基于OFDMA的Femtocell網絡的高效頻譜分配方案

詹志強，尚絳，解悅

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

基于OFDMA的Femtocell網絡的高效頻譜分配方案

詹志強1，尚絳2，解悅2

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

提出了一種自適應的頻譜分配方案，以減輕兩層OFDMA網絡的共信道干擾。該方案利用正交動態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調之間的信令開銷。仿真結果驗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網絡己被證實是克服室內覆蓋問題、解決系統容量不足的有效技術。引入femtocell后，新的網絡結構是由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。這成為大規模部署femtocell網絡主要面臨的問題。

目前，已經有很多論文在探討解決femtocell的干擾問題。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，提出了頻譜共享機制[2]，即聯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。還有研究人員提出了在基于OFDMA的femtocell網絡使用頻譜感測[3]，利用宏小區的用戶的調度信息（上行鏈路和下行鏈路）接收自宏小區基站（MBS）的方式來提高頻譜感測結果。為了減少下行鏈路干擾（包括跨層和共層），另一框架[4]呈現為基于OFDMA的毫微微蜂窩網絡站（FBS），其中使用了毫微微蜂窩基站系統控制器。此方案結合了動態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。通過降低在低負荷運轉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知無線電方法。在這個方案中，FBS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，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帶寬共享方案，以適應每一個FBS的周邊環境。為了減少FBS之間的協調信令開銷，提出一種基于由毫微微用戶設備（FUEs）檢測到潛在干擾電平的自適應頻譜分配方案。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 系統模型

介紹系統模型中使用的一些定義。考慮一個雙層的基于OFDMA的網絡，每個宏小區擁有3個扇區，其覆蓋范圍為六邊形覆蓋區域，在宏小區的六邊形覆蓋區域中心安置一個宏基站。在每個扇區內有一個街區，由分布在街道兩旁的建筑構成。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。同時假設宏小區用戶均勻分布在每個扇區內。將宏小區用戶看作室外用戶，家庭基站用戶看作室內用戶。在部署家庭基站的公寓內，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合部署[7]。混合模型中，在一定情況下，MUE（宏小區用戶）用戶被允許接入FBS[8]。

假設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：

相應的資源塊為：

其中，BRB_unit是一個資源塊的帶寬，表示小于或等于x的最大整數。

3 頻譜分配方案

在提出的方案中，消除跨層干擾可以通過正交動態頻譜分配來實現。為了避免使用相同的子信道，可能導致對附近的MUE產生高的干擾，FBS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，提出的頻譜分配方案由來源于周圍femtocell小區的潛在干擾檢測和相應的自適應頻譜分配方案組成。

（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的家庭基站i和鄰近家庭基站j接收到的RSRP。

如果假設RSRPi和RSRPj的關系滿足：

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。

考慮到當一個家庭基站的潛在干擾基站數量較小時，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）自適應頻譜分配

假定一個FBS的潛在干擾數為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，FBS與其潛在干擾者使用相同頻譜的概率相對較小。在無協調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，頻譜將會在每個調度周期內重新分配以避免競爭。

如果干擾數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，FBS需要返回其頻譜分配信息，并保持其分配不變。假設符合前者情況的FBS有m0個，FBSj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：

其中，N是可用資源塊數。

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 仿真結果

本節將利用仿真來驗證所提出的頻譜分配方案的性能。

用C++程序進行仿真。建立的宏小區模型有7個小區，每個小區有3個扇區。根據3GPP TR36.814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2.0GHz。宏小區基站和家庭基站的發射功率分別為46dBm和20dBm。陰影衰落的標準差為8dB/4dB。MBS/FBS的天線增益為14dB/5dB。室外和室內的穿透損耗為20dB/5dB。干擾門限值為3dB。

在此仿真分析中，評價所提出的方案的標準是MUE的中斷概率、家庭小區和宏小區的平均頻譜效率，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顯示出了對于不同的室內MUE分布的MUE中斷概率，FBS的部署比率為100%。可以發現，當MUEs室內的概率從10%增加到100%時，提出的頻譜分配方案中的MUEs的平均中斷概率始終小于2%，但對于同信道部署方案而言，概率甚至提高到了100%（門檻中斷設置為6dB）。可以得出結論，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。

圖2 宏小區的平均頻譜效率

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，提出的方法實現了改進。

圖4 毫微微小區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HUE所分配的RB的比值相比于總的RB的結果，并定義公平性為平均值。

圖5 HUE公平性對比

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。從仿真結果中可以看到，提出的方案相對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的數據傳輸速率要求，因為該方案可以根據HUE的數據傳輸速率，分配相應的帶寬。

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

5 結束語

在本文中，開發了自適應頻譜分配方案，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，以實現更好的性能，減少信令開銷。仿真結果表明，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：副教授，博士畢業于北京郵電大學，現任職于北京郵電大學，主要研究通信信息系統。

尚絳：高級工程師，碩士畢業于大連海事大學，現任職于中國交通通信信息中心，主要從事交通信息化及通信導航等領域的研究工作。參加多個國家省部級項目，如國家發改委衛星專項、交通運輸部西部項目及軟課題研究項目等，組織并參與編制交通通信及衛星導航領域的行業標準7項，其中正式發布實施的有6項，在編1項。

解悅：助理工程師，學士畢業于北方工業大學，現任職于中國交通通信信息中心北斗工程辦公室，主要研究方向為北斗導航及交通供應鏈管理，多年從事高速公路通信及監控系統工程設計和實施，并參與交通運輸部《全國高速公路光纖通信資源管理研究》軟課題研究及行業標準編制工作。

第一線網站榮獲無障礙網頁嘉許計劃獎項

4月13日第一線宣布，其公司網站榮獲香港無障礙網頁嘉許計劃獎項。該獎項是由香港政府資訊科技總監辦公室與平等機會委員會合辦，旨在表彰在其網站及移動應用程序采用無障礙設計的企業及機構。第一線的代表及近二百名來自參與計劃的公司代表于4月13日出席了無障礙網頁嘉許計劃的頒獎典禮。

第一線網絡業務聯席總裁吳海金表示，據統計香港有580,000名殘疾人士和超過150萬名60歲以上的長者，企業參與無障礙網頁嘉許計劃事在必行，“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，用諸社會’的理念，堅守我們在社會上的崗位，并努力發揮互助精神。我們將繼續肩負使命，在未來的日子參與更多有意義的活動。”

所謂無障礙網頁，指的并非是一個網站在搜索引擎上的可搜索性，更重要的是網站的設計是否切合所有人士以不同方式上網的需要。無障礙網頁的設計必須針對殘疾與有特殊困難人士的需要作出相應調整，讓長者、受色盲困擾的人群、以及患有認知和身體不便如讀寫困難、癲癇病等人士得以受惠。作為無障礙網頁嘉許計劃獎項的得獎者，參與企業的網頁必須符合14項有關條件，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,尚絳,解悅. 基于OFDMA的Femtocell網絡的高效頻譜分配方案[J]. 移動通信, 2015,39(7): 42-46.

2014-04-08

責任編輯：劉文竹 liuwenzhu@mbcom.cn