高密度小基站網絡中混頻自部署技術與網絡容量分析

張奇勛　馮志勇　楊拓

基于在密集小基站層疊網絡中小基站網絡混頻自部署方案及關鍵技術，通過理論分析和數學推導相結合，研究了影響密集小基站層疊網絡下行容量的關鍵因素，并探討了混頻部署方式對網絡容量增益的影響。仿真結果和數據分析驗證了所提出高密度小基站混頻自部署技術對網絡容量提升的有效性。

密集小基站；頻率分配；容量分析

移動通信的快速發(fā)展，帶動了移動互聯網和高帶寬數據業(yè)務的爆炸式增長，現有網絡包括蜂窩網、無線局域網及寬帶無線接入的移動網絡難以應對高網絡容量新需求。此外，有研究表明未來將有近50%的話音業(yè)務和70%的數據業(yè)務發(fā)生在室內[1]，而傳統室內覆蓋技術難以滿足業(yè)務需求，成為網絡容量提升的瓶頸難題。通過密集部署小基站網絡構建立體式層疊網絡進行深度覆蓋已成為提升網絡容量的關鍵技術手段之一。小基站（Small Cell）密集部署的解決方案和關鍵技術也已成為第五代移動通信（5G）的技術特點之一[2]，成為工業(yè)界和學術界研究的熱點，通過在熱點區(qū)域、家庭室內環(huán)境、辦公環(huán)境等部署低功率的小基站（包括家庭基站、微基站、無線中繼等），可以有效提升層疊網絡容量，擴展網絡覆蓋范圍，使得運營商能夠為用戶提供更高數據速率業(yè)務，同時降低網絡運營和維護的成本。

因此，在家庭室內以及辦公環(huán)境等室內環(huán)境下，采用小基站網絡自部署技術來提高室內環(huán)境無線信號覆蓋效果與業(yè)務質量已成為業(yè)界關注的重點。以家庭基站為代表的用戶自部署的小型化基站，通過由第三方提供的多種回程鏈路（ADSL或網絡線纜）與通信網絡核心網相連接，能夠為室內用戶提供語音、數據和高速多媒體等高質量業(yè)務，有效的提升無線網絡的室內覆蓋效果，并大大提升無線網絡的系統容量[3]。由于家庭基站的室內部署有效的拉近了終端同基站之間的距離，降低了無線信號傳播損耗，可以有效提升室內用戶的無線信號質量。但是，由于家庭基站網絡的引入，使得已有無線網絡的層疊布局變得更加復雜，因此也帶來了許多新的挑戰(zhàn)，如：密集小基站層疊網絡中家庭基站對宏蜂窩網絡用戶的干擾問題、家庭基站的頻譜分配方案選取問題、家庭基站網絡的干擾抑制和干擾消除技術、家庭基站網絡的覆蓋優(yōu)化問題等[3-4]。

在家庭基站網絡與宏蜂窩網絡層疊部署下，頻率分配方案對網絡容量提升影響的相關研究成果總結如下。針對家庭基站閉合接入方式和開放接入方式對層疊網絡上行容量的影響問題，文獻[5]通過理論建模并定量分析了基于正交頻分復用（OFDMA）或時分復用（TDMA）方式的家庭基站網絡上行容量，確定影響家庭基站接入模式選擇的關鍵參數是宏蜂窩網絡用戶的密度。進一步，文獻[6]給出了針對正交頻分技術（TDMA/OFDMA）或非正交頻分技術（CDMA）的家庭基站網絡開放式接入和閉合式接入方式最優(yōu)選擇策略和對層疊網絡容量的影響因素在于宏蜂窩用戶的密度。針對OFDMA方式下家庭基站和宏蜂窩網絡共存下的干擾問題，文獻[7]提出了一種采用實時多代理強化學習技術（分布式Q學習）的智能自組織家庭基站方案。針對家庭基站網絡中干擾管理問題，文獻[8]提出一種基于認知功能的家庭基站自動干擾簽名識別技術，并基于機會式調度方案將正交化的信道分配給多個家庭基站網絡使用，降低同頻干擾和提高信道復用度，從而實現層疊網絡的自動干擾管理。針對OFDMA方式下層疊網絡頻率分配問題，文獻[9]采取一種基于分布式的異頻部署頻率分配方案，以降低層疊網絡內的跨層同頻干擾。針對OFDMA方式下CSG閉合接入方式的家庭基站網絡與宏蜂窩網絡共存的層疊網絡中，文獻[10]提出家庭基站通過認知無線電功能獲取單小區(qū)網絡內同頻干擾信息的方式來避免小區(qū)內跨層網絡干擾，通過提高頻譜空間復用度來提升下行網絡容量。針對層疊網絡頻率部署方式，文獻[11]提出一種基于家庭基站與宏蜂窩基站相對位置和家庭基站覆蓋范圍的混合異頻部署方案。針對OFDMA方式下的家庭基站網絡與宏蜂窩網絡共存的層疊網絡場景，文獻[12]和文獻[13]研究基于同頻部署方式（分布式和集中式）、異頻部署方式下的層疊網絡干擾問題，并提出基于自配置和自優(yōu)化功能的層疊網絡干擾消除方法。此外，文獻[14]提出了通過認知導頻信道技術可以進行異構網絡信息的有效傳輸，從而實現異構網絡的自組織和資源優(yōu)化利用。

但是，現有針對家庭基站網絡頻率分配和容量的研究中，大部分還是針對單小區(qū)內同頻部署和異頻部署方式下的網絡容量分析，使用干擾抑制和干擾消除的方法來提升網絡容量。考慮到小基站網絡密集部署下層疊網絡間干擾加劇，如何提高小基站自部署和自優(yōu)化能力已成為本領域的研究熱點。因此，具備自組織特性（自配置、自優(yōu)化等）的密集小基站層疊網絡的研究變得格外重要。本文以層疊網絡下行容量最優(yōu)化為目標，提出密集小基站混頻自部署技術，分析多小區(qū)場景下混頻部署方式對下行容量的影響，確定關鍵影響因素，進而提出密集小基站層疊網絡的頻率自部署優(yōu)化方案，實現提高網絡容量的目標。

1 高密度小基站網絡混頻

部署場景

在高密度小基站與宏蜂窩基站網絡共存的層疊網絡場景中，針對小基站自部署和高密度的特點，結合異頻部署和同頻部署方式的優(yōu)點，小基站可采取混頻自部署方式。高密度小基站網絡混頻部署下行干擾場景如圖1所示。假設每個正六邊形宏蜂窩基站（MBS）的覆蓋半徑為Rm，在宏蜂窩基站覆蓋范圍內，部署多個具有圓形覆蓋范圍且半徑為Rf的小基站（FBS）。

考慮到當小基站用戶（FUE）鄰近宏蜂窩基站時，會受到宏基站較強的下行同頻干擾的影響，將宏基站覆蓋范圍劃分為內環(huán)（d

2 混頻部署中的內環(huán)區(qū)域

容量分析

如圖1所示，在高密度小基站網絡混頻部署下行干擾場景中，小基站用戶受到的主要干擾源為本小區(qū)宏基站的同頻干擾（忽略相鄰小基站的干擾等因素），為簡化分析，忽略信道增益與白噪聲的影響。針對典型LTE系統分析，頻譜資源RB數目為N，在宏基站內環(huán)區(qū)域的小基站采用異頻部署方式，其RB資源數目為（1-ρ）N。宏基站在每個RB上的發(fā)射功率為Pm，小基站在每個RB上的發(fā)射功率為Pf。當小基站用戶位于小基站邊緣且距離宏基站最近處時，其信噪比[SINRhybridf，inner]應滿足公式（1），其中dm表示小基站用戶與宏基站之間的距離。通過計算宏基站內環(huán)與外環(huán)區(qū)域的劃分半徑Rinner，定量表示如公式（2），小基站可以依據自身所處位置與宏基站的相對關系，來采取合適的頻率部署方式。在宏基站內環(huán)區(qū)域邊界處（dm=Rinner）的宏基站用戶，應滿足公式（3）的中斷概率要求。在宏基站內環(huán)區(qū)域邊界（dm=Rinner）的小基站用戶，應滿足公式（4）的中斷概率要求，其中：[s=Γtarget/[PfR-αf1-ρN]]。因此，在宏基站內環(huán)區(qū)域內部署小基站的最大密度[λ-RinnerFBS]應滿足公式（5）。混頻部署中的內環(huán)區(qū)域的下行容量[Chybridinner]如公式（6）所示。

[SINRhybridf，innerRf=PfR-αfN0+Pmd-αm=Γtarget] （1）

3 混頻部署中的外環(huán)區(qū)域

容量分析

在宏基站外環(huán)區(qū)域內的小基站可以通過采用受限的同頻部署方式，降低多層網絡間干擾，提高網絡容量。通過對小基站添加無線網絡環(huán)境認知功能，可以使得小基站獲知附近宏基站用戶的頻譜資源RB使用情況。小基站通過主動的避讓宏基站用戶所占用的RB資源，達到減輕多層網絡間的同頻干擾，從而提升外環(huán)區(qū)域內小基站的部署密度，提高層疊網絡容量。因此，在距離宏基站用戶小于Rth范圍內的小基站需要避讓RB資源而采取異頻部署方式，而距離大于Rth的小基站仍可以采用同頻部署方案。通過合理的選取適當的異頻部署保護距離Rth來降低鄰近小基站對宏基站用戶的同頻干擾，通過提高小基站部署密度，提高網絡容量。

針對外環(huán)區(qū)域內采用受限的同頻部署方式，在小區(qū)邊緣用戶最大中斷概率ε條件下，宏基站用戶將受到來自鄰居宏基站的同頻干擾和保護距離之外小基站的同頻干擾。因此，宏蜂窩小區(qū)邊緣的宏基站用戶的信干噪比[SINRhybridmdm]應滿足公式（7），其中：[Ihybridf，m]為宏蜂窩網絡中距離宏用戶大于Rth的小基站同頻干擾，Imi，m表示鄰居宏基站對中心宏基站用戶的同頻干擾。在小區(qū)邊緣允許的最大中斷率為ε的條件下，需要保障受干擾較大的宏基站小區(qū)邊緣用戶的通信質量，即宏蜂窩基站邊緣用戶接收到的信噪比應滿足公式（8）。為簡化分析，假設對MUE產生較強干擾的鄰居宏基站僅有一個，如公式（9）所示。[λ-RthFBS，MUE]表示在宏基站外環(huán)區(qū)域內采用受限同頻部署方式下，所允許的小基站最大部署密度。考慮宏基站邊緣宏用戶的通信質量要求，外環(huán)區(qū)域小基站的最大部署密度如公式（10）所示。在宏基站外環(huán)區(qū)域內的小基站采用受限同頻部署方式下，層疊網絡的外環(huán)下行容量如公式（11）所示，其中[|Houter|=|H|-|Hinner|=33R2m2-πR2inner]表示外環(huán)區(qū)域面積。

[PSINRhybridmRm≥Γtarget≥1-ε] （8）

綜合以上對密集小基站網絡混頻部署方式，宏基站的內環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的下行總容量如公式（12）所示。

與傳統的同頻部署方式相比，混頻部署方式由于采用了內環(huán)區(qū)域異頻部署和外環(huán)區(qū)域受限同頻部署方式，有效降低了傳統同頻部署中層疊網絡間的跨層干擾。因而，采用混頻部署方式的下行容量較傳統同頻部署方式有明顯提升。并得到制約網絡容量的4個關鍵因素：

（1）宏蜂窩網絡的內環(huán)和外環(huán)劃分半徑Rinner，Rinner與小基站的覆蓋半徑Rf直接相關，并隨著Rf的增大而相應增大。

（2）宏用戶異頻部署保護距離Rth。網絡系統容量隨Rth的增大而相應增加。

（3）層疊網絡頻譜資源N。層疊網絡總容量隨頻譜資源N的增大而增加。

（4）小基站部署密度λFBS。網絡容量隨λFBS的增大而增加。

考慮到混頻部署方式是將異頻和同頻部署方式的有效結合的新方法，通過合理的系統參數設計（內環(huán)和外環(huán)劃分半徑Rinner和宏用戶異頻部署保護距離Rth），可以大大降低傳統同頻部署的層疊網絡間的同頻干擾，通過提高小基站的部署密度，可以有效提高頻譜復用率和網絡容量。

4 仿真驗證與分析

針對本文提出的密集小基站網絡中混頻自部署方案，在仿真設置中考慮7個宏蜂窩基站的典型部署場景。其中，中心基站內的用戶將受到來自于6個鄰居宏基站下行信號的同頻干擾，本文將中心位置的宏蜂窩基站作為網絡容量仿真和分析的研究重點。仿真的具體參數如表1所示[15]。

4.1 混頻自部署方案下宏用戶的信干

噪比分析

在混頻自部署方式中，宏基站用戶分別位于宏基站內環(huán)和外環(huán)不同區(qū)域時會受到不同類型的同頻干擾。位于宏基站內環(huán)區(qū)域的宏基站用戶，將受到鄰居宏基站較弱的同頻干擾和外環(huán)區(qū)域小基站較強的同頻干擾。

位于宏基站外環(huán)區(qū)域的宏基站用戶，將受到鄰居宏基站較強的同頻干擾和與異頻保護半徑Rth之外的小基站較弱的同頻干擾。

如圖2所示，在不同小基站部署密度下，不同位置處宏基站用戶的信干噪比SINR值。隨著小基站部署密度的增加，位于宏基站內環(huán)區(qū)域用戶的SINR變化很小，而位于宏基站外環(huán)區(qū)域的用戶由于受到大量小基站的同頻干擾，SINR下降劇烈，需要通過設置異頻保護半徑，即對宏用戶Rth半徑內的小基站采用異頻部署方式，保證此區(qū)域宏用戶的通信質量。因此，位于宏基站邊緣SINR較差區(qū)域的用戶可以通過調整自身異頻保護半徑Rth來減弱鄰近小基站的同頻干擾，提高SINR值。如圖3所示，隨著Rth的增加，宏用戶的信號質量得到較大改善。

4.2 混頻自部署方案下小基站用戶

的信干噪比分析

如圖4所示，在不同小基站部署密度下，不同區(qū)域位置下小基站用戶信干噪比SINR分布圖。隨著小基站部署密度的增大，在小基站覆蓋范圍內的小基站用戶信號質量得到提升。但隨著小基站部署密度的急劇增高，小基站用戶受到鄰居小基站的同頻干擾也將增大，導致自身SINR值下降。

通過合理的調整異頻部署保護半徑Rth，可以有效降低同頻干擾并提高小基站用戶的SINR值。如圖5所示，隨著Rth的增加，小基站用戶的信號質量得到改善。通過對不同小基站部署密度下宏基站用戶和小基站用戶的SINR分布圖的對比分析，得到如下結果：隨著小基站部署密度的增大，宏基站用戶受到鄰居小基站較大的同頻干擾，尤其在小基站部署密度較大時宏用戶SINR下降較為明顯，而小基站用戶的SINR隨著小基站部署密度的增大逐步增大。因此，在層疊網絡部署時，需要綜合考慮小基站部署密度對提高小基站用戶SINR有利影響，同時也需要考慮由于小基站密集部署的跨層干擾導致宏基站用戶SINR降低的不利因素。

4.3 混頻部署中網絡總容量分析

針對密集小基站網絡中混頻自部署方案，隨著小基站部署密度的增加，由于宏基站用戶受到大量鄰近小基站同頻干擾，信干噪比SINR下降，導致宏基站網絡容量呈現降低趨勢。隨著宏基站用戶部署密度的增加，宏基站網絡的容量呈現增長趨勢，如圖6所示。層疊網絡的總容量隨著小基站部署密度的增大呈現整體增加的趨勢，主要因為小基站部署下室內容量的提升對層疊網絡整體容量提升所帶來的貢獻。并且隨著宏基站用戶部署密度的增加，層疊網絡的容量呈現增長趨勢。

此外，處于宏基站外環(huán)區(qū)域的宏用戶通過調整異頻部署保護半徑Rth，鄰近小基站采用異頻部署方案可以降低對宏用戶的同頻干擾，提升信干噪比SINR值，達到提高宏蜂窩基站網絡和家庭基站網絡下行總容量的目標，如圖7所示。

總之，在混頻部署中通過合理的控制小基站部署密度和宏用戶的異頻保護半徑Rth，可以有效的降低宏基站用戶和小基站用戶之間的同頻干擾，實現提高信干噪比SINR值、頻率資源利用效率和網絡容量的目標。

5 結束語

本文針對密集小基站層疊網絡，提出了小基站網絡混頻自部署方案及關鍵技術。通過理論建模和數學分析相結合的方法，對采用混頻部署方案的層疊網絡下行容量關鍵影響因素進行定量分析，并給出層疊網絡下行容量的閉式表達式。設計了具有容量提升和干擾抑制特點的小基站混頻自部署方案。并通過仿真和數據分析，獲得了小基站部署密度、宏基站用戶密度和層疊網絡頻率資源等參數變化情況下，層疊網絡信干噪比分布情況和網絡下行容量的變化趨勢，驗證了本文所提出的密集小基站層疊網絡中混頻自部署方案對網絡容量提升的有效性和正確性。本文的結果將對層疊網絡中密集小基站的實際部署和頻率分配策略的制訂提供理論依據和設計指導。

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