（通信与信息系统专业论文）macrofemto分层小区干扰协调与资源分配.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 日益增长的多媒体业务和高速数据业务需求对未来的移动通信网络提出了越来越 高的要求。但随着新的移动通信系统所分配的频带越来越高，造成无线信号的传输损 耗和空间损耗较大，对建筑物墙体的穿透能力较弱，再加上建筑材料对信号的衰减作 用，造成现有网络对室内信号的覆盖往往不尽人意，很难对室内用户提供高速的数据 业务体验。 有研究表明，室内、低速移动、热点已成为未来主要的应用场景。如果仍使用传 统的宏基站进行覆盖，需要额外部署近7 0 的宏基站，这是运营商所不能接受的。因 此，专门解决室内覆盖的小型化基站方案f e m t o c e l l 为多个组织及论坛所关注。 但是在f e m t o c e l l 的应用中，仍然存在诸多挑战，主要有：宽带f e m t o c e l l 的资源 的配置、定时同步、回程等；语音f e m t o c e l l 的f e m t o c e l l 中的干扰管理、允许接入机 制、切换、紧急接入服务等；网络结构中的连接运营商i p 网络的f e m t o c e l l 无线网桥 等问题。这些技术瓶颈严重制约着f e m t o e e l l 的大规模商用。 本文首先在第二章从标准化组织、标准化进程，网络结构及接口协议等多个方面 对f e m t o c e l l 进行阐述，建立起基本的概念并明确下一步的研究方向；其次在第三章从 通用无线通信系统、车地无线通信系统两个方面进行考虑，建立起完整的系统级仿真 平台；并在第四章从通用无线通信系统中的分层网络干扰管理、切换两个研究方向入 手，提出了基于部分频率复用的分层网络干扰解决方案、基于s n r 的分层网络切换算 法，解决宏基站、f e m t o c e l l 组成的分层网络的共道干扰及切换问题；最后对部署了车 载f e m t o e e l l 的列车无线通信网络传输链路进行了建模、质量分析与仿真评估，并探讨 了m i m o 技术对车地无线通信系统接入容量的改善程度，为f e m t o c e l l 在高铁上应用 更为深入的研究做准备。 关键词：毫微微小区；分层网络；干扰协调；溃源分配；切换；车地通信；m i m o a bs t r a c t n l eg r o w i n gr e q u i r e m e n t si nm u l t i m e d i at r a f f i ca n dh i g hs p e e dd a t at r a f f i cd e m a n dt h e h i g h e rr e q u i r e m e n t s w i t ht h eh i g h e rs p e c t r u mi sa s s i g n e dt ot h en e wm o b i l ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h es y s t e mw i l lf a c es t r o n g e rt r a n s m i s s i o nl o s sa n ds p a c el o s sa n d w e a k e rp e n e t r a t i n gp o w e rt ob u i l d i n gw a l l s a n dt h es i g n a ls t r e n g t ha t t e n u a t i o ni nt h e i n - b u i l d i n g sd u et ot h eb u i l d i n gm a t e r i a li sn o tg o o de n o u g hf o rp r o v i d i n gh i g hs p e e dd a t a t r a f f i ct oi n d o o ru s e r s n ec u r r e n tr e s e a r c hs h o w st h a ti n d o o r , l o wm o b i l i t y ，h o ts p o ta r et h em a i na p p l i c a t i o n s c e n a r i o si nt h ef u t u r e i fm a c r o c e l l sa r eu s e dt op r o v i d ec o v e r a g ef o ru s e r s ，t h ee x t r a7 0 b a s es t a t i o n sn e e dt ob ed e p l o y m e n t i t si m p o s s i b l ef o ro p e r a t o r st oa c c e p ti t s o ，t h eb a s e s t a t i o nw i t hl o wt r a n s m i tp o w e rc a l l e df e m t o c e l li sp a i dc l o s ea t t e n t i o nb ys e v e r a l o r g a n i z a t i o n s h o w e v e rt h e r ea r es t i l l m a n yc h a l l e n g e s f o ri t , s u c ha sr e s o u r c ea l l o c a t i o n , t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na n db a c k h a u lf o rb r o a d b a n df e m t o c e l l s ；i n t e r f e r e n c em a n a g e m e n t ， a c c e s s + c o n t r o l ，h a n d o v e r , m o b i l i t ya n de m e r g e n c yc a l l f o rv o i c e f e m t o c e l l s ，s e c u r e l y b r i d g i n gt ot h ef e m t o c e l l sw i t ho p e r a t o rn e t w o r ko v e ri pf o rn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e a l lt h o s e t e c h n i c a lc h a l l e n g e sr e s t r i c tt h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o nf o rf e m t o c e l l s i n t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，a l lo v e r v i e wo ff e m t o c e l l si si n t r o d u c e df r o m o r g a n i z a t i o n , s t a n d a r dp r o c e s s ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，i n t e r f a c e ，t os t r i v et oe s t a b l i s ht h e c o n c e p to ff e m t o c e l l i n t h et h i r d c h a p t e rt h es c e n a r i o i sc o n s i d e r e df r o mu n i v e r s a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt r a i n g r o u n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt ob u i l dt h es y s t e ml e v e l s i m u l a t i o np l a t f o r mf o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ei n t e r f e r e n c e m a n a g e m e n ta n dh a n d o v e ri nh i e r a r c h i c a ln e t w o r ka r er e s e a r c h e d f f rb a s e di n t e r f e r e n c e m a n a g e m e n ts c h e m e ，s n rb a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h ma r ep r o p o s e dt os o l v et h ec o c h a n n e l i n t e r f e r e n c ea n dh a n d o v e r a tt h el a s tc h a p t e r , t h et r a n s m i s s i o nl i n k i nt h et r a i n - g r o u n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 谢也f e m t o c e l l sd e p l o y e di nc a r r i a g e si sm o d e l e d ，a n a l y z e da n d e v a l u a t e d ，t h e nt h ec a p a c i t yg a i nf o rt h eu s eo fm i m oi nt r a i n g r o u n dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki se s t i m a t e da sap r e p a r a t i o nf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：f e m t o c e l l ；h i e r a r c h i c a ln e t w o r k s ；i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ；r e s o u r c e a l l o c a t i o n ；h a n d o v e r ；t r a i n g r o u n dc o m m u n i c a t i o n ；m i m o 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 日益增长的多媒体业务和高速数据业务需求对未来的移动通信网络提出了越来越 高的要求。已大规模商用的3 g 网络和正在研究、试商用的b 3 g 和4 g 网络在解决用 户接入速率、接入质量、高速移动性支持、吞吐率提升等多方面均有很大的突破，其 中l t e 支持2 0 m h z 的带宽内的1 0 0 m b p s 的瞬时下行峰值速率和5 0 m b p s 的瞬时上行 峰值速率【l 】，l t e a d v a n c e d 系统支持1 0 0 m h z 内的1 g b p s 的瞬时下行峰值速率、高速 移动下的1 0 0 m b p s 峰值速率和5 0 0 m b p s 的瞬时上行峰值速率、高速移动下的5 0 m b p s 的峰值速率f 2 】，并且在某些频段均支持最高到5 0 0 k m h 的移动速度。 但随着新的移动通信系统所分配的频带越来越高，造成无线信号的传输损耗和空 间损耗较大，对建筑物墙体的穿透能力较弱，再加上建筑材料对信号的衰减作用，造 成网络对室内信号的覆盖往往不尽人意，很难对室内用户提供高速的数据业务体验。 有研究表明，在西欧，用户在5 7 的时间里是位于家庭和工作地点的，并且室内 业务将会在2 0 1 1 年达到总业务的7 5 【3 】f 4 】。室内、低速、热点已成为未来主要的应用 场景。如果仍使用传统的宏基站进行覆盖，需要额外部署近7 0 的宏基站f 5 】，这是运 营商所不能接受的。 因此，有必要对传统的“重室外，轻室内”、“重蜂窝组网，轻孤立热点 、“重移 动切换，轻固定游牧 的观点进行修正【3 】。为此，3 g p p 、3 g p p 2 、8 0 2 1 6 、f e m t of o r u m 、 b r o a d b a n d f o r u m 等组织均对室内覆盖问题进行了研究，提出了相应的解决方案。其中， f e m t o e e l l 方案，也称为家庭基站( h o m en o d eb ) ，能有效地解决室内覆盖和办公场所信 号覆盖问题，并且具有低成本、低功率、接入简单、即插即用、节省回程、与现有终 端设备兼容等优点，并且由于工作在授权的频谱上，因此可以将它们看作是运营商蜂 窝通信网络的扩展，接入f e m t o c e l l 的移动终端设备不需要进行任何修改就能够进行使 用1 6 1 7 。 但是在f e m t o e e l l 的应用中，仍然存在很多的挑战1 6 】 7 】。这个挑战的大小，很大程 度上取决于f e m t o c e l l 的部署规模。如果只有少量的f e m t o c e l l 部署，则可能对现有系 统结构的影响不大，甚至不需要太多的标准化工作支撑，可以通过一定的自配置自组 织解决问题。但是如果大范围地部署，则可能对现有系统结构造成很大的冲击。一方 面，f e m t o c e l l 的密集部署、重叠覆盖会造成很复杂的干扰环境；另一方面，由于f e m t o c e l l 所有权的变化，运营商会部分的丧失网规、网优的管理权和控制权，加剧干扰控制和 接入管理的难度。 当前主要有以下的技术挑战：宽带f e m t o c e l l 的资源的配置、定时同步、回程问题； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 语音f e m t o e e l l 的的干扰管理、允许接入机制、切换、紧急接入服务等；网络结构中的 连接运营商i p 网络的f e m t o e e l l 无线网桥问题f 4 】【6 】【刀。这些技术瓶颈严重制约着f e m t o c e l l 的大规模商用。 因此，如果f e m t o c e l l 想要赢得市场，赢得客户，得到进一步的繁荣与发展，成为 室内和办公场所终端的最佳接入解决方案，就必须在资源分配、干扰管理、切换、功 率控制、定时同步等多方面取得突破。 1 2 国内外研究现状 随着3 g p p 、f e m t of o r u m 、8 0 2 1 6 等组织的标准化工作的深入和各大设备厂商相 继推出f e m t o c e l l 设备，以及华为与新加坡移动运营商s t a r h u b 合作成功的部署全球首 个3 gf e m t o c e l l 商用网络，f e m t o c e l l 越来越走向成熟。 目前，f e m t o c e l l 的网络结构主要分为以下三种1 7 】【8 】： i u bo v e ri p 方式：这是最早提出的f e m t o c e l l 接入方案，f e m t o c e l l 终端设备只拥 有基站的部分功能。此方案所需的初期投资较小，网络结构相对清晰，并且可以与现 有宏蜂窝共用无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r , r n c ) 。缺点是经济性较差，由 于r n c 有端口和容量上的限制，因此端口一般用于大容量的宏蜂窝基站网络；f e m t o c e l l 数目很多、但每个终端接入用户很少，对端口的消耗很明显，会造成r n c 设备端口的 浪费。 r a ng a t e w a y 方式：在f e m t o c e l l 终端集成了部分家庭基站和无线网络控制器的功 能，并在核心网和接入网之间引入一个新的模块叫a n 网关( 蝌g a t e w a y ) ，用于 从i uo v e ri p 接口汇聚f e m t o c e l l 的业务流，并通过i u c s 、i u p s 端口分别发送到核心 网。r a n 网关主要负责网络安全性、汇聚业务、转会协议、f e m t o c e l l 终端设备管理与 配置以及接入控制。从核心网侧，将其看作r n c 进行处理。 s i p i m s 方式：核心网、f e m t o c e l l 间使用基于s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议 进行连接。因此运营商需要额外建设基于s i p 协议的核心网，并与现有的分组、数据 核心网同步运行，f e m t o c e l l 终端用户由新建的核心网提供服务，这是f e m t o c e l l 网络最 终的发展目标。 随着各大公司、高校、研究机构对f e m t o c e l l 实际部署中所遇问题研究的深入，提 出了各自的方案解决相关的问题。主要集中在宏基站、f e m t o c e l l 分层网络干扰管理、 功率控制、切换三个方面。 文献【9 】通过频率复用的方式解决分层网络中的共道干扰问题，通过提出的新的频 率复用方案，并与传统的3 小区、7 小区复用方式进行了对比，说明提高了整个系统的 吞吐率。但是提出的方案频谱效率过低，没有充分考虑吞吐率和频谱效率的折中。文 献f 1 0 】【1 1 】从上行容量和干扰避免策略两个方面对全复用分层c d m a 网络进行了分析 和研究。通过对容量进行分析，给出了精确的上行中断率性能，并考虑了功率控制、 西南交通大学硕士研究生学位论文第三亟 路径损耗、阴影衰落等多方面的影响。通过引入跳时和定向天线解决了干扰问题，并 改进了f e m t o c e l l 跨层切换算法。由于提出的方案过于复杂，因此增加了实现的难度。 文献【1 2 提出了下行f e m t o c e l l 子载波选择、发射功率自校准，上行f e m t o e e l l 自适应衰 减、用户发射功率限制方案，以达到提升覆盖率、改善容量的目的。文献中将整个频 率划分为两部分，一部分由宏基站、f e m t o e e l l 共享，另一部分有宏基站使用。文献只 考虑了一个场景，并且对整个频谱的划分方式和策略并没有进行深入的研究。因此有 必要对不同场景下的频谱划分方式进行讨论。文献【1 3 】为f e m t o 论坛对干扰管理方向资 料的整理文档。包括不同的场景、系统模型、信道模型，对分层网络系统搭建具有很 重要的参考价值。 文献【1 4 】通过提出了一个新的功率控制方案，解决分层网络中的共道干扰问题，最 小化新接入的f e m t o c e l l 对宏基站的影响。但所用信道模型过于简单，没有考虑不同频 率划分方式的影响，并且没有对用户业务类型的影响进行细化。 文献 1 5 】【1 6 】对分层网络的切换进行了研究。文献【1 5 】提出了基于接收信号强度 承s s ) 的切换算法，增加了f e m t o c e l l 的利用率。文献中的f e m t o c e l l 为开环设置，没有 考虑许可，鉴权等的影响，提出的算法会出现过早切换的问题，并且需要对接入概率 和切换次数进行更好的折中。文献【1 6 】提出了由用户主导控制的切换算法，用以解决宏 基站、f e m t o c e l l 间的切换问题。之所以让用户主导切换，主要是考虑到一个宏基站下 部署的f e m t o e e u 数目相对较多，宏基站不能进行有效的管理与控制。 从上述研究现状可以看出，现有的分层网络干扰管理算法在解决共道干扰问题上 仍有频率利用率过低、复杂度过高等问题；切换算法也主要以引入传统的切换算法为 主，并没有针对分层网络的特殊性设计专门的切换算法。因此有必要进行深入的研究 以解决这些问题。 1 3 论文主要工作和内容安排 本文首先对f e m t o e l l 中的标准化组织、进程以及牵涉到的结构、接口、安全等方 面进行了概述：然后重点对宏基站、f e m t o e l l 组成的分层网络中的干扰管理和切换问题 进行了深入的研究，提出了基于部分频率复用的干扰解决方案、基于s n r 的切换算法； 并对部署了车载f e m t o c e l l 的列车无线通信网络传输链路进行了建模、质量分析与仿真 评估。 本文主要内容安排如下： 第一章介绍了论文的研究背景、国内外研究现状、主要工作和内容安排。 第二章从标准化组织、标准化进程，网络结构及接口协议等诸多方面对f e m t o c e l l 进行了阐述，建立起f e m t o c e l l 的基本概念，并明确了下一步的研究方向。并对与车地 无线通信系统相关的中继技术、m i m o 技术进行了简要的介绍。 第三章从通用无线通信系统、车地无线通信系统两个方面进行考虑，提出了系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 级仿真平台的搭建方案，包括场景模型、信道模型、仿真参数设置等方面的内容。 第四章讨论了通用无线通信系统中，分层网络的干扰管理、切换这两个研究方向。 在干扰管理方面，首先介绍了部分频率复用技术，并将此技术引入分层网络中，提出 了基于部分频率复用的分层网络干扰解决方案，并与现有复用因子为1 、1 3 的方案进 行比较，结果表明提出的方案可以可以有效的改善分层网络的共存问题。在切换方面， 首先介绍了一种基于3 g p p 宏基站切换流程的分层网络切换流程，然后从切换算法的 角度进行研究，提出了基于s n r 的分层网络切换算法，通过调节组合因子，使用户在 接入概率和切换次数两者间得到折中。 第五章对部署了车载f e m t o c e l l 的列车无线通信网络传输链路进行了建模、质量分 析与仿真评估。通过在列车上部署移动中继及网关，并在每节车厢内部署f e m t o c e l l 为 旅客提供接入服务。并探讨了m i m o 技术对车地无线通信系统接入容量的改善程度， 为f e m t o c e l l 在高铁上应用更为深入的研究做准备。 最后总结了全文，并对未来工作做出展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章f e m t o c e l l 概述及车地无线通信系统相关技术 本章首先介绍了f e m t o c e l l 的概念，参与的标准化组织、论坛及标准化进程，并以 相应的规范和研究报告为基础，总结了提出的网络系统结构、逻辑结构与接口协议。 然后对与车地无线通信系统相关的中继技术、m i m o 技术进行了简要的介绍。 2 1f e m t o e e l l 概述 f e m t o e c l l 是一种低发射功率，部署于家庭或者办公场景，为封闭或者开放用户提 供接入服务的小型化基站。主要通过宽带接入网络【1 刀( 如d s l ，电缆、光纤) 连接至服 务提供商网络，并且工作在授权频段。 现今对f e m t o c e l l 进行研究的组织及论坛主要有3 g p p i l s l 、i e e e8 0 2 1 6 1 9 j 、f e m t o f o r u m l 2 0 、b r o a d b a n df o r u m l 2 1 】等，成果主要通过3 g p p 、i e e e8 0 2 1 6 进行发布，可以 自由下载，供学习和科研使用。下面将主要以3 g p p 为例，介绍f e m t o c e l l 的标准化进 程、网络结构与接口协议。 2 1 13 g p p 中有关f e m t o c e l l 标准化进程 3 g p p 中，f e m t o e e l l 称为家庭基站( h o m en o d eb ) ，从r 8 版本开始对f e m t o c e l i 进 行研究和标准化工作，提出了一系列的技术规范和研究报告，此处进行了整理，并在 表2 ，1 中列出1 1 8 】。 该列表归纳出3 g p p 中与f e m t o c e l l 相关的技术规范及研究报告，对服务接入、不 同网络的结构、家庭基站网关、移动性管理、安全性等多方面进行了研究和规范，并 公布了相关的技术研究工作报告文档，以方便全面了解该组织在家庭基站方面的标准 化进展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表2 13 g p p 中f e m t o c e l l 相关规范 2 1 23 g p p 中有关f e m t o c e l l 网络结构与接口协议 本小节主要介绍3 g p p 标准组织提出的与f e m t o e e l l 相关的逻辑结构 2 2 】、系统结构 1 2 3 】以及i u 、i u h 间接 1 1 2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 v p l m n i h p l m n i l 图2 - 13 g p p 中家庭基站逻辑结构 上图为t r2 3 8 3 0 1 2 2 1 中提出的逻辑结构，需要注意以下三点： 、家庭基站及家庭基站网关间的通信必须通过强制的安全网关( 图2 2 中的 s e g w ) ，但在图2 1 中并没有画出。此安全网关可作为单独的物理实体存在，也可以 集成到家庭网关中； 二、c l 接口作为可选接口，可被用于更新具有接入权限的用户端闭环用户组( c s g ) 列表； 三、下一步将会研究c 1 接口能否应用于临时闭环用户组成员。 3 g p p 中建议的家庭基站系统结构f 2 3 】如下图所示， 图2 23 g p p 中家庭基站系统结构 在提议的系统结构中： 一、用户、家庭基站间的空口应该与u t r a n 中的空口保持后向兼容； 二、家庭基站通过安全网关接入运营商核心网，但是家庭基站、安全网关间的回程 链路可能是不可靠的； 三、安全网关代替运营商核心网执行与家庭基站间的相互鉴权。为了支持相互鉴权 的过程，可能需要增加鉴权服务器或公钥基础结构( p k i ) 的支持。安全网关、家庭基站 网关均在运营商网络中，但彼此逻辑上相分离； 四、在家庭基站、安全网关间建立安全隧道( s e c u r i t yt u n n e l ) ，以保护回程链路中的 信息传输； 五、家庭基站网关对想接入家庭基站的非c s g 用户执行接入控制，安全网关可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 集成到家庭基站网关里。如果两者没有集成到一起，则使用h r d s i p ( n e t w o r kd o m a i n s e c u r i t y i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 提供保护； 六、操作、管理与维护( o a m ) 模块需要安全的通信，如果o a m 部署于运营商网络 之外，则更需要注意其安全性。 u t r a nc o r en e t w o r k ( c c s i 3 gh n b k ；- 蠢 _ 一秘 7 d o m a i n l 3 g h n b | 爿h g n w b 、 j ； ， 弘：“i u c s ： 嫩 、 p s 3 g h n b 卜 ：。i 獬 室内用户模型为： e z ( a b ) = 3 8 5 + 2 0 l o g l o ( d 【m 】) + l 。m ，o r = 4 d b 式中，仃一室内阴影衰落标准差( 抛) 。 l 栅一穿墙损耗( 妇) 。 f e m t o e e l l 的覆盖半径为3 0 m 1 4 2 1 ，因此穿墙损耗可以表示为： f 7 扭，i fo d l o l 椭= l o d b ，i f l 0 d 2 0 1 1 5 d b ，i f2 0 d 3 0 3 2 2 车地无线通信网络信道模型 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 车地无线通信系统中，信道模型主要基于3 g p p 4 3 】、i e e e8 0 2 1 6 s u i 信道模型 m 【4 5 ，考虑路径损耗、阴影衰落、多径三部分： ( 1 ) 高速列车车厢内部署的f e m t o c e l l 网络信道环境，分为视距( l o s ) 、非视距 ( n l o s ) 传播两种情况，并以一定的概率取l o s 或n l o s ，l o s 的概率为【4 3 】： = 卜如7 九 p l = 1 6 9 l o g l o ( d ) + 3 2 8 + 2 0 1 0 9 】o ( z ) ，o r = 3 d b ，3 m d 1 0 0 m 式中，兕一路径损耗( 扭) ； d 一发射天线、接收天线间距离( m ) ； z 一系统中心频率( g h z ) ； 仃一阴影衰落标准差( d b ) ，服从对数正态分布。 n l o s 模型为： p l = 4 3 3 l o g l o ( d ) + 1 1 5 + 2 0 l o g l o ( z ) ，盯= 4 d b ，1 0 m d 1 5 0 m ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 4 1 ，7 体a 一d 人i j d 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 2 ) 高速列车运行的农村宏基站环境，也可分为l o s 、n l o s 两种情况，并以一定 的概率取l o s 或n l o s ，l o s 的概率为f 4 3 】： r1d 1 0 ( 3 - 7 ) l o s 模型为： fp 厶= 2 0 1 0 9 l o g ( 4 0 n d f c 3 ) + r a i n ( 0 0 3 j l l 一，l o ) 1 0 9 1 0 9 ( d ) ( 3 - 8 ) - m i n ( o 0 4 4 h 7 2 , 1 4 7 7 ) + 0 0 0 2 l o g l o ( 五) d ，盯= 4 d b ，1 0 m d 【鸽= 尸厶( ) + 4 0 l 0 9 1 0 ( d d b e ) ，盯= 6 d b ， d 1 0 0 0 0 m 式中，j l 平均建筑物高度，取值5 米； 一断点距离( m ) ，= 2 刀正c ，z 为系统中心频率，单 位h z ；c = 3 0 x 1 0 8 m s 表示光速；h b s 、分别为发射天线、 接收天线的高度。 n l o s 模型为： p l = 1 6 1 0 4 7 1 l 0 9 1 0 ( 矿) 十7 5 l 0 9 1 0 ( j 1 ) - ( 2 4 3 7 - 3 7 ( h ) 2 ) l 0 9 1 0 ( k ) + ( 4 3 4 2 3 1 l 0 9 1 0 ( h b s ) ) ( 1 0 9 1 0 ( d ) 一3 ) + 2 0 1 0 9 , o ( 工) 一( 3 2 ( 1 0 9 1 。( 11 7 5 ) ) 2 - 4 9 7 ) ， 凶) i t = 8 d b ，1 0 m d 5 0 0 0 m 。 式中，形街道宽度，取值2 0 米。 ( 3 ) 多径信道模型f 删【4 5 】如下表所示： 表3 ii e e e8 0 2 16s u i 3 、s u i 一6 信道模型参数 信道模型参数抽头1抽头2抽头3 时延( 肛s ) o0 4o o 9 功率衰减( d b ) 0 5一l o s u i 3 r i c e a n 因子 l00 多普勒频移( h z ) 0 4 0 3o 5 归一化因子( d b ) 1 5 11 3 时延( p s ) 01 42 0 功率衰减( d b ) 0 1 01 4 s u i 6 r i c e a n 因子 0o0 多普勒频移( h z ) 0 4 0 30 5 归化因子( d b ) 0 5 6 8 3 多径衰落采用e e e s 0 2 1 6 s u i 信道模型，使用s u i 3 建模f e m t o c e l l _ m s 间链路； s u i 6 建模b s m s 间链路；对b s r s 间链路l o s 传播采用s u i 3 模型，n l o s 传 播采用s u t 6 模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 一 3 3 通用与车地无线通信网络仿真参数设置 通用无线通信系统中的基站、f e m t o c e l l 、用户均使用单发单收的全向天线。车地 无线通信系统中的用户使用单发单收的全向天线，基站、中继站、f e m t o c e l l 则根据方 案的不同选择不同的m i m o 技术。 通用、车地无线通信系统，系统级仿真参数分别如表3 2 、3 3 所示： 表3 - 2 通用无线通信系统仿真参数设置 参数取值 b s 端对端距离 系统带宽 f e m t o c e l i 覆盖半径 天线类型 b s 发送功率 f e m t o c e l l 发送功率 噪声功率谱密度 用户噪声系数( n o i s ef i g u r e ) 用户数 f e m t o c e l l 数目 f e m t o c e l l 、用户间最小距离 宏基站、f e m t o c e l l 间最小距离 1 k i n 3 8 4 m h z 3 0 m 全向天线 4 6 d b m 2 1 5 d b m 17 4 d b m h z 7 d b 3 0 0 5 0 3 0 0 2 0 c m 3 5 m 表3 3 车地无线通信系统仿真参数设置 参数取值 b s 端对端距离 中心频率 系统带宽 数据子载波数 b s 天线高度 r s 天线高度 m s 天线高度 车厢尺寸 天线类型 b s 每根天线发送功率 f e m t o c e l l 每根天线发送功率 噪声功率谱密度 噪声系数 每节车厢用户数 速度 基站铁轨间距离 穿透损耗 误比特率要求 双工方式 路径选择 2 k m 2 5 g h z 1 0 m h z 1 0 2 4 3 2 m 3 7 0 m 1 2 m 1 4 6 】 2 5 0 0 mx3 3 8 mx3 7 0 m t 4 6 1 全向天线 4 6 d b m 2 1 5 d b m 17 4 d b m h z 5 7 d b l 4 0 1 0 3 5 0 k m h 1 0 m 1 4 7 1 2 4 d b f 4 s 】 1 l o _ t d d 基于s n r 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 4 本章小结 本章分别对通用无线通信系统、车地无线通信系统下的仿真场景模型，信道模型， 部署的宏基站、中继站、f e m t o c e l l 、移动台等参数进行了定义。以便于下一步仿真平 台的搭建，相关性能评估及研究工作的展开。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第四章分层网络干扰管理以及切换研究 宏基站、f e m t o c e l l 组成的分层网络进行大规模的部署，面临着一系列的问题，在 本文第二章第四节进行了简要的介绍。本章将从干扰管理、切换两个方面对分层网络 进行研究，提出了基于部分频率复用的干扰解决方案、基于s n r 的切换算法，进行分 析并予以仿真验证。 4 1 分层网络干扰管理 解决宏基站、f e m t o c e l l 组成的分层网络中的共道干扰问题，主要有两种方式：自 适应功率控制；频谱资源分配。现今研究主要集中在通过自适应功率控制的方法，解 决共道干扰的问题，对频谱资源分配的方法涉及较少。 因此本节主要从频谱资源分配的角度出发，通过频率复用的方式，尝试在宏基站 使用部分频率复用技术，并通过提出的基于部分频率复用的分层网络干扰解决方案， 解决宏基站、f e m t o c e l l 问的共道干扰问题。 本节具体安排如下：首先对部分频率复用技术进行介绍，找出最佳内外圈比，作 为宏基站使用部分频率复用技术时内外圈的划分依据；然后通过仿真的方法对提出的 基于部分频率复用的干扰解决方案进行研究，并与频率复用因子为1 、1 3 的两种方案 进行比较；最后，通过对比不同方案下的吞吐率、信干噪比累计分布函数( c d f ) ，量化 的说明了提出的基于部分频率复用的干扰解决方案可以更有效的改善分层网络的共存 问题。 4 1 1 部分频率复用概述 干扰抑制技术主要分为三大类【4 9 】：干扰随机化；干扰消除；干扰协调回避。 其中的干扰协调技术主要有部分频率复用1 5 0 】【雏l ( f r a e t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ，f f r ) 、 软频率复用 5 2 5 3 1 ( s o i 置f r e q u e n c yr e u s e ，s f r ) 。 部分频率复用，又称为分数频率复用，由高通公司于2 0 0 5 年8 月提出，其主要思 想为对基站所用频率进行划分，宏基站内圈使用复用因子为1 的频率资源，外圈使用 复用因子为1 3 的频率资源。因此整个系统的复用系数介于l 、3 之间，称为部分频率 复用。通过该技术，可以有效改善小区边缘用户的接入质量，在吞吐率和频谱效率间 取得折中。 软频率复用，由华为公司于2 0 0 5 年5 月提出，其思想与高通公司类似，也是将原 有小区划分为内外区域，不同之处在于基站对内外圈用户使用不同的发射功率，达到 干扰协调的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 文献 5 4 】中，主要对i e e e8 0 2 1 6o f d m a 系统中的频率复用方式进行了讨论，并 对部分频率复用技术进行了性能评估，找出了最佳内外圈面积比：内圈使用的频率复 用因子为1 ，面积占小区总面积的2 0 ；外圈使用的频率复用因子为1 3 ，占总面积的 8 0 。 本文将基于高通公司的部分频率复用提案，并结合文献 5 4 】中的小区内外圈面积 比，提出基于部分频率复用的分层网络干扰解决方案。 4 1 2 基于部分频率复用的干扰解决方案 4 1 2 1 现有方案描述 现有方案中主要考虑频率复用因子为1 、1 3 的两种方案。 在2 g 蜂窝网络中，一般采用的频率复用因子为1 3 。其频率划分如图4 1 a 所示， 宏小区使用1 3 的频率资源，f e m t o c e l l 使用与所在宏小区正交的2 3 的频率资源。此方 案中，宏小区、f e m t o c e l l 的层间干扰可以近似忽略，干扰主要来自临近使用相同频率 的宏基站。 a ) 频率复用因子1 3 方案b ) 频率复用因子1 方案 图4 - 1 现有频率复用方案 在o f d m a 系统中，由于一般不考虑小区内干扰，因此使用复用因子为1 的方案。 其频率划分如图4 1 b 所示，系统中的宏小区和f e m t o c e l l 均使用全部的频率资源。在 此方案中，层间干扰、小区间干扰均需要进行考虑。 4 1 2 2 基于部分频率复用方案描述 提出的基于部分频率复用的干扰解决方案中，宏小区使用部分频率复用技术对小 区进行频率划分，如图4 2 a 所示，对宏小区划分内外圈，宏小区内圈用户使用2 3 的 频率资源，宏小区外围用户使用与之正交的1 3 频率资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 c e l ll 露弦二 囵 c e l l2 隧圜医习圈 c e l l3 圈 a ) 宏小区频率划分方案b ) f e m t o c e l l 频率划分方案 图4 2 基于部分频率复用方案 对f e m t o c e l l 划分为两类，其频率划分如图4 2 b 所示。如果部署在宏小区的内圈， 则使用与宏小区内圈所用频率正交的1 3 的频率资源：如果部署在宏小区的外圈，则使 用与宏小区外圈所用频率正交的2 3 的频率资源。此方案有效的避免了层间干扰，并减 小了小区间的干扰，因此可以作为种可供研究的分层网络干扰解决方案。 4 1 2 3 基于部分频率复用方案性能分析 本节使用系统吞吐率、接收信干噪比累计分布函数( c d f ) 对现有方案及提出的方案 进行性能评估。 吞吐率的计算主要根据香农容量限【5 5 】： g ：w l 0 9 2 ( 1 + 等) ( 4 - 1 ) 1 0 1 0 式中，口0 3d b5 形_ 信道带宽( h z ) o 。 s l n r 一接收信于噪比。 用户可以接入宏小区，也可以接入f e m t o c e l l ，因此对两种情况下的信干噪比计算 分别进行讨论。 对接入宏小区的用户，接收信干噪比为： s i n r m2 瑟南 式中，一接入宏小区用户的接收信干噪比； 宏小区用户接收信号强度； m 干扰宏小区编号； 乞干扰宏小区用户接收信号强度； ( 4 2 ) 亘壶窒湮太掌亟匠窒生学位论文第2 0 页 只干扰f e m t o c e l l 用户接收信号强度； 热噪声功率。 对接入f e m t o c e l l 的用户，接收信干噪比为： s i n r f2 西南 ( 4 - 3 ) 脚 ， 式中，凇，接入f e m t o c e l l 用户的接收信干噪比； 只一f e m t o c e l l 用户接收信号强度； 厂干扰f e m t o c e l l 编号； 只干扰f e m t o c e l l 用户接收信号强度； 己干扰宏小区用户接收信号强度； 熟噪声功率。 4 1 3 仿真和结果分析 根据第三章所描述的通用无线通信系统模型、信道模型及仿真参数，对现有方案 及提出的基于部分频率复用的方案进行仿真分析。 n u m b e ro ff o m t o b a s es t a t i o n s 图4