基于多级软频率复用的动态频谱复用方案研究

徐梓瀛,周又玲,张亚洲

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

基于多级软频率复用的动态频谱复用方案研究

徐梓瀛,周又玲,张亚洲

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

针对5G技术发展带来的微小区、微微小区等越来越多的情况，为了提高这些无线通信用户密集地区的频谱效率，根据多级软频率复用(Multilevel Soft Frequency, ML-SFR)的思路，利用功率控制的方法结合动态频谱接入技术中的非授权用户对授权用户的避让策略，设计了一种动态频谱复用方案，定义了功率控制参数k，并采用仿真实验的方法研究了k与信噪比以及频谱效率的关系.

频谱复用； 频谱效率； 功率控制

随着各种智能终端的普及，移动数据流量将呈现爆炸式增长，在未来5G 网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1 000倍流量增长的核心技术之一[1].因此，超密集异构网络成为未来5G 网络提高数据流量的关键技术[2].传统的蜂窝网络频谱复用方案很难满足超密集异构网络的对频谱的需求，因此笔者针对超密集异构网络的频谱复用方案进行了分析研究，设计了一种动态频谱复用方案.

根据文献[3]中提出的多级软频率复用的思路，模拟小区中的用户在移动过程中切换频率的过程，如图1所示.

在使用多级软频率复用方案的小区中，一个用户从小区中心A往B点移动，然后经过点C，D，E，最后移动到其他小区.此过程中，由于多级软频率复用技术对不同位置的频段的分配，该用户使用的频段将从B1跳到B2，再跳转到B3，B4，B5，转到B5后再往小区内部移动，此时并不会跳转回B4，B3，B2，而是保持在B5的频段，最终直到用户移动到其他小区.

分析上述频率切换过程，发现其频段切换的思路方法可以应用于认知无线电中的动态频谱接入技术：在不对其他用户造成影响的前提下，根据地理位置的动态变换自主选择接入的频段.从多级软频率复用技术的思路出发，结合动态频谱接入技术中重点考虑的授权用户接入时的避让策略，设计了一种基于多级软频率复用的动态频谱复用方案，并根据此方案进行了仿真以测试其性能.

1 多级软频率复用技术

1.1 软频率复用 软频率复用技术(SoftFrequencyReuse,SFR)的核心思想是将小区内的频段分为主载波和副载波2个部分，主载波功率密度门限高于副载波的功率密度门限，通过控制主载波与副载波的发送功率达到控制其覆盖范围的目的[4].一般来说，主载波可用于整个小区，副载波只用于小区内部.

表1 软频率复用小区的功率密度门限

图2中每个小区的可用频段被分为了相互正交的B1，B2，B33个部分.在同一个小区中，通过划分主载波与副载波的方式将B1，B2，B33个频段相互组合，使相邻小区间的主载波相互正交，从而达到消除相邻小区边缘用户的干扰问题.软频率复用技术可以直接拓展到时域成为软时间复用技术[5]，或作为一种在3GPP中增强小区间干扰协调(InterCellInterferenceCoordination，ICIC)的手段[6].

(1)

一个四级软频率复用(SFR-4)如图3所示.

表2 多级软频率复用小区的功率门限

大量实验结果表明多级软频率复用技术的小区边缘频谱效率比传统软频率复用技术要高5倍，同时其整体频谱效率也提高了31%.多级软频率复用技术能很好地应用在4G系统中，而且也将是未来的5G系统关键技术之一[7].

2 基于多级软频率复用的动态频谱复用算法

2.1 算法流程 如图4所示，假设有一非授权频谱用户A，其频谱感知充分.在某一时刻感知到了3个授权频谱用户B，C，D，其与A的距离分别为R1，R2，R3.

根据多级软频率复用的思想，由R1，R2，R3来规划B，C，D3个授权用户所使用频率的发送功率.为了使A的发送功率不对授权用户产生影响，因此其发送功率的覆盖范围应当为

kx*Rx(0

(2)

其中,kx为功率控制参数.

算法流程如下(假设所有频谱感知结果充分)：

步骤1 通信开始，对全频段进行频谱感知；

步骤2 根据感知结果选择未被占用的通信频段并接入该频段；

步骤3 利用步骤1中感知到的距离最近的同频复用用户的距离R与其发射功率P，通过式(2)计算得到功率控制参数k，再与P计算得到最终的发射功率；

步骤4 对当前占用频段进行频谱感知，若发现有授权用户接入该频段则转回步骤1；

步骤5 检查通信是否结束，若没有结束则转回步骤4；

步骤6 通信结束.

3.2 功率控制参数k的选择 图5中非授权频谱用户B通过频谱感知发现了授权频谱用户A，并通过算法将A的发送功率P及其与A的距离R计算出来.此时用户B准备使用该频段与可能出现的非授权频谱用户C进行通信.根据公式X，B将以P′的功率发送信号，以确保其覆盖范围为RB=k*R.

假设用户C接收到B的信号功率是Pb，接收到A的信号功率为Pa，接收到来自其他同频率用户的信号功率为Px，N是C接收到的噪声和.由于必须保证授权用户A的通信质量，因此k的取值必须小于0.5.A与B的发射功率都为P.

接收用户的信噪比(SINR)

(3)

建立一个采用OFDM系统的蜂窝网络仿真环境，小区半径采用300m，根据文献[8]中的参数进行仿真.

表3 仿真参数

根据香农公式计算频谱效率

(4)

仿真结果如图6所示.

由于频谱感知充分，因此在算法中可以避免同频干扰，从而使Px=0.对比Px=1和2的情况，在仿真结果中可以明显看到SINR整体有所提高.当同频干扰确定时，SINR会随着k的增大而减小，而频谱效率也会随着k的增大而降低.

根据k的定义，k取值越大，其功率覆盖范围就越大，但是对授权用户的影响也随之增大，同时边缘用户的SINR也会随之减小，从而使整体的频谱效率减小.图6中的仿真结果与预期的结果一致：在同频干扰一定的情况下，k的取值越小，边缘用户的SINR与频谱效率就越高.因此，在该方案中缩小k的取值是提高边缘用户与频谱效率的有效方法之一.但k的取值每减小10%，其功率覆盖范围就要缩小19%，相当于小区整体容量减少19%.因此，k的具体取值要根据实际的小区预计容量以及对边缘用户SINR的要求来确定.

3 结束语

根据多级软频率复用的思路，以功率控制为基础，研究了一种提高频谱效率的动态频谱接入方法，在此基础上定义了一个功率控制参数k，并利用该参数进行了仿真实验，得出了在该方案下减小k的取值是提高边缘用户与频谱效率的有效方法之一.但减小k的取值意味着小区容量的大幅度减小，如何在小区容量和边缘用户的SINR及频谱效率之间选择成为了k的取值的问题.下一步工作将会以仿真的条件和结果为基础，测试在k的不同取值的条件下收集实验数据来评测k的取值与小区容量以及边缘用户SINR的具体关系.

[1]WangCX,HaiderF,GaoXQ,etal.Cellulararchitectureandkeytechnologiesfor5Gwirelesscommunicationnetworks[J].IEEECommunicationsMagazine, 2014, 52(2):122-130.

[2]METIS.Scenarios,RequirementsandKPIsfor5GMobileandWirelessSystem[EB/OL]. [2016-09-08].https://www.metis2020.com/documents/deliverables/.

[3]YangXZ.Amulti-levelsoftfrequencyreusestechniqueforwirelesscommunicationsystems[J].CommunicationsLettersIEEE, 2014, 18(11):1 983-1 986.

[4]YangXZ.SoftfrequencyreuseschemeforUTRANLTE:Greece, 3GPPR1-050507[P].2005-05-06.

[5]YangXZ.Methodandsystemforimplementingsofttimereuseinwirelesscommunicationsystem:China,CN1859054B/US7796567 [P].2005-04-30.

[6]BarbieriA,DamnjanovicA,JiT,etal.LTEfemtocells:systemdesignandperformanceanalysis[J].IEEEJ.Sel.AreasCommun., 2012,30(3):586-594.

[7] 杨学志. 通信之道——从微积分到5G[M]. 北京：电子工业出版社，2016.

[8]TsaiCS,LiGS.Softfrequencyreusedesigntoreduceinterferenceinfemtocellsystems:proceedingsofthe11thConferenceOpticalCommunicationsandNetworks(ICOCN),Pattaya,November, 28-30 2012[C].[S.l.]:IEEE,2012.

[9] 赵国锋, 陈婧, 韩远兵,等. 5G移动通信网络关键技术综述[J]. 重庆邮电大学学报:自然科学版, 2015, 27(4):441-452.

[10]QianM,HardjawanaW,LiY,etal.Adaptivesoftfrequencyreuseschemeforwirelesscellularnetworks[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology, 2015, 64(1):118-131.

Dynamic Frequency Reuse Scheme Based on Multilevel Soft Frequency Reuse Technique

Xu Ziying, Zhou Youling, Zhang Yazhou

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

With the development of 5G technology, there would be more and more micro cell. To improve the spectrum efficiency of the dense region of wireless users, based on multilevel soft frequency reuse (ML-SFR), the power control and avoidance strategy of non authorized users to authorized user of dynamic spectrum access (DSA) technique were used to design a dynamic spectrum reuse scheme. And a power control parameter K was defined, and the simulation experiments were performed to analyze the relationship among k and signal to noise ratio and spectrum efficiency.

spectrum reuse; spectrum efficiency; power control

2016-10-19

国家自然科学基金(61340027)；海南省自然科学基金(614222)；

徐梓瀛(1990-)，男，湖南长沙人，海南大学2014级硕士研究生，研究方向：海洋通信，E-mail:543860284@qq.com

周又玲(1965-)，女，湖南衡阳人，教授，研究方向：海洋通信，E-mail: ylzhou_hnu@126.com

1004-1729(2017)01-0026-05

TN

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0006