英文摘要:Femtocell is similar to Wi-Fi access devices in appearance and low transmission power. It can therefore be applied in family and office environments. In this paper, wireless resource models and access processes are considered, and a power control scheme is proposed. Time-frequency resources can be reasonably allocated to users who are randomly arrived in order to solve the problem of inteference in macrocell and Femtocell hybrid networks. This scheme can save energy, reduce inteference, and improve system performance.
英文關鍵字:Femtocell; power control; energy saving; interference coordination
基金項目：國家自然科學基金(61071108)
節約能源、節約資源、保護環境是新一代無線移動通信的重要發展方向，是目前需要研究的緊迫課題。研究表明，未來超過50%的語音電話和超過70%的數據傳輸將在室內環境中發生[1-2]，包括家里、辦公室、購物廣場等。對于無線通信來說，室內覆蓋是贏得用戶的關鍵。為了解決室內覆蓋問題，一種稱為毫微微小區(Femtocell)的技術應運而生。
在宏小區(Macrocell)和Femtocell混合網絡中，有兩種資源分配方式：一種是兩種網絡共享頻譜資源，另一種是兩種網絡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用戶的服務質量(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，則兩種網絡互不干擾，此時Femtocell可以以滿足用戶QoS的最小功率發射，從而達到節能的目的。這樣的資源分配方式頻帶的利用率較低。由于目前通信系統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合，提出了一種基于動態資源分配的Macrocell和Femtocell混合網絡的功率控制方法，從而達到節約能源、降低干擾和提高系統性能的目的。
1 毫微微小區中降低干擾的方法
針對Femtocell，現在已經有一些降低干擾的方法。
(1)干擾避免
由于網絡拓撲結構特殊，在Femtocell網絡中單一的干擾抑制技術是無效的。采用串行干擾抵消技術是將接收到的信號減去最強的臨近干擾，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設備的低成本要求，Femtocell的基站和發射器必須復雜度低，使得串行干擾抵消技術的不易實現，所以干擾抵消技術不能滿足Femtocell的要求。在Femtocell網絡結構中，由于干擾避免技術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。對于碼分多址復用(CDMA)系統，由于Femtocell網絡采用頻率復用技術，當宏單元和Femtocell用戶使用共同帶寬時，干擾避免是采用跳時技術和定向天線技術來實現的，可以提供7倍的系統容量改善。
(2)跳頻與跳時技術
在GSM網中，通過采用慢跳頻技術來避免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)網絡使用隨機子信道分配，以減少與周邊基站持續干擾的概率。在跳時CDMA中，CDMA的持續時間被分散在M個時隙中，用戶將隨機選擇發送時隙或者發送時隙保持靜默。隨機跳時技術通過M系數來權衡處理增益，從而減少干擾用戶的平均數量。這種方法就是改變現有的CDMA Macrocell的運營網絡來適應Femtocell技術。
(3)自適應功率控制
Femtocell(例如Sprint公司的Airave Femtocell)使用自適應方案來調節Femtocell的發射功率，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Femtocell用戶的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶及相關的Macrocell用戶。
2 毫微微小區功控技術
由于無線通信系統的頻帶資源有限，Macrocell和Femtocell混合網絡一般使用相同的頻譜資源，以便增加系統的頻譜利用率。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射信號。因此傳統的Femtocell系統中所有Femtocell基站都采用了最大功率發射，即使在干擾很小的情況下，也采用了很大的發射功率，造成能源非常浪費。
雖然Femtocell基站的發射功率比Macrocell基站低得多，但其基站數目卻是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注。
針對上述問題，本文提出一種基于動態資源分配的功率控制方法。首先，在傳統的模型基礎之上，改變Femtocell的功率，使每個Femtocell都以最小的功率發射。同時，結合接入控制，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時間，由系統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的發射功率隨著每個用戶的信號與干擾噪聲比(SINR)情況而改變，Femtocell與Macrocell存在同頻干擾時，增大Femtocell的發射功率；當同頻干擾結束時，Femtocell恢復到原來的最小功率值。
如圖1所示。當Femtocell復用了Macrocell的資源，即資源匱乏時，為了保證Femtocell同頻用戶的QoS，Femtocell基站采用滿足QoS的較大的發射功率。
如圖2所示。當Femtocell不復用Macrocell的資源，即資源充裕時，Femtocell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 毫微微小區系統功控流程建模
在混合網絡中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，我們應該盡量避免Femtocell與本小區的Macrocell的復用，所以在給Macrocell用戶分配資源時，要盡可能避免與本小區中正服務的Femtocell用戶復用。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的功率可以動態改變。隨著Macrocell同頻資源的釋放，Femtocell用戶不再受到來自Macrocell的同頻干擾，Femtocell便可將發射功率降低；隨著系統逐漸飽和，時頻資源復用情況增多，同頻干擾逐漸增大，Femtocell的發射功率則需要提高，甚至恢復到無功控時的發射功率。本文將無功控的Femtocell發射功率設為最大功率。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。
對接入服務小區Macrocell的用戶：
式中：Pm'為用戶接收到服務Macrocell的信號強度，Pm'為用戶接收到的非服務Macrocell的信號強度，Pf 為Femtocell對Macrocell用戶的干擾，N為噪聲功率。
對接入服務小區Femtocell的用戶：
式中：Pm為用戶接收到服務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：Pt為信號發射功率，Gt為發射天線增益，ShadowFading為陰影衰落，PathLoss為路徑損耗，PN為噪聲功率，Itotal為小區內和小區間的總干擾，Gr為接收天線增益。
4 系統性能仿真與分析
圖6所示為本文所仿真的Macrocell和Femtocell混合網絡，其中Macrocell引用了一個簡單的WiMAX系統模型[7-8]。圖中，右側的矩形表示整個頻率資源，小區中央的無線電發射塔為基站(BS)，小區內的無線接入點為Femtocell基站(HBS)。其中，Macrocell和Femtocell共享整個頻帶。Femtocell主要分布于室內，因此路徑損耗模型中也包括穿透損耗。
在這種兩層網絡中，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時間分別是服從參數為λ和μ的指數分布，因此，仿真結果會隨著服務時間和到達時間的改變而改變。
當λ=5，μ=100時，仿真參數采用表2中的參數值，可以得到功控混合網絡的SINR累計分布函數如圖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10 dB的用戶概率大約為40%，而在本模型中不到10%。更多的Femtocell用戶可以選擇高調制編碼方式，系統吞吐率也大大提升。另外，Femtocell采用最小功率發射，更加節約能源，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與未加功控的系統吞吐率隨著時間的變化曲線，其中系統吞吐率為兩種系統吞吐率之和。從圖中可以看出，當用戶從t =0時刻開始到達，隨著用戶的增大，系統的吞吐率逐漸增大。當系統達到飽和后，系統的吞吐率達到一個穩定狀態。
比較圖8中上下兩條曲線可以看出，加入功率控制后，系統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干擾，提升系統性能效果明顯。
圖9為系統飽和吞吐率隨Femtocell數目增加的變化曲線。從圖中可以看出，隨著每個Macrocell中Femtocell數目的增加，混合系統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，隨著Femtocell數目的增加，加功控系統的飽和吞吐率比不加功控系統的高，且差距不斷增大。
5 結束語
本文提出了一種Macrocell小區和Femtocell小區混合網絡中基于動態資源分配的Macrocell和Femtocell混合網絡的功率控制方法。仿真結果表明，加入功控后，不僅可以降低能耗，還可以提高Femtocell用戶的SINR，從而提高整個混合系統的吞吐率。在一定范圍內，隨著Femtocell基站數目增多，加功控系統的飽和吞吐率比不加功控系統的高，且差距不斷增大。本文在考慮功控的同時還考慮了混合小區的干擾避免策略，因此我們設計的Macrocell和Femtocell的混合網絡在節能方面更具優勢。
6 參考文獻
[1] CHANDRASEKHAR V, ANDREWS J, GATHER A. Femtocell Networks: A Survey [J]. IEEE Communications Magazine, 2008, 46(9): 59-67.
[2] FU Xiao, LI Jian. Working Group Technology White Paper 2009 Part V: Network Architecture Research [R]. FuTURE Forum, 2009: 1-32.
[3] BAI Yong, ZHOU Juejia, CHEN Lan. Hybrid Spectrum Sharing for Coexistence of Macrocell and Femtocell [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Communications Technology and Applications (ICCTA'09), Oct 16-18, 2009, Beijing, China. Piscataway, NJ, USA: IEEE Computer Society, 2009:162-166.
[4] GUVENC I? JEONG Moo-Ryong. A Hybrid Frequency Assignment for Femtocells and Coverage Area Analysis for Co-Channel Operation [J]. IEEE Communications Letters, 2008, 12(12): 880-882.
[5] CHANDRASEKHAR V, ANDREWS J. Spectrum Allocation in Two-tier Networks [C]//Proceedings of the 42nd Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers (ACSSC '08), Oct 26-29,2008, Pacific Grove, CA, USA. Piscatawaw, NJ,USA: IEEE, 2008: 1583-1583.
[6] 孫慧霞. 協作通信系統網絡演進與干擾分析 [J]. 中興通訊技術, 2010, 16(1): 14-17.
[7] 范金寧, 蔡敏. Femtocell——3G網絡家庭覆蓋解決方案 [J]. 移動通信, 2009(9): 69-72.
[8] IEEE 802.16m. Evaluation Methodology Document (EMD) [S]. 2008.
劉磊，西南交通大學信息科學與技術學院信息編碼與傳輸實驗室在讀碩士研究生；主要研究領域為無線資源管理、功率控制和節能。
方旭明，西南交通大學信息科學與技術學院信息編碼與傳輸實驗室教授；主要研究領域為無線與移動通信網絡、下一代移動通信系統與業務。
夏瑩瑩，西南交通大學信息科學與技術學院信息編碼與傳輸實驗室在讀碩士研究生；主要研究領域為無線資源管理、功率控制和節能。