雙層異構網絡下行中斷概率及功率控制研究*

2017-01-16 03:41:42滕世海

通信技術 2016年11期

全震，滕世海

（蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅蘭州 730070）

全震，滕世海

（蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅蘭州 730070）

針對雙層異構網絡架構復雜、干擾嚴重的問題，利用空間泊松點過程對Macro-Fem to雙層網絡進行了數學建模，推導了室外MUE和室內FUE的下行中斷概率，并提出了基于距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案。仿真實驗表明，所推導的中斷概率表達式是正確的，所提出的方案明顯減少了宏用戶所受的干擾，降低了宏用戶的中斷概率，有效提升了整個異構網絡的性能。

異構網絡；家庭基站；中斷概率；功率控制

0 引言

近年來，隨著經濟社會的快速發展，人們對高速﹑高可靠性的數據業務的需求日益提高。為了實現更大的系統容量﹑更廣的覆蓋范圍及更高的通信質量，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）將異構網絡技術確定為LTE-A（Long Term Evolution-Advanced）項目的關鍵技術之一[1-4]。據統計，蜂窩網絡中約有70%的語音業務和超過90%的數據業務發生在室內。然而，很多家庭和公司都存在室內覆蓋質量差的問題。因此，家庭基站應運而生，為解決傳統宏小區中的室內覆蓋問題提供了新機會。Femtocell是一種應用在家庭﹑辦公或其他小范圍環境下的低功率節點。它具有安裝方便﹑自動網規﹑自動配置﹑即插即用的特點。它與運營商的其他基站采用相同制式﹑相同頻段，通過ADSL﹑LAN等連接，遠端由專用網關（Gateway）實現從IP網到移動網的連通[5-6]。

雖然家庭基站很好地提升了室內用戶的服務質量，但家庭基站的部署，使得現有網絡變得更加復雜。跨層干擾成為雙層網絡面臨的一大挑戰，嚴重的跨層干擾導致雙層網絡中某些區域的中斷概率過大，產生通信覆蓋盲區。因此，很多文獻對雙層網絡的中斷概率進行了研究。胡春靜﹑段洪濤等人推導出Femto和Macro用戶的上行信噪比分布，并給出了中斷概率的閉式解[7]。張文健等構建了宏小區信號功率和毫微微小區聚合干擾功率的下行接收信干比表達式，得到了中斷概率閉式表達式[8]。但上述文獻只考慮了路徑損耗對用戶中斷概率的影響，而并未給出功率優化方案。而Wu J Y & Chu X分析了3扇區宏蜂窩與家庭基站組成的雙層網絡的下行中斷概率，但只推導了Femto用戶的中斷概率，并沒有分析Macro用戶的中斷概率[9]。Jiang B & Tian H等提出跨層干擾信號比的概念，用以表征跨層干擾的最大容忍度，從而得出了中斷概率的表達式[10]。

本文首先利用空間泊松點過程對異構網絡進行數學建模，從理論上推導出Macro-Femto異構網絡下行鏈路的中斷概率；然后，提出基于距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案；最后，利用仿真，驗證所推導出的中斷概率表達式的正確性；同時，仿真結果顯示了該功率控制方法使宏用戶所受干擾明顯減少，很好地將Femto層中斷概率及Macro層中斷概率控制在各自的中斷概率門限之下，從而提升了整個異構網絡的性能。

1 系統模型

考慮一個宏小區和多個毫微微小區構成的雙層異構網絡，系統模型如圖1所示。假設宏基站MBS位于小區的中心，覆蓋范圍S是一個半徑為RM的圓形區域，MUE均勻分布在宏小區內。由于FAP是由終端用戶自主安裝，具有隨機性，所以小區內所有的FAP被建模為密度為λF的均勻空間泊松點過程SPPP（Spatial Poisson Point Process）。宏小區內FAP的個數為NF=λFS=λFπR2M，FAP工作在封閉接入模式下，每個FAP服務1個FUE，覆蓋半徑為RF。假設FUE位于服務FAP的邊緣位置。

圖1 系統模型

由于雙層異構網絡是干擾受限系統，為了便于計算，忽略高斯白噪聲對信號衰落的影響。為此，綜合考慮大尺度的路徑損耗模型，中尺度的陰影衰落和小尺度的平坦性瑞利衰落，對Macro-Femto雙層網絡的信道進行精確建模。其中，路徑傳播損耗釆用IMT-2000信道模型來建模，具體參數如表1所示[11]。

表1 IMT-2000信道模型

2 下行中斷概率分析

2.1 MUE下行中斷概率

Macro-Femto雙層異構網絡采用正交頻分多址接入技術（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）。在該接入方式下，資源調度的最小單元為資源塊（Resource Block，RB）。假設同一資源塊的所有子載波具有相同的發送功率，并且在同一時隙經歷相同的陰影和瑞利衰落。對于一個與MBS的距離為rM的MUE，它接收到的SIR可表示為：

根據Turkmani近似，指數分布的隨機變量與對數正態分布的隨機變量的乘積可用對數正態分布的隨機變量來近似。所以，。

為滿足MUE下行服務質量的基本要求，必須保證MUE接收的SIR不小于Macro下行鏈路的預設SIR門限值TM，否則MUE與MBS間的通信將會中斷。因此，Macro層下行鏈路的中斷概率定義為MUE接收SIR小于TM的概率：

文獻[10]中所述，式（2）僅在αFM=4時才有閉式解，且根據文獻[12]的觀點“即使空間密度λF很大，也不會出現若干個FAP的干擾共同干擾導致Macro下行通信發生中斷，除非在這若干個干擾FAP中有一個FAP是主干擾”，式（2）可在“至少有一個FAP是主干擾FAP，其干擾程度大到可以引起Macro下行通信中斷”的條件下得：

因此，Macro層下行中斷概率：

由于式（7）是一個不可積的超越函數，所以對其進行高斯-埃米爾特級數展開，可得：

利用Matlab可以計算出Macro層的中斷概率，其中M、vM、bM是高斯-埃米爾特級數的系數。

2.2 FUE的下行中斷概率

同樣地，假設同一資源塊的所有子載波具有相同的發送功率，并且同一時隙經歷相同的陰影和瑞利衰落。由于FAP是低功率節點，MBS的發射功率遠遠大于FAP的發射功率，服務FAP與FUE的路損很小且沒有穿墻損耗，干擾FAP與FUE之間具有雙層穿墻損耗，因此干擾FAP對FUE同層干擾相對于MBS對FUE跨層干擾很小。為了數學推導方便，忽略Femto-Femto的同層干擾，則對于一個與MBS的距離為dMF的FUE，它接收到的SIR可表示為：

HF～e(1)和HMF～e(1)分別代表服務FAP到FUE經歷的瑞利衰落和MBS到FUE經歷的瑞利衰落，分別代表服務FAP到FUE經歷的陰影衰落和MBS到FUE經歷的陰影衰落。

為了滿足FUE下行服務質量的基本要求，必須保證FUE接收的SIR不小于Femto預設SIR門限值TF，否則FUE與服務FAP間的通信將會中斷。因此，Femto層下行鏈路的中斷概率定義為FUE接收SIR小于TF的概率：

3 FAP下行功率控制

一般來說，宏蜂窩小區邊緣位置的室內用戶往往因為服務質量差而選擇自主安裝Femtocell，以提高通信質量，而靠近中心位置的室內用戶一般不會安裝Femtocell。從式（11）中可以看出，如果FAP距離MBS很近，Femto層下行中斷概率就會很高。因此，FAP以最大發射功率進行通信，在保證Femto層下行中斷概率不高于中斷概率門限值εF的基礎上，可求得FUE距MBS的最短距離dMF,min：

考慮到MBS是運營商為整個宏蜂窩網絡提供網絡覆蓋的基礎設施，MBS的發射功率一般固定不變，而FAP由用戶自主安裝，目的是為了自身利益。因此，只要保證Femtocell中斷概率達到自身要求，就可以對Femtocell的發射功率進行調節，減少其對MUE的跨層干擾，從而降低Macro層中斷概率。由于FUE距離其服務FAP很近，FAP只要很小的發射功率即可保證FUE的服務質量。如果不對FAP的發射功率進行合理調節，不僅會對MUE產生嚴重的跨層干擾，而且會造成功率資源的浪費。Femtocell滿足自身要求即其中斷概率為不高于Femto層中斷概率門限值εF，則FAP最小發射功率可在Pout,F=εF時得到：

基于上述分析，提出一種綜合考慮距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案，即在dMF,min以內不部署Femtocell，在[dMF,min,RM]距離范圍內，保證Femto層中斷概率等于εF，根據Femto中斷概率要求得到FAP的最小發射功率，FAP調整其發射功率，從而減少對Macro層的干擾。

4 仿真分析

為了驗證推導的Macro層和Femto層下行通信鏈路的中斷概率公式的正確性和所提出優化方案的有效性，本節利用Matlab軟件搭建仿真平臺，利用蒙特卡洛仿真方法對理論分析結果進行仿真驗證，具體仿真參數詳見表2。

表2 系統參數和仿真參數

圖2顯示了Macro層和Femto層下行中斷概率隨MUE距離的變化情況。從圖2中可以看出，對于給定的NF，隨著MUE與MBS距離的不斷增大，MUE接收的來自MBS的有用信號不斷減小，而接收的FAP對MUE的跨層干擾不斷增大，使得MUE的中斷概率逐漸增大。在特定的距離下，NF=100時Macro層下行鏈路的中斷概率大于NF=30 時Macro層下行鏈路的中斷概率。而FUE正好相反，當FUE距離MBS比較近時，FUE的中斷概率很高，沒有辦法正常通信；但隨著FUE與MBS的距離不斷增大，FUE接收的來自MBS的干擾逐漸減小，FUE的中斷概率逐漸減小。可見，理論結果與仿真結果基本一致，證明了所推導的中斷概率表達式的有效性。

圖2 下行中斷概率隨UE距離變化情況

由圖2可以看出，當FUE距離MBS很近時，FUE沒有辦法正常通信，且在MBS的中心區域內，用戶的中斷概率很小，不需要通過家庭基站來增加覆蓋。因此，提出的基于距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案是切實可行的。FAP發射功率功率與FUE距MBS的距離變化曲線圖如圖3所示，從圖3可以看出，與沒有進行功率控制的方案相比，當Femtocell逐漸遠離Macrocell時，在提出的方案下，FAP的發射功率不斷減小且趨勢明顯，充分保證了功率資源的有效利用。

圖3 FAP發射功率隨FUE距離變化曲線

圖4給出了在提出的基于距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案下，即使對于Femtocell部署十分密集的情況，也可以很好地將Femto層中斷概率及Macro層中斷概率控制在各自的中斷概率門限之下，從而有力證明了優化方案的有效性。

圖4 提出方案的中斷概率隨UE距離變化情況

5 結語

本文首先利用空間泊松點過程對雙層異構網絡的系統模型進行數學建模，然后針對信號傳播的損耗，綜合考慮信號所受的大尺度路徑損耗﹑中等尺度的陰影衰落和小尺度的瑞利衰落來逼近實際的信號傳輸過程，推導了室外MUE下行通信鏈路的中斷概率和室內FUE下行通信鏈路的中斷概率。在此基礎上，提出了基于距離和中斷概率的家庭基站覆蓋及功率控制優化方案。仿真結果證明，所推導的下行通信鏈路中斷概率是正確性的，提出的優化方案是有效的。此外，本文的理論分析也為后續的研究奠定了理論基礎。

[1] 3GPP Technical Specification 36.201v 10.0.0.LTE Physical Layer;General Description(Releases 10) [S].2010.

[2] 3GPP Technical Specification 36.201v 10.0.0.Physical Channels and Modulation(Releases 10)[S].2010.

[3] 3GPP Technical Specification 36.201v 10.0.0.Multiplexing and Channel Coding(Releases 10)[S].2010.

[4] 3GPP Technical Specification 36.201v 10.0.0.Architecture Description(Releases 10)[S].2010.

[5] 周雄,馮穗力,丁躍華等.Femtocell網絡中博弈式頻率復用算法[J].通信學報,2015,36(02):137-143.

ZHOU Xiong,FENG Sui-li,DING Yue-hua,et al.Femtocell in the Network Game Type Frequency Multiplexing Algorithm[J].Journal of China Institute of Comm-unications,2015,36(02):137-143.

[6] 錢進,王孝,郭士增.基于能效優化的異構網絡資源分配算法設計[J].通信技術,2016,49(02):199-204.

QIAN Jin,WANG X iao,GUO Shi-zeng.Design of Heterogeneous Network Resource A llocation Algorithm based on Energy Efficiency Optimization [J]. Communication Technology,2016,49(02):199-204.

[7] 胡春靜,段洪濤,王文博.OFDMA系統家庭基站的上行容量模型和性能分析[J].北京郵電大學學報,2011,34(01):75-79.

HU Chun-jing,DUAN Hong-tao,WANG Wen-bo.Uplink Capacity Model and Performance Analysis of the Home Base Station of OFDMA System[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2011,34(01):75-79.

[8] 張文健,田茂,何浩等.分層網絡下行中斷概率的閉式表達[J].西安交通大學學報,2011,45(12):59-63.

ZHANG Wen-jian,TIAN Mao,HE Hao,et al.Closed Expression of Probability of Outage in Hierarchical Network[J].Journal of Xi'an Jiao Tong University,2011,45(12):59-63.

[9] Wu J Y,Chu X,Lopez-Perez D.Downlink Outage Probability of Co-Channel Fem tocells in Hierarchical 3-Sector Macrocells[J].Communications Letters,2012,16(05): 698-701.

[10] Jiang B,Tian H,Chu X,et al.On Cross-tier Interference in Co-channel Deployed Two-tier Macro and Fem to Networks[J].IEEE 24th International Symposium, 2013:1694-1699.

[11] Guidelines for Evaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000[S].ITU Recommen. M.1225,1997.

[12] Chandrasekhar V,Andrews J G.SpectruMallocation in Tiered Cellular Networks[J].Communications IEEE Transac tions,2009,57(10):3059-3068.

Downlink Outage Probability and Power Control in Two-tier Heterogeneous Network

QUAN Zhen, TENG Shi-hai

(School of Electronic Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China）

Aiming at complex architecture and serious interference in two-tier heterogeneous network, the mathematical model of Macro-Femto system is established by using the spatial Poisson point process, and the downlink outage probability of the outdoor Macro users and the indoor Femto users derived, and the optimization scheme of Femtocell coverage and power control based on the distance and outage probability also proposed. Simulation results show that the derived outage probability expression is correct, and the proposed scheme could significantly reduce the interference and outage probability of the macro user, and effectively improves the performance of the whole heterogeneous network.

heterogeneous network; femtocell; outage probability; power control