LTE架構下的Macro－Femtocell網絡干擾建模

鄭 巖，顧學邁，郭 慶，賈 敏，婁 毅

（哈爾濱工業大學 通信技術研究所，哈爾濱150080）

0 引 言

未來幾年，50%的語音業務和70%的數據業務發生在室內［1］。為室內高數據率用戶大量部署宏蜂窩成本高昂，因此3GPP在2007年提出在室內 覆 蓋 低 成 本 的 家 庭 基 站，即Femtocell［2］。Femtocell基站作為一個低功耗、小范圍（10～50 m）的無線接入點，可為室內用戶提供高品質的信號覆蓋。由于它縮短了收發端之間的距離，可以大大降低發射功率，延長手機電池的壽命，并實現更高的信干噪比（SINR）和系統容量。但是，Femtocell的引入也帶來了許多技術上的難題，Femtocell基站由終端用戶隨機安裝，可能會對現存的宏蜂窩和同層的Femtocell 產生干擾。Femtocell的數量和位置是未知的，因此運營商不能用傳統的規劃和網絡優化方法解決同頻帶覆蓋引起的干擾問題。文獻［3］提出了一種基于資源分配的功率最小化方法，并且提出兩種資源分配算法，降低用戶中斷概率的同時在網絡層證明了功率效率與容量提高沒有沖突。但是，建立的模型僅考慮了Femtocell之間的同層干擾。文獻［4］為FFR 分割尺度和怎樣設計時間資源提供建議并且推導了宏蜂窩和Femtocell的平均容量，但是沒有考慮同層Femtocell之間的相互作用。文獻［5］研究了在UMTS或LTE 系統雙層網絡中的干擾性質，并給出Femtocell在網絡中數量的限度，然而，在建模過程中忽略了宏基站對FUE的下行干擾。文獻［6］考慮了OFDMA 雙層網絡的下行功率分配，宏基站和Femtocell接入點之間是競爭關系。文獻［7］提出了一種新的資源優化分配方法，可以完全避免同層干擾，并提高系統吞吐量，但是并沒有研究宏基站對Femtocell的影響。文獻［8］從用戶角度出發，分析了宏蜂窩中部署Femtocell下行鏈路對宏用戶（MUE）影響的概率，但是沒有研究宏基站下行鏈路對FUE的干擾。

綜上所述，雖然現有文獻已經建立了干擾模型，但大多數是在特定場景下建立單一的數學模型。本文研究基站下行鏈路對FUE 的干擾，建立同層干擾和跨層干擾同時存在時的干擾模型，在網絡中對兩種干擾定性分析，設定合理的邊界條件，劃分干擾區域，達到在干擾結構比較復雜的環境中保證用戶通信質量。

1 系統模型

因為覆蓋室內家庭基站，蜂窩結構由一層變為兩層。第一層是傳統的宏基站覆蓋的宏蜂窩網絡，第二層是Femtocell網絡，這種新的結構叫做Macro－Femtocell雙層網絡［9］。3GPP 將LTE 中的宏基站定義為eNodeB，Femtocell基站定義為HeNodeB。同層干擾是同層網絡之間信號同頻覆蓋引起的干擾。跨層干擾是不同層網絡元素引起的干擾［10］。在OFDMA 系統中，下行鏈路干擾即包括宏基站對FUE 的跨層干擾，Femtocell對附近鄰近FUE 的同層干擾，以及Femtocell對MUE的跨層干擾，如圖1所示。

圖1 同層干擾和跨層干擾同時存在的場景Fig.1 A scneario showing coexist of co－tier and cross－tier interference

在 OFDMA 無 線 標 準 中，例 如 LTE、WiMAX 和3GPP2 提出的UMB 都是使宏基站為用戶提供靈活的頻譜分配方式。本文主要從策略層面考慮管理小區間干擾，將正交的頻譜資源分配給宏蜂窩和Femtocell來消除干擾，也就是頻譜分割策略。當系統內同層干擾和跨層干擾同時存在時，為宏基站分配專屬信道，為Femtocell分配共享信道，如圖2 所示。在實際系統中，HeNodeB在網絡中是隨機分布的，因此同一場景下的干擾結構比較復雜［8］。但是，在網絡中的某些區域，例如同層干擾主導的區域，Femtocell可以與宏蜂窩使用相同的頻譜。MUE 只需考慮接近Femtocell時的跨層干擾，對于FUE 來說，需要考慮同層Femtocell和跨層宏蜂窩的下行鏈路干擾。在實際應用場景中，例如商場等娛樂場所，這兩種干擾不是一直存在，因此，干擾定性分析劃分出這樣的區域可以提高頻譜的使用效率并且簡化頻譜分配策略。

圖2 雙層網絡中的頻譜分配Fig.2 Spectrum allocation in two－tier network

不同的QoS 有不同的性能要求，保證QoS是Femtocell應用的主要挑戰，因此，要求Macro－Femtocell雙層網絡的頻譜利用率最大化，減少不必要的資源浪費，盡可能滿足網絡中用戶的實時業務請求。

在不影響系統性能的條件下，為了易于分析，假定：①信道的相干帶寬大于子信道，每個子信道中所有子載波的衰落是恒定的；②用戶的接入方式是封閉式接入；③網絡中所有Femtocell的覆蓋區域半徑都是10m；④為每個子信道的子載波分配相同的傳輸功率；⑤系統是理想同步的，只有當相鄰小區使用相同子信道時才發生干擾；⑥假設Femtocell和宏蜂窩使用相同的載波頻率和載波帶寬。

2 數學模型

定義OFDMA Macro－Femtocell雙層網絡，HeNodeB集：

eNodeB集：

用戶集：

式中：GTX為eNodeB或HeNodeB到用戶的傳輸功率；Gant為eNodeB 或HeNodeB 的天線增益；Lpenet為穿墻損失，值為0.7R＋Lwall，在HeNodeB中，Lwall為外墻損失，常見的值為10dB；Lpath為eNodeB或HeNodeB到用戶的路徑損失。

式中：PRX為用戶從eNodeB或HeNodeB的接收功率；PTX為發射功率。

第x 個 HeNodeB 的 發 射 功 率 為PTXx，eNodeB 的發射功率為PTXy，第x個HeNodeB的邊緣用戶FUE 與第y 個eNodeB 之間的距離為，與其他同層HeNodeB 的距離為第y個eNodeB到第個FUE的信道增益為，從第x 個HeNodeB 到第個UE 的信道增益為。在模型中，將用戶受到的干擾作為噪聲對待，接入HeNodeB的FUE信干噪比為：

系統的平均數據率為：

系統級吞吐量為：

式中：Cs＝5.6s／Hz，為室內用戶最大吞吐量。

根據3GPP TR36.942，信號從eNodeB 或HeNodeB發出，經歷的大尺度衰落因子為：

定義Femtocell用戶的同層干擾功率為：

Femtocell用戶的跨層干擾功率為：

經整理有：

當Θ2和Θ1的比值很大時，可以忽略其中一種干擾，不會對FUE的SINR 造成影響。這里同層干擾功率和跨層干擾功率之比為：

將干擾因子定義為：

宏蜂窩覆蓋區域中部署Femtocell時，如果在處理干擾時根據實際情況側重考慮其中一種干擾，可以為實際場景中頻譜分配提供便利。

3 系統性能仿真與分析

首先，在仿真場景中設置7個宏基站，這些基站的位置都是固定的，然后在長度是1200 m、寬度是1200m 的區域中隨機布撒服從均勻分布的HeNodeB，數量分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100。仿真場景中的宏蜂窩覆蓋范圍為500m，根據3GPP LTE 標準，系統仿真參數［11］如下：系統工作頻率為2 GHz，系統帶寬為5 MHz，傳輸時間間隔為1 ms，路徑損失模型為TR36942，陰影衰落為“claussen”，天線類型為全向天線，資源塊帶寬為180kHz，幀結構為FDD，幀長度為0.5ms。在雙層網絡架構中，圖3描述的是在仿真場景中隨機布撒60 個均勻分布的HeNodeB，對于封閉式接入的FUE 來說，距離eNodeB較近和處于相對密集的HeNodeB 區域都會產生干擾。

圖3 HeNodeB均勻分布的雙層網絡覆蓋場景Fig.3 Uniform distribution of HeNodeBs in two－tier Network

在HeNodeB 密集的區域內，同層干擾比較嚴重，在距離宏基站較近的區域，跨層干擾會影響用戶通信性能，因此，通過區域中干擾定性分析來控制資源分配方式并且指導新的HeNodeB 部署。

根據干擾定性結果所劃定的區域，為信道分配、功率控制和接入管理等干擾管理措施提供了理論依據，并且可以評估系統中下行鏈路干擾對封閉式接入用戶性能的影響。

圖4 干擾區域劃分Fig.4 Interference area division

根據設定好的干擾因子劃分干擾區域，每兩個像素點之間的距離是5 m，干擾因子分別是γ＝1和γ＝2，仿真結果如圖4所示。因為干擾因子設定值不同，因此它們的干擾區域大小不同。根據場景中兩種干擾的比重和干擾因子，將整個區域分成3個部分，黑色區域是跨層干擾主導區，灰色區域是同層跨層均衡區，白色區域是同層干擾主導區。如果HeNodeB 處于跨層干擾主導區，在系統資源分配時只考慮 HeNodeB 與eNodeB 之間的分配，而不需要考慮同層的HeNodeB之間由于頻譜資源復用引起的干擾，在同層跨層均衡區，兩種干擾同時存在，在實際部署HeNodeB時，應盡量避開這樣的區域，在同層干擾主導區，HeNodeB中用戶受eNodeB 的影響很小，應主要考慮同層HeNodeB 之間的干擾。因為HeNodeB 服從均勻分布，隨著系統中部署HeNodeB的增多，同層干擾主導區以及同層跨層均衡區的面積將增大。仿真圖5 描述了網絡中HeNodeB的數量分別是5、10、50、100時的干擾功率之比的分布累計函數，橫坐標是干擾因子，即同層干擾功率和跨層干擾功率的比值，為了表述方便，這里將功率之比取對數。從圖5可以看出：雖然隨著HeNodeB 的增多，網絡中出現同層干擾主導區域的概率增大，但是，跨層干擾主導的區域仍然是干擾協調策略中應著重考慮的問題。

圖5 同層與跨層干擾功率之比的分布累計函數Fig.5 Cumulative function of power ratio with co－tier and cross－tier interference

圖6 描述了仿真中設定干擾因子，根據其值和同層干擾與跨層干擾的功率之比劃分干擾區域的概率。從仿真曲線中可以看出，隨著部署HeNodeB數量增加，場景中出現同層干擾主導區和同層跨層均衡區的概率增加，也就是系統中受Femtocell影響的區域面積增加。

圖6 同層干擾主導區和同層跨層均衡區的概率Fig.6 Probability of co－tier－dominated and balanced area

對于同層干擾主導區來說，HeNodeB數量相同的情況下，γ＝2的區域概率小于γ ＝1的概率。因為γ值越大，劃定區域的邊界條件限定越嚴格，導致區域面積減小。對于同層跨層均衡區，與同層干擾主導區相反，γ＝2的區域概率大于γ＝1的區域概率。因為γ 值變大時，系統中同層干擾主導區和跨層干擾主導區的區域面積減小，導致同層跨層均衡區面積增大。

系統中出現跨層干擾主導區的概率如圖7所示。與同層干擾主導區類似，隨著HeNodeB 的增多，跨層干擾主導區域概率增大，并且從仿真曲線可以看出，當系統中部署的HeNodeB 數量較小時，新部署的小區更容易受跨層干擾影響，例如場景中部署10個HeNodeB 時，出現跨層干擾主導區的概率是0.9562。在跨層干擾主導區選擇資源分配策略時，要盡量使宏蜂窩和Femtocell之間的頻譜資源正交化或者考慮功率控制手段來避免跨層干擾，這樣可以達到更高的頻譜效率，滿足高速率用戶的需求。

圖7 跨層干擾主導區的概率Fig.7 Probability of cross－tier－dominated area

圖8 描述了在跨層干擾主導區內，干擾因子γ＝1和γ＝2時單獨考慮跨層干擾和同時考慮兩種干擾時系統的平均信噪比。從仿真曲線可以看出：干擾因子的值較大時，單獨考慮其中一種干擾對系統性能影響更小。隨著網絡中部署HeNodeB數量的增加，系統的平均信噪比下降，這是因為同層跨層均衡區的面積增加，跨層干擾主導區主要出現在宏基站附近，信噪比下降。在實際系統部署Femtocell時，在宏基站信號較強的區域內，應盡量避免大量部署室外Femtocell，因為強干擾會嚴重影響Femtocell的性能。

圖8 僅考慮跨層干擾和同時考慮兩種干擾時的平均信噪比Fig.8 Average SINR when consider corss－tier interference or two types of interference

與圖8類似，圖9描述了在同層干擾主導區內干擾因子γ＝1和γ＝2時單獨考慮同層干擾和同時考慮兩種干擾時系統的平均信噪比。因為在網絡中同時出現多個Femtocell互相干擾的概率很小，所以隨著網絡中部署HeNodeB 數量的增加，系統的平均信噪比基本保持不變。

圖9 僅考慮同層干擾和同時考慮兩種干擾時的平均信噪比Fig.9 Average SINR when consider co－tier interference or two types of interference

4 結束語

提出了一種LTE 架構下的雙層網絡干擾建模方法。以干擾因子為邊界值，將 Macro－Femtocell網絡分成3種干擾區域，并且研究了它們的概率分布情況。如果用戶處于同層干擾主導區或跨層干擾主導區，在干擾協調時，只需考慮避免同層干擾或跨層干擾。如果用戶處于同層跨層均衡區，需要同時考慮這兩種干擾，在實際Femtocell部署時應盡量避免這樣的區域。在選擇設定干擾因子時，它的值越大，劃分出的區域就越精確，但是，網絡中出現同層跨層均衡區的概率也隨之增加，在頻譜分配時會浪費頻譜資源。經仿真驗證，干擾因子γ ＝2時單獨考慮一種干擾對用戶的信噪比沒有影響。當網絡中部署HeNodeB數量較小時，跨層干擾是資源分配策略中需要著重考慮的問題。在實際應用中，驗證劃分干擾區域之后可以提高頻譜效率，簡化頻譜分配策略，是下一步研究需要關注的問題。

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