基于频率分配的Femto-Macro干扰抑制

李 旭，沈佳琪

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州730070)



基于频率分配的Femto-Macro干扰抑制

李 旭，沈佳琪

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州730070)

为有效解决由家庭基站(Femtocell)和宏基站(Macrocell)组成的双层网络间的干扰抑制问题，文中在传统频率分配的基础上提出了一种新的动态频率分配方案，该方案利用距离判定法判断家庭基站范围内是否存在宏基站，利用强干扰区域判定法判断该家庭基站是否受其它家庭基站干扰，根据判定结果决定如何进行频率分配。仿真结果表明，该方案和传统频率分配方式相比，不仅可以有效地抑制同层干扰和跨层干扰，而且还能提高频带利用率和系统吞吐量。

蜂窝网络;Femtocell;干扰抑制;频率分配

研究表明，60%的语音业务和90%的数据业务都发生在室内环境下[1-2]。Femtocell是近年来根据第三代移动通信系统的发展和移动宽带化趋势推出的室内覆盖网[3]。但是，Femtocell的广泛应用，也带来了诸多问题，其中，亟待解决的是小区间干扰问题。目前，干扰管理可以分为：干扰消除、干扰协调和干扰抑制[4]。文献[5]提出了一种基于频率复用的宏基站和家庭基站之间的干扰协调方案，有效降低了跨层干扰并且提高了频带利用率。文献[6]利用自学习算法，将整个频带进行正交划分，即同一区域内的Femtocell和宏小区使用不同频带。然后，采用分布式自学习算法减少了 Femtocell之间的干扰。文献[7]提出动态频率复用方案，既解决了Femtocell和Macrocell间的跨层干扰，又解决了Femtocell间的同层干扰。文献[8]提出基于萤火虫算法的子信道分配方案，既解决同层干扰问题，又有效降低了家庭基站间的干扰。然而以上分配方案并不能同时兼顾小区间干扰，频带利用率和系统吞吐量。针对以上不足，本文提出一种新的动态频率分配方式，运用距离判定法和强干扰区域判定法，在抑制同层干扰和跨层干扰的同时，有效提高了频带利用率和系统吞吐量。

1 干扰场景分析与干扰协调

随着绿色通信的盛行，运营商用Femtocell和Macrocell同频组网的方式来解决频率资源有限的难题。而“远近效应”(来自同频组网方式)带来的干扰问题严重地影响宏用户(MU，Macrocell Users)的通话质量[9-10]。因此，对干扰问题的研究显得尤为重要。

1.1 干扰场景分析

干扰场景从不同的角度分类不同[11-12]，具体干扰场景如表1所示

表1 6大干扰场景描述

1.2 干扰协调

干扰协调包括：频率复用技术，功率控制技术和无线链路资源分配技术，本文主要从频率复用的角度进行研究。

1.2.1 传统频率分配

传统频率分配方式分为3种[13]：同频频率分配干扰抑制(Co-channel Frequency Allocation,CFA)，异频频率分配干扰抑制(Dedicated Frequency Allocation,DFA)和部分频率复用干扰抑制(Partial Frequency Allocation，PFA)，如图1所示。

图1 传统频率分配示意图

1.2.2 一种新的家庭基站频率分配(N-FFA)

为抑制家庭基站小区间的干扰，一种新的家庭基站频率分配方式(N-FFA)[14]被提出，如图2所示，整个频带资源被分成fA，fB1，fB2和fB3共4个子频带。其中，小区中心被分配fA，而fB(fB1,fB2,fB3)分别分配给3个小区重叠的部分。

图2 N-FFA频率分配图

利用香农公式计算整个小区的吞吐量

R=BW×log2(1+SINR)

(1)

其中，R表示小区吞吐量； BW代表每个用户的带宽。

每个用户的SINR可以用式(2)计算

其中，用pi表示宏基站和家庭基站的接收功率；hi表示宏基站用户收到来自家庭基站和宏基站的信道增益；pj表示占用同一频率资源的家庭基站或宏基站的干扰功率；hj表示占用同一频率资源的干扰信号(来自宏基站和家庭基站)的信道增益；n0表示高斯白噪声功率。

图3 两个家庭基站正交区域示意图

2 一种动态频率分配方式(D-FRAS)

本文提出一种新的动态频率分配方案，运用了距离判定法和强干扰区域判定法，使判定标准更加明确，提高频率分配方式选择的准确度。

2.1 家庭基站和宏基站距离判定法

家庭基站(Femtocell Base Station，FBS)和宏基站(Macrocell Base Station, MBS)相邻，假设家庭基站的覆盖范围是d0， FBS的位置坐标是(x1,y1),MBS的位置坐标是(x2,y2)，则FBS和MBS之间的距离dFM为

(3)

若dFM≤d0,则在家庭基站覆盖范围内有宏基站；否则没有。

2.2 家庭基站之间的强干扰区域判定法

用信干比(SIR)来判断两个家庭基站是否存在强干扰[15]。图3为两个家庭基站正交区域示意图，家庭基站BSk和BSj相邻，一个家庭基站用户UEr在家庭基站BSk覆盖区域内，该用户距家庭基站BSk和BSj的距离分别为dk和dj，家庭基站BSk和BSj的半径分别为rk和rj。家庭基站用户UEr接收到的家庭基站BSk的有用信号功率为

(4)

家庭基站BSj的干扰信号功率为

(5)

式中，k=1,2,3,…,K;j=1,2,3,…,K,K为家庭基站的数目；pk和pj分别为家庭基站BSk和BSj的发射功率；μ为路损常数；ωk和ωj分别为家庭基站BSk和BSj的穿墙损耗；v为路损指数。

由(4)式和(5)式得，用户r的信干比为

(6)

(7)

式中，dk和dj分别为家庭基站用户r与家庭基站BSk和BSj的距离。假设家庭基站BSk和BSj的坐标分别为(0,0)和(d,0)，家庭基站用户r的坐标为(x,y) ，则

(8)

(9)

将式(8)和式(9)代入式(7)，得到 低于门限λth的区域B

B={(x,y)|Sth(x2+y2)>(x-d)2+y2}

(10)

因为家庭基站BSk的半径为rk，所以距家庭基站BSk的距离

SIR低于门限λth的区域B和家庭基站BSk的覆盖区域C的重叠部分，就是家庭基站BSk受家庭基站BSj的强干扰区域Ak,j

Ak,j={B∩C}

(11)

2.3 一种动态频分配方式(D-FRAS)系统模型

虽然传统的频率分配方式(CFA,DFA,PFA)以及前一部分提到的N-FFA逐渐被改进，但仍然存在一定程度的频率资源浪费。本文在频率分配的基础上提出一种新的动态频率分配方案，如图4所示。既然fR是预留的，当fR不被使用时，就会发生频率浪费。另外，如果存在一些彼此覆盖的家庭基站且家庭基站的SINR低于目标SINR，那么fR就会被使用。

图4 动态频率分配(D-FRAS)图

具体分配方案流程如图5所示。

图5 D-FRAS流程图

3 仿真与结论

3.1 信道模型的建立

信道模型根据家庭式基站的拓扑模型而有所不同。由于本文仅对模型进行了仿真分析。因此，下面仅就模型进行信道模型的描述,模型中的信道模型包括以下5个场景：

(1)Macrocell基站和MU

PLc,dB=Ac,dB+10αclog10D

(12)

其中，Ac,dB=30log10fc-71,用以表示固定的室外损耗；

(2)Macrocell基站和FU

PLf,c,dB=Af,c,dB+10αclog10D

(13)

其中，Af,c,dB=30log10fc-71+WdB，WdB表示室外到室内的穿墙损耗；

(3)Femtocell基站和所服务的FU

PLfi,dB=Afi,dB+10αfilog10Rf

(14)

其中，Afi,dB=37表示固定的室内传输损耗 值；

(4)Femtocell基站和MU

PLc,f,dB=Ac,f,dB+10αf0log10D

(15)

其中，Ac,f,dB=WdB+37；

(5)Femtocell基站到相邻Femtocell基站

PLc,f,dB=Ac,f,dB+10αf0log10D

(16)

其中，Ac,f,dB=2WdB+37。

3.2 仿真结果与分析

累计分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)描述的是实数随机变量X的概率分布情况。可以直观地体现出某一物理量在不同情况下的概率分布情况。CDF曲线越陆峭说明系统中室内与的分布越均衡，系统越稳定；曲线越靠后说明该物理量分布越广泛，数量越多，系统性能越好。本文通过信干噪比和吞吐量的累积分布函数曲线来比较动态频率分配和传统频率分配性能的好坏。从众多仿真数据中选择一组，在信道模型的基础上，用Matlab对CFA，N-FFA和D-FRAS的累积分布函数进行仿真。

图6是室内的信干噪比(SINR)仿真结果图。从图中可以看出，相对CFA，D-FRAS的曲线明显靠后。曲线越靠后说明该系统分布越广泛，数量越多，系统性能越好。这是因为CFA是家庭基站和宏基站共用信道，存在严重的跨层干扰。吞吐量仿真结果如图7所示，D-FRAS吞吐量曲线相比其他两种方式，吞吐量图像相对靠后，分布更广泛，性能较好。综上所述，D-FRAS性能优于其他两种。

图6 信干噪比仿真图

4 结束语

本文在现有频率复用(CFA，PFA，DFA)技术的基础上，提出一种动态频率复用方案(D-FRAS)。Matlab仿真结果表明，该方案明显优于其他两种。该方案既能有效抑制跨层干扰，又抑制了同频Femtocell的同层干扰，并且提高了频带利用率。但本文并未考虑信令开销，而且未考虑异构网络中其他低功率节点，如：微微蜂窝(Picocell)，中继节点(Relay Nodes，RN)和远端无线射频单元(Remote Radio Head, RRH)等。目前Femtocell的关键问题，除了干扰技术，还有自动配置、自动优化、移动性管理以及安全性管理，这些将是以后研究的重要方向。

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Femto-Macro Interference Suppression Based on the Frequency Distribution

LI Xu,SHEN Jiaqi

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China)

In order to solve the problem of the interference in a two-tier network consisting of Femtocell and Macrocell, this article proposes a dynamical scheme of frequency assignment between Femtocell and Macrocell based on conventional frequency assignment. The scheme uses the distance determination method to determine whether femtocell is within the scope of macro base station, and the strong interference area determination method to judge whether femtocell base station is interfered by other femtocell base stations. The way of frequency allocation is decided by the above results. Simulation results show the new scheme suppresses the interference and cross layer interference with effectively improved frequency band utilization rate and system capacity.

cellular networks; Femtocell; interference suppression; frequency allocation

2016- 07- 04

李旭(1988-)，女，硕士研究生。研究方向：无线通信。沈佳琪(1992-)，女，硕士研究生。研究方向：无线通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.025

TN929.5

A

1007-7820(2017)06-092-04