分析毫微微小區(qū)系統(tǒng)中的干擾分析與節(jié)能技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯分析毫微微小區(qū)系統(tǒng)中的干擾分析與節(jié)能技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用-技術(shù)方案2022年7月29日，本人有幸受邀請參加了由人民郵電出版社主辦的綠色無線基站高峰論壇，并有幸聆聽了與會者從不同角度對于綠色毫微微小區(qū)系統(tǒng)的建設(shè)實踐、建議、設(shè)想、方案以及標(biāo)準的設(shè)想，作為一個總結(jié)性的觀點或許是在此次論壇發(fā)出的，主持人問到了綠色到底是什么，各方各執(zhí)一詞。貝葉思咨詢認為，會上討論的綠色無線基站不是指基站本身，而是指基站或者是通信系統(tǒng)的環(huán)保與節(jié)能，為了解決室內(nèi)覆蓋問題，一種稱為毫微微小區(qū)（Femtocell）的技術(shù)應(yīng)運而生。

在宏小區(qū)（Macrocell）和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)中，有兩種資源分配方式：一種是兩種網(wǎng)絡(luò)共享頻譜資源，另一種是兩種網(wǎng)絡(luò)采用相互正交的頻譜資源[3-4]。

如果Femtocell采用與Macrocell相同的頻譜資源，由于Macrocell基站的功率較大，而Femtocell基站的功率較小，因Macrocell對Femtocell用戶的干擾較大，會造成Femtocell用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）降低；而由于Femtocell對Macrocell用戶的干擾較小，Macrocell用戶受到的影響可忽略不計。

如果Femtocell采用與Macrocell正交的頻譜資源，則兩種網(wǎng)絡(luò)互不干擾。由于目前通信系統(tǒng)的頻帶資源極為寶貴，這種相互正交分配資源的方式造成了資源的極大浪費[5-6]。

本文在綜合分析干擾、頻帶利用率和能耗的情況下，將兩種資源分配方式相互結(jié)合，提出了一種基于動態(tài)資源分配的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，從而達到節(jié)約能源、降低干擾和提高系統(tǒng)性能的目的。

1毫微微小區(qū)中降低干擾的方法

針對Femtocell，現(xiàn)在已經(jīng)有一些降低干擾的方法。

（1）干擾避免

由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特殊，在Femtocell網(wǎng)絡(luò)中單一的干擾抑制技術(shù)是無效的。采用串行干擾抵消技術(shù)是將接收到的信號減去強的臨近干擾，從而起到信號還原的作用。如果干擾抵消不準確，抗干擾效果會很差。由于Femtocell設(shè)備的低成本要求，F(xiàn)emtocell的基站和發(fā)射器必須復(fù)雜度低，使得串行干擾抵消技術(shù)的不易實現(xiàn)，所以干擾抵消技術(shù)不能滿足Femtocell的要求。在Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于干擾避免技術(shù)是避免干擾而不是抑制干擾，因此減少干擾是更為有效的方法。對于碼分多址復(fù)用（CDMA）系統(tǒng)，由于Femtocell網(wǎng)絡(luò)采用頻率復(fù)用技術(shù)，當(dāng)宏單元和Femtocell用戶使用共同帶寬時，干擾避免是采用跳時技術(shù)和定向天線技術(shù)來實現(xiàn)的，可以提供7倍的系統(tǒng)容量改善。

（2）跳頻與跳時技術(shù)

在GSM網(wǎng)中，通過采用慢跳頻技術(shù)來避免Femtocell用戶和Macrocell用戶之間的相互干擾。同樣，跳頻正交頻分多址（OFDMA）網(wǎng)絡(luò)使用隨機子信道分配，以減少與周邊基站持續(xù)干擾的概率。在跳時CDMA中，CDMA的持續(xù)時間被分散在M個時隙中，用戶將隨機選擇發(fā)送時隙或者發(fā)送時隙保持靜默。隨機跳時技術(shù)通過M系數(shù)來權(quán)衡處理增益，從而減少干擾用戶的平均數(shù)量。這種方法就是改變現(xiàn)有的CDMAMacrocell的運營網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)Femtocell技術(shù)。

（3）自適應(yīng)功率控制

Femtocell（例如Sprint公司的AiraveFemtocell）使用自適應(yīng)方案來調(diào)節(jié)Femtocell的發(fā)射功率，以解決跨層干擾問題。在前向鏈路過程中，愛立信提出通過增加Femtocell和Macrocell之間的距離來降低Femtocell發(fā)射功率，從而減少對宏單元用戶的干擾。這種折衷的方法將減小Femtocell的家庭覆蓋范圍。在反向鏈路過程中，建議根據(jù)Femtocell用戶的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶及相關(guān)的Macrocell用戶。

2毫微微小區(qū)功控技術(shù)

由于無線通信系統(tǒng)的頻帶資源有限，Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)一般使用相同的頻譜資源，以便增加系統(tǒng)的頻譜利用率。在這種資源分配方式下，下行鏈路Femtocell用戶受到的來自Macrocell基站的干擾比較嚴重。為了保證Femtocell用戶的QoS，要求Femtocell基站以較大的功率發(fā)射信號。因此傳統(tǒng)的Femtocell系統(tǒng)中所有Femtocell基站都采用了功率發(fā)射，即使在干擾很小的情況下，也采用了很大的發(fā)射功率，造成能源非常浪費。

雖然Femtocell基站的發(fā)射功率比Macrocell基站低得多，但其基站數(shù)目卻是Macrocell基站的幾十倍甚至上百倍，因此Femtocell的能耗過大問題值得關(guān)注。

針對上述問題，本文提出一種基于動態(tài)資源分配的功率控制方法。首先，在傳統(tǒng)的模型基礎(chǔ)之上，改變Femtocell的功率，使每個Femtocell都以的功率發(fā)射。同時，結(jié)合接入控制，使每個用戶信號在隨機的時間間隔點到達且占用隨機的服務(wù)時間，由系統(tǒng)在每個用戶信號到達時為其合理分配資源。接著在模型中加入功率控制，即Femtocell的發(fā)射功率隨著每個用戶的信號與干擾噪聲比（SINR）情況而改變，F(xiàn)emtocell與Macrocell存在同頻干擾時，增大Femtocell的發(fā)射功率；當(dāng)同頻干擾結(jié)束時，F(xiàn)emtocell恢復(fù)到原來的功率值。

如圖1所示。當(dāng)Femtocell復(fù)用了Macrocell的資源，即資源匱乏時，為了保證Femtocell同頻用戶的QoS，F(xiàn)emtocell基站采用滿足QoS的較大的發(fā)射功率。

如圖2所示。當(dāng)Femtocell不復(fù)用Macrocell的資源，即資源充裕時，F(xiàn)emtocell用戶不受Macrocell的同頻干擾，用戶SINR較高，因此Femtocell可以采用較小的發(fā)射功率。這樣做既能滿足用戶的QoS，又能降低能耗，一舉兩得。

3毫微微小區(qū)系統(tǒng)功控流程建模

在混合網(wǎng)絡(luò)中Macrocell和Femtocell是共享資源。相對與Femtocell基站的干擾而言，Macrocell基站的干擾要大很多。在考慮Femtocell基站功控的同時，我們應(yīng)該盡量避免Femtocell與本小區(qū)的Macrocell的復(fù)用，所以在給Macrocell用戶分配資源時，要盡可能避免與本小區(qū)中正服務(wù)的Femtocell用戶復(fù)用。鑒于此，本文給出Femtocell分配資源流程圖和Macrocell分配資源流程圖。

對于Femtocell用戶，資源分配的流程如圖3所示。對于Macrocell用戶，資源分配的流程如圖4所示。

Femtocell的功率可以動態(tài)改變。隨著Macrocell同頻資源的釋放，F(xiàn)emtocell用戶不再受到來自Macrocell的同頻干擾，F(xiàn)emtocell便可將發(fā)射功率降低；隨著系統(tǒng)逐漸飽和，時頻資源復(fù)用情況增多，同頻干擾逐漸增大，F(xiàn)emtocell的發(fā)射功率則需要提高，甚至恢復(fù)到無功控時的發(fā)射功率。本文將無功控的Femtocell發(fā)射功率設(shè)為功率。實際中Femtocell的功控流程如圖5所示。

在下行鏈路中，由于用戶可能接入Macrocell，也可能接入Femtocell，因此分別討論兩種情況下對用戶信干噪比（SINR）的計算。

對接入服務(wù)小區(qū)Macrocell的用戶：

式中：Pm'為用戶接收到服務(wù)Macrocell的信號強度，Pm'為用戶接收到的非服務(wù)Macrocell的信號強度，Pf為Femtocell對Macrocell用戶的干擾，N為噪聲功率。

對接入服務(wù)小區(qū)Femtocell的用戶：

式中：Pm為用戶接收到服務(wù)Femtocell的信號強度，Pm為用戶接收到的Macrocell的信號強度，Pf'為其他Femtocell對用戶的干擾，N為噪聲功率。

總的來說：

其中：

將其轉(zhuǎn)化為分貝形式，用戶SINR的計算公式為：

SINR（dB）=Pt+Gt-ShadowFading

-PathLoss-PN-Itotal+Gr（5）

其中等式右邊各項參數(shù)：Pt為信號發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，ShadowFading為陰影衰落，PathLoss為路徑損耗，PN為噪聲功率，Itotal為小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的總干擾，Gr為接收天線增益。

4系統(tǒng)性能仿真與分析

圖6所示為本文所仿真的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)，其中Macrocell引用了一個簡單的WiMAX系統(tǒng)模型[7-8]。圖中，右側(cè)的矩形表示整個頻率資源，小區(qū)中央的無線電發(fā)射塔為基站（BS），小區(qū)內(nèi)的無線接入點為Femtocell基站（HBS）。其中，Macrocell和Femtocell共享整個頻帶。Femtocell主要分布于室內(nèi)，因此路徑損耗模型中也包括穿透損耗。

在這種兩層網(wǎng)絡(luò)中，下行鏈路中涉及到的路徑損耗鏈路包括：鏈路BS→mue（mue為接入Macrocell基站的用戶），鏈路BS→hue（hue為接入Femtocell基站的用戶），鏈路HBS→mue，當(dāng)前接入的鏈路HBS→hue，周圍其他鏈路HBS→hue。

路徑損耗模型的計算公式如表1所示。表1中：L為穿透損耗，單位為dB；d為基站到用戶的距離，單位為km。

對接入模型進行仿真，由于用戶到達時間間隔和服務(wù)時間分別是服從參數(shù)為λ和μ的指數(shù)分布，因此，仿真結(jié)果會隨著服務(wù)時間和到達時間的改變而改變。

當(dāng)λ=5，μ=100時，仿真參數(shù)采用表2中的參數(shù)值，可以得到功控混合網(wǎng)絡(luò)的SINR累計分布函數(shù)如圖7（b）所示。將圖7（b）與圖7（a）相比，可以看出，Macrocell的性能幾乎沒有改變，而Femtocell性能改善很多，之前SINR小于10dB的用戶概率大約為40%，而在本模型中不到10%。更多的Femtocell用戶可以選擇高調(diào)制編碼方式，系統(tǒng)吞吐率也大大提升。另外，F(xiàn)emtocell采用功率發(fā)射，更加節(jié)約能源，對人體的電磁輻射也大大降低。

圖8所示為加入功控的系統(tǒng)與未加功控的系統(tǒng)吞吐率隨著時間的變化曲線，其中系統(tǒng)吞吐率為兩種系統(tǒng)吞吐率之和。從圖中可以看出，當(dāng)用戶從t=0時刻開始到達，隨著用戶的增大，系統(tǒng)的吞吐率逐漸增大。當(dāng)系統(tǒng)達到飽和后，系統(tǒng)的吞吐率達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

比較圖8中上下兩條曲線可以看出，加入功率控制后，系統(tǒng)飽和時的吞吐率比沒有加入功率控制前增大了。因此我們可以認為，功率控制對降低系統(tǒng)干擾，提升系統(tǒng)性能效果明顯。

圖9為系統(tǒng)飽和吞吐率隨Femtocell數(shù)目增加的變化曲線。從圖中可以看出，隨著每個Macrocell中Femtocell數(shù)目的增加，混合系統(tǒng)的飽和吞吐率不斷提高。由于加入功控實際上是提高了Femtocell用戶的SINR，因此在一定范圍內(nèi)，隨著Femtocell數(shù)目的增加，加功控系統(tǒng)的飽和吞吐率比不加功控系統(tǒng)的高，且差距不斷增大。

5結(jié)束語

通過以上關(guān)鍵技術(shù)的組合部署，僅僅毫微微小區(qū)系統(tǒng)的24小時開通平均功耗即可降低30%以上，單站點一年節(jié)省電耗6300kWh。而基站功耗的減少，又使得相關(guān)的供電設(shè)備、散熱設(shè)備、維護設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備的數(shù)