利用Femto单元改进WIMAX网络性能

r . Elankavi¹， R.乌达亚库马尔^{2 *}, Kalaiprasath。R^3.

印度金奈巴拉特大学研究学者
印度金奈巴拉特大学信息技术系副教授
印度金奈巴拉特大学研究学者

摘要

Femtocell是一种小型蜂窝基站，通常设计用于家庭或小型企业。它通过宽带(如DSL或电缆)连接到服务提供商的网络。目前的设计通常在住宅环境中支持2到4个活动手机，在企业环境中支持8到16个活动手机。在本文中，我们将重点讨论如何通过在WiMAX系统中部署femtocell基站来提高接收信号的质量。我们提出了一个毫毫蜂窝模型，以分析在一个宏蜂窝中使用不同的信道分配方案和不同毫毫蜂窝基站部署密度时，对CINR(载波干扰加噪声比)的潜在改进。仿真结果表明，通过在宏小区内部署大量的飞蜂窝基站可以提高信噪比，采用的最小接口优先(LIF)方案可以显著降低相邻飞蜂窝基站引起的同信道干扰。

关键字

Femtocell, WiMAX, CINR, LIF方案

介绍

蜂窝网络继续微型化的主要问题是这样做的网络基础设施是昂贵的。最近的发展是家庭基站，也被称为家庭基站，这是一种短程、低成本和低功耗的基站，由消费者安装，以获得更好的室内语音和数据接收。用户安装的设备通过宽带连接(如DSL、电缆调制解调器或单独的射频回程通道)与蜂窝网络通信。虽然传统的方法需要双模手机来提供家庭和移动服务，但家庭femtocell的部署保证了固定移动与现有手机的融合。与其他用于增加系统容量的技术(如分布式天线系统和微蜂窝)相比，家庭蜂窝的主要优势是服务提供商的前期成本非常低。

提出了系统

我们考虑郊区的19个宏单元结构，其中每个宏单元的覆盖近似为六边形。之所以选择19-宏单元结构，是因为来自两层以上宏单元的同信道干扰可以忽略不计。由于我关注的是典型宏单元格中的用户CINR(图1中的中心宏单元格)，因此可以忽略三层或更多层之外的宏单元格。

在城郊地区，街道呈网状结构，呈南北或东西走向。房屋如图3.1所示。毫微微蜂窝结构。被街道隔开的广场。每个街区有100栋房子。有些房子安装了家庭基站，有些房子没有。一个房子是否有家庭基站遵循均匀的概率分布。均匀分布的平均值也称为母细胞密度。用户被随机放置在该区域。用户可能在室内(室内)，也可能在街上(室外)。 A user may communicate with the macrocell base station or the femtocell base station, depending on the received signal strength. The CINR is calculated by considering interference from the other 18 macrocells and nearby femtocell base stations.

实现

在城郊地区，街道呈网状结构，呈南北或东西走向。房屋如图3.1所示。19单元六边形建筑。被街道隔开的广场。每个街区有100栋房子。用户被随机放置在该区域。用户可能在室内(室内)，也可能在街上(室外)。用户可以根据接收到的信号强度与宏蜂窝基站或飞蜂窝基站通信。CINR是通过考虑其他18个宏蜂窝和附近的飞蜂窝基站的干扰来计算的。

系统参数

WiMAX系统参数和OFDMA参数的选择基于IEEE802.16m评估方法文档(EMD)和IEEE802.16-2004。家庭蜂窝基站将被大量部署。但是，由于蜂窝基站是低功率家用设备，因此没有必要计算从所有蜂窝到用户的干扰。给定表1中的毫毫蜂窝发射功率(0.01W)， 200米外的毫毫蜂窝基站造成的干扰至少比接收灵敏度低30dB。因此，在计算飞胞干扰时，我忽略了距离至少200米的飞胞干扰。

街区，房子和街道

图3.1展示了房屋、街区和街道之间的关系。一个方形街区的每一侧都有200米长，每个街区内有100所房子。

房屋占地面积为14x14米，中心面积为20x20米。因此，同一街区的两个相邻房屋之间的距离为6米。这条街的宽度假定为30米。为了加快模拟速度，只考虑位于图3.1中中心宏单元的用户(也是图3.2中的内六边形)。其余18个宏单元主要用于计算中心宏单元对用户的干扰。除了来自其他大细胞的干扰外，还有来自附近的飞细胞的干扰。为了计算中心宏元边缘的毫微元对用户的干扰，需要考虑相邻宏元中毫微元的精确分布。当设置飞蜂窝发射距离为30米时(表6.1)，我已经说过，由于飞蜂窝发射功率较小，只需要考虑200米距离内飞蜂窝基站造成的干扰。因此，在我们的研究中，我们不必将所有的母细胞都保存在相邻的大细胞中。我们只需要考虑外六边形中的飞胞，它从内六边形向外延伸200米，如图3.2所示。

蜂窝基站被假定放置在房子的中间。一个房子是否会有femto BS是根据期望的femtocell密度随机决定的。由于每个街区有100所房子，如果密度为0.1，每个街区大约有10所房子安装了femtocell BS。

3.3.频率复用

Femtocell部署在一个宏cell的覆盖范围内，它也在几个相邻宏cell和Femtocell的干扰范围内，它应该尽量避免使用与相邻cell使用的相同频率通道。另一方面，无线通信系统的频率通道有限。频率复用最小化同信道干扰是提高系统容量的常用方法。在这项研究中，我考虑了宏细胞的(1,3,3)频率重用模式。如果一个扇区被分配到w1组，那么该扇区内的飞信单元将被分配到来自w2和w3组的信道，以减少同信道干扰

3.4.路径损耗模型

IEEE 802.16m EMD文档规定了系统模型和参数，供研究人员/工程师在同一基础上评估系统性能。EMD包括室外传播模型、室内传播模型、室内到室外传播模型和室外到室内传播模型。在我们的郊区飞蜂窝模型中，根据用户是在室内还是室外，以及它将连接到宏蜂窝BS还是飞蜂窝BS，使用以下四种路径损耗模型。

3.5.接收信号质量评价

使用者可能在室内也可能在室外。首先，通过比较来自宏单元BS的接收信号强度(RSS)和来自最近的飞单元BS的RSS，决定用户应该连接到宏单元BS还是飞单元BS。一旦确定了BS并选择了信道，我们然后计算来自其他18个宏细胞和周围的飞胞的同信道干扰，从而得出CINR。对于每个家庭单元密度，模拟10个随机家庭单元放置，每个随机用户放置重复3000次。在(1,3,3)信道复用假设c下，允许一个femtocell基于其位置使用特定的信道组。但是，从可用通道池中使用哪个通道可能会产生显著的性能差异。

结果和讨论

唯一的通道分配要求是确保同一宏单元中的任意两个用户不使用相同的通道。在下面，我们比较随机信道分配和LIF信道分配的femtocell用户的平均CINR和任意用户将连接到femtocell的概率。主要使用的信道分配策略是随机信道分配。

4.1.随机信道分配策略

表4.1显示了平均CINR和任意用户将选择连接到femtocell的概率。在没有家庭基站的环境中，平均信噪比为15.32dB。当股蜂窝密度为0.1、0.5和0.9时，平均CINR分别提高约1.3dB、7dB和12 dB。

在图4.1中，假设一个MS从左到右进出5个土地/房屋，穿过一条街道，进出3个土地/房屋。总的移动距离是190m，到宏单元BS的距离大约是780m。将计算接收到的相对于服务的宏蜂窝和母蜂窝的cinr。随着MS的移动，并在图4.3中绘制两个CINR的较强值。较强的cinr(在50-60dB范围内)主要发生在MS在室内时。在这种情况下，MS连接到femtocell BS。当MS移出房屋时，femtocell BS信号通过墙壁严重衰减，因此MS将从Macrocell BS中接收较强的信号(CINR大约为10dB)，从而选择连接到Macrocell BS。在没有femtocell BS的房子里，MS从大细胞BS中获得的CINR(约2dB)也比隔壁的femtocell BS强。

图4.3为CINR的累积分布函数(CDF)。可以看出，部署的femtocell越多，获得高CINR(大于50 dB)的概率就越大。另一方面，如果观察低5%的百分位，则发现在0.5和0.9时，femtocell密度仅分别提高了大约1dB和2dB。图4.4、4.5、4.6和4.7显示了毫微室密度=0、0.1、0.5和0.9时的CINR概率密度函数(pdf)。

随着飞胞密度的增加，CINR PDF从单模态(单峰)分布缓慢地转变为双模态(双峰)分布。CINR在-5dB到60dB之间。随着更多的飞基站部署，更多的室内用户可以连接到飞基站BS。当用户通过视线(LOS)路径连接到femtocell BS时，CINR将位于50至62 dB之间。

4.2.信道分配

表7.2显示了当使用LIF机制时，平均CINR和任意用户将选择连接到femtocell的概率。当飞蜂窝基站密度越大，连接到飞蜂窝的概率越大，系统平均信噪比提高越大。当股蜂窝密度为0.1、0.5和0.9时，平均CINR分别提高1.5dB、7.5dB和14.5dB。

LIF方案将平均CINR提高了2dB(在母单元密度=0.9时)。考虑到LIF工作所需的额外工作量，这并不是很大的改进。图7.8为母基站采用LIF信道分配方案时CINR的CDF。它与图7.3中的CDF非常相似。

如果仔细比较LIF方案的图4.9 - 4.12所示CINR的PDF曲线与随机方案的图4.3 - 4.6，虽然看起来很相似，但有明显的区别。图4.7中-5dB处的峰值在图4.12中不再出现。

结论

femtocell将成为电信行业的新技术;在这个项目中，我提出了一个郊区家庭基站模型，该模型适用于评估在WiMAX网络中部署家庭基站时的CINR改进。有了这个模型，我们可以量化CINR是如何随着不同密度的femtocell的部署而改善的。部署家庭电池的主要好处是将室内用户的CINR提高到50-60dB范围。随着部署的femtocell越来越多，更多的室内用户连接到femtocell而不是宏单元，大大提高了平均CINR。最小干扰优先(least - interference - first, LIF)信道分配方案可以有效地消除相邻飞蜂窝间的同信道干扰。

表格一览


表3.1	表3.2	表4.1	表4.2

数字一览


图2.1	图3.1	图3.2	图3.3	图3.4

图3.5	图3.6	图3.7	图3.8	图3.9

图4.1	图4.2	图4.3	图4.4	图4.5

图4.6	图4.7	图4.8	图4.9	图4.10

图4.11	图4.12