移動(dòng)通信的快速發(fā)展，帶動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和高帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及寬帶無線接入的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)難以應(yīng)對(duì)高網(wǎng)絡(luò)容量新需求。此外，有研究表明未來將有近50%的話音業(yè)務(wù)和70%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)[1]，而傳統(tǒng)室內(nèi)覆蓋技術(shù)難以滿足業(yè)務(wù)需求，成為網(wǎng)絡(luò)容量提升的瓶頸難題。通過密集部署小基站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建立體式層疊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度覆蓋已成為提升網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。小基站（Small Cell）密集部署的解決方案和關(guān)鍵技術(shù)也已成為第五代移動(dòng)通信（5G）的技術(shù)特點(diǎn)之一[2]，成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，通過在熱點(diǎn)區(qū)域、家庭室內(nèi)環(huán)境、辦公環(huán)境等部署低功率的小基站（包括家庭基站、微基站、無線中繼等），可以有效提升層疊網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，使得運(yùn)營商能夠?yàn)橛脩籼峁└邤?shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和維護(hù)的成本。

因此，在家庭室內(nèi)以及辦公環(huán)境等室內(nèi)環(huán)境下，采用小基站網(wǎng)絡(luò)自部署技術(shù)來提高室內(nèi)環(huán)境無線信號(hào)覆蓋效果與業(yè)務(wù)質(zhì)量已成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。以家庭基站為代表的用戶自部署的小型化基站，通過由第三方提供的多種回程鏈路（ADSL或網(wǎng)絡(luò)線纜）與通信網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)相連接，能夠?yàn)槭覂?nèi)用戶提供語音、數(shù)據(jù)和高速多媒體等高質(zhì)量業(yè)務(wù)，有效的提升無線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋效果，并大大提升無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量[3]。由于家庭基站的室內(nèi)部署有效的拉近了終端同基站之間的距離，降低了無線信號(hào)傳播損耗，可以有效提升室內(nèi)用戶的無線信號(hào)質(zhì)量。但是，由于家庭基站網(wǎng)絡(luò)的引入，使得已有無線網(wǎng)絡(luò)的層疊布局變得更加復(fù)雜，因此也帶來了許多新的挑戰(zhàn)，如：密集小基站層疊網(wǎng)絡(luò)中家庭基站對(duì)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾問題、家庭基站的頻譜分配方案選取問題、家庭基站網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制和干擾消除技術(shù)、家庭基站網(wǎng)絡(luò)的覆蓋優(yōu)化問題等[3-4]。

在家庭基站網(wǎng)絡(luò)與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)層疊部署下，頻率分配方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提升影響的相關(guān)研究成果總結(jié)如下。針對(duì)家庭基站閉合接入方式和開放接入方式對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)上行容量的影響問題，文獻(xiàn)[5]通過理論建模并定量分析了基于正交頻分復(fù)用（OFDMA）或時(shí)分復(fù)用（TDMA）方式的家庭基站網(wǎng)絡(luò)上行容量，確定影響家庭基站接入模式選擇的關(guān)鍵參數(shù)是宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的密度。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[6]給出了針對(duì)正交頻分技術(shù)（TDMA/OFDMA）或非正交頻分技術(shù)（CDMA）的家庭基站網(wǎng)絡(luò)開放式接入和閉合式接入方式最優(yōu)選擇策略和對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)容量的影響因素在于宏蜂窩用戶的密度。針對(duì)OFDMA方式下家庭基站和宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存下的干擾問題，文獻(xiàn)[7]提出了一種采用實(shí)時(shí)多代理強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)（分布式Q學(xué)習(xí)）的智能自組織家庭基站方案。針對(duì)家庭基站網(wǎng)絡(luò)中干擾管理問題，文獻(xiàn)[8]提出一種基于認(rèn)知功能的家庭基站自動(dòng)干擾簽名識(shí)別技術(shù)，并基于機(jī)會(huì)式調(diào)度方案將正交化的信道分配給多個(gè)家庭基站網(wǎng)絡(luò)使用，降低同頻干擾和提高信道復(fù)用度，從而實(shí)現(xiàn)層疊網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)干擾管理。針對(duì)OFDMA方式下層疊網(wǎng)絡(luò)頻率分配問題，文獻(xiàn)[9]采取一種基于分布式的異頻部署頻率分配方案，以降低層疊網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的跨層同頻干擾。針對(duì)OFDMA方式下CSG閉合接入方式的家庭基站網(wǎng)絡(luò)與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的層疊網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[10]提出家庭基站通過認(rèn)知無線電功能獲取單小區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同頻干擾信息的方式來避免小區(qū)內(nèi)跨層網(wǎng)絡(luò)干擾，通過提高頻譜空間復(fù)用度來提升下行網(wǎng)絡(luò)容量。針對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)頻率部署方式，文獻(xiàn)[11]提出一種基于家庭基站與宏蜂窩基站相對(duì)位置和家庭基站覆蓋范圍的混合異頻部署方案。針對(duì)OFDMA方式下的家庭基站網(wǎng)絡(luò)與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的層疊網(wǎng)絡(luò)場景，文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]研究基于同頻部署方式（分布式和集中式）、異頻部署方式下的層疊網(wǎng)絡(luò)干擾問題，并提出基于自配置和自優(yōu)化功能的層疊網(wǎng)絡(luò)干擾消除方法。此外，文獻(xiàn)[14]提出了通過認(rèn)知導(dǎo)頻信道技術(shù)可以進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息的有效傳輸，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的自組織和資源優(yōu)化利用。

但是，現(xiàn)有針對(duì)家庭基站網(wǎng)絡(luò)頻率分配和容量的研究中，大部分還是針對(duì)單小區(qū)內(nèi)同頻部署和異頻部署方式下的網(wǎng)絡(luò)容量分析，使用干擾抑制和干擾消除的方法來提升網(wǎng)絡(luò)容量?？紤]到小基站網(wǎng)絡(luò)密集部署下層疊網(wǎng)絡(luò)間干擾加劇，如何提高小基站自部署和自優(yōu)化能力已成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，具備自組織特性（自配置、自優(yōu)化等）的密集小基站層疊網(wǎng)絡(luò)的研究變得格外重要。本文以層疊網(wǎng)絡(luò)下行容量最優(yōu)化為目標(biāo)，提出密集小基站混頻自部署技術(shù)，分析多小區(qū)場景下混頻部署方式對(duì)下行容量的影響，確定關(guān)鍵影響因素，進(jìn)而提出密集小基站層疊網(wǎng)絡(luò)的頻率自部署優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)容量的目標(biāo)。

1 高密度小基站網(wǎng)絡(luò)混頻

部署場景

在高密度小基站與宏蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)共存的層疊網(wǎng)絡(luò)場景中，針對(duì)小基站自部署和高密度的特點(diǎn)，結(jié)合異頻部署和同頻部署方式的優(yōu)點(diǎn)，小基站可采取混頻自部署方式。高密度小基站網(wǎng)絡(luò)混頻部署下行干擾場景如圖1所示。假設(shè)每個(gè)正六邊形宏蜂窩基站（MBS）的覆蓋半徑為Rm，在宏蜂窩基站覆蓋范圍內(nèi)，部署多個(gè)具有圓形覆蓋范圍且半徑為Rf的小基站（FBS）。

考慮到當(dāng)小基站用戶（FUE）鄰近宏蜂窩基站時(shí)，會(huì)受到宏基站較強(qiáng)的下行同頻干擾的影響，將宏基站覆蓋范圍劃分為內(nèi)環(huán)（d

2 混頻部署中的內(nèi)環(huán)區(qū)域

容量分析

如圖1所示，在高密度小基站網(wǎng)絡(luò)混頻部署下行干擾場景中，小基站用戶受到的主要干擾源為本小區(qū)宏基站的同頻干擾（忽略相鄰小基站的干擾等因素），為簡化分析，忽略信道增益與白噪聲的影響。針對(duì)典型LTE系統(tǒng)分析，頻譜資源RB數(shù)目為N，在宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域的小基站采用異頻部署方式，其RB資源數(shù)目為（1-ρ）N。宏基站在每個(gè)RB上的發(fā)射功率為Pm，小基站在每個(gè)RB上的發(fā)射功率為Pf。當(dāng)小基站用戶位于小基站邊緣且距離宏基站最近處時(shí)，其信噪比[SINRhybridf，inner]應(yīng)滿足公式（1），其中dm表示小基站用戶與宏基站之間的距離。通過計(jì)算宏基站內(nèi)環(huán)與外環(huán)區(qū)域的劃分半徑Rinner，定量表示如公式（2），小基站可以依據(jù)自身所處位置與宏基站的相對(duì)關(guān)系，來采取合適的頻率部署方式。在宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域邊界處（dm=Rinner）的宏基站用戶，應(yīng)滿足公式（3）的中斷概率要求。在宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域邊界（dm=Rinner）的小基站用戶，應(yīng)滿足公式（4）的中斷概率要求，其中：[s=Γtarget/[PfR-αf1-ρN]]。因此，在宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)部署小基站的最大密度[λ-RinnerFBS]應(yīng)滿足公式（5）?；祛l部署中的內(nèi)環(huán)區(qū)域的下行容量[Chybridinner]如公式（6）所示。

[SINRhybridf，innerRf=PfR-αfN0+Pmd-αm=Γtarget] （1）

3 混頻部署中的外環(huán)區(qū)域

容量分析

在宏基站外環(huán)區(qū)域內(nèi)的小基站可以通過采用受限的同頻部署方式，降低多層網(wǎng)絡(luò)間干擾，提高網(wǎng)絡(luò)容量。通過對(duì)小基站添加無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知功能，可以使得小基站獲知附近宏基站用戶的頻譜資源RB使用情況。小基站通過主動(dòng)的避讓宏基站用戶所占用的RB資源，達(dá)到減輕多層網(wǎng)絡(luò)間的同頻干擾，從而提升外環(huán)區(qū)域內(nèi)小基站的部署密度，提高層疊網(wǎng)絡(luò)容量。因此，在距離宏基站用戶小于Rth范圍內(nèi)的小基站需要避讓RB資源而采取異頻部署方式，而距離大于Rth的小基站仍可以采用同頻部署方案。通過合理的選取適當(dāng)?shù)漠愵l部署保護(hù)距離Rth來降低鄰近小基站對(duì)宏基站用戶的同頻干擾，通過提高小基站部署密度，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

針對(duì)外環(huán)區(qū)域內(nèi)采用受限的同頻部署方式，在小區(qū)邊緣用戶最大中斷概率ε條件下，宏基站用戶將受到來自鄰居宏基站的同頻干擾和保護(hù)距離之外小基站的同頻干擾。因此，宏蜂窩小區(qū)邊緣的宏基站用戶的信干噪比[SINRhybridmdm]應(yīng)滿足公式（7），其中：[Ihybridf，m]為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中距離宏用戶大于Rth的小基站同頻干擾，Imi，m表示鄰居宏基站對(duì)中心宏基站用戶的同頻干擾。在小區(qū)邊緣允許的最大中斷率為ε的條件下，需要保障受干擾較大的宏基站小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，即宏蜂窩基站邊緣用戶接收到的信噪比應(yīng)滿足公式（8）。為簡化分析，假設(shè)對(duì)MUE產(chǎn)生較強(qiáng)干擾的鄰居宏基站僅有一個(gè)，如公式（9）所示。[λ-RthFBS，MUE]表示在宏基站外環(huán)區(qū)域內(nèi)采用受限同頻部署方式下，所允許的小基站最大部署密度?？紤]宏基站邊緣宏用戶的通信質(zhì)量要求，外環(huán)區(qū)域小基站的最大部署密度如公式（10）所示。在宏基站外環(huán)區(qū)域內(nèi)的小基站采用受限同頻部署方式下，層疊網(wǎng)絡(luò)的外環(huán)下行容量如公式（11）所示，其中[|Houter|=|H|-|Hinner|=33R2m2-πR2inner]表示外環(huán)區(qū)域面積。

[PSINRhybridmRm≥Γtarget≥1-ε] （8）

綜合以上對(duì)密集小基站網(wǎng)絡(luò)混頻部署方式，宏基站的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的下行總?cè)萘咳绻剑?2）所示。

與傳統(tǒng)的同頻部署方式相比，混頻部署方式由于采用了內(nèi)環(huán)區(qū)域異頻部署和外環(huán)區(qū)域受限同頻部署方式，有效降低了傳統(tǒng)同頻部署中層疊網(wǎng)絡(luò)間的跨層干擾。因而，采用混頻部署方式的下行容量較傳統(tǒng)同頻部署方式有明顯提升。并得到制約網(wǎng)絡(luò)容量的4個(gè)關(guān)鍵因素：

（1）宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)劃分半徑Rinner，Rinner與小基站的覆蓋半徑Rf直接相關(guān)，并隨著Rf的增大而相應(yīng)增大。

（2）宏用戶異頻部署保護(hù)距離Rth。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量隨Rth的增大而相應(yīng)增加。

（3）層疊網(wǎng)絡(luò)頻譜資源N。層疊網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘侩S頻譜資源N的增大而增加。

（4）小基站部署密度λFBS。網(wǎng)絡(luò)容量隨λFBS的增大而增加。

考慮到混頻部署方式是將異頻和同頻部署方式的有效結(jié)合的新方法，通過合理的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)（內(nèi)環(huán)和外環(huán)劃分半徑Rinner和宏用戶異頻部署保護(hù)距離Rth），可以大大降低傳統(tǒng)同頻部署的層疊網(wǎng)絡(luò)間的同頻干擾，通過提高小基站的部署密度，可以有效提高頻譜復(fù)用率和網(wǎng)絡(luò)容量。

4 仿真驗(yàn)證與分析

針對(duì)本文提出的密集小基站網(wǎng)絡(luò)中混頻自部署方案，在仿真設(shè)置中考慮7個(gè)宏蜂窩基站的典型部署場景。其中，中心基站內(nèi)的用戶將受到來自于6個(gè)鄰居宏基站下行信號(hào)的同頻干擾，本文將中心位置的宏蜂窩基站作為網(wǎng)絡(luò)容量仿真和分析的研究重點(diǎn)。仿真的具體參數(shù)如表1所示[15]。

4.1 混頻自部署方案下宏用戶的信干

噪比分析

在混頻自部署方式中，宏基站用戶分別位于宏基站內(nèi)環(huán)和外環(huán)不同區(qū)域時(shí)會(huì)受到不同類型的同頻干擾。位于宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域的宏基站用戶，將受到鄰居宏基站較弱的同頻干擾和外環(huán)區(qū)域小基站較強(qiáng)的同頻干擾。

位于宏基站外環(huán)區(qū)域的宏基站用戶，將受到鄰居宏基站較強(qiáng)的同頻干擾和與異頻保護(hù)半徑Rth之外的小基站較弱的同頻干擾。

如圖2所示，在不同小基站部署密度下，不同位置處宏基站用戶的信干噪比SINR值。隨著小基站部署密度的增加，位于宏基站內(nèi)環(huán)區(qū)域用戶的SINR變化很小，而位于宏基站外環(huán)區(qū)域的用戶由于受到大量小基站的同頻干擾，SINR下降劇烈，需要通過設(shè)置異頻保護(hù)半徑，即對(duì)宏用戶Rth半徑內(nèi)的小基站采用異頻部署方式，保證此區(qū)域宏用戶的通信質(zhì)量。因此，位于宏基站邊緣SINR較差區(qū)域的用戶可以通過調(diào)整自身異頻保護(hù)半徑Rth來減弱鄰近小基站的同頻干擾，提高SINR值。如圖3所示，隨著Rth的增加，宏用戶的信號(hào)質(zhì)量得到較大改善。

4.2 混頻自部署方案下小基站用戶

的信干噪比分析

如圖4所示，在不同小基站部署密度下，不同區(qū)域位置下小基站用戶信干噪比SINR分布圖。隨著小基站部署密度的增大，在小基站覆蓋范圍內(nèi)的小基站用戶信號(hào)質(zhì)量得到提升。但隨著小基站部署密度的急劇增高，小基站用戶受到鄰居小基站的同頻干擾也將增大，導(dǎo)致自身SINR值下降。

通過合理的調(diào)整異頻部署保護(hù)半徑Rth，可以有效降低同頻干擾并提高小基站用戶的SINR值。如圖5所示，隨著Rth的增加，小基站用戶的信號(hào)質(zhì)量得到改善。通過對(duì)不同小基站部署密度下宏基站用戶和小基站用戶的SINR分布圖的對(duì)比分析，得到如下結(jié)果：隨著小基站部署密度的增大，宏基站用戶受到鄰居小基站較大的同頻干擾，尤其在小基站部署密度較大時(shí)宏用戶SINR下降較為明顯，而小基站用戶的SINR隨著小基站部署密度的增大逐步增大。因此，在層疊網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，需要綜合考慮小基站部署密度對(duì)提高小基站用戶SINR有利影響，同時(shí)也需要考慮由于小基站密集部署的跨層干擾導(dǎo)致宏基站用戶SINR降低的不利因素。

4.3 混頻部署中網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘糠治?/p>

針對(duì)密集小基站網(wǎng)絡(luò)中混頻自部署方案，隨著小基站部署密度的增加，由于宏基站用戶受到大量鄰近小基站同頻干擾，信干噪比SINR下降，導(dǎo)致宏基站網(wǎng)絡(luò)容量呈現(xiàn)降低趨勢。隨著宏基站用戶部署密度的增加，宏基站網(wǎng)絡(luò)的容量呈現(xiàn)增長趨勢，如圖6所示。層疊網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘侩S著小基站部署密度的增大呈現(xiàn)整體增加的趨勢，主要因?yàn)樾』静渴鹣率覂?nèi)容量的提升對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)整體容量提升所帶來的貢獻(xiàn)。并且隨著宏基站用戶部署密度的增加，層疊網(wǎng)絡(luò)的容量呈現(xiàn)增長趨勢。

此外，處于宏基站外環(huán)區(qū)域的宏用戶通過調(diào)整異頻部署保護(hù)半徑Rth，鄰近小基站采用異頻部署方案可以降低對(duì)宏用戶的同頻干擾，提升信干噪比SINR值，達(dá)到提高宏蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)和家庭基站網(wǎng)絡(luò)下行總?cè)萘康哪繕?biāo)，如圖7所示。

總之，在混頻部署中通過合理的控制小基站部署密度和宏用戶的異頻保護(hù)半徑Rth，可以有效的降低宏基站用戶和小基站用戶之間的同頻干擾，實(shí)現(xiàn)提高信干噪比SINR值、頻率資源利用效率和網(wǎng)絡(luò)容量的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)密集小基站層疊網(wǎng)絡(luò)，提出了小基站網(wǎng)絡(luò)混頻自部署方案及關(guān)鍵技術(shù)。通過理論建模和數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)采用混頻部署方案的層疊網(wǎng)絡(luò)下行容量關(guān)鍵影響因素進(jìn)行定量分析，并給出層疊網(wǎng)絡(luò)下行容量的閉式表達(dá)式。設(shè)計(jì)了具有容量提升和干擾抑制特點(diǎn)的小基站混頻自部署方案。并通過仿真和數(shù)據(jù)分析，獲得了小基站部署密度、宏基站用戶密度和層疊網(wǎng)絡(luò)頻率資源等參數(shù)變化情況下，層疊網(wǎng)絡(luò)信干噪比分布情況和網(wǎng)絡(luò)下行容量的變化趨勢，驗(yàn)證了本文所提出的密集小基站層疊網(wǎng)絡(luò)中混頻自部署方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提升的有效性和正確性。本文的結(jié)果將對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)中密集小基站的實(shí)際部署和頻率分配策略的制訂提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。