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

基于OFDMA的Femtocell網(wǎng)絡(luò)的高效頻譜分配方案提生了一種自適應(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)之間的信令開銷。仿真結(jié)果驗證了宏蜂窩和毫微微蜂窩用戶的性能。1引言基于OFDMA的femtocell網(wǎng)絡(luò)己被證實是克服室內(nèi)覆蓋問題、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個分開的層組成：macrocell層和femtocell層，在采用共信道部署來提高頻譜利用效率時，將導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)主要面臨的問題。目前，已經(jīng)有很多論文在探討解決femtocell的干擾問題。研究人員提由了femtocell感知頻譜分配方案[1],將頻譜分成2個部分：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，提由了頻譜共享機制[2],即聯(lián)合利用導頻檢測和頻率復用。在這個方案中，femtocell檢測導頻信號，并選擇導致宏蜂窩用戶SINR增加的頻率子頻帶，同時丟棄它又具有最大的接收信號功率。還有研究人員提生了在基于OFDMA的femtocell網(wǎng)絡(luò)使用頻譜感測［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）的方式來提高頻譜感測結(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)合了動態(tài)頻譜分配與毫微微蜂窩基站（FBS）的集群。參考文獻［5］提供了一種節(jié)能的干擾抑制方案，在這個方案中FBS都集中在基于其地理位置的鄰里區(qū)。通過降低在低負荷運轉(zhuǎn)模式下的不必要的可用間隔，將共層的干擾最小化，提生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知無線電方法。在這個方案中，F(xiàn)BS估計了共層干擾，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固定的分區(qū)，由于不能有效地利用帶寬資源，會導致吞吐量性能損失，而且在使用這些方案后，系統(tǒng)可能會背負大量的信令交互。本文重點探討在FBS之間的干擾抑制與動態(tài)帶寬共享方案，以適應(yīng)每一個FBS的周邊環(huán)境。為了減少FBS之間的協(xié)調(diào)信令開銷，提由一種基于由毫微微用戶設(shè)備（FUEs）檢測到潛在干擾電平的自適應(yīng)頻譜分配方案。對于FBSs與低電位干擾電平，隨機分配子信道采用無信息交換（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?？紤]一個雙層的基于OFDMA的網(wǎng)絡(luò)，每個宏小區(qū)擁有3個扇區(qū)，具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)域中心安置一個宏基站。在每個扇區(qū)內(nèi)有一個街區(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。家庭基站隨機分布在公寓內(nèi)。同時假設(shè)宏小區(qū)用戶均勻分布在每個扇區(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）用戶隨機分布。采用在下文將會描述的共信道和專用信道的聯(lián)合部署[7]。混合模型中，在一定情況下，MUE（宏小區(qū)用戶）用戶被允許接入FBS[8]o假設(shè)每個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：3頻譜分配方案在提由的方案中，消除跨層干擾可以通過正交動態(tài)頻譜分配來實現(xiàn)。為了避免使用相同的子信道，可能導致對附近的MUE產(chǎn)生高的干擾，F(xiàn)BS允許被干擾的MUE有限的能量。在隨機接入過程中，被干擾的MUE可以向干擾其的FBS報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將會避免使用這些子信道以提高MUE的性能。為了減少FBS間的共層干擾，提由的頻譜分配方案由來源于周圍femtocell小區(qū)的潛在干擾檢測和相應(yīng)的自適應(yīng)頻譜分配方案組成。(1)潛在干擾檢測由于家庭基站是由用戶部署而不是運營商，因此家庭基站周圍的環(huán)境也會隨著時間改變。來自于FUEs的測量報告可以用于檢測和收集的信息，如相鄰femtocell小區(qū)的參考信號接收功率(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RSRPo如果假設(shè)RSRPi和RSRPj的關(guān)系滿足：RSRPi-RSRPj<Rthr(3)認為家庭基站j對于家庭基站i是潛在的干擾源，其中Rthr是門限值?？紤]到當一個家庭基站的潛在干擾基站數(shù)量較小時，家庭基站和它的潛在干擾基站同時共用相同頻譜的可能性很小。設(shè)定一個閾值mthr為分界點來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。對于每個因為小區(qū)重選和切換而需要測量RSRP的家庭基站用戶來說，并不會因為增加開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FBS的潛在干擾數(shù)為m,如果m小于閾值mthr,則此FBS會選擇隨機頻譜分配方案，在此方案中，該FBS將在可用帶寬中隨機選擇需要的資源塊。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較小。在無協(xié)調(diào)任何信令交換的情況下，隨機分配是一個更好的選擇，以實現(xiàn)低干擾。當家庭基站的FUE的帶寬需求較大時，頻譜將會在每個調(diào)度周期內(nèi)重新分配以避免競爭。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檢測潛在的干擾者，要求干擾者FBS來創(chuàng)建一個集群，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，F(xiàn)BSj的帶寬為。對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：(4)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)將利用仿真來驗證所提由的頻譜分配方案的性能。用C++程序進行仿真。建立的宏小區(qū)模型有7個小區(qū)，每個小區(qū)有3個扇區(qū)。根據(jù)3GPPTR36.814采取雙條紋模型作為家庭基站部署模式。公寓的長、寬、高分別為10m、10m、3m。系統(tǒng)總帶寬為10MHz，共劃分為600個子載波，50個資源塊，每個資源塊由120個子載波組成。載波頻率為2.0GHzo宏小區(qū)基站和家庭基站的發(fā)射功率分別為46dBm和20dBmo陰影衰落的標準差為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3dBo在此仿真分析中，評價所提由的方案的標準是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行對比。圖1顯示由了對于不同的室內(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MUEs室內(nèi)的概率從10%增加到100%時，提由的頻譜分配方案中的MUEs的平均中斷概率始終小于2%，但對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）o可以得由結(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2示顯示了被提由的方案和同信道部署方案中宏小區(qū)的平均頻譜效率。可以直接得由，與同信道部署方案相比，所提由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，在提由的方案中，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%的頻譜效率是通過使用建議的頻譜分配方案提高的，因為在一個集群中的正交頻譜分配機制，可以減少相鄰FBS之間的干擾，特別是在FBS密集部署時。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%,對比同信道部署方案，提由的方法實現(xiàn)了改進。圖5顯示了不同方案下的頻譜利用率的公平性。得到每個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中，x軸表示家庭基站的平均負載，y軸表示HUE間的公平性。從仿真結(jié)果中可以看到，提由的方案相對共信道部署方案公平性可以提高18%。提由的方案可以更好地滿足HUE的數(shù)據(jù)傳輸速率要求，因為該方案可以根據(jù)HUE的數(shù)據(jù)傳輸速率，分配相應(yīng)的帶寬。綜上所述，提由的方案不僅可以減少每個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)束語在本文中，開發(fā)了自適應(yīng)頻譜分配方案，以減輕共層干擾和跨層干擾。所提由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，以實現(xiàn)更好的性能，減少信令開銷。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。參考文獻：WYi,ZDongmei,JHai,etal.ANovelSpectrumArrangementSchemeforFemtocellDeploymentinLTEMacrocells[C].ProceedingsoftheIEEE20thInternationalSymposiumonPersonalIndoorandMobileRadioCommunications,2009:6-11,13-16.TKim,TLee.ThroughputEnhancementofMacroandFemtoNetworksbyFrequencyReuseandPilotSensing[C].ProceedingsoftheIEEEInternationalPerformance,ComputingandCommunicationsConference(IPCCC),2008:390-394.MESahinIGuvencMoo-RyongJeongetal.HandlingCCIandICIinOFDMAFemtocellNetworksthroughFrequencyScheduling[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2009(4):1936-1944.HLi,XXu,DHu,etal.GraphMethodBasedClusteringStrategyforFemtocellInterferenceManagementandSpectrumEfficiencyImprovement[C].ProceedingsoftheIEEE6thInternationalConferenceonWirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing(WiCOM),2010:1-5,23-25.HWidiarti,SPyun,DCho.InterferenceMitigationBasedonFemtocellsGroupinginLowDutyOperation[C].ProceedingsoftheIEEE72ndVehicularTechnologyConferenceFall(VTC'10-Fall),2010:1-5,6-9.LZhang,LYang,TYang.CognitiveInterferenceManagementforLTE-AFemtocellswithDistributedCarrierSelection[C].ProceedingsoftheIEEE72ndVehicula