（通信与信息系统专业论文）macrocellfemtocell分层网络中的资源分配研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 f e m t o e e l l 技术作为下一代通信中的关键技术之一，通过以很低的成本提高室内信 号的覆盖，快速扩充系统容量，减少m a c r o c e l l 的负载和减少对人体的辐射等优势在 近几年得到业界的广泛关注。尽管f e r n t o c d l 能给运营商和用户带来很多优势，但是由 于f e m t o c e l l 是由用户购买布置，运营商无法事先确定f a n t o c e l l 的数量和位置，传统 的频率分配方法已变得不再适用。同时运营商需要在f e m t o c e l l 内部根据周围的无线信 息( 比如邻居基站信息，信道使用情况等) 进行无线参数的自动配置和优化。在频谱 资源紧缺及节能需求下，如何设计高效的频率分配方法和f e m t o c e l l 的自优化方法以提 高资源的利用率和功率效率具有重要的意义。 本文主要是根据f e m t o c e l l 的分布式特性，通过基站之间的协作为基础所提出的 有效资源复用方式和f e m t o c e l l 的自优化方法。论文首先介绍了m a e r o c e l l f e m t o c e l l 分层网络中的相关理论技术基础，包括f e m t o c e l l 中的一些关键技术以及o f d m a 技 术原理及w i m a xt d d 帧结构，然后对分层网络中的干扰情况进行分析并搭建系统级 仿真平台，该平台用于o f d m a 分层网络中的下行吞吐率、用户的s i n r 累计概率分 布、系统的阻塞率，以及f e m t o c e u 的发射功率分析。其次，本文提出了一种适用于分 层网络中的m a e r o c e l l 和f e m t o e e u 之间的资源复用方法。该方案首先对m a c r o c e l l 采 用( 1 ，3 ，3 ) 资源复用方式，然后f e m t o e e l l 根据m a e r o c e l l 的调度信息和邻居f e m t o c e l l 的频率使用信息来进行频率选择。对处于同一邻居集的f e m t o c e l l 使用正交的频率资 源，对处于不同邻居基站集的f e m t o c e l l 间进行资源复用。仿真结果表明，这种资源复 用方法能够提高系统的容量和降低系统的阻塞率。最后，本文研究了在m a c r o c e l l 满 负载的状态下，以f e m t o e e l l 之间协作为前提，提出了一种根据信道状态、用户的业务 需求、f e m t o c e l l 中的用户数和用户的位置来对f e m t o e e l l 的频率和功率进行联合优化 的方法，以动态适应无线环境信息的变化。仿真结果表明，该方法能够降低用户的阻 塞率和提升f e m t o e e l l 的功率效率。 关键词：分层网络；o f d m a ；同频组网；s o n ；资源复用；联合自优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t f e m t o c e l lh a sb e e np o i n t e do u ta sak e yt e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n 1 1 1 ew i r e l e s si n d u s t r yb e g i n st oc o n c 圮 t nt h ef e m t o c e l li nr e c e n ty e a r s ，a s f e m t o c e l lc a l li m p r o v et h ei n d o o rc o v e r a g e ，o f f l o a dt r a f f i cf r o mm a c r o c e l ll a y e r , i n c r e a s et h e s y s t e mc a p a c i t yr a p i d l ya n dr e d u c et h er a d i a t i o nt om e u s e r sw i t hl o wc o s t f e m t o c e l lw i l l b e n e f i tb o t ho p e r a t o r sa n de n d - u s e r s h o w e v e ri t sn o te a s yt oa c c o m p l i s h b e c a u s et h e f e m t o c e l li sd e p l o y e db yt h ee n d u s e r s ，a n dt h eo p e r a t o r sd o n tk n o wt h en u m b e ra n d p o s i t i o no ft h ef e m t o c e l l si na d v a n c e t h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c ya s s i g n m e n tm e t h o d sw i l ln o t b ea p p l i e di nt h eh i e r a r c h i c a ln e t w o r k m e a n w h i l e ，t h ef e m t o c e l lm u s ti m p l e m e n t s e l f - c o n f i g u r ea n ds e l f - o p t i m i z a t i o nf u n c t i o n s f e m t o c e l lc a nb l n ei t sr a d i op a r a m e t e r s a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt o l e a r na b o u t 也e i rr a d i oe n v i r o n m e n t ( e g n e i g h b o r h o o da n d i n t e r f e r e n c e ) b e c a u s eo ft h es h o r t a g eo ft h es p e c t r u mr e s o u r c e sa n ds t r o n gp r o p o n e n to f e n e r g y - s a v i n g ，i th a si m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n ds i g n i f i c a n c et od e s i g na ne f f i c i e n t f r e q u e n c ya l l o c a t i o nm e t h o da n ds e l f - o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi nt h eh i e r a r c h i c a ln e t w o r ka n d i m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dp o w e re f f i c i e n c y b a s e do nt h ei n d i v i d u a l i s t i cn a t u r ea n dt h ec o o r d i n a t i o na m o n gb a s es t a t i o n s ，t h i sp a p e r p r o p o s e sa ne f f e c t i v er e s o u r c er e u s es c h e m ea n das e l f - o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m f i r s t l y , t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r yo fr e l a t e dt e c h n o l o g yi nt h eh i e r a r c h i c a ln e t w o r k , i n c l u d i n gt h e k e yt e c h n o l o g i e si n 也ef e m t o c e l l - t h ep r i n c i p l eo ft h eo f d m aa n dw i m a xt d df r a m e s t r u c t u r e s s e c o n d l y , t h ed o w n l i n ki n t e r f e r e n c ec o n d i t i o ni sa n a l y z e da n das y s t e m 1 e v e l p l a t f o r mi sb u i l tu p t h es i m u l a t o ri su s e df o re v a l u a t i n gt h ed o w n l i n kp e r f o r m a n c eo ft h e o f d m a - b a s e dh i e r a r c h i c a ln e t w o r ki n c l u d i n gt h et h r o u g h p u t ，s i n rc d f , b l o c k i n gr a t ea n d t h et r a n s m i tp o w e ro ft h ef e m t o c e l l s t h i r d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e sad y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o nm e t h o d t h em a c r o c e l lu s e r sh a v eap r i o r i t yo v e rf e m t o c e l lu s e r s t h em a e r o c e l l u s e s ( 1 ，3 ，3 ) f r e q u e n c yr e u s em e t h o d n l ef e m t o c e l lm a k e su s eo ft h es c h e d u l i n gd e c i s i o no f m a c r o c e l la n dt h es p e c t r u ma r r a n g e m e n to fn e i g h b o r i n gf e m t o c e l l st os e l f - o r g a n i z ei t s f r e q u e n c yu s a g e f e m t o c e l l si nt h es a m en e i g h b o r su s eo r t h o g o n a lr e s o u r c e s f e m t o c e l l si n 也ed i f f e r e n tn e i g h b o r sc a nr e u s eo fr e s o u r c e s t h i ss e l l e m ec a l lg u a r a n t e et h a tb o t h m a c r o c e l la n df e m t o c e l lu s e r sa t t a i nt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni n c r e a s et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dr e d u c et h e s y s t e mb l o c k i n gr a t e l a s t l y , u n d e rt h e 如nl o a ds t a t ei nm a c r o c e l la n dt h ep r e m i s eo ft h e c o o r d i n a t i o na m o n gf e m t o c e l l s ，aj o i n tf r e q u e n c ya n dp o w e rs e l f - o p t i m i z a t i o ns c h e m ei s i n v e s t i g a t e d 1 1 1 i sa l g o r i t h n li sb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t e t h eu s e r s t r a f f i c r e q u i r e m e n t s 。t h en u m b e ra n dp o s i t i o i l so ft h eu s e r si no n ef e m t o c e l la n dt h e i rp r e v i o u s s p e c t r u me f f i c i e n c y t h r o u g ht h o s ei n f o r m a t i o nf e m t o c e l lc a l lc o n f i g u r et l l e i rf r e q u e n c ya n d p o w e ra u t o m a t i c a l l y t h i sa p p r o a c hc a nd y n a m i c a l l ya d a p tt ot h ec h a n g i n gc o n d i t i o no ft h e w i r e l e s se n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss e l f - o p t i m i z a t i o nm e t h o dc a nr e d u c e 也eb l o c k i n gr a t eo ft h ef u ea n di n c r e a s et h ep o w e re f f i c i e n c yo ft h ef e m t o c e l l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 k e yw o r d s ：h i e r a r c h i c a ln e t w o r k , o f d m a ，c o c h a n n e ld e p l o y m e n t ，s o n ，r e s o u l c e r e u s e ，j o i n ts e l f - o p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着用户对语音和数据业务需求的快速增加，各地运营商纷纷大力发展部署3 g 网络，但是3 g 网络一般工作在2 g h z 频段，信号的传输损耗以及空间损耗都比较大， 无线信号传输进入室内时，会受到石砖等建筑物墙体的阻碍，原来在2 g 网络中通过 室外基站就能够覆盖到的一些室内区域可能成为覆盖盲区。 据统计，7 0 以上的数据业务和5 0 以上的语音业务都是在室内产生【1 】【3 1 ，因此 运营商需要在室内为用户提供高速率、高q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ，服务质量) 服务。 一般可以采用以下几种解决方案： 一是通过增加室外的宏基站即m a c r o e e l l 数量来改善室内的覆盖，但是这种方式 的建设成本和维护成本都很高，运营商从中获得的收益减少。 二是通过室内分布系统方案来改善室内信号的覆盖，它是将基站信号均匀的分布 在室内，以此保证信号良好的覆盖到室内的所有区域。但它需要大量的干放器和功分 器等，设计较复杂，对于无室内分布系统的楼层和规模较大的家庭将无法实行。 三是采用w i f i 技术来进行室内覆盖，w i f i 技术使用8 0 2 1 l b g n 标准，工作在 非授权频段，需要蜂窝w i f i 双模手机，手机的耗电量大，同时使用该技术较容易受 到攻击，存在安全隐患。 四是采用f e m t o e e l l 进行室内覆盖【4 】，它是由用户布置的一种低成本、低功耗的超 小型基站，只要在布置了d s l 等宽带网络的地方就可以部署，f e m t o c e u 可以即插即 用，而且支持各种蜂窝技术标准，比如：g s m u m t s l t e w i m a x 等。 其中第四种f e m t o c e l l 技术方案近期受到了广泛关注，国内外许多运营商以及设 备制造商都加入到研究f e m t o c e l l 技术的阵营当中，其中包括华为、爱立信、阿尔卡特 朗讯、摩托罗拉、思科和沃达丰等。3 g p p 与f e m t o e e l l 论坛、b r o a d e o m 论坛针对 f e m t o c e l l 这项新兴技术在2 0 0 8 年共同推出了首个全球性标准，也就是3 g p pr 8 版本， 标准涵盖了四个领域：网络架构、无线干扰问题、管理及规范以及安全问题【5 】。r 9 版 本对r 8 版本中的遗留问题加以实现，主要是增强型需求研究：m a e r o e e l l 向f e m t o c e l l 的切换、支持i m s 等。w i m a x 论坛与f e m t o c e l l 论坛两家非赢利性机构合作开发 w i m a xf e m t o e e l l 接入点( 愀) 规范，解决端到端的服务质量、配置、认证功耗 优化及移动性管理问题【6 】。f e m t o c e l l 标准化的出现，推进了商用化进程。据a b i 的一 份市场报告显示，2 0 0 8 年f e m t o c e l l 市场依然处于谨慎期，f e m t o c e l l 设备出货量仅为 l o 万台，预计到2 0 1 5 年，f e r n t o c e l l 的出货量将超过5 4 0 0 万，其中，中国和北美市场 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼量曼曼曼曼皇皇曼皇皇曼皇曼曼曼曼曼置曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼皇曼寰曼曼皇鼍曼皇曼曼曼曼邕寡曼曼曼曼皇皇曼量曼皇璺曼曼曼皇曼曼 将会是f e m t o c e l l 发展的两大关键市场【7 】。 f e m t o c e l l 的引入对运营商和用户都带来了好处【4 】。对运营商来说，可以增加网络 的容量，提升室内信号覆盖，减轻m a c r o c e l l 的负载，减少c a p e x ( c a p i t a le x p e n d i t u r e ， 基本建设费用) 和o p e x ( o p e r a t i o ne x p e n d i t u r e ，运营成本) ，增加a p r u ( a v e r a g e r e v e r l l t l ep e ru s e r ，用户平均收益) 等。对用户来说，在室内可以获得更优质更多种类 的服务、节省手机电池、减少对人体的辐射等。 虽然f e m t o c e l l 带来了很多的优势，但是这些优势并不容易实现，有很多问题需 要事先解决。因为引入f e m t o c e l l 后，网络的拓扑结构变得更加复杂，带来了一些新 的问题：如干扰问题、网络整合问题、用户的接入策略、基站间的同步问题等【s 】- 【9 】。 其中干扰问题是限制系统容量提升的重要因素，同时也是f e m t o c e l l 大规模商用前需要 重要研究的问题，干扰会对上述所提到的优势和系统的性能产生影响【1 0 1 。资源的分配 方式与系统中的干扰和容量有着紧密的联系。f e m t o c e l l 使用授权频段与现有m a e r o c e l l 的相同，同时由于f e m t o c e l l 的数量和位置无法事先确定，目前应用在m a c r o c e l l 中的 资源分配方式已不适用于同时包含m a c r o c e l l 和f e m t o c e l l 这样的网络拓扑结构，因此 需要对资源如何分配的问题进行研究。 f e m t o c e l l 的组网方式一般有同频和异频两种方式【1 1 1 ，这两种方式下f e m t o c e l l 的 最大覆盖范围和干扰情况都会有所不同。异频方式是指f e m t o c e l l 使用专有的资源，因 此不存在m a c r o c e l l 层与f e m t o c e l l 层之间的干扰，但是此种方式下的频谱利用率低， 这对频谱资源日益紧张的现状并不适用。提高资源利用率能够缓解这种资源日益紧张 的现状，在此看来同频方式更具优势，但是更具有挑战性。在同频方式下，f e m t o c e l l 的引入使得系统中的干扰情况变得更加复杂，存在着两种干扰情况：m a c r o c e l l 层与 f e m t o c e l l 层之间的干扰以及f e m t o c e l l 与f e m t o c e l l 之间的干扰。如果不能有效的进行 资源划分，f e m t o c e l l 的引入可能会对m a c r o c e l l 中的用户产生较大的影响。因此需要 研究分层网络中资源的复用方式满足用户的q o s 需求具有重要的理论意义和实际意 义。 另外由于f e m t o c e u 是由用户自行购买，同时强调部署的便利性，而且运营商对 f e m t o c e l l 的数量和位置无法确定，因此不会有精确的覆盖区域规划方法来解决 m a c r o c e l l 与f e m t o c e l l 、f e m t o c e l l 与f e m t o c e l l 之间的干扰问题。另一方面，尽管单个 f e m t o c c l l 的发射功率低，消耗的能量很小，但是由a b i 的调查报告可知，在未来几年 内f e m t o c e l l 的数量将超过上千万个，其总体消耗的能量将不容小觑。如果f e m t o c e l l 的发射功率过高，会造成功率的泄露，形成不必要的覆盖区域，对附近的用户性能产 生影响。如果f e m t o c e l l 的发射功率过低，可能不会满足室内用户的高速需求，用户的 满意度降低。 综上所述，要解决f e m t o c e l l 技术方案中的问题，需要一套新的具有适应性的自 我配置、干扰消除和功率控制机制【1 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 在o f d m am a c r o e e l l 网络中，通过频率复用【1 3 h 1 5 】和小区间干扰协调方式【1 6 】【1 7 】 来减少干扰。但是f e m t o c e l l 引入后，系统中的干扰变得更加复杂、严重，传统的干扰 减少方式变得不再适用。针对上述这个问题，国内外做了大量的研究。文献 1 8 】中提 出了一种在f e m t o c e u 中使用扇区天线的方式来减少干扰。文献【1 9 中提出了一种通过 动态选择f e m t o c e l l 的天线模式来减少干扰。文献 1 8 】 1 9 】都是通过采用硬件方法来减 少干扰，该方案会使f e m t o c e l l 的成本增加。另一方面可以通过干扰避免的方式来减少 系统中的干扰，使用这种方式与文献 1 8 】 1 9 相比能降低f e m t o c e l l 的复杂度，降低 f e m t o c e l l 的成本。文献 2 0 】中，提出了m a c r o c e l l 与f e m t o c e l l 通过使用相互正交的资 源来避免m a c r o c e l l 层与f e m t o c e l l 层的干扰，f e m t o c e l l s 之间通过f a l o h a 即随机 选择的方法减少干扰，这种资源分配方式虽然不会产生层间干扰，但是每一层所能使 用的资源只是总资源的一部分，这对于目前频谱资源紧张的情况并不适用。在文献 2 1 - 2 2 】中，都提出了一种混合的资源分配方法，对f e m t o e e l l 进行内外圈的划分。内 圈f e m t o c e l l 由于收到来自本m a c r o c e l l 的干扰较大，为了避免这个强干扰，f e m t o c e l l 使用与m a c r o c e l l 正交的资源。外圈f e m t o c e l l 收到的干扰较小，使用与m a c r o c e l l 相 同的资源。前者以f e m t o c e u 的干扰受限覆盖范围为划分依据，后者以f e m t o c e u 收到 来自m a c r o c e u 导频信号强度为依据。干扰受限覆盖范围即用户收到来自m a c r o c e u 和 f e m t o c e l l 信号强度相等时f e m t o c e l l 与该用户之间的距离。这种方式虽然比正交方式 提高了资源的利用率，但是并未考虑到处于f e m t o c e u 覆盖范围内的f e m t o c e l l 用户接 收信号强度的差异性。在文献 2 3 】中，提出了一种在部分频率共享方式下，m a c r o c e l l 利用其覆盖范围内的f e m t o c e l l 频率配置信息来决定m a c r o c e l l 用户的调度，该方法中 f e m t o c e l l 只能使用固定的一部分频段。在文献 2 4 】中，提出了一种基于o f d m a 的动 态干扰避免方法，它是根据用户的测量报告，每个f e m t o c e l l 自行设置使用各子信道的 优先级。在文献 2 5 】中提出了一种基于信息广播或者测量报告的方式来决定f e m t o c e l l 中子信道的分配方式。前者是通过f e m t o c e l l 估计子信道的使用概率，再将这个信息广 播给邻居f e m t o c e l l ，f e m t o c e l l 联合考虑概率信息以及干扰情况来选择子信道，后者是 根据用户的测量报告来选择具有最小干扰的子信道。在文献 2 6 】中，研究了f e m t o c e l l 网络中，基于w c d m a 技术的容量增加方法。在文献 2 7 】中，提出了一种基于t d m a 的启发式资源分配方法来减少m a c r o c e l l 用户对f e m t o c e u 用户的上行干扰。文献 2 8 】 中提出了一种在g s m 网络中的f e m t o c e l l 部分频率复用方法。在文献 2 9 中，提出了 一种在f e m t o c e l l 中基于信道增益和干扰避免的分布式信道选择方法，但是其中并未涉 及到如何对m a c r o c e l l 用户进行资源分配。文献 2 4 2 5 2 9 是基于o f d m a 的 f e m t o c e l l 频率分配方法。文献【3 0 】中提出了一种基于s f r 的f e m t o c e l l 频率规划法方 法。但是这种方法即使在内圈m a c r o e e l l 发射功率很低的情况下，离m a c r o c e l l 很近的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 f e m t o e e l l 用户的s i n r 会出现小于o d b 的情况。 上述文献都是针对f e m t o c e u 采用固定功率发射，通过频率规划方式来减少系统 中的干扰。针对功率控制机制而言，也有相关的研究成果，文献 3 l 】中，提出了2 种 功率控制方法。一是根据收到m a e r o c e l l 的导频信号强度来确定f e m t o c e l l 的发射功率， 二是根据f e m t o c e l l 中用户的状态来设置功率，当f e m t o c e l l 中的用户处于空闲模式时， f e m t o e e l l 的发射功率比方法一少1 0 d b 。在文献 3 2 】中c l a u s s e n 等提出了一种在u m t s 网络中，根据用户的移动性来动态调整开放式f e m t o c e l l 的导频功率，使m a c r o c e l l 用 户在f e m t o c e u 周围移动时，试图与f e m t o c e l l 连接的次数最小。上述文献都是基于 w c d m a 多址方式的功率控制方法。在文献 3 3 】中提出了一种通过自适应调整 f e m t o c e l l 的覆盖范围来减少m a e r o c e l l 用户的掉话率的方法。文献【3 4 】中提出了一种基 于非合作博弈模型的分布式功率控制方法。它是在假设同一个f e m t o c e l l 中的用户与 f e m t o c e l l 的距离大致相等的前提下得到的f e m t o e e l l 发射功率纳什均衡解。在文献 3 5 】 中提出了一种使f e m t o e e l l 对m a e r o e e l l 用户干扰最小情况下的f e m t o c e u 分布式频率 与功率分配方法。文献 3 6 】中，提出了一种使系统容量最大化的联合子信道与功率分 配方法。 根据上述分析可知，在满足用户q o s 前提下，对基于o f d m a 多址方式中 f e m t o c e l l 和m a e r o c e u 使用全复用方式时如何有效的分配资源的研究较少。如何根据 f e m t o c e l l 中用户的位置和速率需求信息与邻居f e m t o c e l l 进行协作来实现频率与功率 的优化，提高f e m t o c e l l 的功率效率的研究也很少。 1 3 论文主要工作和章节安排 本文主要是对m a c r o c e l l f e m t o c e l l 分层网络中如何实现高效的资源分配以及对 f e m t o c e l l 的发射功率与频率的联合优化进行研究。本文考虑的是基于o f d m a 的下行 资源分配情况，它是以m a e r o c e l l 与f e m t o e e l l 之间采用全复用方式为前提，提出了一 种优先对与m a c r o c e l l 进行连接的用户分配资源，然后f e m t o c e l l 根据m a c r o c e l l 的调 度信息以及邻居f e m t o e e l l 的频率配置信息来决定与其连接的f e m t o c e l l 用户的资源使 用情况。同时考虑在m a e r o c e l l 满负载的条件下，通过邻居f e m t o c e l l 之间协作的方式， 根据f e m t o c e u 中用户的位置、状态和速率需求设置f e m t o c e l l 的发射功率达到频率与 功率的联合优化，提高f e m t o c e l l 的功率效率。 本文其余章节内容安排如下： 第二章对f e m t o c e l l 中的一些关键技术和o f d m a 多址方式进行介绍。主要是针 对f e m t o c e l l 的网络架构、接入方式、组网方式以及s o n ( s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ， 自组织网络) 技术和o f d m a 中资源的划分方式以及时隙吞吐率的计算方法进行介绍。 第三章主要对分层网络中的下行干扰情况进行分析以及搭建系统级仿真平台。下 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 行干扰包括m a c r o c e l l 对f e m t o c e l l 中用户的干扰和f e m t o c e l l 对m a c r o c e u 用户的干扰。 仿真平台主要对基站模型、业务模型、路径损耗模型和主要性能指标进行介绍。基站 模型包括m a c r o c e l l 模型、f e m t o c e l l 模型。它为后续章节提出的资源分配方式和 f e m t o c e l l 的频率与功率自优化算法的仿真分析提供依据。 第四章在现有文献资源分配的基础上，提出了一种在o f d m a 多址方式下 f e m t o c e l l 利用m a c r o c e l l 的调度信息并与邻居f e m t o c d l 进行协作的资源分配方法。在 第三章建立的仿真平台基础上对提出的算法进行仿真，同时对仿真结果进行分析。 第五章提出了一种在邻居f e m t o c d l 协作的基础上，f e m t o c e l l 根据周围无线环境 信息的变化情况对自身的频率与功率进行联合优化，提高f e m t o e e l l 的功率效率。同时 对该方法的性能进行仿真和分析。 最后对本文进行总结，并对未来的工作进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章分层网络相关技术介绍 f e m t o e e l l 作为下一代移动通信中的关键技术，它以提高频谱资源使用率、快速扩 充网络容量、减少人体辐射、减轻m a e r o c e l l 负载等优势在近几年受到业界的广泛关 注。3 g p p 、3 g p p 2 、w i m a x 论坛已经完成了w c d m a c d m a 2 0 0 0 m m a x 等的 f e m t o c e l l 基础标准制定工作。本章针对f e m t o c e l l 的一些关键技术和o f d m a 多址方 式进行介绍，其中着重对f e m t o c e l l 中的组网方式、s o n 技术和o f d m a 帧结构进行 分析，为后续章节的资源分配算法和自优化算法奠定理论基础。 2 1f e m t o c e l l 技术 f e m t o e e l l 即毫微微小区，也叫家用基站。它是根据用户对业务的需求和移动宽带 化的发展趋势所提出的超小型基站。f e m t o c e l l 使用口协议，通过用户已有的宽带电 路连接，远端由专用网关实现从口网到核心网的连接【7 1 。f e m t o c e l l 作为蜂窝网在室内 覆盖的补充，它通过将来自f e m t o c e l l 的业务汇集到f e m t o c e l l 网关之后接入至运营商 的核心网中。在核心网内部，对于来自m a c r o c e l l 、f e m t o c e l l 的数据不加于区分，采 用相同的处理方式。f e m t o c e l l 使用授权频段，在使用f e m t o c e l l 时用户不需要额外购 买特殊的手机终端。目前有适用于c d m a 、g s m 、u m t s 等各种技术标准的f e m t o c e l l 产品。 f e m t o e e l l 的发射功率一般为1 0 1 0 0 m w ，覆盖半径小，对处于同一m a c r o c e l l 中的 f e m t o c e u 之间可以采用空间复用的方式来提高频谱资源的利用率，增加系统的容量。 在数据业务方面，f e m t o c e l l 可以减少m a e r o c e l l 的负载，m a c r o c e l l 可以集中为信道条 件较好的用户提供服务，从而进一步的增加系统容量。在辐射方面，由于收发信机间 的距离很小，终端采用较低的功率进行发射也能与f e m t o c e l l 建立连接。由于发射功率 低，对人体的辐射将会减少。另一方面，它可以弥补当室内信号质量不好时，终端为 了与m a e r o e e l l 建立连接，需要不断地增加的自身发射功率造成终端的耗电量大以及 辐射大的不足。根据目前网络的发展趋势来看，未来的网络是一个异构的网络，需要 将有线与无线进行结合。目前频谱资源非常紧缺，运营商迫切希望发挥各个网络的最 大优势，将网络中总资源的利用率最大化，降低总体能源的消耗和对环境的污染。 f e m t o c d l 正好是这种将无线与有线进行有效结合的成功产品，它符合未来网络的发 展。 由于f e m t o c d l 的引入，传统的移动通信无线覆盖方式将会发生变化。无线通信系 统由单一的m a c r o c d l 覆盖方式变成如图2 1 所示的m a c r o c 宅l l f e m t o c d l 分层覆盖方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 本文将只能与m a c r o c d l 进行通信的用户叫做宏小区用户，简称为m u e ；能够与 f e m t o c e l l 进行通信的用户叫做毫微微小区用户，简称为f u e 。f e m t o c d l 设置在 m a c r o e d l 的覆盖范围内，它能够以较低的成本大量提升系统的容量和延伸m a c r o e e u 的覆盖范围。在传统的蜂窝网络中，所有的用户都直接与m a c r o c e l l 进行通信。而在 m a e r o c e l l f e r n t o c e l l 分层网络中，用户可以选择与m a c r o c e l l 进行通信，也可以选择与 其所属的f e r n t o e e l l 和所有开放式f e m t o c e l l 进行通信。由于收发信机间的距离小，即 使f e m t o e e l l 以很低的功率进行发射，用户与f e m t o c e l l 之间也可以建立良好的链路， 能够采用较高的调制编码方式，提高频谱效率，增加系统的容量。由于f e m t o c e l l 的覆 盖半径小以及建筑物墙体的穿墙损耗较大，属于同一m a c r o c e l l 中相隔不是很近的 f e r n t o c e u 间即使使用相同的资源也可以获得良好的服务。同时由于建筑物墙体的遮 挡，能够相应的减少其余基站对室内用户性能的影响。 2 1 1 网络架构 图2 - 1 分层网络单一小区拓扑图 由于f e m t o c e l l 产品比f e m t o c e l l 标准出现的更早，早期各个厂商采用的接入规范 会存在某些差别，造成了f e m t o c e l l 的多样性。此时f e m t o e e l l 之间的互操作性非常的 复杂，不利于f e m t o e e l l 的大规模发展。针对上述这种现象，在2 0 0 8 年3 月召开的 f e m t o c e l l 大会上提出了要制定f e r n t o e e l l 的统一网络架构，解决f e m t o c e l l 的多样性问 题，降低f e m t o c e l l 的成本。目前存在3 种比较主流的f e r n t o e e l l 网络架构：1 ) 基于 i p s e e ( i n t e r n e tp r o t o c o ls e c u r i t y ，i p 隧道协议) 方式；2 ) 基于r a n 网关方式；3 ) 基 于s i p i m s 方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第8 页 i p s e c 方式如图2 2 所示。这是最早提出的f e m t o c e l l 接入方案。在这种方式中， f e m t o c e l l 与m a c r o c e l l 共用r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，无线网络控制器) ， f c m t o c e l l 通过l u b 接口与r n c 进行连接。由于r n c 容量和端口的限制，它难以实现 对大量f c m t o c e l l 的控制和管理。 安全网关 r n c 图2 - 2 基于i p s e c 的f e m t o c e u 网络架构 r a n 网关方式如图2 3 所示，图中的r a n g w 表示r a n 网关。在该方式下采用 扁平的口结构，将部分r n c 的功能集成到f e m t o c e l l 中。在因特网端，r a n 网关通 过l u o v e r - i f 接口来收集多个f c 奠n t o c e l l 的信息，在核心网端，r a n 网关通过i u c s 或 者1 u p s 接口将信息汇聚到核心网当中。r a n 网关负责对f e m t o c e l l 的管理、接入控 制等。这种方式初期的投资比较小，对核心网的影响不大。3 g p p 标准将该方法作为 f o n t o c , e l l 与核心网之间的接入方式。 f r a m e e l l 图2 - 3 基于r a n 网关的f e m t o c e u 网络架构 m s c 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 s i p i m s 方式如图2 4 所示p7 | ，在此方式中，r n c 的全部功能都将集成到f c r n t o c c l l 中。f e r n t o c c l l 与核心网之间采用新的基于s i p 协议的方式进行连接。在这种方式中需 要搭建一个基于s i p 的核心网，与现有的核心网同时存在运行。当用户与f c m t o c