Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2012, 2, 24-29 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2012.21005 Published Online February 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc) An Improved Femtocell Spectrum Allocation Algorithm Long Luo Department of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing Email: luolong0228@163.com Received: Dec. 15th, 2011; revised: Dec. 28th, 2011; accepted: Jan. 8th, 2012 Abstract: Femtocell is considered to be one of emerging technologies in next generation communication systems. It provides an effective method for us to solve the indoor coverage problem. However, deploying the femtocell system in the existing macrocell network still faces many problems, such as spectrum allocation between cells to maximize spectral efficiency to minimize cell interference, switching between cells and power control. In this paper, according to the frequency reuse method we use the soft frequency reuse (SFR) method to our two-tier femtocell network. Allocating different power to the internal area and external area of macrocell, we propose an improved femtocell spectrum allocation method . Simulation resu lts and an alysis showed that the proposed spectrum allocation algor ithm can raise the performance of the macro users and increase the system capacity. Keywords: Femto cell; Macrocell; SFR; System Capacity 一种改进的家庭基站频谱分配算法 罗 龙 南京邮电大学,通信与信息工程学院,南京 Email: luolong0228@163.com 收稿日期:2011年12月15日;修回日期:2011 年12月28 日;录用日期:2012 年1月8日 摘 要:家庭基站(Femtocell)被认为是下一代通信系统新兴技术之一,为我们解决室内覆盖问题提供了一种有效 的方法。而要想在已经存在的 宏蜂窝 网络中 成功的 部署家 庭基站 系统, 仍然面 临许多 问题, 比如, 小区之 间的 频谱划分来最大化频谱效率最 小化小 区干扰 ,切换 和功率 控制等 。本文 从频率 复用的 角度, 将软频 率复用 方法 (SFR)应用到 Femtocell 两层网络的频谱分配算法中,给宏小区的内部区域和外部区域分配不同的功率,提出一 种改进的基于 SFR 的家庭基站频谱分配算法。仿真结果和分析显示我们所提出的频谱分配算法能够提高宏用户 的性能,最小化家庭基站的配置对宏用户性能的影响,保证小区边界用户的性能,增大系统容量。 关键词:家庭基站(Femtocell);宏基站;软频率复用;系统容量 1. 引言 近年来在宏蜂窝网络中使用 Femtocell 来解决网 络的室内覆盖问题已经成为热点。Femtocell 是一种对 运营商和用户都有利的能增大覆盖面积且能支持更 高的数据速率的新兴技术[1]。然而,在现有的宏蜂窝 网络中配置数量众多的家庭基站却面临许多问题。其 中一个重要问题就是如何在宏蜂窝网络和家庭网络 共存的时候进行频谱的分配[2]。而且,由于频谱资源 非常短缺,如何有效的利用频谱资源,同时要兼顾两 层网络共存时候的同信道干扰问题对系统性能的影 响[3]。软频率复用(Soft Frequency Reuse,SFR)算法是 宏蜂窝系统中减少小区之间干扰的解决方法之一,而 且使用该方法的频谱效率近似接近复用因子为 1[4-6], 该算法区别其他部分频率复用的方法在于给小区内 部区域和外部区域分配不同的功率。本文我们将从频 Copyright © 2012 Hanspub 24 一种改进的家庭基站频谱分配算法 率复用的角度,基于文献[7]的频谱分配算法提出一种 改进的频谱分配算法,文献[7]中宏用户和家庭用户按 照频谱和时隙两个维度来进行资源的分配,将部分频 率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)概念应用到 宏基站的频谱分配中[8-10],但是该算法中宏小区内部 区域和外部区域使用相同的功率,在限制总功率的前 提下,平均分配功率给宏小区中用户。本章我们考虑 将SFR 应用到宏基站的频谱分配中,给宏小区的内部 区域和外部区域分配不同的功率,相应的提出一种改 进的家庭基站频谱分配方法,在保证宏用户的系统性 能的前提下,减少宏小区之间和宏小区和家庭小区之 间的同信道干扰,增大系统的容量。 2. 系统模型 我们考虑由 M = 19 个宏小区组成的 2层蜂窝网 络。如图 1所示宏基站位于每个宏小区的中心。家庭 基站均匀的,相互分隔的分布在每个宏小区中。一个 宏用户不仅受到相邻的 18 个宏小区的干扰而且受到 相邻的家庭小区的干扰,因此宏用户 m在子载波 k上 的接收信干噪比 SINR 可以表示为[4] ,,, ,0,,, SINR Mk mMk mk ,, M kmMk FkmFk MF PG Nf PGPG (1) 其中 , M k P和, M k P ' 分别表示所在的宏小区M以及 临近的宏小区 M 在子载波 k上的传输功率。而 表示宏小区 M里面的宏用户 m在子载波 k上的信道 增益, 表示来至相邻宏小区 ,,mMk G ,mM k G' M 的宏用户m在 Figure 1. Two-tier network with femtocells 图1. 加载家庭基站的两层网络 子载波 k上的信道增益。 , F k P ,,mF G 表示相邻家庭小区 F在 子载波 k上的传输功率。表示宏用户 m和相邻 家庭小区 F在子载波 k上的信道增益。 表示高斯 白噪声的功率频谱密度值, k 0 N f 表示子载波大小值。 相应的对于一个家庭小区用户来说,不仅受到 19 个宏小区的干扰还受到相邻的家庭小区的干扰,因此 一个家庭用户 f在子载波 k上的接收信干噪比 SINR 可以表为: ,,, , 0,,, SINR FkfFk fk ,, M kmMk FkmFk MF PG Nf PGPG (2) 而信道增益 G主要是由路径损耗来决定,而室内 和室外的路径损耗表达式并不相同。因此我们分为两 种情况来分别讨论信道模型。一种称之为外部路径损 耗模型: outdoor 10 28 35logdBPL d (3) 另一种称之为室内路径损耗模型: indoor10 walls 38.5 20logdBPLd L (4) 其中 d是基站和用户之间的距离,其中在三 种不同情况下的取值分别为 7,10 和15 dB[11]。信道 增益 G可以表示为 walls L 10 10 PL G (5) 宏用户 m在子载波 k上的实际容量可以表示为[4] ,2 log 1SINR mk mk Cf , (6) 其中 是一个常量,与 BER(目标错误比特率)有 关,我们可以将它定义为 1.5 ln5BER ,我们假 设6 BER 10 。 因此工作宏小区 M的总的吞吐量可以表示为 ,, M mk mk mk T C (7) 其中, ,mk 代表分配给宏用户的子载波。当 ,1 mk ,表明子载波 k已经分配给宏用户 m。 ,0 mk ,则表明子载波 k没有分配给宏用户 m。从 OFDMA系统的特性我们可以知道,在某个时隙里某 个子载波只能分配给一个宏用户。这就表明 ,mk 之间 还存在着这样的关系 ,其中表示在一 个宏小区中所有宏用户的总数。 , 11 m N mk m m N 对于家庭用户而言,用户容量和总的吞吐量的公 式和宏用户的相类似,我们可以参考上一段中的各表 达式,将符号稍作修改便可使用。 Copyright © 2012 Hanspub 25 一种改进的家庭基站频谱分配算法 3. 算法的提出 3.1. 宏小区的 SFR方法 在我们提出的宏小区中的 SFR 方法中,一个宏小 区划分成两部分,内部区域和外部区域。一个移动用 户到底属于内部区域还是外部区域是基站通过初始 配置时候或者系统状态更新的时候接收到用户的参 考信号的 SINR 来决定。如果一个移动用户报告的 SINR 超过了预先设定的SINR 阀值,基站就认为这个 移动用户是属于宏小区的内部区域,否则,如果移动 用户报告的 SINR 低于预先设定的 SINR 阀值,基站 认为移动用户是外部区域。一个移动用户的报告 SINR 大小取决于用户的位置,在小区中移动用户离基站越 远,则用户到基站的路径损耗就越大。如图 2所示为 SFR 中频谱和功率的分配方法,F1 + F2 + F3代表全 部的频谱,其中 F1 = F2 = F3。由于本文考虑使用 SFR 方法,在频谱分配的时候考虑了功率的分配问题。当 外部区域使用 1/3 的总带宽的时候,其使用功率为 ,当内部区域使用剩下的 2/3 的带宽的时候,使 用的功率为 max P max P 。如图 3所示列出了本文提出的宏 小区中频谱分配方法,图中根据一个移动用户所属的 区域阐述了宏小区一种可行的频段划分。小区中所有 子信道的 1/3 可以分配给外部区域,其使用功率为 ,内部区域使用剩下的 2/3 子信道,使用的功率 为 max P Pmax 。同时,内部区域和外部区域的服务时间通过 时隙来分隔开来。由于来至相邻宏小区基站的CCI 是 有限的,因此宏小区中的内部区域的移动用户都可以 同时正常工作,在宏小区的外部区域的移动用户也可 以同时工作,但是为了避免来至相邻宏基站的很强的 Figure 2. Spectrum and power resource allocation in SFR Figure 3. Spectrum and time resource allocation based on SFR in 图3. 宏小区内频源的 SFR 方法 CI 它们都使用了正交的子信道来工作。总之,为了 3.2. femtocells家庭基站的频谱划分方法 在宏小区使用 SFR方法的基础上我们提出一种 改进的家 间 隙和频谱 macrocell 谱和时隙资 C 减少小区之间和小区内的内部区域和外部区域的干 扰,内部区域和外部区域配置分隔的时隙和频谱资源。 庭小区之 的频谱划分方法。首先,家庭小 区应该合理配置来最大化宏小区的性能而不仅仅是 为了尽量减少对宏小区性能的影响。在我们提出的方 法中,家庭小区通过一个家庭小区是处于宏小区的内 部区域或者外部区域而被划分成内部组和外部组。我 们假设家庭基站可以支持自配置功能。一个家庭基站 通过导频感知来报告宏小区中到宏基站的参考信号 的SINR大小,这个过程类似于宏小区中的宏用户刚 刚开机时候的过程。然后宏基站决定这个家庭小区到 底是属于内部区域还是外部区域,并且通知该家庭基 站使用适合的频谱资源。我们假设所有的宏基站和家 庭基站都是同步的。接下来,我们可以考虑影响家庭 小区频谱划分的三个因素,频谱,时间,空间状态。 在内部组的家庭小区也即内部的家庭小区的时 的分配按照如下的原则,当分配内部时隙的 时候可以使用与宏小区内部时隙相正交的频谱资源, 当分配外部时隙的时候可以使用与宏小区外部时隙 相正交的频谱资源,按照之前宏小区的频谱分配方 法,在内部时隙的时候宏小区使用1/3 的总带宽的时 候,相应还有2/3 的未被使用的频带资源可以配置给 图2. SFR方法中频谱和功率的分配 Copyright © 2012 Hanspub 26 一种改进的家庭基站频谱分配算法 内部组家庭小区。在外部时隙的时候宏小区使用2/3 的总带宽的时候,相应还有1/3 的未被使用的频带资 源可以配置给内部组家庭小区。而由于家庭基站的低 功率特点以及相对较大的路径损耗因素(例如长距离 的路径损耗和室内大楼的墙体穿透损耗等因素)使得 内部家庭小区和相邻宏小区之间的 CCI被限制在很小 的范围。 而对于外部组的家庭小区,它们的特点是发射功 率比 本文考虑由M = 19 个宏小区组成的2层蜂窝网 络。 较低,并且离宏基站的距离相对比较远,因此处 于该组的家庭基站受到的小区之间的干扰以及小区 内部来至宏基站的干扰和小区内部来至相邻家庭基 站的干扰值都相对比较小。从频谱带宽和服务时间两 个维度来讲,我们可以给它们分配相同的频谱带宽和 时隙,例如,可以分配处于小区内部区域的宏用户的 工作时间(内部时间)而使用 2/3 频谱资源,分配外部 时间仍然使用 2/3 的频谱资源。如图4~7 所示。 4. 性能估算 宏基站位于每个宏小区的中心,家庭基站均匀的, 相互分隔的分布在每个宏小区中。假设各个宏小区里 宏用户数目为 180 个,每个宏小区里家庭基站的数目 从30 到180 变化,宏小区覆盖半径,家庭基站覆盖 半径分别为 600 m,30 m。取中心区域与宏小区的覆 盖半径比为 0.65,宏基站对边缘用户,对中心用户, 以及不区分内外区域情况下的发射功率分别为,30 W,15 W,20 W。家庭基站的发射功率假设为 20 mW。 可用子载波数目为 300,子载波间隔为 15 KHz, Figure 5. Spectrum allocation in macrocell 图5. 宏小区的频谱分配 Figure 6. Spectrum allocation in internal group of Femtocell 图6. Femtocell内部组的频谱分配 Figure 7. Spectrum allocation in external group of Femtocell 图7. Femtocell外部组的频谱分配 噪声功率谱密度 74 dBm/Hz。本文提出的 到一个宏基站移动用户从小区的中 心移动到 234 个家庭小区的宏小区的平均 SINR 和没有加载 白0 N = –1 算法还要和其他两种算法(SFR 和原算法)相比较。SFR 方法:宏基站层使用 SFR 方法来进行频谱分配,而家 庭基站层则与宏基站共享全部频谱并将全部频谱进 行随机分配使用。原方法:宏基站层使用 FFR 方法进 行频谱分配,家庭基站层使用如参考文献[7]中所述的 频谱分配方法。 图8中我们得 小区边界时候的平均SINR 的变化情况,其 中宏基站位于(0,0)点。情形1,我们考虑所有的宏小 区和家庭小区使用相同的频谱带宽的情况,也即频率 复用因子为 1的时候。在这种情况下,我们观察宏小 区移动用户在小区边界处的平均SINR 相对比较低, 这和我们的预期相同。另一方面,考虑情形 2,在没 有加载家庭基站的时候的基础SFR 方法的性能,图中 显示宏用户在小区边界处的平均SINR 比情形 1的时 候要大,这是由于情形 2中避免了来至其他层小区的 CCI。我们设置 SINR 阀值为 5 dB作为区分小区内部 区域和外部区域的标准。我们可以发现一个加载有 Figure 4. Spectrum allocation in Femtocell 图4. Femtocell的频谱分配方法 Copyright © 2012 Hanspub 27 一种改进的家庭基站频谱分配算法 0100 200300 400 500 600 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 宏用户离宏基站的距离(m ) 平均信干噪比 (dB ) 本章算法 SFR算法 复用因子为1 SINR 值临界 Figure 8. The average SINR of macro users 图8. 宏用户的平均 SINR 家庭小区 结论, 用我们提出的算法可以使得宏基站用户的性能不 的变化曲线。在本 文提 ,由于小区之间的 干扰 的情形基本相同。因此我们可以得出 使 会受到家庭基站的配置而减小。 图9表示随着家庭小区的数量的变化,位于宏小 区覆盖范围内的宏用户的吞吐量值 出的算法中,宏小区使用软频率复用方法,中心 区域和边界区域的发射功率不同,对于边界区域的宏 用户而言,使用更大的功率,会提高用户的 SINR, 增大系统吞吐量;家庭用户能够使用宏用户不使用的 子载波,因此可以很好的避免宏用户和家庭用户之间 的干扰。家庭小区对宏用户性能的影响小于相比较的 另外两种算法。另外一方面,在 SFR 方法中,子载波 是随机分配给家庭用户而不管宏用户中使用的子载 波的情况,必然存在宏用户和家庭用户位置很靠近的 时候分配使用了相同的子载波,宏用户和家庭用户之 间的干扰比我们提出的算法要大。因此随着家庭基站 数量的增大,本章的算法与 SFR 算法之间的吞吐量差 距越来越大,这是由于随着配置的家庭基站的数量增 大,宏用户受到家庭基站的干扰会越来越大,本文的 算法可以避免这种干扰因此性能恶化的情况明显要 小很多。而原算法在宏小区使用 FFR 方法,并没有考 虑功率对系统容量的影响。而本文算法在宏小区的频 谱配置的时候充分考虑了功率对系统容量的影响,因 此宏用户吞吐量比原算法要高。 图10 描述位于边界区域的宏用户和家庭用户总 的吞吐量。在 OFDMA 蜂窝系统中 会导致边界区域的性能很差。在我们提出的算法 中,分配给边界区域的家庭小区大量的子载波,边界 区域的吞吐量明显改善。相对比 SFR 算法,根本不 20 4060 80 100 120140160 180 0 1 2 3 4 5 6 7 8 家庭基站数量 吞吐量(Mbps) 本章算法 原算法 SFR 算法 Figure 9. The throughput of macro users 图9. 宏用户的吞吐量 20 40 60 80100 120 140160180 100 200 300 400 500 600 700 800 900 家庭基站数量 吞吐量(Mbps) 本章算法 原算法 SFR 算法 Figure 10. Throughput of macro and femto users located in the edge region 图10. 边界区域的宏用户和家庭用户总的吞吐量 考虑用户 分 子载波给家庭用户。因此边界区域的吞吐量小于提 ,我们参考已有的一些家庭基站两层网 分配算法的基础上,提出一种使用 SFR 同 时从 位置是在中心 区域,只是随机的还是边界 配 出的算法。而相比原算法,虽然分配给边界区域的家 庭小区的子载波数量要少,但是宏用户的SINR 却更 大,边界区域的宏用户和家庭用户总的吞吐量也更 大。 5. 结论 在本文中 络中的频谱 频谱和时隙两个维度来考虑频谱分配的方法。在 宏小区和家庭小区共存的两层网络的场景下,使用相 同的频谱会有一定的难度和风险,家庭基站的大量铺 设会对宏小区用户的性能产生很大的影响。算法通过 给宏基站使用 SFR 方法来减少宏基站之间的干扰,通 过给中心区域和边界区域分配不同的功率来提高宏 用户的性能。然后在家庭基站层里使用一种改进的频 Copyright © 2012 Hanspub 28 一种改进的家庭基站频谱分配算法 Copyright © 2012 Hanspub 29 能够完成首先要感谢我的导师潘教授, 宝贵 [1] V. Chandrasekhar , J. Andrews. Femtocell netwoks: A survey. IEEE . rence avoidance. IEEE Com- OFDMA-based net- ructure using fractional frequency reuse. Athens: gy s, 2008, A-based cellular networks using fractional fre- OFDMA bility in a residential scenario. 谱分配方法使得在指定的时隙给内部家庭小区使用 宏小区没有使用的频谱带宽来减少干扰,从而起到保 护宏用户的作用,同时给小区的边界用户提供了大量 的频谱资源,提高小区边界用户的性能。通过系统性 能仿真我们可以看到使用该算法首先能够提高宏用 户的性能,最小化家庭基站的配置对宏用户性能的影 响。其次,对于小区边界的用户的性能也能够得到保 证,使得整个系统的容量增大。 6. 致谢 这篇论文 是潘老师在自己的课题的研究基础上给我提了很多 的意见,激发和引导我的论文思路,您严谨的治 学态度和渊博的知识永远都是我的学习楷模,同时也 要感谢在论文撰写过程中给我帮助的各位同学和朋 友,在你们的帮助下,使我逐渐进步,让我对无线通 信领域有了更深的了解,谢谢大家。 参考文献 (References) Communications, 2008, 9: 59-67 [2] D. L˙opez-P˙erez, A. Valcarce, G. Roche and J. Zhang. OFDMA Femtocells: A roadmap on interfe munications Magazine, 2009, 47(9): 41-48. [3] S.-E. Elayoubi, O. Ben Haddada and B. Fourestie, Performance evaluation of frequency planning schemes in works. IEEE Tranactions on Wireless Communications, 2008, 7(5): 1623-1633. [4] H. Lei, L. Zhang, X. Zhang and D. Yang. A novel multi-cell OFDMA system st IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 3-7 September 2007: 1-5. 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