兩層異構蜂窩網(wǎng)絡中femtocell和macrocell間的有效干擾管理

譚　歆, 劉瑞雪, 李　云, 黃　巍

(重慶郵電大學移動通信重點實驗室, 重慶 400065)

?

兩層異構蜂窩網(wǎng)絡中femtocell和macrocell間的有效干擾管理

譚歆, 劉瑞雪, 李云, 黃巍

(重慶郵電大學移動通信重點實驗室, 重慶 400065)

摘要：針對異構蜂窩網(wǎng)絡中femtocell和macrocell之間的跨層干擾和同層干擾問題,提出了一種新型的干擾管理方案。該方案采用部分頻分復用將蜂窩網(wǎng)絡中所有小區(qū)劃分成不同的空間區(qū)域抑制macrocell之間同層干擾,然后femtocell利用合作頻譜感知獲得可用信道資源,并通過設置干擾閾值的方式將家庭基站用戶(femtocell users, FUEs)進行分簇抑制femtocell間的同層干擾。同時,該方案以跨層干擾限制為基礎進行功率調整。 最后,與目前現(xiàn)有的計劃相比,仿真結果驗證了該方案能更有效地抑制系統(tǒng)干擾和提高系統(tǒng)的性能。

關鍵詞：femtocell; 干擾; 部分頻分復用; 合作感知; 功率調整

0引言

近年來,由于移動用戶對通信業(yè)務的需求越來越高,智能終端和多媒體業(yè)務的迅速發(fā)展,使得宏蜂窩網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)目不斷增加[1]。然而,由于宏基站macrocell具有較大的覆蓋區(qū)域,并不能保證所有的宏基站用戶都具有較好的通信性能。而且,較大的覆蓋面積還會導致系統(tǒng)較高的能量消耗。所以,目前的蜂窩網(wǎng)絡通過嵌入家庭基站(femtocell base stations, FBSs)改善宏基站的室內覆蓋和容量增益。因此,異構網(wǎng)絡應運而生[2]。

然而,由于異構蜂窩網(wǎng)絡的同頻組網(wǎng)方式,大量的家庭基站用戶與宏基站用戶共享頻譜資源,家庭基站用戶必然會對宏基站用戶產生干擾。此外,家庭基站用戶之間以及宏基站用戶之間的相互干擾都成為制約系統(tǒng)傳輸性能的關鍵因素[3]。

在異構蜂窩網(wǎng)絡中,常見的信道部署方式有兩種,即專用信道和共用信道部署[4-5]。雖然專用信道部署方式能夠消除跨層干擾,但其導致了無效的頻譜利用[6]。相反,共用信道部署方式因具有靈活性、有效性和可擴展性的優(yōu)勢而被廣泛使用。但是,其仍然會帶來嚴重的干擾[5,7]。因此,部分頻分復用策略[3]的采用為減少多小區(qū)間的干擾和改善頻譜效率問題提供了較為理想的解決方案。在兩層WiMax網(wǎng)絡中,使用部分頻分復用壓縮共層干擾[8]。因而可以看出,部分頻分復用能夠在干擾消除和頻譜效率之間找到一個更好的平衡點[2]。

此外,在高密度網(wǎng)絡中家庭基站搜索可用頻譜資源并能充分利用這些資源是一個關鍵的問題。目前,很多研究將認知技術與家庭基站相融合,即認知家庭基站(cognitive femtocells, CFs)[9]來尋找可用頻譜資源。然而,在真實的網(wǎng)絡環(huán)境中,認知用戶的接收信號常常受到信道失真的影響。特別是,陰影效應、多徑衰落和路徑損耗能夠引起信號極度削減[10]。每一個認知用戶首先將其當?shù)馗兄Y果報告給融合中心,然后融合中心通過融合所有的本地感知結果對每一個信道是否空閑做出最后的判斷,該過程即為合作頻譜感知的實現(xiàn)過程[11]。

針對家庭基站間的共層干擾問題,一種叫做“三對三家庭基站簇”的新型結構[12]用于處理干擾、系統(tǒng)容量增益和能量效率三者之間的關系。另外,通過將家庭基站分成簇的方式消除簇間干擾并限制簇內用戶干擾[3]。

本文提出了一種新型的干擾消除方案,該方案將一個家庭基站用戶所受到的來自相同簇的其他家庭基站的干擾作為判定條件,決定家庭基站用戶應該分到哪一個簇內。以這種方式,家庭基站用戶和宏基站用戶的信干噪比性能(signal to interference noise ratio,SINR)得到了進一步的改善。考慮到提高認知家庭基站頻譜感知的準確性,采用合作頻譜感知技術將分布在宏基站覆蓋區(qū)域的多個認知家庭基站的感知信息融合在一起,并通過控制中心做出最終的判定,減少多徑效應等因素的影響。另外,本文采用的功率調整方案是在保證家庭基站用戶和宏基站用戶的性能的情況下,降低系統(tǒng)的能量消耗。

1系統(tǒng)模型

本文針對正交頻分多址接入系統(tǒng)的下行鏈路模型進行研究。 如圖1所示,系統(tǒng)中包括M個macrocells和N個femtocells。假設每個家庭基站至多向一個用戶提供服務,且該用戶隨機的分布在半徑為Rf的家庭基站的覆蓋區(qū)域。值得強調的是,本文重點研究宏基站用戶和家庭基站用戶使用相同信道時的跨層干擾和家庭基站之間的共層干擾,而不考慮宏基站用戶之間的干擾。

圖1　異構網(wǎng)絡中的干擾場景

系統(tǒng)的頻帶總寬度為WHz,該頻帶被平均分成3個正交的子帶(sub-bands,SBs)。每個子帶包含Ns個子載波,每個子載波由n表示,這些子載波可被宏小區(qū)中心和宏小區(qū)邊緣的部分用戶使用。在宏基站的覆蓋范圍內,每一次子載波至多被分配給一個宏基站用戶,但是可以應用于其他宏小區(qū)。

兩層異構網(wǎng)絡中存在3種類型的無線鏈路,分別是室內到室內鏈路,室外到室外鏈路和室外到室內鏈路。另外,無線鏈路中的路徑損耗,陰影效應和瑞利衰落等參數(shù)根據(jù)文獻[3]的表I而定義。

(1)

(2)

為了更加精確地表示系統(tǒng)的總體性能,分別以家庭基站的頻譜效率SE和能量效率EE為例,其表達式[2]如下:

(3)

(4)

(5)

式中,Nsc=3Ns且Ptotal是系統(tǒng)消耗的總功率。Pa是在信息的傳輸期間除了宏基站和家庭基站的發(fā)送功率以外的功率消耗,例如,電路消耗,濾波器,數(shù)字模擬轉換器等的功率消耗[13]。

2認知干擾管理方案

在異構蜂窩網(wǎng)絡中,可用頻譜資源和用戶通常是動態(tài)變化的。合作頻譜感知方案能夠通過采用OR融合規(guī)則將多個認知家庭基站的本地檢測結果進行融合并對信道資源是否可用作出判決,為用戶找到可用的頻譜資源。另外,在每個時隙根據(jù)用戶所受到的干擾情況將大量的家庭基站分成幾個簇。每一個簇內的家庭基站用戶使用相同的信道,不同的簇使用不同的信道。每一個家庭基站用戶所受到的來自相同簇內其他家庭基站的干擾低于干擾閾值的情況下才能加入該簇,與該簇內的其他家庭基站用戶使用相同的信道。需要說明的是,在家庭基站用戶被分成簇和子信道分配的過程中,家庭基站的傳輸功率是其最大功率Pmax。如果家庭基站用戶簇與宏基站用戶使用相同的子信道,則家庭基站用戶簇對宏基站用戶的干擾應該限制在一定的范圍之內,避免宏基站用戶受到強烈的干擾。最后,利用拉格朗日乘子的方法調整家庭基站的傳輸功率。

2.1合作能量檢測

在該方案中,每一個認知家庭基站檢測宏基站用戶的上行鏈路信號強度,并將接收到的信號功率與設定的功率閾值比較,從而得到家庭基站的本地檢測結果。然后,認知家庭基站通過公共控制信道將本地檢測結果bk的值發(fā)送給控制中心。其中,bk=0表示第k個認知家庭基站沒有檢測到宏基站用戶的存在,相反,bk=1表示第k個認知家庭基站檢測到宏基站用戶存在。最后,控制中心接收所有的本地信息并采用融合規(guī)則將這些信息進行融合[14]:

(6)

式中,K是融合中心對子信道做出最終決定的判決閾值；δ表示全局決定,δ=0,即假設H0,表示宏基站用戶未使用該子信道；而δ=1,即假設H1,表示宏基站用戶正在使用該子信道。從公式(6)可以看出,如果N個認知家庭基站中至少有K個家庭基站的本地檢測結果為1,就判定宏基站用戶使用該信道,融合規(guī)則即表現(xiàn)為全局決定δ=1的形式。因此,稱該融合規(guī)則為“K out of N”準則。否則,認為宏基站用戶沒有使用該信道。事實上,當K=N時,公式(6)的融合規(guī)則符合AND融合規(guī)則,而當K=1時,符合OR融合規(guī)則[14-15]。所以,AND和OR兩種融合規(guī)則分別是“K out of N”準則的兩種特殊形式[14]。經(jīng)研究表明,OR規(guī)則更適合于多數(shù)實際方案并能夠獲得高度準確的檢測概率[16]。因此,本文采用OR準則進行信息融合。

(7)

(8)

2.2家庭基站用戶分成簇

由于家庭基站具有較小覆蓋面積,且家庭基站與其用戶之間的距離非常小。為了簡化,在家庭基站用戶分成簇的過程中,家庭基站用戶間的路徑損耗就相當于家庭基站間的路徑損耗。根據(jù)文獻[3],將使用相同子帶的家庭基站用戶分成簇,且家庭基站簇內的每一個家庭基站可以看作一個頂點,該簇內的所有頂點放在集合V中,即V={v1,v2,…,vl},vl表示該簇內第l個家庭基站。更進一步,將兩個家庭基站間路徑損耗看成一條邊,E是包含所有邊元素e1,e2,…,eh的集合,且h是該圖中邊的數(shù)目。另外,一個頂點l的權重是與該頂點相關的路徑損耗之和,表示為wl。因此,W′包含所有頂點權重w1,w2,…,wl的集合。綜上所述,整個網(wǎng)絡可抽象成一個干擾圖即G={V;E;W′}。另外,一個簇的權重是簇中所有頂點相應權重之和。每一個新的節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸之前,選擇加入權值最小的簇。通過這種方法,能夠使新加入的節(jié)點所受到的來自同一簇內其他節(jié)點的干擾最小。然而,這種方式并不能保證同一簇內的每個家庭基站用戶都具有較高的SINR。而且文獻[3]的方法忽視了隨著家庭基站數(shù)量的增長,最小的干擾值不斷增大,用戶的通信質量會隨著干擾值的增大而下降的情況。

所以,本文提出了一種新型的分簇方法,該算法通過給每個用戶設置干擾上限限制同一簇內用戶所受到的干擾水平將家庭基站用戶分成不同的簇。每一個家庭基站用戶簇至多使用一個子信道,并且使用該子信道的家庭基站用戶簇對使用該子信道的宏基站用戶產生的干擾應減小到最低。

在分簇之前,假設每一個家庭基站即為一個簇,并且簇的數(shù)目等于N。節(jié)點i的權重如下所示[3]

(9)

式中，τij表示家庭基站i與其在相同的簇內且相鄰的家庭基站j之間的路徑損耗。家庭基站的詳細分簇過程如下:

初始化:輸入所有頂點且每一個頂點表示一個簇,Nc是每一個簇中家庭基站的數(shù)目,c∈{1,2,…N};1:forv=1toNdo2:forc=1toNdo3: ifv==c4: ifwi(i∈{1,…,Nc+1})

分簇方法描述如下:如果節(jié)點v選擇加入當前簇且滿足干擾限制條件,那么該節(jié)點分配完成,進行其他節(jié)點的分配。如果節(jié)點v選擇加入其他簇且滿足干擾限制條件,更新節(jié)點發(fā)生變化的簇內家庭基站的數(shù)目,該節(jié)點完成分配,進行其他節(jié)點的分配。如果節(jié)點v在所選擇的簇內不滿足干擾限制條件,繼續(xù)尋找其他的簇直到所有的節(jié)點都分到相應的簇內。由上述分簇過程可知,一個新的節(jié)點加入一個簇內,必須通過計算該簇內每一個節(jié)點的權重,判斷該節(jié)點是否滿足干擾限制條件。如果簇中每一個節(jié)點的權重都小于干擾閾值R,那么該節(jié)點可被分到該簇內。否則,該節(jié)點就會被分到其他的簇。因此,這種方式限制了家庭基站間的干擾并能夠保證每一個家庭基站用戶可靠地通信。最后,記錄每一個簇的分簇結果并輸出分簇的數(shù)目和每一個簇內的家庭基站。

2.3子信道分配和功率調整

為家庭基站用戶簇選擇合適的信道不僅能夠降低家庭基站用戶對宏基站用戶產生的干擾,而且能使系統(tǒng)獲得更高的頻譜效率。功率分配的最終目標是最大化每一個簇的吞吐量并控制系統(tǒng)的能量消耗。所以,對于每一個家庭基站簇的優(yōu)化表達式如下：

(10)

0≤Pk≤Pmax,?k∈I,

0≤Pj≤Pmax,?j∈I

(11)

μk≥0,?k, μkPk=0,?k, λ1≥0,

μk+λ1·Gk,u=0,?k

(12)

從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的通信過程中,Pk必須大于零。所以,uk可被消除,從式(12)的條件可獲得式(13)。

(13)

現(xiàn)在從式(13)可以看出,λ1·Gk,u必須是非零的。這樣,當λ1非零時,可以通過公式(14)得到λ1的值。

3仿真結果

為了驗證方案的正確性和有效性,使用Matlab對宏蜂窩中具有60個宏基站用戶和300個家庭基站用戶的系統(tǒng)從SINR、頻譜效率和能量效率幾個方面進行仿真。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設定如表1所示。

表1　系統(tǒng)的仿真參數(shù)

宏基站用戶的SINR累積分布函數(shù)如圖2所示。文中提出的方案比文獻[3]中的方案和隨機分配方案在改善SINR性能方面更具優(yōu)勢。這說明本文中提出的方法能有效地減少跨層干擾。

圖2　宏基站用戶SINR累積分布函數(shù)

家庭基站用戶的SINR累積分布函數(shù)如圖3所示。與文獻[3]中的方案和隨機分配方案相比,本文提出的方案由于精確的信道感知和相同簇中相鄰家庭基站間的干擾限制而獲得了更好信干噪比性能。盡管文獻[3]的方案同樣減小了共層干擾,但是這種方案忽視了當一個簇內存在的家庭基站用戶數(shù)量越來越多時,該簇內鄰近基站之間的干擾也會越來越嚴重。

圖3　家庭基站用戶SINR累積分布函數(shù)

圖4和圖5分別展示了在不同家庭基站用戶簇數(shù)目的情況下macrocell和femtocell的頻譜效率。從圖中可以看出,本文提出的方案與文獻[3]的方案和隨機分配方案相比,具有更好的頻譜效率。主要由于本文提出的方案能夠通過合作頻譜感知計劃以更高的感知精確度獲得更多的可用信道資源并且這些可用信道能夠被家庭基站用戶充分利用。此外,跨層干擾和共層干擾管理能夠有效地阻止macrocell和femtocell的性能隨著家庭基站用戶簇的增多而下降。

圖4　隨著家庭基站用戶簇的變化macrocell的頻譜效率情況

圖5　隨著家庭基站用戶簇的變化femtocell的頻譜效率情況

圖6描述了家庭基站發(fā)送功率不斷變化的情況下系統(tǒng)的能量效率變化情況。假設家庭基站用戶簇對宏基站的干擾限制Ith為10-7W。從圖6可以看出,當家庭基站的發(fā)送功率較小時,峰值能量效率之間的差值相對較小,然后隨著家庭基站發(fā)送功率的不斷增加,3種方案間能量效率的差距越來越大。而且,在具有相同的傳輸功率時,文中提出的方案具有較高的能量效率,且隨著發(fā)送功率的增大,能量效率基本趨于平穩(wěn)。

圖6　系統(tǒng)的能量效率

4結論

本文主要研究了兩層異構蜂窩網(wǎng)絡中存在大量的家庭基站時,根據(jù)系統(tǒng)中可用頻譜資源和用戶的實際通信數(shù)量,進行動態(tài)分配信道和功率控制的干擾消除方案。合作頻譜感知方案的提出有助于找到更多的可用頻譜資源,避免跨層干擾和共層干擾。所有的家庭基站用戶被分成不同的簇,簇中的所有用戶共享同一信道,從而提高了系統(tǒng)的頻譜使用效率。另外,功率調整方案通過給每一個家庭基站分配合適的功率而改善了系統(tǒng)的能量效率。因此,本文提出的方案能夠有效地增強宏基站用戶和家庭基站用戶的通信質量,提高系統(tǒng)的性能。

參考文獻：

[1] Gur G, Bayhan S, Alagoz F. Energy efficiency impact of cognitive femtocells in heterogeneous wireless networks[C]∥Proc.ofthe1stACMworkshoponCognitiveRadioArchitecturesforBroadband,2013: 53-60.

[2] Ma Y H, Lü T J, Zhang J, et al. Cognitive interference mitigation in heterogeneous femto-macro cell networks[C]∥Proc.oftheIEEE23rdInternationalSymposiumonPersonalIndoorandMobileRadioCommunications,2012: 2131-2136.

[3] Ning G, Yang Q H, Kyung S K, et al. Macro-and femtocell interference mitigation in ofdma wireless systems[C]∥Proc.oftheGlobalCommunicationsConference,2012: 5068-5073.

[4] Lopez-Perez D, Valcarce A, De La Roche G, et al. Ofdma femtocells: a roadmap on interference avoidance[J].IEEECommunicationsMagazine,2009, 47(9): 41-48.

[5] Meerja K A, Pin-Han H, Wu B. A novel approach for co-channel interference mitigation in femtocell networks[C]∥Proc.oftheGlobalTelecommunicationsConference, 2011: 1-6.

[6] Zhang X, Su Z W, Yan Z, et al. Energy-efficiency study for two-tier heterogeneous networks (hetnet) under coverage performance constraints[J].MobileNetworksandApplications,2013, 18(4): 567-577.

[7] Huang L, Zhu G X, Du X J. Cognitive femtocell networks: an opportunistic spectrum access for future indoor wireless coverage[J].IEEEWirelessCommunications,2013,20(2): 44-51.

[8] Yeh S P,Talwar S, Lee S C, et al. Wimax femtocells: a perspective on network architecture, capacity, and coverage[J].IEEECommunicationsMagazine,2008, 46(10): 58-65.

[9] da Costa G W O, Cattoni A F, Roig V A, et al. Interference mitigation in cognitive femtocells[C]∥IEEEGlobecomWorkshops,2010: 721-725.

[10] Bixio L, Ottonello M, Raffetto M, et al. A comparison between stand-alone and distributed architectures for spectrum hole detection[C]∥Proc.oftheIEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference,2010: 1-6.

[11] Ling X, Bao Z Q, Wen H, et al. Cooperative spectrum sensing with adaptive energy threshold control and efficient data fusion[C]∥Proc.oftheIEEE/CICInternationalConferenceonCommunicationsinChina,2013: 362-367.

[12] Mhiri F, Ben Reguiga K S, Bouallegue R, et al. 3-on-3: a new algorithm for femtocell self organized networks[C]∥Proc.oftheInternationalConferenceonCommunicationsandInformationTechnology,2012: 248-253.

[13] Devarajan R, Jha S C, Phuyal U, et al. Energy-aware resource allocation for cooperative cellular network using multi-objective optimization approach[J].IEEETrans.onWirelessCommunications,2012, 11(5): 1797-1807.

[14] Letaief K B, Zhang W. Cooperative communications for cognitive radio networks[J].ProceedingsoftheIEEE,2009, 97(5): 878-893.

[15] Bixio L, Ottonello M, Raffetto M, et al. A comparison among cooperative spectrum sensing approaches for cognitive radios[C]∥Proc.ofthe2ndInternationalWorkshoponCognitiveInformationProcessing,2010: 168-173.

[16] Mugume E, Prawatmuang W, So D K C. Cooperative spectrum sensing for green cognitive femtocell network[C]∥Proc.oftheIEEE24thInternationalSymposiumonPersonalIndoorandMobileRadioCommunications,2013: 2368-2372.

[17] Bansal G, Hossain M J, Bhargava V K. Adaptive power loading for ofdm-based cognitive radio systems with statistical interference constraint[J].IEEETrans.onWirelessCommunications,2011, 10(9): 2786-2791.

譚歆(1975-),男,講師,主要研究方向為無線移動通信。

E-mail:tanxin@cqupt.edu.cn

劉瑞雪(1988-),女,碩士研究生,主要研究方向為無線移動通信。

E-mail:woshiyongyuanha@163.com

李云(1974-),男,教授,博士,主要研究方向為寬帶無線接入技術。

E-mail:liyun@cqupt.edu.cn

黃巍(1968-),男,高級工程師,博士,主要研究方向為寬帶無線接入技術。

E-mail:13908189773@139.com

網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150506.1148.004.html

Efficient interference management in heterogeneous macro-femtocell networks

TAN Xin, LIU Rui-xue, LI Yun, HUANG Wei

(KeyLabofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityof

PostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Abstract:In order to mitigate the co-tier and cross-tier interference in heterogeneous macro-femtocell networks, a novel interference mitigation scheme is proposed. Fractional frequency reuse, which divides all cells into different spatial regions, is applied in macrocell networks with the purpose of suppressing the co-tier interference among macrocell users (MUEs). Femtocells are able to find out the available sub-channels by cooperation sense techniques. The femtocell users (FUEs) are grouped into different clusters for limiting the co-tier interference among them by setting the interference threshold. Simultaneously, the power adjustment scheme is applied based on the cross-tier interference limitation. Finally, numerical results confirm that the proposed scheme can mitigate system interference and improve performance of the system more efficiently than the current scheme.

Keywords:femtocell; interference; fractional frequency reuse; cooperation sense; power adjustment

作者簡介：

中圖分類號：TN 929.53

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.28

收稿日期：2014-01-08；修回日期：2015-03-19；網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期：2015-05-06。