基于小区分割方案的异构网络覆盖性能研究

纪珊珊,,2,, ,

(1.西北师范大学 计算机科学与工程学院,兰州 730070; 2.南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室,南京 210003)

0 概述

近年来,随着智能终端的迅速发展,移动数据流量呈指数级增长。思科报告预测,到2020年,全球移动数据流量将达到每年367.2 EB[1]。为应对数据流量的爆炸式增长,业界积极致力于下一代异构网络(Heterogeneous Network,HetNet)的研究。HetNet被认为是5G的关键技术之一[2]。在HetNet中,网络的密集化极大改善了系统的能量效率、频谱效率以及系统容量,同时增强了网络部署的灵活性[3]。虽然HetNet具有众多优点,但为了充分发挥其潜力,一些关键问题亟待解决[4]。

首先,由于小区结构重叠造成的干扰问题,在HetNet中,小区边缘用户(Cell Edge User,CEU)从宏基站(Macro Base Station,MBS)接收到的信号强度较弱,并且受到来自相干信道的强干扰。其次,用户接入点(例如小小区、微微小区)产生大量的层间干扰,导致CEU的覆盖性能受损,传输速率降低。另外,小区边缘区域(Cell Edge Region,CER)的低传输速率使得CEU的带宽匮乏。由此可见,没有恰当的干扰管理技术,网络性能会受到极大的影响。

本文构建一种由宏小区、毫微微小区和端到端(Device-to-Device,D2D)网络组成的三层HetNet模型,引入小区分割因子(Cell Split Factor,CSF)R将宏蜂窝用户(Macro cell User,MU)分为小区中心用户(Cell Center User,CCU)和CEU。相应地,将总可用频带也分为2个部分,即CCU频带和CEU频带。CCU频带由毫微微小区用户(Femtocell User,FU)共享,CEU频带由D2D网络共享,从而提高频谱效率。同时,采用随机频谱接入(Random Spectrum Access,RSA)方案分配可用信道。在以上模型和所提方案下,分别研究D2D、FU、CCU和CEU的覆盖性能。

1 相关工作

为解决干扰问题并提高CEU性能,文献[5]提出采用频率复用技术避免干扰。此外,为了保护CEU,3GPP-LTE版本8引入了部分频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)方案,将一个小区分割成2个或多个区域。在该方案中,由于用户与干扰基站之间距离大,CCU受到相邻小区干扰,使得小区中心区域(Cell Center Region,CCR)具有较低的频率复用因子。然而,CER具有较高的频率复用因子。文献[6-7]使用FFR方案,通过将宏小区划分为多个小区域来提高CEU的性能,然而其仅考虑了单小区。文献[8]提出在多层HetNet中使用FFR方案,借助点过程,得到网络覆盖概率。文献[9]考虑将可用信道分为2个子带,供上行链路和下行链路使用,同时采用随机几何方法,对网络覆盖性能进行研究。在文献[10]中,FFR的概念被扩展到宏小区和小小区中。在每个小区内,总带宽被划分成W1和W22个子带。在宏小区中,CCR使用W1而CEU使用W2,在小小区中,CCR使用W2而CEU使用W1。

根据上述文献可以发现,FFR是减轻同层或跨层干扰的有效方案。此外,针对CCU和CEU,一些新的方案也随之被提出,例如基于距离的和基于瞬时SINR的方案[6]。但该方案也有缺点。首先,基于瞬时SINR的方案使用户在CCU和CEU之间随机切换,使得通过不相交小区CCU和CEU频带的业务流耦合。其次,基于距离的方案适于网格模型,但不适于泊松点过程(Poission Point Process,PPP)网络模型[11],因为在PPP网络模型中,小区的形状和大小不规则。最后,由于CCU频带仅由小小区共享,因此以上方案的频谱效率很低。众所周知,在5G的关键技术中,D2D技术至关重要[12]。D2D通信被定义为2个移动用户之间不经过BS或核心网的直接通信[13]。D2D通信的优点在于它们不仅可以提高频谱效率,还可以扩展蜂窝覆盖范围,提高能量效率。由于D2D传输具有非常低的传输功率,因此对CEU或CCU的影响非常低,可忽略不计。为此,结合D2D构建一种三层异构网络模型,使D2D用户与CEU共享频段,从而提高系统频谱效率。

2 系统模型与信道假设

图1所示为一种由MBS、毫微微小区接入点(Femtocell Access Point,FAP)和D2D组成的三层HetNet模型。其中每层网络覆盖范围、路径损耗指数和空间强度等各不相同。不失一般性,分别将MBS、FAP和D2D发射机的空间位置建模成强度依次为λMB、λFB和λD的独立PPP。同时,将MU和FU位置建模成强度为λMU和λFU的独立PPP,记作ΦMU和ΦFU。MBS、FAP、CCU、CEU和FU的发射功率分别为PMB、PFB、PMUC、PMUE和PFU。网络模型采用基于接收信号强度的用户关联方案,每个用户关联到最近的服务基站。假设所有D2D终端间距离为d0,D2D接收机敏感度为ρd。

图1 三层HetNet模型

为了便于研究,用x表示传播距离矢量且设x=‖x‖,其中‖·‖表示欧几里德距离。假定α为路径损耗指数,发射机发射的信号以x-α的速率衰减。小规模衰落经受瑞利衰落,且信道增益满足单位功率的独立同分布,即h～exp(1)。最后,假设在带宽B下总共有N个可用信道。

3 MU分类与RSA策略

3.1 MU分类与用户距离统计说明

3.2 频带分配

由于总共有N个可用信道,因此可以通过引入频谱分配因子pm来进行信道分配。可用信道被分成用于CCU和CEU通信的不相交集合C1和C2。pm部分用于CCU通信,且有|C1|=pmN,其中|·|表示集合的基数。类似地,1-pm部分用于CEU通信,且|C2|=(1-Pm)N。同时,为了提高系统高频谱效率,FU共享信道C1,D2D网络共享信道C2。

3.3 RSA机制

在RSA策略中,任何信道以完全相同的概率被独立和随机地分配给小区用户。不失一般性,考虑CCU通信的任意信道Ci∈C1。定义NMU为基于最近关联策略与MBS相关联的CCU数量。 那么,概率质量函数Pr{NMU=n}表示为[15]:

(2)

由于宏小区中所有的MBS共享信道C1,每个MBS被分配的信道数仅取决于与其关联的用户数量NCU。因此,一个MBS可用信道数为min{NMU,|C1|}。 那么,MBS使用信道Ci∈C1为CCU服务的概率qcf为:

(3)

当采用RSA策略时,条件概率qcf|n为:

类似地,定义qef表示为MBS利用信道C2表示为CEU服务的概率,那么有:

4 D2D与FU链路覆盖性能

4.1 D2D链路SINR覆盖概率

根据SINR覆盖概率的定义,D2D覆盖概率CD(β)表示为:

(10)

其中,β为SINR门限,结合式(8)～式(10),可得定理1。

定理1对于提出的三层HeNet模型,D2D用户与CEU共享CER频带,对于一个给定的SINR门限β,D2D传输的SINR覆盖概率为:

(11)

4.2 FU上行链路SINR覆盖概率

类似地,FU与CCU共享信道C1,当考虑上行链路传输时,FAP接收到的SINR为:

(13)

因此,FU的上行链路覆盖概率为:

定理2对于提出的三层HetNet模型,FU与CCU共享CCR频段,FU上行链路SINR覆盖概率为:

该节研究CCU和CEU上行链路SINR覆盖概率。MBS从CCU频带C1分配信道的概率是qcf,即一个CCU以概率qcf接入信道C1。类似地,CEU以概率qef接入信道C2。

5.1 CCU上行链路SINR覆盖概率

首先考虑CCU上行链路,MBS接收到的SINR为:

(18)

因此,rCCU的覆盖概率是:

CCCU(β)= Pr{rCCU>β}=

xc的PDF为:

结合式(19)～式(21),可得定理3。

定理3在提出的三层HetNet模型中,任一 CCU上行链路SINR覆盖概率为:

(22)

5.2 CEU上行链路SINR覆盖概率

类似地,由于CEU和D2D用户共享CER频带,MBS接收到的SINR为:

(27)

(28)

(29)

Xe是MBS与其相关联CEU的距离。因此,根据CEU定义,Xe大于xe的概率为:

最后，结合覆盖概率定义，得到定理4。

定理4 对于提出的三层HetNet 模型，CEU 上行链路的SINR 覆盖概率为:

6 数值与仿真分析

假定宏小区、毫微微小区和D2D 网络路径损耗指数均为α = 4; MBS 和FAP 发射功率分别为PMB =5 W 和FFB = 0.2 W，CCU、CEU 和FU 的发射功率PMUE = 0.1 W，PMUE = 1 W 和PFU = 0.1 W; 网络元素强度分别为λMB = 1 × 10-6，λFB = 10 × 10-6，λMU =10 × 10-6，λFU = λFB = 10 × 10-6，λD = 50 × 10-6; D2D接收机敏感度ρd = - 80 dBm。上行链路和D2D 传输的SINR覆盖门限值β = 1 dB。D2D 发射机和接收机之间的最大距离为d0 = 50 m。可用总信道数N = 50。

图2研究了D2D链路的SINR覆盖概率，图2(a)是SINR覆盖概率与不同小区分割因子R和宏小区用户强度λMU的关系。λMU增大导致D2D接收端干扰增大，随着λMU的增大，D2D链路的SINR覆盖概率减小。根据系统模型，CCR和用户数量随着R的减少而单调增加，R的增大导致D2D链路覆盖概率提高。图2(b)是D2D链路覆盖概率与λMB的关系，D2D链路的覆盖概率随着λMB的增大而增大。这是因为λMB的增大导致D2D发射机的能量效率增大，由此D2D链路覆盖性能提高。图2(b)还给出了ρd和pm对D2D 覆盖概率的影响。

图2 不同参数下的D2D 链路覆盖概率

图3 是不同λFU下CCU 上行链路覆盖概率与λMU的覆盖概率的关系。当λMU相对较小时，CCU上行链路覆盖概率随λMU增大而增大; 当λMU较大时，覆盖概率会逐渐减小。观察结果表明，λMU的增大并不总是有益于CCU上行覆盖概率。这是由于: 当λMU较小，特别是λMU＜ λMB时，MU 以较高的概率关联到MBS，因此，宏小区的吞吐量和覆盖概率都随λMU增大; 相反，当λMU相对较大时，特别地λMU＞ λMB时，MU 上行链路受到来自于其他MU 上行链路的严重干扰，因此，覆盖概率随λMU减小。对于λFU的影响来说，由于受到来自FU上行链路的干扰，CCU 链路的覆盖概率随λFU增大而减小。

图3 CCU 上行链路覆盖概率与λMU的对应关系( N = 60)

图4 给出了不同参数下CEU 上行链路的覆盖概率。

图4 不同参数下的CEU 上行链路覆盖概率

虽然CEU 上行链路覆盖概率在λD增大时减小，但当λD远大于λMU时性能损失可以忽略。也就是说，当λD相对较小时，D2D 对宏小区的影响很小，网络频谱效率大大提高。此外，观察图4(b) 可以发现，CEU 上行链路覆盖概率随λMB增大而增大，这是因为信道分配给MU 的概率减小，使用该信道的MU的覆盖干扰降低。结果，CEU 上行链路的SINR 覆盖概率增大。

图5 给出了参数pm 和R 对于CCU 和CEU 上行链路覆盖概率的联合影响。首先，CCU 上行链路覆盖概率随着pm的增大而增大，而CEU 上行链路覆盖率减小。这是因为随着pm的增大，更多的信道被分配给CCU，使用同一信道的CCU 数量减少，并且CCU 接收机的干扰减少。因此，提高了CCU的性能。相反，当pm减小时，分配给CEU 的信道减少，使用同一信道的CEU 数量增加，使得每个接收机的干扰增加。同时，该图也描述了CCU 链路覆盖概率与小区分割因子R 的关系。随着R 的减小，CCU 链路的覆盖概率大大提高。其原因是，随着R 的减小，CCR 单调递减，CCR 中被激活的用户数量减少，CCU 上行链路接收到的干扰也下降。因此，CCU 的覆盖性能大大提高。然而，观察图5(b)发现，小区分割因子R 对CEU 链路的影响较小。

图5 pm和R 对上行链路覆盖概率的联合影响

7 结束语

本文研究了由宏小区、微微蜂窝小区和D2D 网络构成的三层异构网络覆盖性能。为了保证CEU 的传输，基于小区分割方案以及分割因子R，将MU 划分为CCU 和CEU。同时，利用RSA 策略将总可用频带依据pm 划分为2 个部分，其中，CCU 与FU 共享CCU 频带，CEU 与D2D 共享CEU 频带。在此异构网络模型下，分别研究了网络参数对D2D、FU、CCU 和CEU 链路覆盖性能的影响，得到了各自的SINR 覆盖概率。研究表明，有效的小区分割与合理的频带分配能改善异构网络的覆盖性能，所得结果对于异构网络的最优化设计具有重要意义。基于上述研究结果，下一步将分析异构网络的物理层安全性能，并在被动窃听环境下研究CCU 和CEU 的安全概率。