在宏小區(qū)（Macrocell）和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)中，有兩種資源分配方式：一種是兩種網(wǎng)絡(luò)共享頻譜資源，另一種是兩種網(wǎng)絡(luò)采用相互正交的頻譜資源[3-4]。

如果Femtocell采用與Macrocell相同的頻譜資源，由于Macrocell基站的功率較大，而Femtocell基站的功率較小，因Macrocell對Femtocell用戶的干擾較大，會造成Femtocell用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）降低；而由于Femtocell對Macrocell用戶的干擾較小，Macrocell用戶受到的影響可忽略不計。

如果Femtocell采用與Macrocell正交的頻譜資源，則兩種網(wǎng)絡(luò)互不干擾。由于目前通信系統(tǒng)的頻帶資源極為寶貴，這種相互正交分配資源的方式造成了資源的極大浪費。

本文在綜合分析干擾、頻帶利用率和能耗的情況下，將兩種資源分配方式相互結(jié)合，提出了一種基于動態(tài)資源分配的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，從而達到節(jié)約能源、降低干擾和提高系統(tǒng)性能的目的。

1 毫微微小區(qū)中降低干擾的方法

針對Femtocell，現(xiàn)在已經(jīng)有一些降低干擾的方法。

（1）干擾避免

由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特殊，在Femtocell網(wǎng)絡(luò)中單一的干擾抑制技術(shù)是無效的。采用串行干擾抵消技術(shù)是將接收到的信號減去最強的臨近干擾，從而起到信號還原的作用。如果干擾抵消不準確，抗干擾效果會很差。由于Femtocell設(shè)備的低成本要求，F(xiàn)emtocell的基站和發(fā)射器必須復(fù)雜度低，使得串行干擾抵消技術(shù)的不易實現(xiàn)，所以干擾抵消技術(shù)不能滿足Femtocell的要求。在Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于干擾避免技術(shù)是避免干擾而不是抑制干擾，因此減少干擾是更為有效的方法。對于碼分多址復(fù)用（CDMA）系統(tǒng)，由于Femtocell網(wǎng)絡(luò)采用頻率復(fù)用技術(shù)，當(dāng)宏單元和Femtocell用戶使用共同帶寬時，干擾避免是采用跳時技術(shù)和定向天線技術(shù)來實現(xiàn)的，可以提供7倍的系統(tǒng)容量改善。

（2）跳頻與跳時技術(shù)

在GSM網(wǎng)中，通過采用慢跳頻技術(shù)來避免Femtocell用戶和Macrocell用戶之間的相互干擾。同樣，跳頻正交頻分多址（OFDMA）網(wǎng)絡(luò)使用隨機子信道分配，以減少與周邊基站持續(xù)干擾的概率。在跳時CDMA中，CDMA的持續(xù)時間被分散在M個時隙中，用戶將隨機選擇發(fā)送時隙或者發(fā)送時隙保持靜默。隨機跳時技術(shù)通過M系數(shù)來權(quán)衡處理增益，從而減少干擾用戶的平均數(shù)量。這種方法就是改變現(xiàn)有的CDMA Macrocell的運營網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)Femtocell技術(shù)。

（3）自適應(yīng)功率控制

Femtocell（例如Sprint公司的Airave Femtocell）使用自適應(yīng)方案來調(diào)節(jié)Femtocell的發(fā)射功率，以解決跨層干擾問題。在前向鏈路過程中，愛立信提出通過增加Femtocell和Macrocell之間的距離來降低Femtocell發(fā)射功率，從而減少對宏單元用戶的干擾。這種折衷的方法將減小Femtocell的家庭覆蓋范圍。在反向鏈路過程中，建議根據(jù)Femtocell用戶的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶及相關(guān)的Macrocell用戶。

2 毫微微小區(qū)功控技術(shù)

由于無線通信系統(tǒng)的頻帶資源有限，Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)一般使用相同的頻譜資源，以便增加系統(tǒng)的頻譜利用率。在這種資源分配方式下，下行鏈路Femtocell用戶受到的來自Macrocell基站的干擾比較嚴重。為了保證Femtocell用戶的QoS，要求Femtocell基站以較大的功率發(fā)射信號。因此傳統(tǒng)的Femtocell系統(tǒng)中所有Femtocell基站都采用了最大功率發(fā)射，即使在干擾很小的情況下，也采用了很大的發(fā)射功率，造成能源非常浪費。

雖然Femtocell基站的發(fā)射功率比Macrocell基站低得多，但其基站數(shù)目卻是Macrocell基站的幾十倍甚至上百倍，因此Femtocell的能耗過大問題值得關(guān)注。

針對上述問題，本文提出一種基于動態(tài)資源分配的功率控制方法。首先，在傳統(tǒng)的模型基礎(chǔ)之上，改變Femtocell的功率，使每個Femtocell都以最小的功率發(fā)射。同時，結(jié)合接入控制，使每個用戶信號在隨機的時間間隔點到達且占用隨機的服務(wù)時間，由系統(tǒng)在每個用戶信號到達時為其合理分配資源。接著在模型中加入功率控制，即Femtocell的發(fā)射功率隨著每個用戶的信號與干擾噪聲比（SINR）情況而改變，F(xiàn)emtocell與Macrocell存在同頻干擾時，增大Femtocell的發(fā)射功率；當(dāng)同頻干擾結(jié)束時，F(xiàn)emtocell恢復(fù)到原來的最小功率值。

如圖1所示。當(dāng)Femtocell復(fù)用了Macrocell的資源，即資源匱乏時，為了保證Femtocell同頻用戶的QoS，F(xiàn)emtocell基站采用滿足QoS的較大的發(fā)射功率。

如圖2所示。當(dāng)Femtocell不復(fù)用Macrocell的資源，即資源充裕時，F(xiàn)emtocell用戶不受Macrocell的同頻干擾，用戶SINR較高，因此Femtocell可以采用較小的發(fā)射功率。這樣做既能滿足用戶的QoS，又能降低能耗，一舉兩得。

3 毫微微小區(qū)系統(tǒng)功控流程建模

在混合網(wǎng)絡(luò)中Macrocell和Femtocell是共享資源。相對與Femtocell基站的干擾而言，Macrocell基站的干擾要大很多。在考慮Femtocell基站功控的同時，我們應(yīng)該盡量避免Femtocell與本小區(qū)的Macrocell的復(fù)用，所以在給Macrocell用戶分配資源時，要盡可能避免與本小區(qū)中正服務(wù)的Femtocell用戶復(fù)用。鑒于此，本文給出Femtocell分配資源流程圖和Macrocell分配資源流程圖。

對于Femtocell用戶，資源分配的流程如圖3所示。對于Macrocell用戶，資源分配的流程如圖4所示。

Femtocell的功率可以動態(tài)改變。隨著Macrocell同頻資源的釋放，F(xiàn)emtocell用戶不再受到來自Macrocell的同頻干擾，F(xiàn)emtocell便可將發(fā)射功率降低；隨著系統(tǒng)逐漸飽和，時頻資源復(fù)用情況增多，同頻干擾逐漸增大，F(xiàn)emtocell的發(fā)射功率則需要提高，甚至恢復(fù)到無功控時的發(fā)射功率。本文將無功控的Femtocell發(fā)射功率設(shè)為最大功率。實際中Femtocell的功控流程如圖5所示。

在下行鏈路中，由于用戶可能接入Macrocell，也可能接入Femtocell，因此分別討論兩種情況下對用戶信干噪比（SINR）的計算。

對接入服務(wù)小區(qū)Macrocell的用戶：

式中：Pm'為用戶接收到服務(wù)Macrocell的信號強度，Pm'為用戶接收到的非服務(wù)Macrocell的信號強度，Pf 為Femtocell對Macrocell用戶的干擾，N為噪聲功率。

對接入服務(wù)小區(qū)Femtocell的用戶：

式中：Pm為用戶接收到服務(wù)Femtocell的信號強度，Pm為用戶接收到的Macrocell的信號強度，Pf ' 為其他Femtocell對用戶的干擾，N為噪聲功率。

總的來說：

其中：

將其轉(zhuǎn)化為分貝形式，用戶SINR的計算公式為：

SINR（dB）=Pt +Gt -ShadowFading

-PathLoss-PN -Itotal +Gr （5）

其中等式右邊各項參數(shù)：Pt為信號發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，ShadowFading為陰影衰落，PathLoss為路徑損耗，PN為噪聲功率，Itotal為小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的總干擾，Gr為接收天線增益。

4 系統(tǒng)性能仿真與分析

圖6所示為本文所仿真的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)，其中Macrocell引用了一個簡單的WiMAX系統(tǒng)模型[7-8]。圖中，右側(cè)的矩形表示整個頻率資源，小區(qū)中央的無線電發(fā)射塔為基站（BS），小區(qū)內(nèi)的無線接入點為Femtocell基站（HBS）。其中，Macrocell和Femtocell共享整個頻帶。Femtocell主要分布于室內(nèi)，因此路徑損耗模型中也包括穿透損耗。

在這種兩層網(wǎng)絡(luò)中，下行鏈路中涉及到的路徑損耗鏈路包括：鏈路BS→mue（mue為接入Macrocell基站的用戶），鏈路BS→hue（hue為接入Femtocell基站的用戶），鏈路HBS→mue，當(dāng)前接入的鏈路HBS→hue，周圍其他鏈路HBS→hue。

路徑損耗模型的計算公式如表1所示。表1中：L為穿透損耗，單位為dB；d為基站到用戶的距離，單位為km。

對接入模型進行仿真，由于用戶到達時間間隔和服務(wù)時間分別是服從參數(shù)為λ和μ的指數(shù)分布，因此，仿真結(jié)果會隨著服務(wù)時間和到達時間的改變而改變。

當(dāng)λ=5，μ=100時，仿真參數(shù)采用表2中的參數(shù)值，可以得到功控混合網(wǎng)絡(luò)的SINR累計分布函數(shù)如圖7（b）所示。將圖7（b）與圖7（a）相比，可以看出，Macrocell的性能幾乎沒有改變，而Femtocell性能改善很多，之前SINR小于10 dB的用戶概率大約為40%，而在本模型中不到10%。更多的Femtocell用戶可以選擇高調(diào)制編碼方式，系統(tǒng)吞吐率也大大提升。另外，F(xiàn)emtocell采用最小功率發(fā)射，更加節(jié)約能源，對人體的電磁輻射也大大降低。

圖8所示為加入功控的系統(tǒng)與未加功控的系統(tǒng)吞吐率隨著時間的變化曲線，其中系統(tǒng)吞吐率為兩種系統(tǒng)吞吐率之和。從圖中可以看出，當(dāng)用戶從t =0時刻開始到達，隨著用戶的增大，系統(tǒng)的吞吐率逐漸增大。當(dāng)系統(tǒng)達到飽和后，系統(tǒng)的吞吐率達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

比較圖8中上下兩條曲線可以看出，加入功率控制后，系統(tǒng)飽和時的吞吐率比沒有加入功率控制前增大了。因此我們可以認為，功率控制對降低系統(tǒng)干擾，提升系統(tǒng)性能效果明顯。

圖9為系統(tǒng)飽和吞吐率隨Femtocell數(shù)目增加的變化曲線。從圖中可以看出，隨著每個Macrocell中Femtocell數(shù)目的增加，混合系統(tǒng)的飽和吞吐率不斷提高。由于加入功控實際上是提高了Femtocell用戶的SINR，因此在一定范圍內(nèi)，隨著Femtocell數(shù)目的增加，加功控系統(tǒng)的飽和吞吐率比不加功控系統(tǒng)的高，且差距不斷增大。

5 結(jié)束語

通過以上關(guān)鍵技術(shù)的組合部署，僅僅毫微微小區(qū)系統(tǒng)的24小時開通平均功耗即可降低30%以上，單站點一年節(jié)省電耗6300 kWh。而基站功耗的減少，又使得相關(guān)的供電設(shè)備、散熱設(shè)備、維護設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備的數(shù)量和功耗也隨之降低，再配合新型能源如太陽能、風(fēng)能、生物能的應(yīng)用，可節(jié)省約50%的整網(wǎng)能源消耗。

本文提出了一種Macrocell小區(qū)和Femtocell小區(qū)混合網(wǎng)絡(luò)中基于動態(tài)資源分配的Macrocell和Femtocell混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。仿真結(jié)果表明，加入功控后，不僅可以降低能耗，還可以提高Femtocell用戶的SINR，從而提高整個混合系統(tǒng)的吞吐率。本文在考慮功控的同時還考慮了混合小區(qū)的干擾避免策略，因此我們設(shè)計的Macrocell和Femtocell的混合網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面更具優(yōu)勢。