0 引言

    隨著移動互聯(lián)網和物聯(lián)網技術及其各種應用的快速發(fā)展，移動數據業(yè)務呈爆炸式增長，因此對數據速率和網絡系統(tǒng)容量提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為解決上述問題和滿足日益增長的業(yè)務需求，業(yè)界提出了許多創(chuàng)新解決方案，如：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)^[1]、毫米波技術^[2]、小小區(qū)技術^[3]等。其中，小小區(qū)技術是系統(tǒng)容量擴充和信息速率提升的最直接有效的方法之一，也是未來5G系統(tǒng)及網絡的關鍵使能技術之一。

    小小區(qū)的大量部署能夠提高系統(tǒng)容量和信息速率，但是也帶來很多問題與挑戰(zhàn)，如：小小區(qū)間嚴重干擾^[4]、小小區(qū)頻繁切換以及小小區(qū)之間協(xié)同運行等。隨著小小區(qū)的增多，UE在進行小小區(qū)搜索時，相比于現有的宏基站網絡部署，需要進行大量的異頻掃描(Inter-Frequency Scanning，IFS)，導致UE在此過程中耗費大量能量^[5]。因此，在小小區(qū)大量部署的蜂窩異構網絡中，如何降低UE在小小區(qū)發(fā)現和切換過程中的能耗，是非常重要的實際問題。文獻[6]和[7]分別提出一種基于UE運動狀態(tài)評估與RSSI射頻指紋數據庫的小小區(qū)發(fā)現方案，兩者均是通過避免UE盲目地進行IFS過程，以達到UE節(jié)能的目的，但是，兩者都存在一定的局限性。

    為解決上述問題，本文提出一種新的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現策略，以解決位于宏小區(qū)邊緣的UE在小小區(qū)發(fā)現過程中的能量損耗問題。當UE接收到宏小區(qū)參考信號的噪聲干擾強度滿足一定范圍時，才觸發(fā)UE進行IFS過程。同時，本方案考慮到UE移動性，避免UE在高速移動狀態(tài)下為了完成小小區(qū)發(fā)現而實施的無效IFS過程或小小區(qū)切換動作。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網絡模型

    本文研究場景為小小區(qū)大量部署的蜂窩異構網絡，如圖1所示。在宏小區(qū)邊緣地帶，由于宏小區(qū)信號質量差，有時不能滿足UE的通信要求，UE需盡可能發(fā)現其周圍的小小區(qū)并與之建立連接。在傳統(tǒng)的小區(qū)發(fā)現方案中，UE需要周期性進行IFS，以達到發(fā)現小小區(qū)的目的，但這往往會消耗UE大量能量。

    雙頻連接是指小小區(qū)同時占有低頻和高頻兩頻段，即小小區(qū)與宏小區(qū)既是異頻關系，又是同頻關系。本文將低頻段稱作DSSC⁽¹⁾(Double Spectrum Small Cell⁽¹⁾)，高頻段稱作DSSC⁽²⁾。令宏小區(qū)占用低頻段DSSC⁽¹⁾，則小小區(qū)同時占用DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾兩個頻段，如圖1所示。為保證小小區(qū)在兩個頻段覆蓋范圍的一致性，則小小區(qū)基站在兩個頻段的發(fā)送功率滿足下式^[8]：

其中，P_tx2與P_tx1分別是小小區(qū)在頻段DSSC⁽²⁾與DSSC⁽¹⁾的發(fā)送功率，L₁與L₂分別為頻段DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾的路徑損耗。

1.2 信號模型

    UE S未與小小區(qū)建立連接時(即UE k在DSSC⁽¹⁾頻段)，在t時刻所接收的宏基站參考信號的信干噪比定義為：

2 基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現方案

2.1 小小區(qū)發(fā)現方案原理及過程

    當UE k接收到宏基站參考信號的值滿足預先設定的范圍后，才觸發(fā)UE進行IFS過程。為了使UE k方便檢測出當前位置對應的值，可令UE k的接收信號總功率為：

2.2 限制高速移動狀態(tài)下的UE進行IFS

    由于高速移動的UE在小小區(qū)覆蓋范圍內活動的時間相當短，會造成UE大量的無效IFS過程。例如UE通過IFS過程與小小區(qū)建立了連接，但連接時間不滿足預先要求的時長（例如不足10 s）；或者UE進行IFS過程，卻無法成功完成小小區(qū)發(fā)現或與小小區(qū)建立連接，都可視為無效的IFS^[6]。因此，如果不對高速移動狀態(tài)下的UE進行IFS測限制，將會大大降低UE異頻掃描的有效性。

    根據上述分析，將IFS的范圍控制在如圖6所示的圓環(huán)內，即當UE S進行IFS同頻檢測的值落在該圓環(huán)區(qū)域所對應的值范圍內時，才觸發(fā)UE k進行IFS。假設將移動速度滿足v>v_th(v_th為預設速度門限)的UE視為高速移動UE，系統(tǒng)需限制該UE進行IFS，則有式(7)：

2.3 兩種IFS機制

其中，r₁的大小是由式(8)、式(9)確定。

3 仿真與性能分析

3.1 仿真場景與參數設置

    本文采用系統(tǒng)級仿真實驗，對提出的小小區(qū)發(fā)現方案進行仿真分析。假設網絡系統(tǒng)中只有1個宏小區(qū)，宏小區(qū)邊緣地帶均勻部署有20個小小區(qū)，且宏小區(qū)占用低頻段，小小區(qū)同時占用低頻段與高頻段。同時假設在宏小區(qū)邊緣區(qū)域，有50個UE，分別以不同的移動速率在宏小區(qū)邊緣范圍作圓周運動，且每個UE至少重復2次以上的圓周運動。UE在移動過程中，如果成功發(fā)現附近存在小小區(qū)，網絡則會依據系統(tǒng)負載情況，決定UE是否進行小小區(qū)切換。具體的仿真參數設置如表1所示^[9]。假設UE進行一次IFS的能量消耗為^[10]：

其中，PL₁和PL₂分別為頻段DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾的路徑損耗，d_u為收發(fā)兩端之間的距離。

3.2 仿真結果分析

    為了驗證上述各個方案的能量效率，分別對3種方案進行仿真實驗。為便于分析說明，本文令方案一表示傳統(tǒng)小小區(qū)發(fā)現方案，方案二表示單閾值情況下的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現方案，方案三則表示雙閾值情況下的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現方案。圖7為3種方案的UE能耗圖。從圖中可看出，當UE移動速度為10 km/h時，相對于方案一，方案二與方案三節(jié)省大量的UE能耗；在IFS周期為80 ms時，方案二與方案三的能耗不足方案一的2%，即相對于方案一，節(jié)省了UE本身98%以上的IFS能量。其原因在于，方案二與方案三將UE的異頻掃描控制在很小的一個范圍內，即小小區(qū)覆蓋范圍或某部分范圍，只有當同頻檢測結果滿足預先設定的范圍時，才觸發(fā)UE的IFS操作。這意味著UE只有在小小區(qū)覆蓋范圍內或邊緣才進行IFS，大量減少UE無效的IFS，以達到UE節(jié)能的目的。

    圖8為方案二與方案三的IFS次數與UE移動速度的關系圖。實驗中假設不同速度的UE圍繞著宏小區(qū)邊緣運動兩周，測量出不同移動速度UE進行IFS的次數。從圖中可以看出，方案二對高速移動UE沒有起到限制IFS的作用，IFS次數隨UE移動速度增加，無明顯的下降趨勢。反觀方案三則對高速移動UE的IFS有明顯的限制作用，其用戶IFS次數隨UE移動速度的增大呈明顯的下降趨勢，且在當移動速度大于40 km/h時，IFS次數急劇下降，這說明方案三能很大程度地避免其進行IFS。

    圖9為方案二與方案三所對應的歸一化無效IFS次數與UE移動速度之間的關系圖。從圖中可看出，隨著UE移動速度的提高，方案二的無效IFS次數較方案三增大較為明顯。這說明相比于方案二，方案三能減少UE大量無效的IFS，從而提高小小區(qū)發(fā)現的有效性。這是因為方案三相比于方案二能有效避免高速移動UE進行IFS。圖10為UE在低速移動的情況下(0～50 km/h)，UE與小小區(qū)連接時間同UE移動速度之間的關系圖。從圖中可看出，在低速情況下，3種小小區(qū)發(fā)現方案中的UE與小小區(qū)連接時間相差很小。這說明本文所提的方案，在低速情況下，能保持較高的小區(qū)發(fā)現概率，同時，在輕微減少小小區(qū)發(fā)現概率的代價下，可對高速移動的UE進行IFS限制，從而提高UE小小區(qū)發(fā)現的有效性。

4 總結

    本文提出一種基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現機制，設計了兩種用戶IFS方案，以解決邊緣區(qū)域UE在小小區(qū)發(fā)現過程中的IFS能耗過高問題。這兩種方案通過減少UE不必要的IFS次數，以達到UE節(jié)能的目的。與傳統(tǒng)小小區(qū)發(fā)現方案相比，本文提出的小小區(qū)發(fā)現方案能節(jié)省UE異頻掃描98%的IFS能耗，同時，通過進一步設定信干噪比值門限（即設置雙門限），可對高速移動UE進行IFS限制，提高小小區(qū)發(fā)現的有效性，同時有效地避免由于頻繁切換而帶來的通信質量下降問題。

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