周 濤，羅漢文，2

(1．上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海200234;2．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

0 引言

傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)雖然能夠很好地提供大面積覆蓋，但是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率很低，很難滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求．同時(shí)在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)部署中，過大的穿墻損耗以及覆蓋空洞的存在，使得用戶很難獲得較高的傳輸速率．為了克服上述問題，人們通過采取縮短移動(dòng)終端與基站的距離，來改善信道狀況，從而推動(dòng)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署［1-2］．在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中包含多種類型的小區(qū)，如宏小區(qū)、家庭基站、微小區(qū)、微微小區(qū)等．這些小區(qū)有效地提高了空分復(fù)用和減少了覆蓋空洞．在此基礎(chǔ)上，小小區(qū)(small cell)的概念被提出來．3GPP組織在未來移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，對(duì)small cell的應(yīng)用場景顯示出了極大的關(guān)注［3］．

隨著小區(qū)半徑的縮短，導(dǎo)致基站之間的干擾越來越嚴(yán)重，那么如何減少基站之間的干擾成為小小區(qū)場景下主要問題之一．這種干擾總的概括來有兩個(gè)方面，一是跨層干擾即宏小區(qū)與小小區(qū)的干擾［4］，二是同層干擾即小小區(qū)之間的干擾［5］．本文作者分析的場景為宏基站與small cell異頻部署，從而有效地避免了跨層干擾，所以本文作者重點(diǎn)考慮同層小區(qū)間干擾．

為了有效地減少小區(qū)之間的干擾，采取合適的小區(qū)關(guān)閉會(huì)帶來明顯的性能增益．文獻(xiàn)［6-8］基于能源消耗來分析小區(qū)關(guān)閉，得出小區(qū)關(guān)閉后帶來明顯的能源效率，但這些文章都沒有分析小區(qū)關(guān)閉帶來的系統(tǒng)性能變化．在［9］中提到幾種關(guān)閉小區(qū)策略，仿真證明了小區(qū)關(guān)閉后的吞吐量能得到提高，但是容量提高有很大的隨機(jī)性，不能很好地保證吞吐量的絕對(duì)增益．針對(duì)［9］中提出的隨機(jī)關(guān)閉和基于負(fù)載關(guān)閉的情況，給出一種能夠保證小區(qū)關(guān)閉后絕對(duì)增益提升的小區(qū)關(guān)閉算法．

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)small cell簇內(nèi)有N個(gè)小基站的場景，服務(wù)于M個(gè)用戶，它們采用收到最大的信號(hào)強(qiáng)度基站作為接入小區(qū)，small cell之間采用頻率復(fù)用，宏基站與小區(qū)基站部署在不同頻段．基站和用戶都配備單根天線．系統(tǒng)模型如圖1所示．由于小區(qū)間由于頻率復(fù)用，會(huì)帶來小區(qū)間干擾．隨著N的增大，不僅增加能源消耗，同時(shí)使小區(qū)間干擾越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致小區(qū)的系統(tǒng)性能下降，從而帶來整個(gè)系統(tǒng)性能的下降．為了有效地避免系統(tǒng)性能損失，本文作者提出一種最大化容量的算法選擇小區(qū)關(guān)閉，來獲得系統(tǒng)性能的提升．

圖1 小小區(qū)場景

設(shè)N個(gè)基站中包含有隨機(jī)分布的M個(gè)用戶．用戶根據(jù)自己的信道狀況選擇服務(wù)基站，記基站的指示表示為 j∈J，J={1，2，…，M}，用戶指示表示為 i∈I，I={1，2，…，N}，用戶根據(jù)自己的信道狀況選擇服務(wù)基站．假設(shè)每條鏈路的發(fā)射功率都相等且記為P，小區(qū)用戶獲得相等帶寬．開啟基站向用戶發(fā)射下行參考信號(hào)，關(guān)閉基站向下發(fā)射發(fā)現(xiàn)信號(hào)，用來獲取基站間的信道狀態(tài)信息，假設(shè)這里信道信息獲取是完美的，基站j與用戶i之間的信道增益記為Gi，j，包括路徑損耗、小尺度衰落．背景噪聲記為N0．記基站j服務(wù)的用戶集為Uj．接收端信號(hào)干噪聲比SINRi，j表示如下:

其中B表示開啟基站集，根據(jù)香農(nóng)公式可以計(jì)算出小區(qū)j的容量為:

系統(tǒng)總的容量計(jì)算如下:

與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中較少基站節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相比，small cell不僅部署密集，而且數(shù)目增多．帶來SINRi，j的干擾項(xiàng)增大，為了克服基站的濃密部署帶來的干擾問題，通過小區(qū)基站的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來減少干擾，同時(shí)也減少了能源消耗．

2 基于最大化系統(tǒng)容量增益的小區(qū)關(guān)閉算法

當(dāng)小區(qū)基站部署密集，彼此之間的干擾越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的干擾消除方法，如單純的功率控制、幾乎空白幀技術(shù)、小區(qū)面積擴(kuò)展(CRE)技術(shù)等，這些技術(shù)在一些異構(gòu)場景，很好地實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡和干擾消除，有效地提高了系統(tǒng)吞吐量．但是在小小區(qū)場景下，用戶的信道狀態(tài)都很好，所以給出一種有效的小區(qū)關(guān)閉算法，該算法的中心思想是根據(jù)基站獲取到的狀態(tài)信息，假設(shè)信道是平坦的，無線資源管理器可以根據(jù)當(dāng)前的信道狀況分析基站關(guān)閉后系統(tǒng)的容量變化情況，計(jì)算出系統(tǒng)在這前后的容量增益，從而選擇合適的小區(qū)關(guān)閉，仿真結(jié)果表明，能有效地減少了小區(qū)的干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量．設(shè)計(jì)流程如圖2所示．

圖2 設(shè)計(jì)流程

初始化基站位置，隨機(jī)用戶分布，用戶根據(jù)當(dāng)前信道狀況，選擇下行信道狀態(tài)最好的基站作為自己的服務(wù)基站．當(dāng)小區(qū)從開啟到關(guān)閉的觸發(fā)條件滿足時(shí)，無線資源管理器開始選擇合適的小區(qū)關(guān)閉策略．

選擇觸發(fā)條件為系統(tǒng)中有小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目少于1個(gè)閾值時(shí)，開始選擇小區(qū)關(guān)閉．根據(jù)式(1)、(2)、(3)，可以計(jì)算出開啟集B中小區(qū)總的容量．當(dāng)滿足開啟到關(guān)閉的觸發(fā)事件時(shí)，從基站B中選擇第j個(gè)小區(qū)關(guān)閉，在這里關(guān)閉小區(qū)j內(nèi)的用戶，需要轉(zhuǎn)移到其他開著的基站內(nèi)服務(wù)，選擇他們作為接入服務(wù)小區(qū)的方式和初始接化接入小區(qū)方式一樣即選擇開啟集中與該用戶之間的信道狀況最好的基站接入．為了防止覆蓋空洞，將其他開啟基站的功率提高β倍．同時(shí)計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)容量為:

其中Bnew=B{j}，表示開啟小區(qū)B集中選擇j小區(qū)關(guān)閉．

根據(jù)關(guān)閉前后與關(guān)閉前系統(tǒng)容量增益不同選擇小區(qū)關(guān)閉，為了保證關(guān)閉后系統(tǒng)容量的絕對(duì)增益，每次選擇使系統(tǒng)增益最大的且值為正數(shù)的小區(qū)關(guān)閉，即:

其中ΔRj=R-Roffj，則開啟基站集更新如下:

如果B=B{j}，那么繼續(xù)計(jì)算B中小區(qū)基站關(guān)閉情形．直到B集中元素不再變化．算法步驟如下:

a)初始化系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)用戶接入服務(wù)基站，獲取開啟的基站集為B，關(guān)閉的基站集為C，獲取完美的信道狀態(tài)信息．

b)當(dāng)滿足某基站用戶設(shè)備數(shù)目少于設(shè)置的門限值λth，執(zhí)行c)．如果不滿足，使用開啟集B中基站為用戶服務(wù)．

c)根據(jù)公式(2)、(3)，計(jì)算開啟集B中所有接入用戶的小區(qū)總的容量．

d)根據(jù)公式(4)開始計(jì)算B集中不同小區(qū)基站關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)的容量增益．

e)由步驟d)可以根據(jù)公式(5)得出最優(yōu)的小區(qū)關(guān)閉策略．

f)根據(jù)公式(6)更新B集和C集，執(zhí)行步驟c)．

3 仿真及結(jié)果

考慮一個(gè)開放的熱點(diǎn)區(qū)域環(huán)境．長100 m，寬100 m．一個(gè)small cell簇中有8個(gè)基站服務(wù)這個(gè)區(qū)域，用戶數(shù)目N=60，隨機(jī)地分布在這個(gè)區(qū)域，如圖3所示．基站的發(fā)射功率設(shè)為30 dBm，天線數(shù)目都為1，不考慮天線增益．路徑損耗模型如［1］．系統(tǒng)帶寬歸一化，取β=1．2，快衰信道模型采用瑞麗衰落信道．

作為比較方案1，即為基站全開的情況，不選擇任何基站關(guān)閉．考慮其他的關(guān)閉策略，方案2采用基于負(fù)載的關(guān)閉策略，即當(dāng)基站服務(wù)用戶數(shù)少于某個(gè)門限值δth的基站關(guān)閉，這里取δth=6．方案3采用隨機(jī)關(guān)閉方法，從已知簇中選擇隨機(jī)的20%基站關(guān)閉，為了保證覆蓋空洞，假設(shè)關(guān)閉小區(qū)的用戶都能切換到其他開啟小區(qū)．方案4即為本文作者給出的策略．

圖3 用戶和基站的位置

圖4 各方案下的系統(tǒng)容量

方案1作為比較方案．從圖4系統(tǒng)容量的仿真結(jié)果中，可以看出方案4的系統(tǒng)容量有明顯增益．方案2采用基于負(fù)載關(guān)閉，使得服務(wù)少數(shù)用戶而選擇關(guān)閉基站．方案3采取隨機(jī)關(guān)閉，使得小區(qū)的性能增益與基站全開幾乎相等，這也符合理論分析結(jié)果．從表1中可以看出本方案的系統(tǒng)性能增益達(dá)到24．14%．

表1 各方案相對(duì)于比較方案的增益

圖5仿真了小區(qū)內(nèi)每個(gè)用戶容量的CDF，從圖5中可以看出作者給出的方案，歸一化速率在4 bps/Hz以上的用戶有30%，6 bps/Hz以上的用戶有12%，其他方案的用戶速率分布雖然比參考方案要好，但也明顯差于作者給出的方案．

圖5 用戶數(shù)據(jù)速率的CDF曲線

4 結(jié)論

在未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，用戶高數(shù)據(jù)需求是未來的趨勢，本文作者考慮了一個(gè)在small cell場景中，宏基站和small cell不共道部署，small cell之間頻率復(fù)用．通過對(duì)基站的合理關(guān)閉，減少了用戶之間的干擾，從而提高系統(tǒng)吞吐量，并且通過仿真得到系統(tǒng)容量比不采用關(guān)閉有24．14%的增益，相對(duì)于其他兩種方案分別有22．78%、12．22%的增益，體現(xiàn)了算法的有效性．但本算法建立在理想的后臺(tái)條件下，非理想后臺(tái)對(duì)算法的影響還需要研究．未來可以進(jìn)一步考慮共道場景下用戶調(diào)度、資源分配以及考慮其他降低復(fù)雜度的小區(qū)關(guān)閉策略．

［1］DAMNJANOVIC A，MONTOJO J，WEI Y B，et al．A survey on 3GPP heterogeneous networks［J］．Wireless Communications，IEEE，2011，18(3):10-21．

［2］DING M．Research on Key Technologies of Multi-Point Cooperative Communications［D］．Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2011．

［3］3GPP TR 36．814 V1．2．1．Further advancements for EUTRA:Physical layer aspects［S］．Valbonne:3GPP，2009．

［4］CHANDRASEKHAR V，ANDREWSJ G，MUHAREMOVICT T，et al．Power control in two-tier femtocell networks［J］．Wireless Communications IEEE Transactions on，2009，8(8):4316-4328．

［5］CHANDRASEKHAR V，ANDREWSJG，GATHERER ALAN．Femtocell networks:a survey［J］．Communications Magazine IEEE，2008，46(9):59-67

［6］PENG J L，TANG H，HONG P L，et al．Stochastic geometry analysis of energy efficiency in heterogeneous network with sleep control［J］．Wireless Communications Letters IEEE，2013，2(6):615-618．

［7］WU J，ZHOU S，NIUZ S．Traffic-aware base station sleeping control and power matching for energy-delay tradeoffs in green cellular networks［J］．Wireless Communications IEEE Transactions on，2013，12(8):4196-4209．

［8］PENG JL，HONG P L，XUE K P．Stochastic analysis of optimal base station energy saving in cellular networks with sleep mode［J］．Communications Letters IEEE，2014，18(4):612-615．

［9］3GPP R1-132933．Performance evaluation of small cell on/off［S］．Fukuoka:3GPP，2013．