异构网络下行链路层间协作功率控制算法研究*

陈婧婧，蒋占军，滕世海

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)



异构网络下行链路层间协作功率控制算法研究*

陈婧婧，蒋占军，滕世海

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)

为了克服Femtocell网络的大规模部署所带来的干扰问题，采用对Femtocell基站发送功率控制的方法。针对Femtocell网络边缘Macrocell用户所受到的强下行链路跨层干扰，通过比较Femtocell用户和Macrocell用户的信干噪比(SINR)与最小SINR阈值的关系，提出了基于Femtocell用户路径损耗的Femtocell基站发送功率自适应调整算法，从而提高了Macrocell用户的通信质量。通过仿真验证，该方法使得Macrocell用户所受干扰明显降低，整体网络性能得以提升。

Femtocell；下行链路；功率控制；信干噪比

0 引言

随着无线通信技术和移动互联网技术的快速发展，人们对通信需求日益提高，移动通信由语音业务逐步转向数据业务[1]。最近行业报告估计，2011年到2016年，全球移动数据流量将增加18倍，并且，大部分移动数据量来源于室内。随着移动数据量的增加，对信道容量有了更高的要求[2]。为了满足全球数据通信速率提高的要求，3GPP提出了异构网络模型，由Femtocell网络和Macrocell网络及中继站构成[3]。大规模部署Femtocell网络可以解决室内覆盖及信道容量问题，使得位于Macrocell网络边缘的用户服务质量(Quality of Service，QoS)得以提高。

Femtocell技术的应用虽然较好地解决了室内覆盖问题，为用户提供了更高的数据速率和低成本业务，但是由于无线频谱资源的有限性，Femtocell基站(Femtocell Acess Point，FAP)和宏基站(Macrocell Base Station，MBS)采用同频分配[4]，当大规模部署FAP时，会产生Femtocell网络与Macrocell网络的跨层干扰，以及Femtocell网络之间的同层干扰，造成用户数据吞吐量降低，甚至发生掉话，影响用户满意度。因此，有必要对Femtocell网络进行功率控制，降低对相邻Femtocell用户(Femtocell User Equipment， FUE)以及Macrocell用户(Macrocell User Equipment，MUE)的干扰[5]。相关文献提出可以通过终端移动性信息，自适应调整Femtocell网络的覆盖范围，通过功率控制使其最大化覆盖范围的同时，对周围宏用户的干扰尽量减少[6]。或者FUE通过估量从Macrocell网络层受到的全部干扰来调整自身发送功率，但是这种算法也需要知道Macrocell网络内的噪声干扰及干扰电平，增加了复杂性，因为干扰电平通过回程链路获得，有时延的存在，降低了网络的整体性能[7]。同时也有避免跨层干扰的方法，通过基于跨层干扰信息重新分配蜂窝间的功率和子信道[8]。文献[9]通过应用信息论的知识，对分层网络的干扰管理问题进行了分析，得出了每个蜂窝室外用户和室内用户的总和速率，证明了干扰管理技术的性能优点。

本文主要研究在Macrocell/Femtocell双层网络部署场景下，针对Femtocell网络下行链路进行干扰管理，通过计算FUE及MUE所受信干噪比(SINR)，设定FUE的SINR阈值，判断用户是否受到严重干扰，对Femtocell基站进行功率控制，在保证自身FUE用户QoS的前提下对周围MUE的干扰尽量减少。最后通过仿真与基于网络监听模式的智能功率控制方法[10]进行比较，结果表明本文所提出的方法优于智能功率控制，不仅有效提高了网络性能，而且对同层干扰和跨层干扰起到了较好的削弱作用。

1 系统模型

由Femtocell/Macrocell组成的双层异构网络如图1所示。该网络由1个半径为R的MBS和20个半径为r的FAP组成，FAP分布在MBS的覆盖边缘，每个FAP包含5个FUE，在其覆盖的边缘均匀随机分布10个MUE，FAP采用闭合接入方式。

图1 Femtocell/Macrocell双层异构网络模型

Femtocell网络的引入使得原有网络的拓扑结构发生了改变，因此，干扰场景也有所变化[5]。如图中干扰1所示，当MUE位于FAP覆盖范围内且距离MBS较远时，接收到的MBS的信号比较差，若此时FAP以固定功率发送信号，且只允许授权的FUE 接入，则会对周围MUE产生较强的干扰，甚至使MUE发送掉话，形成MBS基站覆盖的“盲区”，因此会产生严重的下行链路跨层干扰；当FAP距离MBS较近时，同样会受到来自MBS的跨层干扰，如干扰2所示。同时，大规模地部署FAP也会使Femtocell网络间发生同层干扰，如干扰3所示，当FAP之间部署距离较近时，为保证自身用户的通话质量，会对相邻FUE产生同层干扰，这种干扰当FAP采用闭合接入时更加突出。本文主要针对跨层干扰进行了研究，提出了一种较为可行的功率控制方法。

2 功率控制

2.1 FAP发送功率计算

若每个部署的FAP为保证自身用户的QoS以固定功率发送信号，则会产生很强的干扰，影响通信质量。采用下行链路功率控制方法可以降低对周围MUE的跨层干扰和邻近FUE的同层干扰。文献[10]提出了一种智能电源控制的功率控制方法，FAP基于网络监听模式来测量MBS在FAP处的干扰功率，通过式(1)调整发送功率：

Pt=max(min(αPm+β,Pfmax),Pfmin)

(1)

其中，Pfmax和Pfmin分别为FAP最大发送功率和最小发送功率。Pm为用户在FAP处所接收到的来自MBS的最强干扰功率，α为根据MBS半径大小可以调整的线性参数，β为室内损失的功率补偿。本文在以上公式的基础上，对发送功率进行了调整，当每次接入新的FUE时，重新选择距离FAP最远的FUE，并且计算出SINR，若FUE的SINR大于SINR的阈值，则通过式(2)调整发送功率。

Pt=min(max(Pfmax×(L(d)-Lmax(d)),Pfmin)，Pfmax)

(2)

如果FUE受到较强干扰，SINR低于阈值时，则FUE无法正常通信，仅根据式(2)不能准确计算FAP发送功率，需要对FAP发送功率进行补偿，可通过下面公式计算得出：

Pt=min(max(Pfmax×(L(d)-Lmax(d))+I,Pfmin),Pfmax)

(3)

式中Pfmin与FUE所需QoS的最小SINR阈值有关，L(d)为FAP与FUE之间的路径损耗，I为功率补偿，为当前FUE的SINR与SINR阈值之差，可通过式(4)计算得出:

I=γFUE-γthr

(4)

2.2 传播模型

本文所采用的是第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP) LTE-Advanced城市部署路径损耗模型，MBS及FAP与用户之间的路损通过式(5)、(6)计算得出：

(5)

LF(dB)=127+30log10(d/1 000)

(6)

其中，D和d分别为用户与MBS和FAP之间的距离，单位为m，Low为穿透损耗。

2.3 SINR计算

MUE下行链路SINR计算如下:

(7)

其中，Pm、Pf分别为MBS、FAP的发送功率，Gmi、Gfi分别为第i个MUE与MBS和FAP之间的增益，N0为加性高斯白噪声。

FUE下行链路SINR计算如下：

(8)

其中，Pf为服务FUE的基站发送功率，Pk为干扰FUE的其他FAP基站发送功率，Gmj、Gfj分别为第j个FUE与MBS和所受服务的FAP之间的增益，Gkj为第j个FUE与所受干扰基站FAP之间的增益。

基于距离协助的功率控制算法通过计算FUE与MUE的SINR，判断用户是否受到较强干扰，通过调整FAP发送功率，在保证自身FUE的通信质量的前提下对周围的MUE干扰尽量降低。

3 仿真分析

采用功率控制一方面保证了FAP对FUE的覆盖，另一方面也降低了对MUE所产生的跨层干扰。在本文的仿真中，采用闭合接入方式，对FUE及MUE的SINR通过设定不同的阈值进行了仿真比较，同时与智能功率控制方法也进行了对比。仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

基于FUE的SINR阈值对FAP的发送功率进行调整比较简单可行。

图2仿真结果为MUE与FUE在不同阈值条件下的平均SINR变化，从图中可以看出在采用功率控制后MUE的平均SINR明显提高。当FUE的SINR阈值越低时，MUE的平均SINR越高。当阈值在-4 dB和4 dB时，本文所提出的功率控制方法优于智能功率控制，使得MUE的SINR提高了1倍多，当阈值为12 dB时，智能功率控制方法较好一些。

图3的仿真图为FAP采用功率控制后授权FUE在不同SINR阈值条件下的平均SINR变化情况。从图中可以看出，在采用功率控制后FUE的平均SINR有所降低，但都基本大于最低阈值-4 dB，满足QoS要求的最低水平。当FUE的SINR阈值越低时，其平均SINR越小，与MUE的平均SINR的变化刚好相反。当阈值在-4 dB，本文所提出的功率控制方法不如智能功率控制方案好，但此时MUE的平均SINR较高，则在-4 dB时不仅满足FUE的最小SINR阈值条件，同时降低了周围MUE所受到的干扰，使得通信质量有了比较理想的提高。

图2 MUE的平均SINR

图3 FUE的平均SINR

图4和图5为MUE及FUE在不同SINR条件下的中断概率仿真图。从图4中可以看出，MUE在未采用下行链路功率控制，且当SINR为0 dB时，MUE的中断概率为1，说明无法与MBS正常通信。

图4 MUE中断概率

图5 FUE中断概率

当FUE的SINR阈值越低时，MUE的中断概率越小。MUE的中断概率在FUE的SINR阈值为-4 dB时，本文所提出的方法明显低于智能功率控制方法。从图5中可以看出采用功率控制后的中断概率大于未采用功率控制时的中断概率，并且随着SINR的增大，FUE的中断概率不断增大。当FUE的SINR阈值越大时，FUE的中断概率越小，与MUE的中断概率的变化刚好相反，则在FAP发射功率逐渐降低的同时，MUE的中断概率逐渐减小，使得MUE能正常通信。

4 结束语

Femtocell是一种新型室内覆盖技术，在未来的室内通信中占有重要的地位。Femtocell 可以由用户自主购买和安装，较为方便，但由于Femtocell位置和数量的不确定性，造成了 Femtocell网络与Macrocell网络之间的跨层干扰，对整个通信系统的性能造成了严重影响。本文所提出的方法很好地解决了这一问题，FUE所在的最远位置影响着Femtocell网络的覆盖范围，FAP发送功率的调整在满足FUE的QoS的前提下又降低了对其网络周围MUE的干扰，与智能功率控制方法相比，使MUE的平均SINR有很好的提高。本文主要研究了跨层干扰，对于闭合接入方式下位于FAP边缘的FUE所受到的同层干扰将在下一步研究解决。

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A downlink interlayer collaborative power control scheme for heterogeneous network

Chen Jingjing, Jiang Zhanjun, Teng Shihai

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to overcome the interference problem caused by the large-scale deployment of Femtocell network, the method of transmitting power control to Femtocell base station is adopted. As for Macrocell users that around the Femtocell network suffered strong cross-layer downlink interference, through the comparison of the relationship between Femtocell and Macrocell users’SINR and the minimum threshold SINR, an adaptive control algorithm for Femtocell base station transmission power based on the Femtocell users path loss is proposed. Thereby the Macrocell users’ communication quality is improved. Simulation results show that this way can reduce the interference of Macrocell users, and overall network performance can be improved.

Femtocell; downlink; power control; SINR

国家自然科学基金资助项目(61261014)

TN929.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.019

陈婧婧，蒋占军，滕世海.异构网络下行链路层间协作功率控制算法研究[J].微型机与应用，2017,36(13)：62-65.

2017-01-14)

陈婧婧(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：异构网络资源管理。

蒋占军 (1975-)，男，博士研究生，教授，主要研究方向：无线移动通信。

滕世海(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：异构网络协作通信。