（通信与信息系统专业论文）femtocell网络中干扰抑制技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 f e m t o c e l l 技术以其较好的热点覆盖、较高的传输速率以及较大的网络容量， 成为h s p a 、w i m a x 以及l t e 网络中补充覆盖的重要途径之一，但同时也造成了 网络中复杂的c c i ，严重制约了f e m t o c e l l 网络性能的提高。为此，如何有效抑制 f e m t o c e l l 网络中的干扰尤其是层间干扰成为提高网络组网性能的关键。在传统的 网络中，m a c r o c e l l 可以通过m i m o 预编码技术、软频率复用技术以及功率控制技 术消除小区问干扰，提高信号质量。而在f e m t o c e l l 网络中，由于其位置和数量具 有不确定性，这些传统的干扰抑制方案并不完全适用。因此有必要结合f e m t o c e l l 网络的特性对干扰抑制方案进行分析。基于此，本文对f e m t o c e l l 网络中m i m o 技 术进行了深刻分析研究： 首先，本文系统地阐述了f e m t o c e l l 网络的关键技术，详细地描述了f e m t o c e l l 网络中的主要干扰场景，总结了现有的一些干扰抑制方案的优缺点，并对f e m t o c e l l 网络的信道衰落模型以及m i m o 的基本理论进行了阐述，从而为基于m i m o 的干 扰抑制研究奠定了基础。 其次，本文通过对f e m t o c e l l 网络建模，结合f e m t o c e l l 的分布特性，将基于 s u - m i m o 的本征波束赋形、正交空时编码以及天线选择技术应用于f e m t o c e l l 网 络，详细给出了无f e m t o e e l l 覆盖半径、f e m t o c e l l 最优密度以及m a c r o c e l l 覆盖半 径的数学表达形式，并对其所带来的干扰抑制效果进行了分析研究。在此基础上， 给出了一种基于认知无线电的资源分配方案，并从f e m t o c e l l 的最优密度角度分析 了该分配方案。 最后，在前述分析的基础上，进一步分析研究多用户预编码技术对f e m t o e e l l 网络的干扰抑制作用，详细给出了脏纸编码，迫零预编码以及块对角化预编码的频 谱效率的精确表达形式，并针对不同预编码方案，得到了不同收发天线数下的最优 传输数据流的数量，从而为多用户m i m o 技术在f e m t o c e l l 网络中的实际应用以及 优化提供了理论依据。在此基础上，本文给出了一种基于载波监听的功率控制方案， 设计了在块对角化预编码方案下的最小监听半径以及功率比上下限，从而在大规模 部署f e m t o e e l l 时，可以为m a c r o c e l l 边缘用户提供均匀的覆盖。 关键词：f e m t o c e l l ，干扰抑制，m i m o 重庆邮电大学硕士论文 a bs t r a c t f e m t o c e l lt e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n tw a yo ft h es u p p l e m e n tc o v e r a g eo f h s p a 、 w i m a xa n dl t en e t w o r kf o ri t sb e t t e rh o t s p o tc o v e r a g e 、h i g h e rd a t ar a t e sa n dg r e a t e r n e t w o r kc a p a c i t y b u t ，a tt h es a m et i m ei ta l s oc a u s et h ec o m p l e xc c ii nt h en e t w o r k s ， a n ds e r i o u s l yr e s t r i c tt h ei m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h e r e f o r e ，i ti st h ek e yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k st h a th o wt o e f f e c t i v e l ys u p p r e s s t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w o t i e rn e t w o r k ，e s p e c i a l l yc r o s s t i e r i n t e r f e r e n c e i nt h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s ，m a c r o c e l lc a ne l i m i n a t ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e a n di m p r o v et h es i g n a lq u a l i 锣b ym i m o p r e c o d i n gt e c h n o l o g y 、s o f tf r e q u e n c yr e u s ea n d p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y h o w e v e r , i nt h ef e m t o c e l ln e t w o r k s ，b e c a u s et h el o c a t i o na n d n u m b e ra r eu n c e r t a i n , t h e s et r a d i t i o n a li n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m e sa r e n ts u i t a b l e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o t i e rn e t w o r k s a n da n a l y z et h es u p p r e s s i o ns c h e m eo ft h ei n t e r f e r e n c e b a s e do nt h i s ，i nt h i sp a p e r , t h e m i m ot e c h n o l o g yi nt h et w o t i e rn e t w o r k si sd e e p l ya n a l y z e d f i r s t l y , t h ek e yt e c h n o l o g y so ff e m t o c e l ln e t w o r ka r ec o m p r e h e n s i v e l yd e s c r i b e d , t h em a i ni n t e r f e r e n c ei nt h ef e m t o c e l ln e t w o r ki sd e p i c t e di nd e t a i l ，t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gs c h e m e s a b o u tt h ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o na r es u m m a r i z e d a n dt h ec h a n n e lf a d i n gm o d e lo ft w o t i e rn e t w o r k sa n dt h eb a s i ct h e o r ya b o u tm i m oa r e d e s c r i b e d ，s o 嬲t ol a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n b a s e dm i m o s e c o n d l y , f e m t o c e l ln e t w o r k si sm o d e l e d ，t h ee i g e nb e a m f o r m i n g 、o r t h o g o n a l s p a c e t i m ec o d i n ga n da n t e n n as e l e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nm i m o a r eu s e di nt h e f e m t o c e l ln e t w o r k s w h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c ea b o u tf e m t o c e l ld i s t r i b u t i o ni sc o n s i d e r e d t h ee x a c tm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sa b o u tt h en o - c o v e r a g ef e m t o c e l lr a d i u s 、t h eo p t i m a l d e n s i t yo ff e m t o c e l la n dt h er a d i u so fm a e r o c e l lc o v e r a g ea r eg i v e ni nd e t a i l ，a n dt h e e f f e c to ft h ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，ar e s o u r c ea l l o c a t i o n s c h e m eb a s e do nt h ec o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yi sg i v e n , a n dt h ef e r n t o c e l lo p t i m a l d e n s i t yi si m p r o v e dw e l l f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h , t h ee f f e c to ft h ei n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o no f t h em u l t i u s e rp r e c e d i n gt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h ee x a c t e x p r e s s i o n so f t h es p e c t r u me f f i c i e n c ya b o u td p c 、z fa n db da r eg i v e ni nd e t a i l ，a n d 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t t h eo p t i m a ln u m b e ro ft h eu s e ri nt h ed i f f e r e n tp e r c o d i n gs c h e m ei sg e t ，s oa st op r o v i d e t h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h em u - m i m oi n t h et w o 。t i e rn e t w o r k b a s e do nt h i s ，ap o w e rc o n t r o ls c h e m eb a s e do nt h ec a r r i e r - s e n s i n g i sg i v e n , t h em i n i m u ms e n s i n gr a d i u sa n dt h el i m i to ft h ep o w e rr a d i oa r ed e s i g n e d , t h u s w h e nt h el a r g ef e m t o c e l la l ed e p l o y e d ，t h eu s e r si nt h ee d g eo fm a c r o e e l ln e t w o r k sc a n g e tu n i f o r mc o v e r a g e k e yw o r d ：f e m t o c e u ，i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，m i m o i i i 重庆邮电大学硕士论文 图索引 图索引 图1 1f e m t o c e l l 的物理结构3 图1 2r a n 网关方式网络结构3 图2 1f e m t o c e l l 网络中的主要干扰9 图2 3m i m o 系统框图1 4 图3 1f e m t o c e l l 网络部署结构2 1 图3 2 无f e m t o c e l l 覆盖半径与f e m t o c e l l m a c r o c e l l 之间功率比的关系3 1 图3 3m a c r o c e l l 最大覆盖半径与m a c r o c e l l f e m t o c e l l 之间的功率比关系 。：；：! 图3 4 在满足f e m t o c e l l 用户中断概率要求下的f e m t o c e l l 最优密度3 2 图3 5 在满足m a c r o c e l l 用户中断概率要求下的f e m t o c e l l 最优密度3 3 图3 6 在l t e 下行传输中，f e m t o c e l l 发射天线、用户接收天线与f e m t o c e l l 最优密度的关系3 3 图3 7 在l t e 下行传输中，m a c r o c e l l 的发射天线、用户接收天线与 f e m t o c e l l 最优密度的关系3 4 图3 8 在引入避免区域后，f e m t o c e l l 密度的变化情况3 6 图4 1 在满足f e m t o c e l l 用户中断概率要求时，不同多用户预编码方法的 频谱效率4 5 图4 2 在满足m a c r o c e l l 用户中断概率要求时，不同多用户预编码方法的 频谱效率4 6 图4 3 在满足f e m t o c e l l 用户中断概率要求时，不同f e m t o c e l l 的期望用户 数下的频谱效率4 7 图4 4 在满足m a c r o c e l l 用户中断概率要求时，不同m a c r o c e l l 的期望用户 数下的频谱效率4 7 图4 5 在不同发射天线下，使网络频谱效率达到最大的期望用户数量4 8 图4 6 对于不同的路径损耗指数，所需要的f e m t o c e l l 最小监听半径5 3 图4 7 在不同位置上，m a c r o c e l l 与f e m t o c e l l 传输功率比的上下限5 3 图4 8m a c r o c e l l 用户的瞬时速率的累计分布函数5 4 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 缩略语 i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 通信技术的飞速发展，特别是近年来涌出的诸如w i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接入) 、h s p a ( h i g l ls p e e dp a c k e t a c c e s s 高速分组接入) 、l t e a d v a n c e d 等新技术，不断地将人们对高速率传输业 务的需求变成现实或可能，不容质疑，这些新技术从业务的角度上看的确解决了如 何提高数据传输速率的问题，但事实上，这些技术的实现必须面对一个无线通信的 基本问题通过无线传播媒质实现传输，而这些技术在无线传输方面通常面临诸 如空间传输损耗较大，穿透力较差，以及室内覆盖效果不佳等因素的约束。另一方 面，大量需要提供高速率业务的场景是在室内，统计分析表明约有5 0 的语音业务 和7 0 高速数据传输产生在室内。为此，如何既能保证有效的无线传输质量，又能 提供较高的数据传输速率，成为当前高速数据传输下的重要研究内容之一。 当前解决上述问题的技术主要集中在f e m t o c e l l 、i m a ( u n l c e n s e dm o b i l e a c c e s s 非授权移动接入) 以及p i c o c e l l 等上【l 】。事实上，由于u m a 通常需要双模 手机的支持而使得终端要求较高，并且其工作在非授权频段很容易产生噪音及延迟 等，以及p i c o c e l l 通常是由不同运营商自行安装，导致网络建设成本较高、网络规 划和优化较困难等因素，导致这两种技术都没有得到广泛应用。目前家庭基站 ( f e m t o c e l l ) 是针对如上需求而被提出的一种作为蜂窝移动通信系统覆盖补充的重要 和典型的室内覆盖方式。 f e m t o c e l l 的主要优点体现在如下几个方面：较强兼容性，该覆盖方式支持 g s m 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 1 x 、t d s c d m a 以及l t e 、l t e a 等，同时从网络 配置角度上它还具有即插即用、自动配置和自动管理等特点；作为有效的覆盖补 充，基本实现了无缝覆盖，以及同样具有其他室内覆盖方式的特点，例如发射功率 低、电池寿命长，电磁污染小等；充分利用当前网络用户的宽带接口，用户端不 需要增加额外成本。 虽然如此，随着若干新网络架构和技术的不断推进，f e m t o c e l l 网络依然面临 着一个蜂窝网络传统的难题：同频干扰。由于f e r n t o c e l l 是由用户自主购买、随意 安装的，其位置和数量具有不确定性，导致f e m t o c e l l 网络中的干扰问题非常复杂， 严重影响了f e r n t o c e l l 性能优势的发挥，制约了覆盖效果以及网络容量的提高。因 此，有必要在当前f e m t o c e l l 发展现状的基础上，总结现有技术的优缺点，并结合 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 l t e 系统的通信要求，对f e m t o c e l l 网络中的干扰抑制技术进行分析，从而推动 f e m t o c e h 技术在无线通信中更好应用。 1 2f e m t o c e l l 网络的关键技术及其发展 f e m t o c e l l 概念最早是由英国u b i q u i s y s 公司提出的，主要是为了应对3 g 初期 网络覆盖不足以及由于w i f i 技术迅速发展而导致的3 g 语言数据业务不断流失问 题而提出的。它从产生开始就成为国内外讨论的热门话题，吸引了全球主要通信设 备公司、运营商、网络服务商的注意力( 如表1 1 ) 。其中e r i c s s o n 、n o k i a 、p i c o c h i p 、 a l c a t e l l u c e n t 、z t e 、h u a w e i 等公司都积极的投身于对f e m t o c e l l 的研发。另外， 互联网搜索引擎谷歌公司也于2 0 0 7 年拆巨资注入u b i q u i s y s 公司，正式进入 f e m t o c e l l 产业。在f e m t o c e l l 的不断发展过程中，技术标准也在不断地完善。2 0 0 9 年6 月，3 g p p 、f e m t of o r u m 、b r o a d c o mf o r u m 共同推出了u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，通用移动通信系统) f e m t o c e u 首个全球性标准r e l e a s e 8 t 2 ，此标准涵盖网络架构、无线干扰问题、管理规范以及安全问题，为实现不同 厂商的切t s 接取点与f e m t o c e l l 网络网关间的互通性扫除了障碍，必将直接推动 f e r n t o e e l l 技术的商用化进程。与此同时，w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接入) 论坛和f e m t o c e l l 论坛也宣布将对f e m t o c e l l 与w i m a x 进行结合，这也必将综合两者的优点，实现更高的服务质量。 表1 1 现在主要的f e m t o c e u 供应商 设备商合作者或运营商业务覆盖范围主要技术 s a m s u n g ( u b i c e l l )s p r i n t ( a i r a v e ) 北美 1 ) i s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 l x e v 二d o 2 ) w c d m a a 订w | a l lt a t a r as y s t e m sa n dt a n g o 北美 c d m a c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k s1 x i t t t & l x e v d o e n c s $ o l l欧洲g s m 们g p pu m 陌s a i r v a n an o l d a s i e m e n s3 g p pu m 陌s a l c a t e l l u c e n t 北美 3 g p pu n 盯s a x i o mw i r e l e s s p i c o c h i p 英国 1 ) 3 g p p u m 丌s 2 ) w j m a x i pa c c e s s ( o y s t e r ) p i c o c h i p 英国3 g p pu f r s u b i q u i s y s ( z o n e g a t e ) k i n e t ow i r e l e s s ，g o o g l e 英国3 g p pu n 盯s h s p a f e m t o c e l l 是针对小范围小规模的用户来提供更好更快的数据业务，它不同于传 统的由运营商安装管理的m a c r o c e l l 和m i c r o c e u ，是一种完全由用户安装的基站设 备，它集成了路由器、以太网交换机、时间子系统以及同步动态随机存取存储器等 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 功能( 如图1 1 ) ，在此基础上，使其具有了与以往基站和i 舭不同的关键技术。 1 2 1 网络结构 目前，根据f e r n t o c e l l 到移动网的不同接口，有三种网络架构：l u bo v e ri p 方 案、s i p i i m s 方案、r g w ( r a ng a t e w a y ，r a n 网关) 方案1 训。根据国际标准化组 织3 g p p 的建议，f e r n t o c e l l 将采用r g w 方案( 见图1 2 ) 。 f _ 一一一一一一一一一一一一一一一i t r a d i t i o nu l 盯sa r c h i t e c t u r e t 一伽 一一一1 l l l l i i l l l l i i l l l _ _ _ - _ - 1 图1 2r a n 网关方式网络结构 在r g w 方案中，f e m t o c e l l 集成了基站和r n c 的部分功能，在口网和移动核 心网之间引入一个新的r a n 网关，来负责协议转换、业务汇聚以及网络安全。 f e m t o c e l l 通过i p s e c 对数据进行编码和加密后，通过d 隧道连接到r g w 的l u h 接 3 ，；l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 口上，并由一个安全网关s e g w 来提供适当的安全机制。通过l u h 接口，在控制平 面上，r g w 能够应用h n b a p 协议( h n ba p p l i c a t i o np r o t o c o l ，家庭基站应用协议) 来完成错误处理以及f c m t o c c l l 注册等功能，在用户平面上，r g w 能够支持用户面 的承载处理传输2 1 。在收到f e m t o c e l l 发送的信息后，r g w 通过现有的l u c s l u p s 接口将其送到核心网中，核心网将r g w 当成普通r n c 设备来处理。这个方案由 于其前期投资少，对核心网影响小，受到了运营商的青睐，成为了u m t sf e m t o c e l l 标准中的网络架构。 1 2 2 自动管理技术 由于f e m t o c d l 是由用户安放管理的，所以它应该具有自动配置、自动管理、 即插即用的特点。这主要表现在：f e m t o c e l l 能自己搜索运营商的网络，并自动进 行注册鉴定，自动升级，自动配置基站相关参数，自动设置发射功率等。其过程如 下：首先，f c m t o c c l l 向注册服务器进行注册，并查询网元管理系统( e l e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ， e m s ) 的地址，并向其发射请求信息。e m s 会在得到请求信 息后将其视为一个节点。其次，f c m t o e c l l 对m a c r o c e l l 和相邻f e m t o c e l l 的信息进 行扫描，以此来选择传输频率，设置最初的射频功率以及邻区列表，并且向e m s 发送报告。再次e m s 判决来自f e m t o c e l l 报告是否可行，并且发送必要的初始化参 数，此时f e m t o c e l l 将得到注册用户列表并且分配频率。最后，现有的f e m t o c d l1 与相连的移动终端通信，并且持续不断监听下行信道状况。当有新的f e m t o e e l l2 设置它的初始化参数时，f ( 兰m t o c e l l1 向e m s 报告下行信道状况。如果f e m t o c c l l1 的信道状况变差，e m s 命令f e m t o c e l l2 降低发射功率。通过自动管理技术， f e m t o c e u 能够根据当前信道的状况以及同频干扰情况，及时调整发射功率和发射 频率，从而避免同频干扰，提高接收端的信噪比。 1 2 3 同步技术 同步技术在f e m t o c e l l 中是一项非常重要的技术。通过同步技术，f e m t o c e l l 能 够将接收到的信息进行排列，以减少多址干扰【3 ，5 】，方便用户在m a c r o c d l 与f e m t o e e l l 之间切换。候选的同步技术主要有3 种：1 ) i e e e l 5 8 8 ：这是一个基于口网的精确 计时协议。在这个协议中，通过组播协议主单元发送参考时钟以及延迟时间给所有 的从单元【6 7 】。2 ) g p s a g p s - 这种方法是将g p s 技术用于f e m t o c e l l ，以此来同步 f e m t o c e l l 网络，它需要有非常稳定的室内卫星接收机，成本较高。3 ) 和m a c r o c e l l 网络协同工作：这种方法是m a c r o c e l l 周期地向它内部的f e m t o c e l l 发送时钟信息， 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 以此来同步所有的f e m t o c e l l t 3 1 ，这种方法可能造成额外的系统开销。目前，第一种 候选方案受到了更广泛的关注，因为它不仅能够十分容易地实现亚微秒级时间同 步，满足f e m t o c e l l 系统的要求，而且可以充分利用口网络资源，减少设备成本。 1 2 4 接入控制技术 接入技术是f e m t o c e l l 技术获得成功的关键技术之一。优越的接入方法能够降 低干扰，减少不必要的切换，提供更好的q o s 。目前常采用的接入方式有2 种：闭 合接入和开放接入。闭合接入仅仅为相关的几个用户提供服务( 如家庭用户) 。它具 有可靠的安全性，能很好地保护隐私，但是会对附近的宏蜂窝用户造成严重的干扰， 使整个网络的吞吐量减少大约1 5 t 引。开放接入可以为所有通过f e m t o c e l l 的用户 提供服务。它能够减少宏蜂窝的负载，提供更好的q o s 和更高的吞吐量，但是它 也会降低数据速率，产生较高的跨层干扰1 3 1 。因此，选择一种合适的访问方式对减 少干扰、提高资源利用率是至关重要的。鉴于闭合接入和开放接入的特点，以及接 入时必须保证拥有f e m t o c e l l 的家庭用户q o s 首先得到满足这一要求，一种自适应 接入方式或混合接入方式【9 】( f e m t o c e u 的一部分资源为家庭成员服务，而其他的资 源向漫游者开放) 被提出来解决接入的问题。 1 2 5 双层切换技术 实现f e m t o c e l l 网络和m a e r o e e l l 网络的无缝切换是f e m t o c e l l 部署的关键一步， 也是难点之一。在一个f e m t o c e l l 网络中的切换主要有3 种，1 ) f e m t o c e l l 到相邻 f e m t o c e l l 之间的切换：这种切换只需要在f e m t o e e l l 设备中设置相邻的f e m t o c e l ld 列表就可以了。2 ) f e m t o c e l l 到m a c r o c e l l 之间的切换：这种切换比较简单，因为无 论什么时候，用户离开f e m t o e e l l 网络时，除了m a e r o e e l l 网络没有其他的选择。 3 ) m a c r o e e u 到f e m t o c e l l 之间的切换：这种切换要复杂的多，需要设置邻区f e m t o c e l l 列表，从列表中大量的f e m t o e e l l 里选出合适的目标f e m t o c e l l 【1 0 1 ，此外它还需要复 杂的干扰计算以及授权检验。 除了以上3 种基本的切换以外，还需要切换管理方案对网络中频繁的切换进行 管理。而传统的蜂窝切换政策并不能扫描大量的f e m t o c e l l 列表，其网络设备也不 能迅速改变列表【4 】，很容易造成网络拥挤。另外如果用户以高速穿过f e m t o c e l l 网 络时，要进行m a c r o c e l l 到f e m t o c e l l 和f e m t o c e l l 到m a e r o e e l l 的两次切换，这种切 换也是完全没必要的，会造成网络资源的大量浪费。因此，就需要新的切换管理方 法来管理f e m t o c e l l 网络之间的无缝切换，以减小不必要切换次数。文献 1 0 】中给出 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 了基于c a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，呼叫接纳控制) 的切换方法，它能够明显的减 少不必要切换，提高q o s 。【1 1 提出了自动管理方法。当没有呼叫时，这种方法能 够周期的减少每个f e m t o c e u 的导频功率从而最小化切换次数。 1 2 ，1 3 】评估了在 p i c o e e l l 中的包括软切换在内的不同切换算法，为这些算法在f e m t o c e l l 中的应用提 供了参考。【1 4 】提出了一种基于移动站位置与速度的切换算法，结果显示用这种方 案可以明显减少不必要的切换。【1 5 】研究了最优化移动高速接入，并为f e m t o c e l l 网络中的切换提出一种移动性管理方案。【1 6 】提出了两种关于信号强度和速度切换 算法。相对于传统的软切换来说，这种算法能够明显减少不必要的切换，使高速移 动的用户的切换概率减少一大部分。 然而，上述算法虽然能够有效地减少切换次数，但对于f e m t o c e u 众多造成的 m a c r o c e l l 邻区列表有限( 其中一部分还要用于m a c r o c e l l 之间的切换) 问题并没有实 质的解决方案，为此，提出了逻辑小区的概念。m a c r o c e l l 不需要关心每个f e m t o c e u 的d ，只需要知道多个f e m t o c e l l 组成的逻辑小区的设置就可以了，这为解决邻区 列表有限的难题提供了希望。 1 3 本文的主要内容及结构安排 本文主要是以f e m t o c e l l 网络为模型，以网络中复杂的干扰抑制为主线，针对 f e m t o c e l l 的分布特性，引入m i m o 的不同关键技术来抑制f e m t o c e l l 网络中的层内 干扰和层间干扰。在此基础上，进而阐述了基于m i m o 的资源分配技术，进一步 有效的抑制了层间干扰。具体工作和详细内容如下； 论文的第二章首先介绍了f e m t o c e l l 网络中的干扰场景以及现有的一些干扰抑 制方案，其次对f e m t o c e l l 网络中的信道损耗模型进行了描述，最后介绍了m i m o 相关理论知识及其关键技术，从而为后续的研究奠定了基础。 论文的第三章首先对f e m t o c e l l 网络m i m o 系统进行建模，从而将本征波束赋 形、正交空时编码以及天线选择技术应用于f e m t o c e l l 网络，详细给出了无f e m t o c e l l 覆盖半径、f e m t o c e l l 最优密度以及m a c r o c e l l 覆盖半径的精确表达形式，并对其所 带来的干扰抑制效果进行了分析。其次，在本征波束赋形的基础上，本文分析了一 种基于认知无线电的资源块分配方案，从而很好的提高了f e m t o c e l l 的最优密度。 论文的第四章就多用户预编码技术对f e m t o c e l l 网络的干扰抑制作用进行了分 析，详细比较了分别采用脏纸编码、迫零预编码以及块对角化预编码的f e m t o c e l l 网络的频谱效率，并得到了不同预编码方案下的最优用户数，为f e m t o c e l l 网络中 多用户m i m o 技术的实际应用提供了理论依据。其次，在块对角化预编码的基础 上，本文分析了一种基于载波监听的功率控制方案，设计了其最小监听半径以及 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 f 锄t o c e i i 发射功率的范围，从而在大规模部署f e m t o c e l l 时，可以使m a c m c e l l 边 缘用户得到均匀的覆盖。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章f e m t o c o l l 网络的干扰分析以及m i m o 理论 第二章f e m t o c e l l 网络的干扰分析以及m i m o 理论 2 1 引言 f e m t o c e l l 网络是嵌入在m a c r o c e l l 中的低功率无线接入点，和m a c r o c e l l 网络 或者室内分布系统构成了分层网络。与以往m i c r o c e l l ，p i c o c e l l 以及m a c r o c e l l 所不 同，f e m t o c e l l 完全由用户自主安装，位置具有随意性，运营商很难对m a c r o c e u 网 络中大量随机出现的f e m t o c e l l 网络进行合理规划，造成网络中存在复杂的层内干 扰以及层间干扰，严重影响了覆盖效果以及网络容量的提高。因此，在这一部分， 我们对f e m t o c e l l 网络中的干扰进行了分析，介绍了现有的一些干扰抑制技术，并 对f e m t o c e l l 网络路径损耗以及m i m o 基本理论进行了阐述，从而为之后的基于 m i m o 的f e m t o c e l l 网络干扰抑制分析打下基础。 2 2f e m t o c e l l 网络中的干扰问题 2 2 1 干扰场景 在f e m t o c e l l 网络中，由于f e m t o c e l l 与m a c r o c e u 工作在相同的频段且在地理 位置上重叠，因此f e m t o c e l l 之间以及f e m t o c e l l 与m a c r o e e u 之间都存在着复杂的 干扰。图2 1 显示了f e m t o c e l l 网络中主要的干扰类型。在前向链接中，由于m a c r o c e l l 的发射功率比f e m t o c e l l 大很多，距离m a c r o c e l l 很近的f e m t o c e l l 用户会遭受严重 的层间干扰，同样，在小区边缘，由于路径损耗的缘故，m a c r o c e l l 用户接收到的 m a c r o c e l l 期望信号比较弱，很容易受到附近f e m t o e e l l 的下行干扰。在反向链接中， 小区边缘m a c r o c e l l 用户以最大功率传输信息，这将对附近的同波道部署的 f e m t o c e l l 造成严重的层间干扰。而在m a c r o c e l l 附近的f e m t o c e l l 用户也会对 m a c r o c e l l 接收信号造成干扰。此外，位于相邻房间内的f e m t o c e l l 之间也存在着大 量的层内干扰，但由于墙壁的衰落作用，相对于层间干扰来说，层内干扰相对要小 一些【1 7 】。除了上述的6 种主要干扰以外，m a c r o c e u 网络之间的小区间干扰也存在 于网路中，但由于w i m a x 、l t e 以及l t e a 都采用了部分频率复用技术，相比 而言，小区间的干扰比较小，在本文中，我们忽视这部分干扰。 重庆邮电大学硕士论文第二章f e m t o c e l l 网络的干扰分析以及m i m o 理论 f e i n t o c e l l 网络的上行干扰 f 鲫t o c e l l 网络的下行干扰 2 2 2 干扰9 1 韦u 分析 图2 1f e m t o c d l 网络中的主要干扰 从上面分析我们知道，f e m t o c e l l 网络是一个干扰受限网络，它的覆盖效果、 网络容量主要受限于分层网络中复杂的c c i n 刖，如表2 1 所示，随着f e m t o c e l l 密 度的增加，m a c r o c e u 用户遭受更多的层间干扰，从而导致m a c r o c e l l 频谱效率不断 减小。因此，如何能够很好的抑制层内干扰尤其是层间干扰，提高蜂窝小区的覆盖 效果，充分发挥f e m t o c e l l 的覆盖优势，一直是f e m t o c e l l 研究的重点。目前，对于 f e m t o c e l l 网络中干扰抑制的研究主要集中在资源分配，功率控制以及天线分布等 方面。 表2 1f e m t o c e l l 网络中m a e r o e e l l 与f e r n t o c e l l 的性能 小区中f e m t o c 七l l 吞吐量频谱效率 m a e r o c e l l 频谱 f e m t o c e l l 存在不存在存在 吞吐量效率 不存在 的数量 m a c r o c e l lm a c r o c e l lm a c r o c e l lm a