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毫微微小区系统中的干扰分析与节能技术利用

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摘要:毫微微小区(Femtocell)基站外观与Wi-Fi接入设备相似，发射功率小，适用于家庭及办公室环境。在分析Femtocell系统的资源复用模型和接入过程的基础上，文章针对宏小区(Macrocell)和Femtocell混合网络的干扰问题，通过对随机到达的用户合理分配时频资源，提出一种功率控制方案。该方案能达到系统节能、降低干扰和提高系统性能的目的。

关键字:毫微微小区；功率控制；节能；干扰协调

英文摘要:Femtocell is similar to Wi-Fi access devices in appearance and low transmission power. It can therefore be applied in family and office environments. In this paper, wireless resource models and access processes are considered, and a power control scheme is proposed. Time-frequency resources can be reasonably allocated to users who are randomly arrived in order to solve the problem of inteference in macrocell and Femtocell hybrid networks. This scheme can save energy, reduce inteference, and improve system performance.

英文关键字:Femtocell; power control; energy saving; interference coordination

基金项目：国家自然科学基金(61071108)

节约能源、节约资源、保护环境是新一代无线移动通信的重要发展方向，是目前需要研究的紧迫课题。研究表明，未来超过50%的语音电话和超过70%的数据传输将在室内环境中发生[1-2]，包括家里、办公室、购物广场等。对于无线通信来说，室内覆盖是赢得用户的关键。为了解决室内覆盖问题，一种称为毫微微小区(Femtocell)的技术应运而生。

在宏小区(Macrocell)和Femtocell混合网络中，有两种资源分配方式：一种是两种网络共享频谱资源，另一种是两种网络采用相互正交的频谱资源[3-4]。

如果Femtocell采用与Macrocell相同的频谱资源，由于Macrocell基站的功率较大，而Femtocell基站的功率较小，因Macrocell对Femtocell用户的干扰较大，会造成Femtocell用户的服务质量(QoS)降低；而由于Femtocell对Macrocell用户的干扰较小，Macrocell用户受到的影响可忽略不计。

如果Femtocell采用与Macrocell正交的频谱资源，则两种网络互不干扰，此时Femtocell可以以满足用户QoS的最小功率发射，从而达到节能的目的。这样的资源分配方式频带的利用率较低。由于目前通信系统的频带资源极为宝贵，这种相互正交分配资源的方式造成了资源的极大浪费[5-6]。

本文在综合分析干扰、频带利用率和能耗的情况下，将两种资源分配方式相互结合，提出了一种基于动态资源分配的Macrocell和Femtocell混合网络的功率控制方法，从而达到节约能源、降低干扰和提高系统性能的目的。

1 毫微微小区中降低干扰的方法

针对Femtocell，现在已经有一些降低干扰的方法。

(1)干扰避免

由于网络拓扑结构特殊，在Femtocell网络中单一的干扰抑制技术是无效的。采用串行干扰抵消技术是将接收到的信号减去最强的临近干扰，从而起到信号还原的作用。如果干扰抵消不准确，抗干扰效果会很差。由于Femtocell设备的低成本要求，Femtocell的基站和发射器必须复杂度低，使得串行干扰抵消技术的不易实现，所以干扰抵消技术不能满足Femtocell的要求。在Femtocell网络结构中，由于干扰避免技术是避免干扰而不是抑制干扰，因此减少干扰是更为有效的方法。对于码分多址复用(CDMA)系统，由于Femtocell网络采用频率复用技术，当宏单元和Femtocell用户使用共同带宽时，干扰避免是采用跳时技术和定向天线技术来实现的，可以提供7倍的系统容量改善。

(2)跳频与跳时技术

在GSM网中，通过采用慢跳频技术来避免Femtocell用户和Macrocell用户之间的相互干扰。同样，跳频正交频分多址(OFDMA)网络使用随机子信道分配，以减少与周边基站持续干扰的概率。在跳时CDMA中，CDMA的持续时间被分散在M个时隙中，用户将随机选择发送时隙或者发送时隙保持静默。随机跳时技术通过M系数来权衡处理增益，从而减少干扰用户的平均数量。这种方法就是改变现有的CDMA Macrocell的运营网络来适应Femtocell技术。

(3)自适应功率控制

Femtocell(例如Sprint公司的Airave Femtocell)使用自适应方案来调节Femtocell的发射功率，以解决跨层干扰问题。在前向链路过程中，爱立信提出通过增加Femtocell和Macrocell之间的距离来降低Femtocell发射功率，从而减少对宏单元用户的干扰。这种折衷的方法将减小Femtocell的家庭覆盖范围。在反向链路过程中，建议根据Femtocell用户的位置提供更高的接收功率给Femtocell用户及相关的Macrocell用户。

2 毫微微小区功控技术

由于无线通信系统的频带资源有限，Macrocell和Femtocell混合网络一般使用相同的频谱资源，以便增加系统的频谱利用率。在这种资源分配方式下，下行链路Femtocell用户受到的来自Macrocell基站的干扰比较严重。为了保证Femtocell用户的QoS，要求Femtocell基站以较大的功率发射信号。因此传统的Femtocell系统中所有Femtocell基站都采用了最大功率发射，即使在干扰很小的情况下，也采用了很大的发射功率，造成能源非常浪费。

虽然Femtocell基站的发射功率比Macrocell基站低得多，但其基站数目却是Macrocell基站的几十倍甚至上百倍，因此Femtocell的能耗过大问题值得关注。

针对上述问题，本文提出一种基于动态资源分配的功率控制方法。首先，在传统的模型基础之上，改变Femtocell的功率，使每个Femtocell都以最小的功率发射。同时，结合接入控制，使每个用户信号在随机的时间间隔点到达且占用随机的服务时间，由系统在每个用户信号到达时为其合理分配资源。接着在模型中加入功率控制，即Femtocell的发射功率随着每个用户的信号与干扰噪声比(SINR)情况而改变，Femtocell与Macrocell存在同频干扰时，增大Femtocell的发射功率；当同频干扰结束时，Femtocell恢复到原来的最小功率值。

如图1所示。当Femtocell复用了Macrocell的资源，即资源匮乏时，为了保证Femtocell同频用户的QoS，Femtocell基站采用满足QoS的较大的发射功率。