（信息与通信工程专业论文）femtocell增强的蜂窝移动通信系统中频谱资源共享技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 通过在用户家中安装一个与m a c r o c e l l 共享频谱的接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) ， f e m t o c e l l 技术可以有效地解决蜂窝移动通信系统中室内覆盖差和容量低的问题。然而， 频谱共享可能导致f e m t o c e l l 间、f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 间相互干扰，限制f e m t o c e l l 和 m a c r o c e l l 的性能。 本文研究f e m t o c e l l 和m a c r o c e u 之间如何合理地共享频谱资源，以使两个嘲络都能 达到较高的性能。 本文分析在单个和多个接入子信道的情况下，系统的上下行平均容量、f e m t o c e u 平 均容量、m a c r o c e l l 平均容量与f e m t o c e l l 接入数目的关系。分析结果表明，通过合理安 排f e m t o c e l l 的接入信道，f e m t o c e l l 技术可以在不影响m a c r o c e l l 上下行系统容量的前提 下，显著提升系统的整体容量。 针对新加入现有系统的f e m t o c e l l 及频谱共享技术必须与现有标准兼容的要求，本文 在深入分析i e e e8 0 2 1 6 e 标准的基础上，提出一种a p 独立地估计其与m a c r o c e l l 中各 m a c r o c e l l 用户问路径损耗的分布式方法。该方法不需要额外信息或信息交互，不会对现 有m a c r o c e l l 的通信造成任何影响。仿真结果表明，该路径损耗估计方法可以较为准确地 估计出a p 与m a c r o c e l l 用户间的路径损耗。 提出一整套兼容i e e e8 0 2 1 6 e 标准的f e m t o c e l l 信道选择、功率分配和接入控制策略。 利用上述路径损耗估计结果，a p 评估其对各m a c r o c e l l 用户可能造成的干扰，进而为各 被占用信道都计算一个接入概率，以保证a p 以较大概率接入造成干扰较小的信道。根 据所选信道的干扰强度，a p 确定其发射功率以保证一定的覆盖范围。根据反馈的信道质 量信息，m a c r o c e l l 基站估计其用户所受干扰，接纳或拒绝f e m t o c e l l 的接入请求。 针对未来蜂窝网络中f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 间允许交互少量信息的特点，本文将频 谱共享问题描述为一个优化问题，并利用f e m t o c e | l 网络的特点，去除f e m t o c e l l 和 m a c r o c e l l 间的耦合性，简化该优化问题。通过采用拉格朗日对偶法求解，得到f e m t o c e l l 动态频谱接入和功率分配的一种低复杂度分布式算法。该算法只需m a c r o c e l l 用户和基 站、基站和f e m t o c e l l 用户之间交互少量的信息。 关键词：f e m t o c e l l ，h o m en o d e b ，家庭基站，w i m a x ，i e e e8 0 2 1 6 ，容量分析，干扰， 频谱共享，信道选择，功率分配，接入控制，路径损耗估计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e m t o c e l lt e c h n i q u ec a l ls o l v et h ep r o b l e m so fi n d o o rc o v e r a g ea n dl o wc a p a c i t yf a c e db y t h ee x i s t i n gc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st h r o u g hi n s t a l l i n ga l la c c e s sp o i n t ( a p ) s h a r i n g t h es a m es p e c t r u mr e s o u r c ew i t hm a c r o c e l li ns u b s c r i b e r s h o m e s h o w e v e r , s p e c t r u ms h a r i n g m a yi n d u c es e r i o u sm u t u r a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nf e m t o l l sa n dm a c r o c e l la sw e l la sa m o n g f e m t o c e l l s ，h e n c et h ep e r f o r m a n c e so f b o t hf e m t o c e l l sa n dm a c r o c e l la r er e s t r i c t e d t h i st h e s i ss t u d i e st h es p e c t r u ms h a r i n gt e c l m i q u e sb e t w e e nf e m t o c e l la n dm a c r o c e l ls o a st oa c h i e v ea g o o ds y s t e mp e r f o r m a n c e t h et h e s i sa n a l y z e st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e no v e r a l la v e r a g es y s t e mc a p a c i t y , a v e r a g e f e m t o c e l lc a p a c i t ya sw e l la sa v e r a g em a c r o c e l lc a p a c i t ya n dt h en u m b e ro ft h ef e m t o c e l l s t h a th a v e b e e na c c e s s e d a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g hp r o p e rc h a n n e ls e l e c t i o n , f e m t o c e l lc a ni m p r o v et h eo v e r a l ls y s t e mc a p a c i t ys i g n i f i c a n t l yw i t h o u ta no b v i o u si m p a c to n t h eu p l i n ka n dd o w n l i n kc a p a c i t i e so fm a c r o c e l l f o rt h ef e m t o c e l l st ob ei n t r o d u c e di n t ot h ee x i s t i n gc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e s p e c t r u ms h a r i n gt e c h n i q u e s s h o u l db ec o m p a t i b l ew i t ht h ee x i s t i n gs t a n d a r d s an o v e l a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o ra pt oe s t i m a t ei n d e p e n d e n t l yt h ep a t hl o s sb e t w e e ni t s e l fa n d w i m a xb a s es t a t i o na sw e l la su s e r s t h i sa l g o r i t h md o e sn o tn e e da n ye x t r ai n f o r m a t i o no r i n f o r m a t i o ne x c h a n g ee x c e p tt h o s ea l r e a d yi ni e e e8 0 2 16 es t a n d a r d ，a n dw i l ln o tp r o d u c ea n y i n f l u e n c eo nt h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o n si nm a c r o c e l l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a t h l o s se s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sav e r yg o o dp e r f o r m a n c e as e to fm e c h a n i s m sc o m p a t i b l ew i t hi e e e8 0 2 16 es t a n d a r di sp r o p o s e d ，i n c l u d i n g c h a n n e ls e l e c t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o na n da c c e s sc o n t r 0 1 u t i l i z i n gt h ep a t hl o s se s t i m a t e s ，a p a s s e s s e st h ei n t e r f e r e n c ei n t e n s i t i e si tm a yp r o d u c et ot h em a c r o c e l lu s e r sr e s p e c t i v e l y a n a c c e s sp r o b a b i l i t yi st h e nc a l c u l a t e df o re a c ho c c u p i e dc h a n n e lb a s e do nt h ea s s e s s e di n t e n s i t y , s o 也a ta pt e n d st oa c c e s si n t oac h a n n e lt h a tt h ef e m t o c e l lh a s1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h e c o - c h a n n e lm a c r o c e l lu s e r a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lq u a l i t yi n f o r m a t i o ns e n tb ym a c r o c e l l u s e r s ，b a s es t a t i o n ( b s ) e s t i m a t e st h ei n t e r f e r e n c ei n t e n s i t ys u f f e r e db ye a c hm a c r o c e l lu s e r , a n dt h e nd e c i d e se i t h e rt oa c c e p to rr e f u s ef u r t h e ra c c e s sr e q u e s t sf r o mf e m t o c e l l s i nt h ef u t u r ec e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa c c o m m o d a t i n gf e m t o c e l la sab a s i c i l 浙江大学硕士学位论文 c o m p o n e n t ，c e r t a i na m o u n to fi n f o r m a t i o ne x c h a n g ei sp e r m i t t e di no r d e rt oa c h i e v eab e t t e r o v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e t h es p e c t r u ms h a r i n gp r o b l e mi sf o r m u l a t e di nt h i st h e s i sa sa n o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w h i c hi ss i m p l i f i e da f t e re x p l o i t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff e m t o c e u n e t w o r ka n dr e m o v i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e nf e m t o c e l l sa n dm a c r o c e l l al o wc o m p l e x i t y d y n a m i cs p e c t r u ma c c e s sa n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rf e m t o c e l l si st h e np r o p o s e db y s o l v i n gt h i ss i m p l i f i e dp r o b l e mw i t ht h el a g r a n g i a nm e t h o d t h ea l g o r i t h mo n l yr e q u i r e sa l i t t l ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nm a c r o c e l lu s e r sa n db sa sw e l la sb sa n df e m t o c e l l s k e yw o r d s ：f e m t o c e l l ，h o m eb a s es t a t i o n ，w i m a x ，i e e e8 0 2 16 e ，c a p a c i t ya n a l y s i s ， i n t e r f e r e n c e ，s p e c t r u ms h a r i n g ，c h a n n e ls e l e c t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，a c c e s sc o n t r o l ，p a t hl o s s e s t i m a t i o n i l i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。除了文中特i i ：i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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谢意。 学位论文作者签名：苏勤亮签字日期：2 0 1 0 年3 月6日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苏勤亮导师签名：黄爱苹 签字日期：2 0 1 0 年3 月6 日签字口期：2 0 1 0 年3 月6日 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文完成之际，谨向在我攻读硕士学位期间指导过我的老师、帮助过我的同学 和朋友表示深深的谢意! 首先，我要衷心感谢我的导师黄爱苹教授。在两年半的研究生生涯中，黄老师在我 的课题研究、论文写作等方面都倾注了大量的心血。无数次的耐心指导和鼓励，让我对 无线通信产生了浓厚兴趣；无数次的深入讨论，帮助我对问题的理解更加清晰；无数次 的论文修改，让我掌握了科技论文的写作方法，养成了严谨、精益求精的良好科研习惯。 黄老师积极的生活态度和果断、高效率的工作方式，也在无形之中对我产生了深远的影 响，让我受终身益。从黄老师那里，我受益太多太多。这篇论文从选题到定稿都得到了 黄老师的悉心指导。论文的顺利完成离不开她的辛勤工作。 感谢化存卿副教授对我学习、生活的关心和指导，化老师敏锐的思维、热情真诚的 待人态度，都给我留下了非常深刻的印象。 感谢已毕业的李静博士，她在我进实验室的初期，教会我很多科学研究的基本方法 和切身经验，让我受益匪浅。感谢已毕业或离校的李磊、宋靖和程勇师兄，他们让我快 速的融入实验室这个集体。感谢正在攻读博士学位的徐宁师兄，他高效率的工作方式和 乐观积极的生活态度让我很受启发。感谢与我一起奋战的周斌硕士，两年多来，我们相 互学习、相互鼓励，共同进步；他诚恳的待人方式和积极的生活方式，让实验室总是充 满欢笑。感谢武洲云博士、王坚博士、徐文超硕士、曹剑波硕士、雷亮硕士，在过去将 近两年的学习生活中，与他们一起学习交流，让我受益颇多。感谢安康博士、周豪杰硕 士、丁雪丽硕士、周利满硕士和周宁凯硕士，与他们一起学习生活，让我感到非常的愉 悦。 最后，我要感谢我的父母与家人，他们对我始终如一的支持和无私的关爱，让我始 终都敢直面人生一次次的挑战，不断攀登人生新的高峰。 苏勤亮 2 0 1 0 1 8 于求是园 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 蜂窝通信在过去几十年间取得了飞速发展，经历了最初只能提供语音业务的 模拟通信系统a m p s ，可提供低速数据和语音业务的2 g 移动通信系统g s m 和 c d m ai s 9 5 ，可提供高速数据业务的3 g 和b 3 g 移动通信系统w c d m a 、h s p a 和l t e 系统等，移动通信的系统容量和服务质量都得到了大幅度的提升。 然而，蜂窝通信的也面临两个基本的问题【1 】：1 ) 超过5 0 的语音业务和超 过7 0 的数据业务是在室内进行的 2 】，但现代通信系统使用的频段越来越高， 信号的衰减也越来越大，从而导致室内用户的接收信号质量，尤其是小区边缘的 室内用户接收信号质量不理想，室内用户的传输质量和速率很难达到让用户满意 的程度 3 】；2 ) 各种高数据率应用的出现，导致对传输速率的要求不断增加，当 前的蜂窝移动通信系统很难满足用户对传输速率的需求。此外，蜂窝通信系统也 受到可以在室内提供高速的数据传输业务的晰f i 等各种无线接入技术的挑战【4 ， 5 1 。未来的蜂窝网络应能在室内提供低廉的高速接入服务，从而提供一种a l li n o n e 的接入方式，保持自己的竞争力。因此，未来的蜂窝网络通信系统应当包含 一种建网和维护成本低、保证室内覆盖并提供高速接入服务、高系统容量的技术。 f e m t o c e l l 技术 1 ，6 1 是一种毫微微蜂窝技术，它在用户家中安装一个与外面 m a c r o c e l l 工作在相同频率且只覆盖用户家庭的私人基站。由于f e m t o c e l l 的室内 安装和频率复用度高的特点，蜂窝通信系统的室内覆盖和系统容量问题理论上都 可以得到很好的解决。另外，由于每个f e m t o c e l l 服务的用户数非常少，f e m t o c e l l 内的用户几乎可以独享所有的频率资源，从而使得提供一种低廉的室内高速数据 接入成为可能。 f e m t o c e l l 可以应用于现有的蜂窝通信系统中，如g s m 、w c d m a 、w i m a x ， l t e 等，从而改善和提升现有蜂窝网络的室内覆盖和系统容量7 1 。未来移动通 信系统在标准制定过程中就考虑了f e m t o c e l l 的存在，如l t e + 、i e e e8 0 2 1 6 m 等，从而可以更有效地提系统的性能和竞争力。鉴于上述的诸多优点，f e m t o c e l l 技术近年来受到了越来越多的关注。f e m t o c e l lf o r u m 于2 0 0 7 年正式成立，致力 于推动f e m t o c e l l 的标准化和市场应用。各种标准化组织如3 g p p 、3 g p p 2 和i e e e 8 0 2 1 6 ，也在积极进行各种符合现有和未来移动通信标准的f e m t o c e l l 标准化工 浙江大学碰学位论文 作【8 1 0 。 本章简单介绍f e m t o c e l i 网络和关键问题，阐述研究f e m t o c e l l 与m a c r o e e l l 频谱共享的必要性，介绍频谱共享技术的研究现状。 1l f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络概述 f e m t o e e l l 增强的蜂窝网络结构如图l1 所示。每个f e m t o c e l l 包含一个接入 点a p ( a c c e s s p o i n t ) ，a p 由用户自行安装。f e m t o c e l l 的覆盖范围都很小，通常 只覆盖一个家庭，半径在l o m 3 0 m 左右。因而，f e m l o c e l l 的a p 和用户发射功 率都非常小。a p 通过用户家中的1 p 网络，如a d s l ，与移动蜂窝网络的核心网 相连。在f e m t o c e l l 服务范围内的授权用户可直接通过该a p 进行通信，而不需 要与宏蜂窝的b s 通信。 ，i 一年碲旺罗“ f e m t oc e l l 一- ! _ y j ，+ 一一1 若将全部频谱分为不相重叠的段，分别给m a c r o c e l l 和f e m t o e e l l 使用，称为 s p l i a m g 方式。若m a e r o c e l l 可以用全部的频段，f e m t o c e l l 在不妨碍m a c r o c e l l 通 信的前提下与之共享信道，称为s h a r i n g 方式。前者管理容易，但频谱利用率低t 浙江大学硕士学位论文 后者频谱利用率高，但需有客服共信道干扰的对策。从认知无线电【1 1 ，1 2 i 批度 来看，地理上重叠、频谱资源共享的m a c r o c e l l 和多个f e m t o c e l l 构成一个两层 ( t w o t i e r ) 网络，其中，m a c r o c e l l 为主层网络，是频谱的授权用户( 主用户， p r i m a r yu s e r ) ，f e m t o c e l l 为次层网络，是次用户( s e c o n d a r yu s e r ) 。m a c r o c e l l 网络本已存在，其用户体验不能在f e m t o c e l l 加入后有明显的降低，即必须保证 m a c r o c e l l 用户的服务质量。 为后文叙述方便，本文称m a c r o c e l l 中的用户设备为p u e ( p r i m a r yu s e r e q u i p m e n t ) ，f e m t o c e l l 中的用户设备为s u e( s e c o n d a r yu s e re q u i p m e n t ) ， f e m t o c e l l 的a p 为f e m t o a p 。 1 2f e m t o c e l l f l 勺关键问题 作为一种新技术，f e m t o c e l l 在带来巨大利益的同时，也同时带来了很多新 的挑战【4 】。f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络成功应用的前提是攻克几个关键难题。 1 2 1 时间同步 为了降低来自其它f e m t o c e l l 的干扰和方便用户在f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 间 切换，所有f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 都需要保持同步。但是f e m t o a p 通过用户家 中i p 网络与核心网相连，i p 网络的延时等因素使这些f e m t o c e l l 很难获得一个共 同的准确时间基准，因而很难保证f e m t o c e l l 间精确同步。当前认为全球定位系 统g p s 和i e e e1 5 8 8 协议是两种可能的解决方法。g p s 可以提供高精度的时钟 信息以保持f e m t o c e l l 的同步，但是会大大增加f e m t o a p 的成本，增加通信网 络对g p s 系统的依赖性，而且安装在室内的f e m t o a p 通常很难接收到g p s 信 号。i e e e1 5 8 8 协议，即精确时间协议( p r e c i s i o nt i m ep r o t o c 0 1 ) ，将网络的主时 钟通过i p 网络传送给各个f e m t o c e l l ，作为它们的时钟参考。该协议的实现成本 很低，但由于i p 网络传输时延等因素的影响，很难做到高精度的时间同步。因 此，低成本、高精度的同步是f e m t o c e l l 在蜂窝网络中应用的关键。 1 2 2b a c k h a u l 的q o s 保证 f e m t o c e l l 通过l p 网络连接到m a c r o c e l l 的核心网，而i p 网络一般不属于移 动运营商且一般不提供q o s 保证。因此，当通过f e m t o c e l l 进行数据传输时，业 务的q o s ( 如：延时、最小传输速率等) 很难得到保证。例如，当f e m t o c e l l 用 j 塑坚奎堂堡主兰垡堡茎 一 户在进行对时延和抖动都非常敏感的语音通信时，现有的i p 网络很难保证其通 话质量。因此，为用户提供q o s 保证是f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络的一个难点。 1 2 3 接入方式 f e m t o c e l l 可以提供3 种接入方式：开放接入( o p e na c c e s s ) 、闭合接入 ( c l o s e da c c e s s ) 和混合接入( h y b r i da c c e s s ) 1 3 。在o p e na c c e s s 方式下， f e m t o c e l l 允许任何用户接入；在c l o s e da c c e s s 方式下，f e m t o c e l l 只允许指定的 用户接入；在h y b r i da c c e s s 方式下，f e m t o c e l l 可为非指定的用户提供部分服务。 这3 种接入方式各有优缺点。在o p e na c c e s s 方式下，当m a c r o c e l l 的信号较差 时，m a c r o c e l l 小区的用户可以连接到其附近的f e m t o c e l l ，从而大大降低了p u e 的发射功率，提升了系统容量 1 4 。但是，f e m t o c e l l 的覆盖范围很小，采用o p e n a c c e s s 则切换频率高、系统开销大。在c l o s e a c c e s s 接入方式下，经过f e m t o c e l l 的覆盖区域的m a c r o c e l l 用户不能接入该f e m t o c e l l ，却会受到该f e m t o c e l l 的强 烈干扰。h y b r i da c c e s s 是o p e na c c e s s 和c l o s e da c c e s s 两种接入方式的折中，但 仍然面临c l o s e d 和o p e na c c e s s 接入方式的问题。因而，接入方式是f e m t o c e l l 网络的一个难点。 1 2 4 越区切换 在当前的蜂窝通信系统中，b s 将可能切换到的候选小区的标识告诉需要切 换的用户，用户在候选小区中选择一个接收信号最好的小区并切换。在f e m t o c e l l 网络中，a p 是由用户随机安装的且数量巨大，当用户的接收信号质量下降需要 切换时，m a c r o c e l l 的b s 或f e m t o c e l l 的a p 都很难为其提供候选切换小区的标 识。又由于f e m t o c e l l 的覆盖范围非常小，当用户移动时，发生切换的时间间隔 可能会非常短，切换会非常频繁 1 5 】。因此，当f e m t o c e l l 采用o p e na c c e s s 或 h y b r i da c c e s s 接入方式时，用户在f e m t o c e l l 之间、f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 问切 换的实现也是f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络的一个难点。 1 2 5 自适应配置及优化 f e m t o a p 是用户自行安装的，f e m t o c e l l 的很多参数都需要根据f e m t o a p 的安装位置、周围的无线环境、与m a c r o c e l l 中b s 的距离等因素来确定。因此， 每个f e m t o a p 都需要具备自我配置和自我优化的功能。如，当f e m t o c e l l 离b s 浙江大学硕士学位论文 较近时，同信道干扰较大，f e m t o c e l l 应能自动增加其发射功率来满足覆盖要求。 当用户切换进入和离开非常频繁时，说明发射功率可能较大，已经覆盖到房屋以 外的区域，经过的行人很容易切换进入和离开，这时a p 应能适当减小发射功率。 总之，f e m t o a p 应该具备一定的智能，能自动适应周围的环境。 1 3f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络中的干扰 f e m t o c e l l 与m a c r o c e l l 工作在相同的频段且在地理位置上重叠，因此 f e m t o c e l l 和f e m t o c e l l 之间、f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 之间都存在复杂的干扰 1 6 】。 图1 2 显示了在下行链路上两层网络中存在的干扰类型。m a c r o c e l l 的b s 发给 p u e 的信号会对f e m t o c e l l 中的s u e 造成干扰； f e m t o a p 发给s u e 的信号也 会干扰p u e ；f e m t o c e l l 中的s u e 还会受到其它f e m t o c e l l 中a p 发射信号的干 扰。同理，在上行链路，m a c r o c e l l 和f e m t o c e l l 之间，f e m t o c e l l 和f e m t o c e l l 之 间也都存在着相互干扰，如图1 3 所示。f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 构成的2 层网络 中总共存在6 种不同的干扰类型，如表1 1 所示。其中，干扰类型1 和2 是f e m t o c e l l 对m a c r o c e l l 的干扰，干扰类型3 和4 是m a c r o c e l l 对f e m t o c e l l 的干扰，干扰类 型5 和6 是f e m t o c e l l 对其它f e m t o c e l l 的干扰。 图1 2 下行链路，f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络中的干扰 由于a p 安装在用户家中且只服务于室内用户，当f e m t o c e l l 的发射信号( a p 和s u e ) 干扰其它f e m t o c e l l 或m a c r o c e l l 用户的通信时，墙壁的衰减作用会大 大减小该f e m t o c e l l 对其他用户造成的干扰。同理，当其它f e m t o c e l l 或m a c r o c e l l 发射的信号对一个f e m t o c e l l 的通信造成干扰时，这些信号也同样会受到墙壁的 衰减，从而大大降低其造成的干扰【1 】。 浙江大学硕士学位论文 图1 3 上行链路，f e m o c e l l 增强的蜂窝网络存在的干扰 此外，由于f e m t o c e l l 的覆盖范围很小，为特别说明，本文假设一个f e m t o c e l l 中的a p 和s u e 可以看作处于同一个位置。 表1 1f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络存在的6 种干扰 类型干扰源受害者 ls u e b s 2心p u e 3 p u ea p 4b s s u e 5s u ea p 6心s u e 1 4f e m t o c e l l 与m a c r o c e l l 频谱共享的技术挑战 无论f e m t o c e l l 添加到现有的蜂窝网络，还是融入未来的蜂窝网络中， f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 构成的2 层网络都必须满足如下两个基本要求： 1 1f e m t o c e l l 的加入不能对原m a c r o c e l l 用户造成明显影响，即m a c r o c e l l 用户的 传输速率、掉话率、阻塞率等性能在f e m t o c e l l 加入前后不能有大的变化。 2 1 在保证m a c r o c e l l 用户性能的前提下，f e m t o c e l l 应该尽可能地提升自己的性 能，以满足用户的需求。 由1 3 节分析可知，f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 构成的2 层网络存在各种复杂的 干扰，需要研究f e m t o c e l l 与m a c r o c e l l 的频谱资源共享的策略和方法，攻克降低 m a c r o c e l l 用户所受干扰、f e m t o c e l l 用户所受干扰的关键技术。 浙江大学硕士学位论文 1 4 1 信道分配与干扰 研究f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 如何共享频谱对保证m a c r o c e l l 用户的性能是非 常必要的。设一个系统包含子信道c h a n1 和c h a n2 ，用户p u e1 和p u e2 ， f e m t o c e l l1 和f e m t o c e l l2 ，p u e 和f e m t o c e l l 在m a c r o c e l l 中相对位置关系如图 1 4 所示。假设该p u e l 和p u e2 分别占有c h a n1 和c h a n2 。考虑下行信道，如 果f e m t o c e l ll 和f e m t o c e l l2 分别使用c h a r t1 和c h a n2 ，由于f e m t o c e l l1 与p u e 1 相距非常近，p u e1 会受到来自f e m t o c e l l1 的强烈干扰。同理，f e m t o c e l l2 和 p u e2 相距很近，后者会受到前者的强烈干扰。若通过简单的安排，利用空间距 离，让f e m t o c e l l1 使用c h a n 2 ，f e m t o c e l l 2 使用c h a nl ，则p u e1 和p u e 2 受 到的干扰都会大大降低。当f e m t o c e l l 的发射功率不变，传播损耗系数为3 时， 后一种频谱共享方式下p u e 受到的干扰强度只有前一种接入方式的1 左右。 研究f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 共享频谱的方式对保证f e m t o c e l l 用户性能也是 十分必要的。考虑上行链路，如果f e m t o c e l l1 的用户在上行链路选择c h a n1 ， f e m t o c e l l2 的用户在上行链路选择c h a n2 ，那么，f e m t o c e l l1 和2 的a p 都将分 别受到来自p u e1 和2 的强烈干扰。但是，如果f e m t o c e l l1 和2 的用户在上行 链路分别选择c h a n2 和1 接入，则由于f e m t o c e l l2 和p u e1 、f e m t o c e l l1 和p u e 2 之间相距较远，f e m t o c e l l1 和2 的a p 受到的干扰将大大降低。f e m t o c e l l 在后 一种接入方式下受到的干扰大约为前一种接入方式的1 。 合理的信道安排如给相邻f e m t o c e l l 分配不同的接入信道，也可以降低 f e m t o c e l l 之间的干扰。 1 4 2 功率控制与干扰 f e m t o c e l l 在不同的位置、接入不同的信道，其所受到的干扰强度也会不同。 见图1 4 ，当b s 在所有信道上的发射功率都相同如w i m a x 系统时，f e m t o c e l l2 离b s 较近，受到来自b s 的干扰比f e m t o c e l l1 要大得多。如果所有的f e m t o c e l l 都使用一个固定的发射功率，那么，该固定发射功率值必须设得较高，才能保证 所有f e m t o c e l l 的覆盖，但同时f e m t o c e l l 对m a c r o c e l l 产生的干扰也较大。反之， 降低f e m t o c e l l 发射功率可以减轻对其它f e m t o c e l l 的干扰。因此，合理地为各 f e m t o c e l l 分配发射功率也可以大大降低其对m a c r o c e l l 和f e m t o c e l l 产生的干扰 浙江大学硕士学位论文 【1 7 ，1 8 1 。 总之，合理安排f e m t o c e l l 的接入信道、发射功率等，对降低m a c r o c e l l 和 f e m t o c e l l 用户所受干扰、提升系统性能提升都是非常必要的。 图1 4 信道分配和功率控制必要性示例 1 5 频谱共享技术的研究现状 由于频谱资源的稀缺和利用率低下，认知无线电技术近年来受到了越来越多 的关注。基于认知无线电技术的频谱共享方法已有很多种，但是，针对f e m t o c e l l 与m a c r o c e l l 构成的两层网络，公开文献中对其频谱共享技术的研究还很少。 1 5 1f e m t o c e l i 增强的蜂窝网络的频谱共享 针对f e m t o c e l l 增强的蜂窝网络，文献1 9 1 提出了让f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 工作在不同频段从而避免相互干扰的思想，给出了可用的频段在f e m t o c e l l 和 m a c r o c e l l 间最优划分的方法以使系统的整体性能最优，给出了f e m t o c e l l 选择信 道的方法以尽可能降低f e m t o c e l l 间的干扰。但是，采用这种频谱s p l i t t i n g 的工 作方式，系统的频谱资源没有得到充分利用，频谱效率不高。 对于f e m t o c e l l 和m a c r o c e l l 完全频谱s h a r i n g 的情况，n t td o c o m o 等公 司近两年提出了几种可与现有通信系统兼容的方案。文献 2 0 2 1 将m a c r o c e l l 的 覆盖范围按到b s 的距离划分成若干不重叠的区域，f e m t o c e l l 根据其所在的区域， 确定使用所在m a c r o c e l l 的授权信道或使用其它m a c r o c e l l 的授权信道，从而降低 层间的干扰。文献 2 2 1 贝j j 通过让f e m t o c e l l 解调d l m a p 、u l m a p 信息和感知 p u e 的上行信道功率，来确定其上行可用信道集合和下行可用信道集合。其中， 上行可用行信道集合包括未被m a c r o c e l l 用户占用的上行信道和离f e m t o c e l l 较远 浙江大学硕士学位论文 的p u e 占用的上行信道，下行可用信道集合包括下行未占用信道和离f e m t o c e l l 较远的p u e 占用的下行信道。每个f e m t o c e l l 都使用上下行可用信道来与其所 属的s u e 进行上下行通信。这些算法可以直接应用在现有的通信系统中，但有 如下缺点： 1 ) 都没有考虑对该信道上原m a c r o c e l l 用户通信的保护。采用这些算法后， f e m t o c e l l 可能会对m a c r o c e l l 用户造成非常大的干扰，影响或者中断 m a c r o c e l l 用户的正常通信，从而引起现有网络用户体验的下降； 2 1 都没有提供f e m t o c e l l 的接入控制策略。可能导致系统接入的f e m t o c e l l 数量 过多，影响现有网络用户的正常通信； 3 ) 文献 2 1 1 所述的算法中， f e m t o c e l l 通过复用其