LTE中femtocell间的功率控制算法

　　引言

　　2012年Small Cell高峰会议中指出，如何解决数据的急剧增长和室内覆盖问题成为当前无线移动通信的两大难题。根据已有数据显示，超过90%的数据业务和2/3的语音通话发生在室内[1]，因此室内覆盖问题成为当前无线移动通信亟待解决的关键问题。femtocell技术的出现很好地解决了室内覆盖问题，满足了不断增长的宽带化、高速率数据业务的需求，同时为室内用户提供了具有更大吸引力的更高数据速率，更低成本的业务，给运营商带了巨大的利益。

　　femtocell是一种由用户购买、配置灵活、可以安装在室内的小型化、低功耗基站，能够很好的改善室内语音和数据业务质量[2]。虽然femtocell能够解决高速数据业务的需求和室内覆盖问题，但也会给传统的宏蜂窝网络带来一定的干扰问题，影响整体网络的性能。由于无线频谱资源的有限性，femtocell和宏基站采用同频分配，当大规模部署femtocell时，femtocell对宏蜂窝网络及femtocell之间存在较强干扰，干扰会造成用户数据吞吐量降低或掉话，影响用户满意度。因此，有必要对femtocell进行功率控制，降低对相邻femtocell用户(Femtocell User Equipment，FUE)及宏用户(Macro User Equipment，MUE)的干扰。

　　针对不同的干扰情况，相应的干扰协调方案被提出。文献[3]对femtocell上行功率控制进行了研究，提出了一种基于宏基站干扰级别的功率控制方案，该方案通过调整FUE的最大发射功率来降低对MUE的干扰，在牺牲较小MUE吞吐量的前提下提高了FUE的吞吐量。文献[4]研究了femtocell下行功率控制，考虑用下行功率控制来缓解宏基站和femtocell的共存干扰，对多femtocell情况下提出了集中式和分布式解决方案，在集中式解决方案中提出联合功率控制和动态信道重分配策略，保证了MUE的服务质量(Quality of Service，QoS)。本文对femtocell之间的功率控制进行研究，通过调整服务femtocell或干扰femtocell的发射功率来提高FUE的低SINR，提高FUE的吞吐量。

　　干扰场景

　　由于femtocell的引入，3GPP长期演进(Long Term Evolution，LTE)原有网络的拓扑结构发生了较大的改变，因此，整个网络的干扰场景也有所改变。3GPP协议中已对femtocell和宏蜂窝基站之间的干扰场景进行了定义[5]，如图1所示。表1对干扰场景进行了说明，1~4为femtocell和宏基站之间的跨层干扰，1~3为上行干扰，2、4为下行干扰；5~6为femtocell之间的共层干扰。下面分别干扰场景进行简要说明。

　　(1)干扰场景1

　　当FUE离宏基站相对比较近时，宏基站收到FUE的干扰功率强于MUE的服务功率，因此会给宏基站的上行带来干扰，降低宏基站的性能。

　　(2)干扰场景2

　　当MUE离宏基站比较远时，接收来自宏基站的信号比较差，而离femtocell比较近，即在femtocell的覆盖范围内，如果femtocell的发射功率过大，就会对其附近的MUE产生较强的干扰，甚至会掉话，形成宏基站覆盖的“盲区”。此干扰场景在femtocell接入方式是封闭用户组(Closed Subscriber Group，CSG)[1]时更加严重。

　　(3)干扰场景3

　　femtocell下行对MUE产生干扰，反过来，MUE也会对femtocell产生一定的干扰，因此femtocell必须在保证自身FUE不受干扰的前提下降低对MUE的干扰。

　　(4)干扰场景4

　　当femtocell离宏基站比较近时，FUE会受到来自宏基站的强干扰，虽然可以调整femtocell的发射功率来降低宏基站对FUE的干扰，但femtocell的最大发射功率只有20dBm[5]，并且增大femtocell的发射功率会对附近的MUE造成干扰，所以需要考虑覆盖和干扰之间的平衡问题。

　　(5)干扰场景5、6

　　femtocell之间的干扰在femtocell部署密度较低时干扰相对较小，但femtocell的密集部署会使femtocell之间会存在较强干扰，干扰问题在接入方式为CSG时更加突出。如何降低femtocell之间的干扰，保证FUE的服务质量，正是本文研究的重点。

　　基于干扰级别的功率控制

　　FUE i在资源块k上的信干噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR)计算公式[6]为：

　　(1)

　　从SINR的计算公式可知，可以增大服务femtocell的发射功率或降低干扰femtocell的发射功率来提高FUE的SINR。根据LTE标准[7]对femtocell发射功率公式进行相应修改，修改后公式如下：

　　(2)

　　式中，Pmax为femtocell的最大发射功率，Pmin为femtocell的最小发射功率，P0为设定的最低初始值-34dBm[8] ，Poffset为功率调整偏移值，计算公式如下：

　　(3)

　　式中，α为调整因子，PL为femtocell到FUE的路损，Poffset-min为偏移最小值0dBm，Poffset-max为偏移最大值54dBm。

　　根据平时大量仿真分析，根据路损PL设定α调整因子初始值，如表2所示。其中，路损PL信息是由FUE测量得出[8]，通过上行信道发送给femtocell。根据链路级SINR与信道质量指示(Channel Quality Indicator，CQI)之间的映射关系，设定SINR最低门限值SINRmin=-6.5dB，SINR最高门限SINRmax=20dB，在该链路级映射中，把SINR小于-6.5dB都映射成CQI等级0，把SINR大于20dB都映射成最高CQI等级14，其他的SINR对应映射成CQI等级1与15之间。本文SINR门限值根据本文链路级仿真映射进行设定，根据不同的链路级仿真，可以对SINR门限值进行不同的设定。

　　FUE测量SINR大于SINRmax，设置一个发射功率过高标志T_H；FUE测量SINR小于SINRmin，则设置干扰标志I_F。这些标志通过上行信道发送给服务femtocell，服务femtocell通过X2接口[9]把干扰标志I_F发送给相邻femtocell，femtocell对收到的I_F标志进行累计，根据数量划分级别，服务femtocell和相邻femtocell根据这些标志进行功率调整。

　　femtocell功率调整详细流程如下：

　　(1)femtocell根据FUE更新的PL选择α调整因子，更新PFem；

　　(2)计算SINR，判断SINR是否大于SINRmax，如果是则使T_H=1，并把此标志发送给服务femtocell，femtocell收到标志后，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使SINR小于SINRmax；如果不是则执行3)；

　　(3)判断SINR是否小于SINRmin，如果不是则执行(4)；如果是则使I_F=1，并通过服务femtocell转发给相邻干扰femtocell，相邻femtocell根据干扰级别进行不同的功率调整：

　　(a)如果I_F=1，干扰femtocell在保证自身FUE的SINR小于18dB的情况下，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(b)如果I_F=2，干扰femtocell在保证自身FUE的SINR小于16dB的情况下，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(c)如果I_F=3，干扰femtocell在保证自身FUE的SINR小于12dB的情况下，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(d)如果I_F=4，干扰femtocell在保证自身FUE的SINR小于8dB的情况下，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(e)如果I_F=5，干扰femtocell在保证自身FUE的SINR小于4dB的情况下，以Δ=0.1为步长，降低α调整因子，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(f)如果I_F>6说明femtocell干扰相邻FUE较严重，仅保证自身FUE的SINR大于SINRmin的情况下尽量降低femtocell的发射功率，使相邻FUE的SINR大于SINRmin；

　　(4)结束

　　仿真模型介绍

　　本文采用Matlab仿真，宏蜂窝网络布局采用7基站3小区模式，如图2所示。在LTE网络中，femtocell的部署采用双带模型[5]，对双带模型做了微小的改变，如图3所示。在宏蜂窝网络中随机的部署5个双带模块，双带模块由2×5的房间组成，每个房间的大小设定为15m×15m，双带间隔为15m，每个房间部署femtocell的概率为0.3或0.5，即单边带中最多部署3个或5个femtocell，每个femtocell接入1个用户，允许用户接入的最小距离为0.5m，最小路损为40dB，具体参数如表3所示。

　　考虑到Matlab仿真无法体现标准中[10]规定的femtocell楼层关系，所以对femtocell到用户的路损计算进行了相应的改变。改变后公式如下：

　　(3)

　　(4)

　　(5)

　　式中，R是femtocell和用户之间的距离，d2D，indoor为室内的距离， q为内墙的个数，Liw是内墙的穿透损耗，Low、Low，1和Low，2均为外墙穿透损耗。公式(3)为femtocell和用户在同一个单边带中的路损计算，公式(4)为用户不在双带中的路损计算，公式(5)为femtocell和用户分别在不同单边带中的路损计算。

　　仿真结果分析

　　系统仿真参数如表3所示，系统模型采用图2、图3所示模型。分别对femtocell的部署概率P=0.3和P=0.5两种仿真参数条件进行了仿真，为了分析功率控制的性能，femtocell固定发射功率PFem=20dBm，对P=0.3和P=0.5两种仿真参数条件进行仿真。仿真结果如图4、图5所示。

　　图5是FUE四种仿真参数条件下SINR对比图，从图中可知，SINR小于-6.5dB时，两种无功率控制情况下FUE所占百分比均高于20%，四种有功率控制情况下FUE所占百分比均在10%左右；SINR高于10dB时，所有情况FUE百分比均占50%左右，但两种无功率控制情况下，FUE的SINR高于20dB百分比占30%，即SINR在10dB与20dB之间FUE百分比只占20%，而两种有功率控制情况下，SINR在10dB与20dB之间FUE百分比均占50%左右，这说明功率控制把SINR很好的控制在-6.5dB与20dB之间。对比两种有功率控制的情况，SINR高于10dB时，FUE所占百分比在P=0.5仿真条件下要比P=0.3仿真条件下高3%左右，这说明部署概率P越高，功率控制效果越明显，即femtocell部署越密集，功率控制效果越好。

　　图6是FUE四种仿真参数条件下吞吐量对比图，从图中可知，两种无功率控制情况下，FUE吞吐量为0所占百分比在20%左右，而两种有功率控制情况下，FUE吞吐量为0所占百分比均控制在6%以下。从图中平均吞吐量可知，P=0.5仿真条件下平均吞吐量要比P=0.3仿真条件下要高，相比无功率控制情况，吞吐量至少提高了2.1Mbps。这也同样说明femtocell部署越密集，功率控制效果越好。

　　结语

　　本文研究了femtocell之间的下行干扰，对femtocell不同部署概率两种仿真参数条件进行了仿真验证，并将结果与固定发射功率的两种仿真对比。从对比结果可知，该算法很好的控制了用户的SINR，大大提高了FUE的吞吐量。在以后的研究中，可以对FUE上行进行功率控制，减小对相邻femtocell的干扰，提高系统整体性能。

　　参考文献：

　　[1] JIE ZHANG， la de ROCHE G，彭木根，等.Femtocell技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2010

　　[2] 叶璇，张欣，曹亘，等.干扰控制技术在LTE家庭基站中的应用[J].现代电信科技，2010，40，(05)：11-15

　　[3] JO H S， YOOK J G， MUN C， et al .A Self-organized Uplink Power Control for Cross-tier Interference Management in Femtocell Networks[C]Proceedings of the 2008 IEEE Conference on Military Communications， 2008： 1-6.

　　[4] LI X F， QIAN L J， KATARIA D. Downlink Power Control in Co-channel Macrocell Femtocell Overlay[C]Proceedings of the 43th Annual IEEE Conference on Information Sciences and Systems，18-20 March 2011： 281-286.

　　[5] 3GPP TR 36.922 v9.1.0， TDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) Requirements Analysis(Release 9) [S].Nice：ETSI，2010.

　　[6] 田英男，张欣，王静，等.LTE家庭基站干扰管理研究[J].移动通信，2010(8)：52-57.

　　[7] 3GPP TR 36.921 v9.1.0， FDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) Requirements Analysis(Release 9) [S].Nice：ETSI，2010.

　　[8] 3GPP TS 36.213 v 9.3.0， Physical Layer Procedures(Release 9) [S]. Nice： ETSI，2010.

　　[9] LG Electronics Inc. TNL Address Discovery for X2 Setup between HeNBs[Z]. 3GPP， R3103397， TSG-RAN WG3 Meeting #70. Jacksonville， USA， 2010.

　　[10] 3GPP TR 36.814 v 9.0.0， Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects (Release 9) [S]. Nice： ETSI，2010.

　　朱世兵 苏寒松 崔亚南 李亚男 天津大学（天津300072）