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.
英文关键字:Femtocell; power control; energy saving; interference coordination
基金项目：国家自然科学基金(61071108)
节约能源、节约资源、保护环境是新一代无线移动通信的重要发展方向，是目前需要研究的紧迫课题。研究表明，未来超过50%的语音电话和超过70%的数据传输将在室内环境中发生[1-2]，包括家里、办公室、购物广场等。对于无线通信来说，室内覆盖是赢得用户的关键。为了解决室内覆盖问题，一种称为毫微微小区(Femtocell)的技术应运而生。
在宏小区(Macrocell)和Femtocell混合网络中，有两种资源分配方式：一种是两种网络共享频谱资源，另一种是两种网络采用相互正交的频谱资源[3-4]。
如果Femtocell采用与Macrocell相同的频谱资源，由于Macrocell基站的功率较大，而Femtocell基站的功率较小，因Macrocell对Femtocell用户的干扰较大，会造成Femtocell用户的服务质量(QoS)降低；而由于Femtocell对Macrocell用户的干扰较小，Macrocell用户受到的影响可忽略不计。
如果Femtocell采用与Macrocell正交的频谱资源，则两种网络互不干扰，此时Femtocell可以以满足用户QoS的最小功率发射，从而达到节能的目的。这样的资源分配方式频带的利用率较低。由于目前通信系统的频带资源极为宝贵，这种相互正交分配资源的方式造成了资源的极大浪费[5-6]。
本文在综合分析干扰、频带利用率和能耗的情况下，将两种资源分配方式相互结合，提出了一种基于动态资源分配的Macrocell和Femtocell混合网络的功率控制方法，从而达到节约能源、降低干扰和提高系统性能的目的。
1 毫微微小区中降低干扰的方法
针对Femtocell，现在已经有一些降低干扰的方法。
(1)干扰避免
由于网络拓扑结构特殊，在Femtocell网络中单一的干扰抑制技术是无效的。采用串行干扰抵消技术是将接收到的信号减去最强的临近干扰，从而起到信号还原的作用。如果干扰抵消不准确，抗干扰效果会很差。由于Femtocell设备的低成本要求，Femtocell的基站和发射器必须复杂度低，使得串行干扰抵消技术的不易实现，所以干扰抵消技术不能满足Femtocell的要求。在Femtocell网络结构中，由于干扰避免技术是避免干扰而不是抑制干扰，因此减少干扰是更为有效的方法。对于码分多址复用(CDMA)系统，由于Femtocell网络采用频率复用技术，当宏单元和Femtocell用户使用共同带宽时，干扰避免是采用跳时技术和定向天线技术来实现的，可以提供7倍的系统容量改善。
(2)跳频与跳时技术
在GSM网中，通过采用慢跳频技术来避免Femtocell用户和Macrocell用户之间的相互干扰。同样，跳频正交频分多址(OFDMA)网络使用随机子信道分配，以减少与周边基站持续干扰的概率。在跳时CDMA中，CDMA的持续时间被分散在M个时隙中，用户将随机选择发送时隙或者发送时隙保持静默。随机跳时技术通过M系数来权衡处理增益，从而减少干扰用户的平均数量。这种方法就是改变现有的CDMA Macrocell的运营网络来适应Femtocell技术。
(3)自适应功率控制
Femtocell(例如Sprint公司的Airave Femtocell)使用自适应方案来调节Femtocell的发射功率，以解决跨层干扰问题。在前向链路过程中，爱立信提出通过增加Femtocell和Macrocell之间的距离来降低Femtocell发射功率，从而减少对宏单元用户的干扰。这种折衷的方法将减小Femtocell的家庭覆盖范围。在反向链路过程中，建议根据Femtocell用户的位置提供更高的接收功率给Femtocell用户及相关的Macrocell用户。
2 毫微微小区功控技术
由于无线通信系统的频带资源有限，Macrocell和Femtocell混合网络一般使用相同的频谱资源，以便增加系统的频谱利用率。在这种资源分配方式下，下行链路Femtocell用户受到的来自Macrocell基站的干扰比较严重。为了保证Femtocell用户的QoS，要求Femtocell基站以较大的功率发射信号。因此传统的Femtocell系统中所有Femtocell基站都采用了最大功率发射，即使在干扰很小的情况下，也采用了很大的发射功率，造成能源非常浪费。
虽然Femtocell基站的发射功率比Macrocell基站低得多，但其基站数目却是Macrocell基站的几十倍甚至上百倍，因此Femtocell的能耗过大问题值得关注。
针对上述问题，本文提出一种基于动态资源分配的功率控制方法。首先，在传统的模型基础之上，改变Femtocell的功率，使每个Femtocell都以最小的功率发射。同时，结合接入控制，使每个用户信号在随机的时间间隔点到达且占用随机的服务时间，由系统在每个用户信号到达时为其合理分配资源。接着在模型中加入功率控制，即Femtocell的发射功率随着每个用户的信号与干扰噪声比(SINR)情况而改变，Femtocell与Macrocell存在同频干扰时，增大Femtocell的发射功率；当同频干扰结束时，Femtocell恢复到原来的最小功率值。
如图1所示。当Femtocell复用了Macrocell的资源，即资源匮乏时，为了保证Femtocell同频用户的QoS，Femtocell基站采用满足QoS的较大的发射功率。
如图2所示。当Femtocell不复用Macrocell的资源，即资源充裕时，Femtocell用户不受Macrocell的同频干扰，用户SINR较高，因此Femtocell可以采用较小的发射功率。这样做既能满足用户的QoS，又能降低能耗，一举两得。
3 毫微微小区系统功控流程建模
在混合网络中Macrocell和Femtocell是共享资源。相对与Femtocell基站的干扰而言，Macrocell基站的干扰要大很多。在考虑Femtocell基站功控的同时，我们应该尽量避免Femtocell与本小区的Macrocell的复用，所以在给Macrocell用户分配资源时，要尽可能避免与本小区中正服务的Femtocell用户复用。鉴于此，本文给出Femtocell分配资源流程图和Macrocell分配资源流程图。
对于Femtocell用户，资源分配的流程如图3所示。对于Macrocell用户，资源分配的流程如图4所示。
Femtocell的功率可以动态改变。随着Macrocell同频资源的释放，Femtocell用户不再受到来自Macrocell的同频干扰，Femtocell便可将发射功率降低；随着系统逐渐饱和，时频资源复用情况增多，同频干扰逐渐增大，Femtocell的发射功率则需要提高，甚至恢复到无功控时的发射功率。本文将无功控的Femtocell发射功率设为最大功率。实际中Femtocell的功控流程如图5所示。
在下行链路中，由于用户可能接入Macrocell，也可能接入Femtocell，因此分别讨论两种情况下对用户信干噪比(SINR)的计算。
对接入服务小区Macrocell的用户：
式中：Pm'为用户接收到服务Macrocell的信号强度，Pm'为用户接收到的非服务Macrocell的信号强度，Pf 为Femtocell对Macrocell用户的干扰，N为噪声功率。
对接入服务小区Femtocell的用户：
式中：Pm为用户接收到服务Femtocell的信号强度，Pm为用户接收到的Macrocell的信号强度，Pf ' 为其他Femtocell对用户的干扰，N为噪声功率。
总的来说：
其中：
将其转化为分贝形式，用户SINR的计算公式为：
SINR(dB)=Pt +Gt -ShadowFading
-PathLoss-PN -Itotal +Gr (5)
其中等式右边各项参数：Pt为信号发射功率，Gt为发射天线增益，ShadowFading为阴影衰落，PathLoss为路径损耗，PN为噪声功率，Itotal为小区内和小区间的总干扰，Gr为接收天线增益。
4 系统性能仿真与分析
图6所示为本文所仿真的Macrocell和Femtocell混合网络，其中Macrocell引用了一个简单的WiMAX系统模型[7-8]。图中，右侧的矩形表示整个频率资源，小区中央的无线电发射塔为基站(BS)，小区内的无线接入点为Femtocell基站(HBS)。其中，Macrocell和Femtocell共享整个频带。Femtocell主要分布于室内，因此路径损耗模型中也包括穿透损耗。
在这种两层网络中，下行链路中涉及到的路径损耗链路包括：链路BS→mue(mue为接入Macrocell基站的用户)，链路BS→hue(hue为接入Femtocell基站的用户)，链路HBS→mue，当前接入的链路HBS→hue，周围其他链路HBS→hue。
路径损耗模型的计算公式如表1所示。表1中：L为穿透损耗，单位为dB；d为基站到用户的距离，单位为km。
对接入模型进行仿真，由于用户到达时间间隔和服务时间分别是服从参数为λ和μ的指数分布，因此，仿真结果会随着服务时间和到达时间的改变而改变。
当λ=5，μ=100时，仿真参数采用表2中的参数值，可以得到功控混合网络的SINR累计分布函数如图7(b)所示。将图7(b)与图7(a)相比，可以看出，Macrocell的性能几乎没有改变，而Femtocell性能改善很多，之前SINR小于10 dB的用户概率大约为40%，而在本模型中不到10%。更多的Femtocell用户可以选择高调制编码方式，系统吞吐率也大大提升。另外，Femtocell采用最小功率发射，更加节约能源，对人体的电磁辐射也大大降低。
图8所示为加入功控的系统与未加功控的系统吞吐率随着时间的变化曲线，其中系统吞吐率为两种系统吞吐率之和。从图中可以看出，当用户从t =0时刻开始到达，随着用户的增大，系统的吞吐率逐渐增大。当系统达到饱和后，系统的吞吐率达到一个稳定状态。
比较图8中上下两条曲线可以看出，加入功率控制后，系统饱和时的吞吐率比没有加入功率控制前增大了。因此我们可以认为，功率控制对降低系统干扰，提升系统性能效果明显。
图9为系统饱和吞吐率随Femtocell数目增加的变化曲线。从图中可以看出，随着每个Macrocell中Femtocell数目的增加，混合系统的饱和吞吐率不断提高。由于加入功控实际上是提高了Femtocell用户的SINR，因此在一定范围内，随着Femtocell数目的增加，加功控系统的饱和吞吐率比不加功控系统的高，且差距不断增大。
5 结束语
本文提出了一种Macrocell小区和Femtocell小区混合网络中基于动态资源分配的Macrocell和Femtocell混合网络的功率控制方法。仿真结果表明，加入功控后，不仅可以降低能耗，还可以提高Femtocell用户的SINR，从而提高整个混合系统的吞吐率。在一定范围内，随着Femtocell基站数目增多，加功控系统的饱和吞吐率比不加功控系统的高，且差距不断增大。本文在考虑功控的同时还考虑了混合小区的干扰避免策略，因此我们设计的Macrocell和Femtocell的混合网络在节能方面更具优势。
6 参考文献
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刘磊，西南交通大学信息科学与技术学院信息编码与传输实验室在读硕士研究生；主要研究领域为无线资源管理、功率控制和节能。
方旭明，西南交通大学信息科学与技术学院信息编码与传输实验室教授；主要研究领域为无线与移动通信网络、下一代移动通信系统与业务。
夏莹莹，西南交通大学信息科学与技术学院信息编码与传输实验室在读硕士研究生；主要研究领域为无线资源管理、功率控制和节能。