區中用戶i的吞吐率，i={1,2,…,l}表示該飛小區中的用戶。SINRm,j表示相鄰宏小區用戶j的接收信干噪比，表示相鄰飛小區s中用戶k的接收信干噪比。SINRm,thr和SINRf,thr表示對應的信干噪比閾值。

吞吐量按香農公式計算[17]，又因為白噪聲干擾相對于宏小區和其他飛小區的聚合干擾來說非常小不具有可比性，在計算吞吐量中的信干噪比時將其忽略，則有

其中，s={1,2,…,t}表示相鄰的可以影響功率設置的飛小區，Cm,j表示該飛小區周圍鄰近的宏小區用戶j的信道容量，j={1,2,…,n}，表示該飛小區周圍鄰近的飛小區s中用戶k的信道容量，W表示系統下行帶寬。pf,new表示新添加飛小區基站的發射功率，gnew,i/j/k表示新添加飛小區到用戶i/j/k的信道增益。pf,s表示飛小區s的基站發射功率，gs,i/j/k表示飛小區基站s到用戶i/j/k的信道增益。pm表示當前宏基站的發射功率，hm,j表示當前宏基站到用戶j的信道增益。pm,a表示宏基站a的發射功率，ha,i/j/k表示宏基站 a到用戶 i/j/k的信道增益。Inew,i表示用戶 i收到的下行干擾，Ij,Ik分別表示在未添加飛小區時，用戶j和k收到的下行干擾信號。

根據上面的分析，式(1)可以表示如下：

為了便于分析，做如下變換：

與式(6)中γ對應的必定存在一個gnew,x∈(gnew,j,gnew,k)，將常量W從式(5)去掉則有

對式(7)進行拉格朗日乘數法求解可表示如下[18]：

其中，λ, μ表示拉格朗日乘子，且λ≥0，μ≥0。其最優功率設置滿足Kuhn-Tucker條件[19]可計算如下：

從Kuhn-Tucker條件還可以得到式(10)：

聯合式(9)和式(10)可得

定義x+=max(x,0)，那么最優功率可以表示為

4 數值分析結果

為了體現文中自配置機制的性能，本節將與傳統固定發射功率機制和基于接收信號強度的功率設置機制[8](scheme-RSS)進行對比。

整個網絡采用圖1所示拓撲結構，包括7個宏小區，多個飛小區均勻布置在各個宏小區中，新飛小區其周圍受到影響的飛小區(如第2節描述僅一墻之隔)個數在 1～4之間，受到影響的鄰近宏小區用戶個數也在1～4之間，此外每個飛小區基站包括2個用戶。針對下一代移動通信系統基本采用頻分正交多址接入(OFDMA, orthogonal frequency division multiple access)技術，本文設定所有基站均采用OFDMA技術，飛小區復用宏小區所有頻譜資源，采用相同的帶寬。宏基站在所有子載波間等功率發射，采用輪詢調度方式，具體參數詳見表1[8,20]。

表1 參數設置

圖4給出了分別采用固定發射功率、基于接收信號強度和自配置功率機制的對比結果。從圖中可以看出，基于接收信號強度機制隨著遠離宏基站飛基站功率逐漸變小。當距離大于450m時其功率設置變化較小，這是因為此時飛小區用戶接收的信號大于等于來自宏基站的信號。而小于450m時，因為宏小區基站信號強度相對于飛基站信號過大，飛基站不得不提高功率以改善飛小區用戶的接收信干噪比。然而設置較大的發射功率，可能影響已有宏用戶和飛用戶。從圖中還可以得到自配置功率設置機制隨距離緩慢變化，因為有對已有用戶的接收信干噪比的限制，從而可以說3種機制中對宏小區和已有飛小區影響最小的機制。

圖4 新添加飛小區功率設置

圖5給出2種功率設置機制對已有用戶的影響。從圖中可以看出基于接收信號強度機制在距離宏基站較近距離時（小于400m），由于設置功率較高將降低原有用戶吞吐率，在距離較遠時（大于 400m）功率設置符合周圍無線環境，從而吞吐率的幅度降低有所減少，這是因為此時其功率與周圍無線環境相符。而自適應機制因為著重考慮了對已有用戶的影響，從吞吐率上看差別不大，即將添加新飛小區引起的干擾降到了最小。

圖5 用戶吞吐率對比

圖6給出了自配置功率設置機制在飛小區功率設置時與宏基站的距離和用戶接收信干噪比閾值的關系。從圖中可以看出，在固定SINR閾值情況下隨著距離增大發射功率逐步減小，在固定距離情況下隨著SINR閾值增大發射功率逐漸增加。確定一個飛小區基站的發射功率要同時考慮上述2個因素，才能保證最小化添加飛小區引起的干擾和原有用戶的正常通信。

圖6 發射功率自配置與距離和信干噪比閾值關系

5 結束語

根據上述性能分析可以得知自配置功率設置機制將新添加的飛小區周圍無線環境自動調整發射功率，對比基于接收信號強度設置功率機制可以有效地降低對已有用戶的影響，同時保證了新飛小區內用戶的有效通信。另外相對于只解決下行或上行干擾問題的已有文獻，因為考慮了飛基站發射功率的特性降低了機制的計算復雜度，雖然文中分析的是當添加一個新的飛小區時其功率自配置的情況，明顯地該機制可以推廣和適用于部署更多的飛小區。該機制存在的缺點在于，當新加入的飛小區收到原系統干擾較大時將無法滿足自身網絡的需求，即新飛小區將無法有效地工作。實際上在新的LTE-A標準中，已經對飛小區進行了相關接口或函數的定義，以支持飛小區的自配置功能，從而使得文中提出機制與相關標準兼容。未來的工作將著手于感知無線電技術，即如何感知或檢測其周圍無線環境，只有精確獲得無線環境參數飛小區才能將其引起的干擾降到最低，進而可以極大程度上提升整個宏小區/飛小區分層網絡系統的整體性能。

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