（通信与信息系统专业论文）无线ofdm系统下家庭基站上行干扰和容量分析.pdf

嬲炒 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：一毒车至坠本人签名：一善孓竺 本人承担一切相关责任。 日期：翌! ! ：! ：竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：叠亘圣 同期： 导师签名：堑塑垒丛! 日期： 无线o f d m 系统下家庭基站上行干扰和容量分析 摘要 家庭基站作为一种提高室内覆盖的技术，获得了广泛的研究。它 是一种毫微微米蜂窝基站，主要是针对家庭住宅和企业办公室环境的 无线覆盖，提供有限范围内的、针对特定客户群体的无线数据传输。 与宏基站相比，它不存在墙壁引起的损耗使室内信号覆盖较差的问 题，并且接入方式简单，成本低廉。 在o f d m 系统中部署家庭基站，会引入家庭基站之间以及宏基 站与家庭基站之间的干扰，为了能够评估家庭基站对整个系统的干扰 以及性能的影响，本文首先对家庭基站的部署和研究现状进行了介 绍，然后对o f d m 系统下家庭基站和宏基站共存场景的上行容量进 行分析。研究了不同的基站密度，路损模型，组网方式情况下的上行 中断概率，遍历容量，并推导出相应的理论模型，通过m a t l a b 仿真 对不同基站密度，路损模型以及组网方式下的系统遍历容量进行研 究，仿真结果表明室内路损因子，家庭基站密度以及家庭基站和宏基 站下用户的业务量需求不同的情况下，为了能够使得系统总遍历容量 最大化，需要选用不同的组网方式( 同频或者异频或部分异频) 。 关键词：家庭基站上行干扰中断概率遍历容量 t h ei n t e f e r e n c ea n du p l i n kc a p a c i t yo f f e m t o c e l li nw i r e l e s s0 f d ms y s t e m a b s t i 认c t a saw a yt oi m p r o v eo u t d o o rc o v e r a g e ，f e m t o c e l l sh a v eb e e n e x t e n s i v e l ys t u d i e d i ti s as m a l lb a s es t a t i o n ，m a i n l ya i m i n ga tw i r e l e s s c o v e r a g eo ft h eh o m ea n ds m a l lo f f i c ee n v i r o n m e n t ，a n dp r o v i d i n g w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nf o r s p e c i f i cc u s t o m e rg r o u p si nal i m i t e dr a n g e c o m p a r e dw i t hm a c r oc e l l s ，t h e r ei sn op o o ri n d o o rc o v e r a g ep r o b l e m d u et oh i g hp e n e t r a t i o nl o s s m o r e o v e r ，f e m t o c e l l sh a v ee a s ya c c e s sm o d e a n dc h e a pc o s t t od e p l o yf e m t o c e l l si no f d ms y s t e m ，t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n m a c r oc e l l sa n df e m t o c e l l si si n t r o d u c e d i no r d e rt oe v a l u a t eh o w g r e a t ； s u c hn e g a t i v ei m p a c tf e m t o c e l l sh a v eo nm a c r o c e l l sp e r f o r m a n c e ，t h e d e p l o y m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u sa r ei n t r o d u c e da tf i r s ti nt h ew o r k ，a n d t h e nu p l i n kc a p a c i t yo ff e m t o c e l la n dm a c r oc e l li no f d ms y s t e mi s a n a l y z e d o u t a g ep r o b a b i l i t ya n de r g o d i cc a p a c i t y a r ed e d u c e df o r d i f f e r e n t a s s u m p t i o n so fh o m en o d e bd e n s i t y ，p a t h l o s s m o d e la n d n e t w o r k i n gm o d e a tl a s t ，m a t l a bs i m u l a t i o n sa r ea d o p t e dt oc o m p a r e p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts c e n a r i o s t h er e s u l t ss h o wd i f f e r e n tn e t w o r k i n g m o d es h o u l db ea d o p t e dt os a t i s f yt h em a x i m u mt o t a le r g o d i cc a p a c i t y u n d e rd i f f e r e n th o m en o d e b d e n s i t y ，p a t h l o s sm o d e la n dt r a f f i cd e m a n d c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：f e m t o c e l l u p l i n k i n t e r f e r e n c e o u t a g ep r o b a b i l i t y e r g o d i cc a p a c i t y 北京邮l 乜人学硕l 学位论文目录 目录 第一章绪论1 1o l 家庭基站的研究背景1 1 0 1 1 家庭基站的提出。1 10 1 2 家庭基站的简介2 1 2 论文研究课题3 1 3 论文主要创新点。3 1 4 本文的内容安排4 第二章家庭基站简介5 2 1 家庭基站的部署5 2 2 家庭基站的标准化工作7 2 3 家庭基站的优势8 2 4 家庭基站存在的问题1 0 2 4 1 技术问题1 0 2 4 2 商业问题1 2 2 5 家庭基站的研究现状1 3 2 5 1 功率控制1 3 2 5 2 组网方式1 5 2 5 3 自适应自配置。1 6 2 5 4 中继设备1 7 第三章基于o f d m 系统的家庭基站上行容量分析。1 9 3 0 l 基于o f d m 系统的家庭基站网络模型1 9 3 1 1o f d m 系统1 9 3 1 2 干扰共存场景2 0 3 1 3 上行干扰分析2 0 3 0 1 4 路损模型2 1 3 1 5 组网方式2 1 3 2 家庭基站与宏基站异频2 3 3 2 1 家庭基站的中断概率2 3 3 2 2 家庭基站的遍历容量2 6 3 2 3 宏基站的中断概率2 7 3 2 4 宏基站的遍历容量2 8 日录 北京邮电大学硕：t ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 固定网络和移动网络融合f m c 成为当今通信界讨论的热门话题以及未来 发展方向，这主要是随着人们对数据业务的需求量急增，业务也由传统话音向数 据业务慢慢转变的必然结果。f m c 的目的是使用户通过不同接入网络，获得相 同的业务。其主要特征是允许用户从固定或移动终端通过任何合适的接入点使用 同一业务。随着3 g 通信网络的应用和发展，越来越多的用户会使用3 g 业务。 3 g 可以为用户提供高速率的业务，其工作在大约2g h z 频段，无线信号衰减快， 建筑物穿透特性差，而提供高速数据业务需要很好的无线信号，所以在室内提供 高质量的移动业务是宏蜂窝覆盖的一个难题。另外由于3 g 数据业务的急剧增加 使得室外宏基站成为大量数据高速传输的瓶颈，此时家庭基站应运而生，它利用 已有固定宽带实现移动通信网络的有效延伸，可以快速解决室内覆盖问题。 1 1 家庭基站的研究背景 1 1 1 家庭基站的提出 在传统的蜂窝小区中，有2 3 的语音业务和超过9 0 的话音业务发生在室内。 因此，对于运营商来说能够为语音业务和高速的数据业务提供好的室内覆盖变得 越来越重要，但是，一些研究表明现在4 5 的业务室内覆盖差，好的室内覆盖以 及业务质量能够为运营商带来更多的财富。但是如何能够为高速的数据业务提供 更好的室内覆盖对于运营商来说是一种挑战。 现在用来提高室内覆盖的手段还都是利用传统的室外宏小区进行的，这个方 法有一些缺点： 使用外面的宏小区来提高室内覆盖非常的昂贵，例如，在u m t s 中，一个室 内用户需要很高的发射功率来克服很高的损耗，包括墙损。在宏基站最大发 射功率一定的情况下，就就会导致基站为其他用户分得的发射功率变小，直 接会导致小区吞吐量的下降。 要使得网络的容量增加，需要更多的室外宏基站，这对人口密度的地区来说 基站的建设成为一种挑战， 由于需要宏基站发送更高的功率给室内用户，就会带来对其他宏基站的用户 的干扰，这样会使得小区容量下降。 当小区变的密集，网络规划，优化就变得更加有挑战性，例如，在g s m g p r s 北京邮也大学硕 ：学位论文第一章绪论 e d g e 网络频率规划等等 3 g 以及以上的网络一般都会使用2 g h z 以上作为工作频率，这样路径损耗 更大，对于室内用户来说就需要更高的室外宏小区发射功率。 因此，一些室内解决方案，比如d a s ，p i c o c e l l 成为了能够解决大的商业中 心，办公楼，商场这种热点地区室内覆盖的更加有效的方法。这样就减少了宏基 站的负载，提高了了业务质量以及数据速率。但即使这样，上面提到的这些室内 解决方法都要比宏小区提供室内覆盖的成本要高，这些都不能被小型的办公室或 者家庭所接纳和使用。因此家庭基站诞生了，它提供了一种成本低廉的室内覆盖 的解决方案。 1 1 2 家庭基站的简介 家庭基站的概念首先是由1 9 9 9 年的时候被朗讯所提出，在2 0 0 2 年，摩托罗 拉发布了第一个3 g 的家庭基站产品，但是，直到2 0 0 5 年家庭基站才被人们所 广泛接受，在2 0 0 7 年的时候，家庭基站论坛成立，这标志着家庭基站的标准化 工作正式开始，在2 0 0 8 年底，论坛已经包括了1 0 0 个电信的软硬件公司，移动 运营商以及业务提供商等等。同年，家庭基站被引入到r 8 中，预期在2 0 1 0 年 的时候，l t e 的网络中不仅包括室外的宏基站还包括室内的家庭基站。家庭基站 越来越受到人们的重视，发展前景也越来越明朗化。 现代移动通信越来越趋向于提供高速传输多媒体业务，l t e 系统家庭基站的 诞生，有效地改善了系统在热点地区的覆盖、吞吐量和室内用户的信号质量。在 t d dl t e 标准化进程中，家庭基站的概念和技术得到了广泛的讨论。尤其是从 业务传输速率角度来讲，l t e 系统在上下行传输速率方面，需要达到下行 1 0 0 m b p s 和上行5 0 m b p s 的传输速率。和传统的蜂窝通信基站不同，家庭式基站 是一种小型化的、可以安装在室内的、配置灵活的基站。采用传统的蜂窝宏基站 则不能完全的满足覆盖以及高速速率上的要求，家庭式基站的诞生正是为了解决 这样的矛盾，提供给数据多媒体业务的室内用户以更好的体验。 家庭基站以用户的宽带接入为回程，具有自动配置，自动优化等功能，因此 不需要规划。同时它直接安放在用户家中或中小型企业，支持即插即用功能，用 户可以自行安装家庭基站终端，不存在站址选取等问题。家庭基站既可作为移动 网络的延伸，又是固定网络和移动网络融合( f m c ) 的有效方案，并且，家庭 基站设备可以集成传统宏蜂窝网络中多个网元的功能，其网络拓扑可以十分扁平 化，有利于保护运营商在固定宽带网络的投资，并且扁平化的网络设计也是当今 移动网络发展的大趋势。 2 北京邮l 乜大学硕l ：学位论文 第一章绪论 与传统的移动通信网的部署方式不同，传统的部署方式为通过基站接入到基 站控制器，由基站控制器通过标准的接口连接到核心网在连到口网络和电话网 络中。家庭基站所扮演的角色类似于终端设备，用户从运营商获取家庭基站基站 后，只要接通电源和网络，必须能自动完成i p 分配和i p 连接，进行远程的自动 软件升级，网络规划，而运营商只需要负责对其进行激活，鉴权，计费等。家庭 基站内有一个存有设备信息、身份信息和配置信息的s i m 卡，通过该s i m 卡向 网络自动进行认证和鉴权。 “ 1 2 论文研究课题 在家庭基站的部署中，由于系统中除了原有的宏基站以后，又引入了家庭基 站，因此意味着增加了额外的干扰，其中对于宏小区来说包括家庭基站用户对宏 基站的干扰，家庭基站对宏基站用户的干扰，而对于家庭基站来说就包括宏基站 对家庭基站用户的干扰以及宏基站用户对家庭基站的干扰。 本文主要从由于家庭基站的加入，引入的干扰对系统性能的影响，以及家庭 基站给系统容量的增益等角度来分析，通过对在o f d m 系统下不同的基站密度， 路损模型，组网方式情况下中断概率，遍历容量进行分析，并推导出相应的理论 模型，并且利用m a t l a b 仿真可以直观的看出上面所说的几种情况对系统性能的 影响，这对于今后的家庭基站的实现以及组网有着指导性的意义。 1 3 论文主要创新点 在深入学习了家庭基站相关的协议和提案以及现有的论文之后，本文提出了 家庭基站和宏基站共存场景的模型和上行干扰以及容量理论分析。 创新点可以概述如下： 家庭基站和宏基站共存情况下的干扰问题一直是大家关注的焦点，在标 准化的提案中建立的家庭基站和宏基站共存的模型大多为简单的单个家 庭基站和单个宏基站共存的干扰模型，本文提出了一个宏基站与在其覆 盖范围内多个家庭基站共存的模型，更加贴近现实网络。 现在已经有一些关于家庭基站之间以及家庭基站和宏基站的干扰的问题 的论文，但是这些论文的侧重点主要在于利用功率控制进行干扰控制。 本文在给出一个宏基站和多个家庭基站共存的建模模型的同时，评估了 现有的家庭基站和宏基站共存时比较普遍的4 种组网方式对于系统性能 3 4 北京邮电大学硕 ：学位论文第二章家庭基站简介 第二章家庭基站简介 由于大部分移动业务发生在室内，且在现有的移动服务中，由于墙壁引起的 损耗使室内信号覆盖较差，现在的宏基站很难满足日益增长的室内用户业务的需 求，此时就需要一种新的技术或者方法来解决室内覆盖问题。当今比较热门的能 够提高室内的覆盖的方法叫做家庭基站。家庭基站不仅可为运营商解决其3 g 网 络的室内覆盖难题，增加网络容量及覆盖率，同时，还能大幅降低成本，创造更 多新的商业模式，但是研究l 习l j n i j 起步，在组网，标准化工作，以及一些技术层面 上都存在一些问题需要设备制造商，运营商来解决。本章将对家庭基站的网络架 构，标准化工作，优势，存在的问题，研究现状等方面进行介绍，尤其对家庭基 站存在的问题以及研究现状将以较大篇幅描述。 2 1 家庭基站的部署 本节将对家庭基站的网络架构进行介绍，由于家庭基站的数目众多，并且具 有即插即用的特性，使得它的组网方式不同于传统的宏基站，需要设计出其符合 它特点的网络架构，迄今为止共提出了以下四种网络架构： 基于i u b 接口的网络架构 该方案中家庭基站只集成了n o d eb 的功能，其网络架构类似于传统的接入 网架构，家庭基站与宏基站共用r n c 设备，通过r n c 设备连接到核心网。 该方案的缺点：由于家庭基站是端口消耗型设备，在传统的宏基站覆盖范围 内会有大量的家庭基站的存在，如果直接使用r n c 来控制家庭基站的话会造成 r n c 端口的浪费，并且会增加r n c 调度功能的复杂度以及l u b 建立的信令交互， 使得延迟变大。 r n c 图2 1 基于t u n n e l e dl u b 接口的网络架构 5 北京邮i 乜大学硕：i ：学位论文第二章家庭幕站简介 基于i u 接口的网络架构 该方案中，家庭基站集成了n o d e b 和部分r n c 的功能，其接入方式是在核 心网与l p 接入网之间引入一个新的网元一黜蝌网关( r g w ) 。r a n 网关在 i u o v e r - i p 接口收集家庭基站的信息，然后通过i u c s 、i u p s 端口分送到核心网。 该方式初期投资小，对现有的核心网影响小，r g w 负责网络安全、业务汇聚、 协议转换、家庭基站设备管理与配置等。核心网将r g w 当成普通r n c 设备处 理即可。 厂一”l 器 u m a i u 的转换，效率很低。 、一p l c s) 、一、，- 一7 一厂一、一 l p s) r 一、，一 图2 3 基于u m a 的网络架构 基于i m s 的网络架构 该方案中家庭基站与核心网( 核心网中引入i m s 技术) 之间采用s i p 协议 相连，用户由新的核心网提供服务，且终端需要支持s i p 协议。 6 一r 矍 h 一 酽眙 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文第二章家庭基站简介 该方案的缺点：兼容性差，现有的核心网以及终端设备必须支持s i p 协议， 需要做相应的修改。s i m m s 方式是未来网络发展的趋势，在核心网完全升级到 i m s 网络之前，此方式投资比较大。 砒釜卜 f a 图2 4 基于i m s 的网络架构 根据2 0 0 8 年6 月宣布的标准，考虑到兼容性问题，家庭基站接入核心网的 方式将采用上面提到的第二种方法，也就是基于r g w 的方案。协议中定义家庭 基站无线网主要由家庭基站( h n b ) 、家庭基站网关( h n bg w ) 等组成，如图 2 5 所示。h n b 集成了传统无线网中n o d e b 功能和r n c 的大部分功能，h n b 与h n b g w 之间通过新定义的l u h 接口相连，h n b g w 通过标准i u 接口与3 g 核心网相连。h n b 管理系统( h m s ) 采用t r 0 6 9 协议族，完成h n b 位置验证、 h n bg w 发现、h n b 参数配置等功能。下一节将进一步介绍家庭基站的标准化 工作。 图2 5 协议中家庭基站的组网示意图 2 2 家庭基站的标准化工作 由于许多运营商都对家庭基站这个领域比较感兴趣，一些厂商已研制出相应 的产品，非标准化的设备外场试验也在计划中。因此有必要开发一系列的标准来 保证多厂商相同的工作环境和把握技术的发展方向。在r a n 3 5 会议上，3 gh o m e n b 启动了s l 的立项研究。这个研究项目由r a n 2 、r a n 3 、r a n 4 三个工作组 承担，分别在家庭基站架构、移动性、访问方法、射频指标等方面开展可行性研 2 窜i l j f 2 l 【3 l 【4 】 u o 经过一年多的时间，于r a n 4 0 次全会正式完成了家庭基站的可行性研究项 目，会议上首先明确了家庭基站的可行性，通过研究，r a n 2 、r a n 3 、r a n 4 工作组均认为r 8 之前版本的标准可以支持家庭基站部署，家庭基站可与r 8 之 7 北京邮电犬学硕1 ：学位论文第二章家庭皋站简介 前版本的u e 、核心网兼容，实现互联互通。同时在会议上还指出在家庭基站的 标准研究制定中，要本着家庭基站必须能兼容r 8 之前版本的核心网和终端，并 对无线网络u t r a n 的影响尽量小的原则。并为后续的标准制定指明方向：针对 家庭基站在架构、移动性、访问控制、射频指标等方面进行标准优化。 在s a l 工作组明确了3 g 家庭基站需满足的总体要求之后，其他工作组开始 陆续开展家庭基站在不同方面的具体的标准研究制定工作。2 0 0 8 年3 月r a n 3 9 次全会启动r a n 2 工作组负责的“s u p p o r to fu t r ah n b 和凡6 m 工作组负责 的“f d dh o m en o d e br fr e q u i r e m e n t s ”两个项目。r a n4 0 又启动了由r a n 3 工作组负责的“u t r a n a r c h i t e c t u r ef o r3 gh n b 项目。 r a n 2 负责无线接口层2 、层3 协议的标准化制定，主要针对r 8 支持c s g 的u e 与家庭基站相关的移动性问题进行研究。为了与r 8 之前版本u e 兼容， 家庭基站系统必须采用r 8 版本之前协议规定的机制来实现l i e 与家庭基站相关 的移动性。其中r a n 2 制定的t s2 5 3 6 7 规定了与支持c s g 的r 8u e 相关的家 庭基站移动性基本过程等。除此以外，r a n 2 的研究成果还包括对原有规范 t s 2 5 3 3 1 、2 5 3 0 4 提出修订以满足家庭基站的要求。 r a n 4 工作组主要研究家庭基站射频特性，制定家庭基站射频指标规范，以 满足家庭基站部署要求。目i j i fr a n 4 已基本完成家庭基站全套射频指标制定工 作。r a n 3 工作组主要研究3 g 家庭基站无线网的结构、功能分布、l u h 接口协 议等，并在r 8 阶段制定了t s 2 5 4 6 7 、t s 2 5 4 6 8 、t s2 5 4 6 9 这三个与3 g 家庭基 站相关的技术规范。其中t s2 5 4 6 7 规定了3 g 家庭基站的无线网架构，分别描 述了适合于支持c s g 的u e 和不支持c s g 的u e 所需的功能，此外还提出了家 庭基站操作维护的特殊要求f 引。t s 2 5 4 6 8 、t s2 5 4 6 9 则分别是r u a 、h n b a p 协议规范。同时r a n 3 也在家庭基站自主配置、h n b 注册等方面开展了研究。 由于家庭基站的数目众多，尤其是它的即插即用特性，使得家庭基站和宏基 站以及家庭基站之间是无法协调的，家庭基站需要自己进行自适应，自配置。因 此因此对家庭基站的操作维护管理与普通宏基站必然要求不同。3 g p ps a 5 工作 组对3 g 家庭基站在操作维护管理( o a m ) 方面进行了相应研究。在s a 5 所起 草的t r3 2 8 2 1 中，明确从自组织网络的角度来研究家庭基站的操作维护管理， 提出家庭基站完全自动配置这一基本要求，并进一步从配置管理、性能管理、故 障管理、安全管理等方面详细分析家庭基站的特殊要求，比较家庭基站与普通宏 基站在o a m 要求上的差异。同时s a 5 还制定了t s3 2 5 8 2 和t s3 2 5 8 3 等标准。 2 3 家庭基站的优势 8 北京邮电大学顾一 ：学位论文第二章家庭璀站简介 1 解决室内深度覆盖问题 目前通用的室内覆盖解决方案主要是通过部署室内分布系统，比如微微小 区，来完成相应的覆盖要求，但一般是用于商场，大型场馆、办公大楼等应用场 景。对于小型家庭住宅小区或者中小企业办公室等目前还是通过室外宏基站来进 行覆盖的，从目前使用情况来看，它能够满足较好的室内话音业务需求，但是随 着数据业务速率以及用户对其需求的急增，并且目前3 g 系统采用的都是高频段 资源，无法保证室内高质量的深度覆盖，更无法保证家庭高速数据业务的需求。 家庭基站在室内的部署能够更有效的解决家庭及中小企业的大量数据业务 需求，可以使得室内的少量用户独享家庭基站的带宽能力，业务质量提高，增加 了用户体验。 2 增强的宏小区可靠性 如果室内业务都通过家庭基站承载，那么宏小区基站可以空闲出更多的资源 供室外用户使用。也就是说家庭基站能够为宏基站分担相当大的负载，减轻宏基 站的负担，提高室外用户的信号质量。 3 接入方式简单 传统的移动通信网的部署方式是通过基站接入到基站控制器，由基站控制器 通过标准的接口连接到核心网，再通过l p 网络和业务网络相连。而在家庭和中 小企业内部署家庭基站就非常简单，只需要通过普通的网线连接到有线宽带资 源，由网关设备通过标准接口与核心网相连即可。对于家庭基站的丌通、调试也 异常方便，其即插即用的接入方式使得加电后通过自配置、自规划功能实现业务 的开通。 4 部署成本低廉 设备及组网成本减少。家庭基站比传统的宏基站体积要小得多，与现有的 w i f i 接入点差别不大部署成本低廉。如果考虑高速率的h s d p a 、h s u p a 应用， 采用宏基站来满足用户容量的需求，覆盖质量无法保证而且建设成本巨大。 对于运营商来说在工程建设和维护两方面成本都大大减少。首先，随着人们 环保意识的提高，基站的选址愈发困难，站址选取成本也只益提高，同时由于用 户业务的需求和用户的增多，通过不断增加宏基站的方法会给宏基站之间带来干 扰，造成容量的瓶颈，而家庭基站的室内部署方式避免了站址选取的麻烦；其次， 由于家庭基站具备自配置、自规划功能，大大降低了运维的成本，不需要像传统 的蜂窝网络一样有机房的供电、空调、维护人员的成本，这些成本都非常的高， 而家庭基站是在家庭进行部署，具有得天独厚的优势。 5 功耗低、体积小 家庭基站同样具备功耗低、体积小、低辐射的功能，用户接受门槛低，相对 9 北京邮i u 人学硕i ：学位论文第二章家庭幕站简介 于建设密集的基站而言，属于绿色环保产品无疑更利于用户接受。 6 运营商的竞争力增强 家庭基站可以为家中的用户提供很好的语音、移动数据业务体验。由于可以 利用核心网的分组交换来传输话音等实时业务，家庭基站可以获取相当的成本优 势，运营商可以制定优惠的价格吸引用户使用。当用户习惯在室内使用数据业务 之后，也会在室外使用同样的业务，这就增加了宏蜂窝网络的业务量，从而提高 总体收益。 i 上面提到了一些宏观上的优势，我们在从技术的角度来探讨一下家庭基站的 优势所在。根据仙农公式c ；w l o g ，( 1 + s ( i + ) ) ，系统容量正比于链路的信干 噪比。而信干噪比与目标信号发射功率，发送端之间的干扰，信号传播过程中的 路损和阴影衰落有关。路损公式一般可以写为a d ，a 为常量，d 为发送端和 接收端之间的距离，口为路损指数因子。为了提高接收质量，一般的做法是最小 化参数d 和口。并通过增加分集度，使用干扰消除，干扰抑制，干扰避免等技术 提升系统性能。家庭式基站放置在家中，减小了基站与终端之间的距离d ，而且 不会产生大的阴影衰落，所以用很低的功率就能保持很好的室内覆盖。家庭式基 站的容量优势主要体现在： 基站与用户之间的距离减小，提升了接收信号的强度。 家庭式基站发射功率不大。并且由于墙壁引起的穿透损耗，泄露到室外的 功率很小，对宏基站和其它家庭式基站信号的干扰小。 用户所需的发射功率也很小，这样增加了待机时间，提高了电池的寿命。 因为家庭式一般只服务l 到4 个用户，所以每个用户分到的带宽和功率资 源很多。而传统的宏蜂窝下，为了覆盖更大的范围和调度尽可能多的用户， 每个用户所占用的物理资源相对很少。 2 4 家庭基站存在的问题 2 4 1 技术问题 1 频谱分配 在l t e 中，采用o f d m 技术，宏小区内的用户所占用的子载波正交，同时 小区间通过采用频带复用，这样大大降低了小区内和小区间干扰，但是随着家庭 式基站的使用，用户自由的放置它的位置，宏小区和家庭基站用户的频谱分配问 题是必须要解决的问题，通过合理的频谱分配可以有效的降低宏小区与家庭基站 以及家庭基站之间的干扰，同时保证频谱利用率不会有大幅下降。 1 0 北京邮l 乜大学颀i ：学位论文第二章家庭摹站简介 2 家庭基站的定时和同步 家庭基站需要通过同步来减少干扰，并且当用户在进行宏小区和家庭基站之 间切换的时候需要宏小区与家庭基站之间保持同步，同时在t d d 系统中，由于 上下行采用的是时分，所以需要更加精确的同步能够避免产生上下行之间的干 扰，但是和普通的宏基站不同的是，家庭基站不存在r n c 集中式设备来协调， 现在通常的解决办法是在家庭式基站内嵌入g p s 。但是这样做会增加家庭式基站 的成本，不利于家庭式基站的普及。因此家庭基站的同步和定时又成了另一个需 要解决的问题。 3 家庭基站和宏小区之间的干扰 对于家庭基站的出现，针对中国市区建筑密集的国情，干扰问题是家庭基站 必须克服的一个难题，上面已经提到可以通过合理的频谱分配来减少二者之间的 干扰。同时也可以采用对宏基站和家庭基站以及用户的功率控制来减少干扰。传 统的f d dc d m a 系统使用快速功控补偿路损，阴影衰落，和快衰的影响；覆盖 固定的范围。当引入家庭式基站后，如果宏小区用户离家庭式基站太近就很产生 很强的相互干扰。对于下行来说，宏小区基站发射的信号会干扰家庭式基站的传 输，同时家庭式基站也会影响附近的宏小区用户的f 确接收。而对于上行，家庭 基站用户和宏基站用户之间的干扰可能致使他们都无法正常通信。对于 t d s c d m a 系统，因为采用t d d 模式，家庭式基站与宏基站上下行之间也会存。 ， 在很强的时隙间干扰。如果不采用适当的算法减少干扰，那么原有的系统将无法 正常工作。因此有效低复杂度的干扰消除技术是必须的。 4 家庭基站中是否包含c s g 。 c s g 是在3 g p pt s 2 2 2 2 0 中定义的，由于家庭基站面向的是家庭、小企业 等应用场景，为即插即用设备，可能由用户拥有，因此要求家庭基站系统具备访 问控制功能，即能够对用户身份进行鉴权。针对家庭基站的这种要求，3 g p p 在 r 8 版本提出采用c s g ( c l o s e ds u b s c r i b e rg r o u p ) 的概念进行访问控制。c s g 指 的是允许接入一个或多个特定小区的一群签约用户，同一用户可属于多个c s g ， 当u e 进入某一个家庭基站覆盖范围内，如果该小区的c s gi d 在用户的c s gi d 列表内就允许用户接入，否则就不允许该用户进行访问。 结合实际情况来考虑不同的应用场景就对应不同的家庭基站的接入方式， 如： 典型的家庭居住应用场景，即c s g 的单一家庭基站； 大型居住场景、校园、或小型办公室场景，即c s g 的家庭基站簇； 咖啡馆场景，即开放性接入的单一家庭基站； 其中包含经过授权的家庭基站用户，当包含c s g ，也就是只允许授权的用 北京邮电大学颁j ：学位论文第二章家庭幕站简介 户使用的家庭基站将能有效保证隐私和安全：但不能很大程度分担宏小区的用 户，同时当宏小区用户在家庭基站的覆盖范围内并不能实现切换的话会造成家庭 基站和宏小区之间的干扰。当不包括c s g ，家庭基站可以为所有在其覆盖范围 内的用户提供服务，但存在一定的安全隐患。在协议中还提到一种混合模式，在 这种模式下，家庭基站的一部分资源将为授权用户预留，而其他资源则向漫游者 开放。 5 家庭基站和宏基站之间的切换问题 家庭基站必须须与宏小区之问实现无缝切换，切换主要包括三个方面：家庭 基站和家庭基站之间的切换；家庭基站向宏小区的切换；宏小区向家庭基站的切 换。 家庭基站和家庭基站之间的切换及家庭基站向宏小区小区的切换不存在问 题，只要在家庭基站中设置相应的邻区列表即可。但宏小区小区向家庭基站的切 换中，会出现一些问题。传统的蜂窝网络，会把相邻小区的基站列表广播给小区 内的用户，用户根据信标信道的功率强弱灵活的选择所接入的小区。由于家庭式 基站数量众多，并且灵活的可变，网络控制端无法实时更新小区列表，用户也就 不能完成精确的切换。如果一个区域中存在大量的家庭式基站。当用户经过该区 域的时候，可能会作出频繁的切换，导致服务不稳定并浪费大量网络资源。在未 来的无线系统中，考虑到同频家庭式基站的引入，现有的功控算法和接入策略都 需要作出相应的调整。 6 i p 传输网络质量要求 因为家庭基站是完全通过i p 网络实现与核心网的连接，因此如何保证业务 的q o s 服务等级，特别是语音业务的q o s 要求非常关键，因此对于i p 传输网络 需要有一定的性能要求。 2 4 2 商业问题 。 对于运营商 1 产品：大多数设备制造商和运营商都非常关心家庭基站设备的成本。降 低家庭基站成本的关键是整合软件和芯片。把家庭基站技术整合进机顶 盒或电缆、数字用户线解调器将能节省成本，因为这种融合用户端的设 备会对手机运营商的研发起到协同作用。 2 。业务：运营商应该对用户需求和现有的网络有充分了解和认识，如果用 户对数据业务的需求没有得到充分发展，家庭基站经济效益就不明显， 其所节省的宏蜂窝网络建设成本可能远远低于家庭基站所需的投入。如 果宏蜂窝小区完全能够满足用户现在的业务需求，家庭基站对运营商也 就失去了意义。 1 2 北京邮电大学硕l 学位论文 第二章家庭幕站简介 3 其他技术的竞争：即使在业务上有需求，但是随着集成w i f i 功能的终端 的日益丰富，家庭基站的优势也大打折扣，家庭基站的发展还取决于用 户。因此，运营商需要为家庭基站制定完善的商业模式与具有竞争力的 销售策略，吸引用户目光，通过提供丰富多彩的特色业务、优惠的价格、 良好的客户体验等手段来提高用户使用的积极性，逐步扩大客户规模。 对于用户 用户比较关心的几个问题包括接入控制，业务质量以及安全问题，运营商需 要制定合理的接入控制机制，至少使得在家庭中使用的家庭基站的所有者可以自 动方便的添加删除授权用户，并阻止未授权用户接入。同时对于业务质量，是否 会由于宏基站和家庭基站之间的切换导致掉话等都是人们关注的问题。 2 5 家庭基站的研究现状 上一节中提到了家庭基站在技术上存在着一些问题需要解决，包括频谱分 配，定时同步，干扰消除，切换等。这些问题无论在标准制定，还是论文中都成 为大家的研究热点，本节将对家庭基站在功率控制，组网方式，自适应特性以及 中继设备几个方面的研究现状进行阐述。， i 一 2 5 1 功率控制 能够进行合理的功率控制，对于整个系统来说可以降低干扰，提高系统的性 能。因此如何对家庭基站进行功率控制成为大家研究的热点。在3 g p p t r 2 5 9 6 7 。 协议中，同样对家庭基站的功率控制进行了标准化工作，以下行功率控制为例， 图2 6 为协议中提到的简单的单家庭基站和单宏基站共存的场景。模型中只包括 一个家庭基站，一个宏基站，一个家庭基站用户以及一个宏基站用户。通过仿真 结果可以大致看一下为了能够协调家庭基站和宏基站之间的系统性能，如何对两 个基站进行功率分配以及控制。假设x = p lm n b ，y = z = p l _ h n b 1 3 在【5 】中提出了两种调整用户最大发送功率的策略，分别采用了开环以及闭 环的方法，通过这种策略能够有效的进行功率控制进而消除干扰，在开环策略中， 当家庭基站到某b s 的功率大于某一个限定值的时候，家庭基站的用户就会调整 它的最大发送功率。在闭环策略中，通过定义噪声干扰比，并基于这个等级来动 态的调整家庭基站用户的最大发送功率。 文章【6 】分别建立了一个家庭基站和一个宏基站共存的下行干扰场景及一 1 4 北京邮l 乜火学硕：i ：学位论文第二章家庭皋站简介 个宏基站和多个家庭基站共存的下行干扰场景，下行功率分配的目的是使得家庭 基站下的u e 和宏基站下的u e 的信噪比都满足他们的目标值。方法为通过家庭 基站的u e 和宏基站的u e 的信噪比的公式合理的分配基站的发送的功率来达到 满足目标值的目的。其中在多个家庭基站的场景下采用了功率控制和动态信道分 配联合的算法。 但是这些算法的复杂度都非常的高，在实际系统中实现是有一定困难的。 2 5 2 组网方式 现在提出的家庭基站和宏基站共存时候的静态组网方式大概为4 种，分别为 同频组网，异频组网，部分同频组网和部分异频组网。在这些基础上，又出现了 一些更加新颖的组网方式。在【7 】中提到了一种家庭基站和宏基站共存的时候的 组网方式，目的是通过合理的频率分配实现干扰协调，在该方案中，宏基站的覆 盖区域被分为两部分：内区域和外区域，在外区域由于家庭基站距离宏基站距离 较远，可以使得该区域的家庭基站所使用的频段和宏基站使用频段相同，而内区 域，由于宏基站和家庭基站距离很近，很容易造成干扰，这时候家庭基站使用的 频段不能和宏基站相同。因此通过分区域异频组网的方式规避了一些家庭基站和 宏基站之间可能造成的强干扰。 在【8 】中，提出了一个动态频率规划的算法，这里只考虑家庭基站，而不考 虑宏基站的情况，来比较家庭基站全部使用相同频率以及使用不同频率的优缺 点，所有家庭基站使用相同频段的情况下，会引入更多干扰，相比较而言使用异 频的情况下减少了家庭基站之间的干扰，但是频率的利用率随之下降。文中提出 的算法主要分为两个部分，首先要对容量和干扰进行估计，也就是估算出每个扇 区能够满足用户带宽要求的子载波的数目，并得到扇区间的干扰矩阵，并利用估 算得到的数据把这个问题抽象为一个单目标最优化问题来求解，来决定每个家庭 基站所占用的频带资源。 上面已经提到，在协议中已经引入了c s g 的概念，也就是存在两种家庭基 站的接入方式，一种是允许每一个用户都可以接入到家庭基站中来( p u b l i c a c c e s s ) ，另一种是只有在c s g 列表里的用户才能接入到家庭基站中( p r i v a t e a c c e s s ) 。 之前的论文中没有考虑到这两种接入方式不同的频率规划方法，在【9 】中提 到了在p r i v a t ea c c e s s 接入方式中对于未注册用户的切换以及频率分配方式，来降 低该用户带给家庭基站的干扰。文中定义了i h o ( i n t r a c e l lh a n d o v e r ) 的概念，使 用了i h o ，家庭基站和宏基站都可以检测到跨层的干扰并且重新分配他们的子载 波，避免了家庭基站和宏基站由于同时使用相同的子载波造成的干扰。当一个未 1 5 北京邮l 乜人学硕j i 坞e 位论文 第二章家庭桀站简介 注册用户正在使用子载波k ，且满足j 把高速数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增 加，从而可以有效地减少无线信道的时间弥散带来的i s i ，这样可能不采用 均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 o f d m 系统由于各个子载波之间的正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因 此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 各个子信道中的这种正交调制和解调可以通过i d f t 和d f t 方法来实现。 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量远远大于上 行链路中的数据传输量，而o f d m 系统可以很容易地通过不同数量的子信 道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 1 9 北京邮f 乜大学硕l ：学位论文第三章家庭荣站与宏綦站的卜行容量分析 3 1 2 干扰共存场景 如下图3 1 所示，系统中包含一个宏基站和多个家庭基站，家庭基站都分布 在宏基站的覆盖范围内，并且这些家庭基站服从s p p p ( s p a t i a lp o i