左旭舟，夏瑋瑋，沈連豐

（東南大學(xué) 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

1 引言

隨著智能手機(jī)的普及和寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，室內(nèi)移動通信業(yè)務(wù)的使用量正在迅猛增加。數(shù)據(jù)顯示，70%的話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生于室內(nèi)[1]。然而，對于宏小區(qū)（macrocell）而言，由于墻壁等引起的信號損耗，往往導(dǎo)致其室內(nèi)覆蓋偏弱，從而無法滿足室內(nèi)用戶對話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS，quality of service）要求。毫微微小區(qū)（femtocell）就是為解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋問題而提出的[2]。Femtocell是一種小型低功耗基站，往往安裝在室內(nèi)，并通過回程鏈路連接到核心網(wǎng)。Femtocell可以承載室內(nèi)用戶的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，相對于macrocell，其成本更低，服務(wù)質(zhì)量更好[3]。本文的研究背景為移動通信長期演進(jìn)（LTE，long term evolution）系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)通過高效利用頻譜資源從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率，從R8版本起就把femtocell融合在LTE系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)femtocell使用周圍macrocell占用的頻譜時，會產(chǎn)生同頻干擾，降低系統(tǒng)性能。在傳統(tǒng)的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)避免同頻干擾的方式是通過頻譜劃分和協(xié)調(diào)。然而，在femtocell廣泛使用的情況下，由于頻譜資源稀缺，這種方式會極大地降低頻譜利用率。而且femtocell的位置往往是隨機(jī)分布的，這種頻譜劃分的方法會非常復(fù)雜，由于工作量巨大而不可行。所以理想的femtocell的頻譜使用應(yīng)該不需要進(jìn)行專門的規(guī)劃，而是利用自適應(yīng)的方式來選擇使用的頻段，從而與macrocell共存。

認(rèn)知無線電（CR，cognitive radio）技術(shù)可被用來解決這個問題，此時將宏小區(qū)用戶作為主用戶（MUE，macrocell user），femtocell作為次用戶，即在不干擾主用戶的前提下應(yīng)用頻譜資源。首先，femtocell通過對附近MUE的無線資源利用情況進(jìn)行自動感知，從而獲得周圍無線頻譜資源的使用情況，然后，femtocell只利用周圍MUE未使用的頻譜或在一定干擾約束條件下利用MUE正在使用的頻譜，就可以避免對MUE產(chǎn)生干擾[5]。因此，頻譜感知是femtocell能動態(tài)接入macrocell頻譜資源的最基本技術(shù)。頻譜感知的核心是為了幫助femtocell在不需要和macrocell交互信息的情況下，獲得MUE的頻譜占用信息，然后結(jié)合對MUE的頻譜使用習(xí)慣進(jìn)行建模，從而有效和動態(tài)地利用macrocell頻譜資源。

如何設(shè)計頑健的頻譜感知方案是很多文獻(xiàn)的研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[6]研究了femtocell對周圍MUE上行信號的檢測方法，從而確定周圍是否有活躍的MUE存在，然而沒有說明如何具體檢測和利用MUE使用的下行頻譜。文獻(xiàn)[7]主要對系統(tǒng)的下行信號，也就是macrocell基站的信號進(jìn)行感知，文獻(xiàn)[8]對全頻譜進(jìn)行掃描，目的都是為了檢測出被占用的頻譜。實際中這很難精確地檢測到周圍MUE對頻譜的使用情況。因為如果只檢測下行信號，femtocell只能檢測出大范圍內(nèi)的下行頻譜使用情況，不能識別出附近MUE究竟使用哪些下行頻譜。Femtocell附近的MUE所占用的下行頻譜可能只是的macrocell占用的下行頻譜的很小一部分。此外，掃描整個下行鏈路頻譜不僅能耗高而且也耗時。

在很多關(guān)于認(rèn)知無線電的研究中，認(rèn)知用戶需要對頻譜的占用情況進(jìn)行建模，從而有效和動態(tài)地利用頻譜資源。文獻(xiàn)[9，10]對頻譜的占用時間進(jìn)行建模，假設(shè)頻譜占用模型為ON/OFF傳輸模型，然后根據(jù)ON/OFF模型信息來分析主用戶實際的頻譜占用情況，從而優(yōu)化認(rèn)知用戶對頻譜的使用。但是在實際的場景中，macrocell的頻譜占用特點隨業(yè)務(wù)不同而不同，而且不同類型的業(yè)務(wù)對QoS的要求不一樣。如果僅僅是用相同的ON/OFF頻譜占用模型來分析macrocell的頻譜占用，沒有考慮不同業(yè)務(wù)的頻譜使用特點不同，諸如VoIP、瀏覽和下載業(yè)務(wù)的差異，則femtocell可能無法精確判斷出其附近存在的MUE頻譜利用情況。

如果femtocell在正確感知頻譜的基礎(chǔ)上，能夠?qū)︻l譜承載的MUE業(yè)務(wù)模型進(jìn)行識別，從而根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型調(diào)整對頻譜的接入方法，就能提高對頻譜的利用效率和自身的業(yè)務(wù)吞吐量。在以前的文獻(xiàn)中，為了減小對macrocell的干擾，femtocell采用不同方式接入授權(quán)頻譜。在文獻(xiàn)[11，12]中，femtocell采用自適應(yīng)的方式控制發(fā)射功率來解決干擾問題。另外一種方法是通過隨機(jī)的跳頻技術(shù)來減少對macrocell的干擾[13]。

基于上述考慮，本文提出一種新的感知方法和動態(tài)頻譜接入方案，femtocell通過對MUE用戶上行確認(rèn)（ACK，acknowledgement）信息和數(shù)據(jù)信息的檢測，來判斷其下行頻譜使用情況，同時識別該MUE的業(yè)務(wù)模型。本動態(tài)頻譜接入方案實現(xiàn)的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)femtocell附近處于工作狀態(tài)（或激活狀態(tài)）的MUE，進(jìn)而識別其業(yè)務(wù)類型。對待MUE不同的業(yè)務(wù)類型，femtocell采用不同的方法接入頻譜，在控制對macrocell干擾的情況下，盡量提高頻譜利用率。在本方案中，考慮macrocell的2種基本業(yè)務(wù)類型：話音業(yè)務(wù)（如VoIP業(yè)務(wù)等）和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如HTTP業(yè)務(wù)等）。具體來說，當(dāng)下行頻譜沒有承載周圍MUE的業(yè)務(wù)時，femtocell就可以以最大功率來利用這段頻譜，以達(dá)到最大的吞吐量；當(dāng)下行頻譜承載有周圍MUE的業(yè)務(wù)時，femtocell根據(jù)其承載的2種業(yè)務(wù)類型來決定接入方法，比如當(dāng)下行頻譜承載的業(yè)務(wù)類型是HTTP業(yè)務(wù)，femtocell在利用下行頻譜時適合采用功率控制的方法；當(dāng)下行頻譜承載的是VoIP業(yè)務(wù)時，femtocell在利用下行頻譜時，只要避開被macrocell使用的頻段即可，故femtocell采用跳頻的方法比較適合。

2 網(wǎng)絡(luò)模型和系統(tǒng)架構(gòu)

本文的研究背景為LTE系統(tǒng)，圖1所示為給出LTE系統(tǒng)中macrocell與femtocell的共存網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，其中，macrocell以高功率的基站為中心，覆蓋范圍較大，服務(wù)較多的MUE；femtocell往往處于室內(nèi)，發(fā)射功率較低，主要為室內(nèi)的較少授權(quán)用戶提供服務(wù)。如圖1所示，femtocell處于macrocell的覆蓋范圍內(nèi)，周圍可以有若干個其他femtocell。femtocell與macrocell同步，且應(yīng)用相同的載波和時隙方案，工作在相同的頻譜上。

圖1 LTE系統(tǒng)中macrocell與femtocell的共存網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

在3GPPLTE協(xié)議中，LTE系統(tǒng)在傳輸時，理論上最小的資源分配單元為一個持續(xù)1 ms的180 kHz的時頻資源塊（RB，resource block）[14，15]。但是在實際應(yīng)用中，為減小資源分配的復(fù)雜度，大多數(shù)傳輸采用持續(xù)調(diào)度時頻資源塊的方式。當(dāng)一個RB被分配給某一業(yè)務(wù)時，會被一直占用到該業(yè)務(wù)結(jié)束[15，16]。

圖2所示為LTE系統(tǒng)傳輸時的頻譜分配特征，其數(shù)據(jù)傳輸采用混合自動反饋重傳（HARQ，hybrid automatic repeat request）機(jī)制。當(dāng)MUE在子幀n接收到macrocell基站發(fā)送的下行鏈路數(shù)據(jù)塊后，需要在4 ms后，即子幀n+4后在上行鏈路上反饋確認(rèn)ACK信息。根據(jù)HARQ方案，如果macrocell在進(jìn)行下行傳輸后沒有接收到來自MUE的ACK反饋，它會認(rèn)為先前的傳輸數(shù)據(jù)失敗，從而在4 ms后重新發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)macrocell在收到ACK反饋后，在子幀n+8后繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

文獻(xiàn)[16]研究了無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中各類基本的業(yè)務(wù)類型。不同業(yè)務(wù)類型的持續(xù)時間和占用帶寬不同，本文的研究范圍為其中2個基本的類型：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)。

圖2 LTE系統(tǒng)中傳輸時的頻譜分配特點

業(yè)務(wù)類型1：以數(shù)據(jù)為主，如網(wǎng)頁瀏覽等，其特點是對頻譜的占用較多，但持續(xù)時間較短。

業(yè)務(wù)類型2：以話音為主，其特點是對頻譜的占用很小，且持續(xù)時間較長。

圖3 2種業(yè)務(wù)類型的頻譜占用特點

圖3和圖4給出了2類業(yè)務(wù)類型的時頻占用情況，可以看出2類業(yè)務(wù)的時頻占用特點。即對于以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，其特點是以下行的數(shù)據(jù)傳輸為主，上行除了對上行傳輸?shù)腁CK確認(rèn)信息外，幾乎沒有數(shù)據(jù)傳輸；對于以語音業(yè)務(wù)而言，其特點是上、下行的頻譜使用是對稱的，上、下行都有大小相同的數(shù)據(jù)分組在傳遞，也占用大小相同的頻譜。

由于femtocell處于室內(nèi)，發(fā)射功率較低，其信號到macrocell基站的損耗大，因此femtocell在上行信道對macrocell的干擾可以忽略。在下行信道上，當(dāng)MUE在femtocell附近時，會受到femtocell的干擾。因此，femtocell進(jìn)行頻譜感知的目的就是檢測出哪些下行信道的RB正在被附近的MUE使用，從而避免對其造成干擾。下面將專門講述femtocell的感知方法和動態(tài)接入方案。

3 感知方法及動態(tài)頻譜接入方案

3.1 基于上行ACK信號的頻譜感知和業(yè)務(wù)類型判斷

在本文的方案中，femtocell基站通過能量檢測對上行頻譜上的MUE的信號進(jìn)行檢測。在子幀n，femtocell基站掃描上行頻譜，如果在某個RB上的接收到的信號功率超過預(yù)先設(shè)定的門限，那么認(rèn)為該RB上存在MUE的信號，否則，認(rèn)為上行頻譜上不存在MUE的信號。由于檢測對象的信號強(qiáng)度較高，為簡化分析，可以合理假設(shè)能量檢測是無誤的。

在時隙n，femtocell掃描檢測到上行鏈路的第k個RB的能量為

其中，rn,k(t)表示時隙n上行鏈路中第k個RB的信號，T是對應(yīng)一個RB的掃描時間。然后，femtocell將Yn,k(t)與預(yù)先設(shè)定的門限λ相比較，從而做出判斷。

如果在子幀n時，上行的ACK信息被檢測出來，那么對應(yīng)的下行鏈路傳輸就發(fā)生在子幀n+4時刻。這樣，femtocell基站通過對上行鏈路ACK的認(rèn)知，來推斷下行信號的存在時間，從而femtocell附近的MUE的下行傳輸?shù)臅r隙可以被檢測出來。

圖4 2種業(yè)務(wù)的頻譜占用和干擾場景

傳統(tǒng)上，femtocell通過監(jiān)聽macrocell基站的下行信號來獲得下行頻譜的占用情況。在實際中，這很難精確地檢測到femtocell周圍MUE對頻譜的占用情況。如圖5所示，macrocell基站要為其覆蓋范圍內(nèi)的多個MUE提供服務(wù)，而每個MUE在不同的頻譜接收下行數(shù)據(jù)。如果只檢測下行信號，femtocell只能檢測出大范圍內(nèi)的下行頻譜使用情況，但是femtocell真正要需要檢測的是MUE1的頻譜使用情況，而MUE1使用的頻譜可能僅是這些被占用的下行頻譜中的一小部分，而且難以被單獨識別出來。

圖5 MUE對下行頻譜的占用

然而，在上行鏈路，femtocell很容易檢測出周圍MUE的上行信號。通常情況下，在femtocell的覆蓋范圍內(nèi)的MUE上行信號到達(dá)femtocell基站時，其信號強(qiáng)度較強(qiáng)，比較容易被檢測出來。而其覆蓋范圍之外MUE的上行信號由于穿透衰減和路徑損耗，到達(dá)家庭基站的強(qiáng)度較低。所以，用能量檢測就可以比較容易地檢測出在femtocell覆蓋范圍內(nèi)MUE用戶的上行信號。

圖6給出本文感知方案和接入方案的大概時序。首先，在上行感知中，femtocell基站會對上行鏈路的RB進(jìn)行周期性的掃描，包括確定是否存在上行ACK和上行數(shù)據(jù)分組。在時隙n，如果檢測到上行ACK信號的存在，可以反向說明周圍有MUE用戶在從macrocell基站接收數(shù)據(jù)，也就是說有下行頻譜被占用，可以推斷出下行頻譜被占用的具體時隙為n+4。

圖6 感知時序

然后，在業(yè)務(wù)判斷中，femtocell基站會根據(jù)檢測到的MUE上行信號，對MUE的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行判斷。判斷的原理還是根據(jù)2種業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)分組和ACK的對應(yīng)特點。從圖4中可以看出，語音業(yè)務(wù)的ACK信號和數(shù)據(jù)分組在上行鏈路中基本存在對稱關(guān)系，也就是說，上行鏈路的RB既承載該業(yè)務(wù)的ACK，也承載該業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組。所以，在時隙n時，當(dāng)femtocell檢測到上行頻譜中存在ACK信號時，如果能在上行RB中同時檢測到與該ACK能量相若的數(shù)據(jù)分組，而且數(shù)據(jù)分組的帶寬占用并不太大的話，那么，就可以判斷是語音業(yè)務(wù)。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的ACK信號和數(shù)據(jù)分組在上行鏈路中就不存在對稱關(guān)系，往往只有ACK信號，而沒有數(shù)據(jù)分組。也就是說，在時隙n時，當(dāng)femtocell檢測到上行頻譜中存在ACK信號時，如果在上行頻譜中沒有能量相若的數(shù)據(jù)分組存在，那么就判斷該ACK信號對應(yīng)的業(yè)務(wù)是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

最后，femtocell根據(jù)LTE系統(tǒng)業(yè)務(wù)頻譜占用的特點來采取接入方式。LTE系統(tǒng)作為一個多業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，承載了語音和數(shù)據(jù)等對QoS要求不同的業(yè)務(wù)類型，因此需對其不同業(yè)務(wù)類型區(qū)分保障。

3.2 基于業(yè)務(wù)類型判斷的混合式頻譜接入

在上一節(jié)中，femtocell基站通過對上行頻譜的感知，可以判斷出，在某個時隙時，其覆蓋范圍內(nèi)的MUE是否有業(yè)務(wù)在進(jìn)行，以及相應(yīng)的業(yè)務(wù)類型。當(dāng)下行頻譜沒有承載周圍MUE的業(yè)務(wù)時，femtocell就可以最大功率來利用這段頻譜，從而達(dá)到最大的吞吐量。

然而，當(dāng)下行頻譜承載周圍MUE的業(yè)務(wù)時，femtocell基站雖能判斷其承載的業(yè)務(wù)類型，卻無法判斷下行頻譜中的有哪些RB被周圍MUE的業(yè)務(wù)使用，哪些RB又是空閑的。在傳統(tǒng)的CR方法中，認(rèn)知用戶一旦發(fā)現(xiàn)下行頻譜中有RB承載主用戶的業(yè)務(wù)，則放棄對該段頻譜的使用，這就限制了femtocell的下行吞吐量，尤其是femtocell周圍MUE密度較大的時候。

在本文提出的方案中，為了提高頻譜的利用率和femtocell的吞吐量，當(dāng)femtocell發(fā)現(xiàn)下行頻譜中承載有MUE的業(yè)務(wù)時，在衡量femtocell在下行頻譜中對周圍MUE的干擾下，來決定接入的方式和相關(guān)的參數(shù)，接入的前提是要femtocell對周圍MUE的干擾要控制其所能容忍的范圍之內(nèi)。

Femtocell根據(jù)LTE系統(tǒng)業(yè)務(wù)頻譜占用的特點來采取接入方式，為干擾減小提供了一個新思路。LTE系統(tǒng)作為一個多業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，承載了語音和數(shù)據(jù)等對QoS要求不同的業(yè)務(wù)類型，因此需對其不同業(yè)務(wù)類型區(qū)分保障。

對于下行頻譜，femtocell根據(jù)其承載的2種業(yè)務(wù)類型來決定接入方法。當(dāng)下行頻譜承載語音業(yè)務(wù)時，如圖3所示，由于在單個時隙內(nèi)，語音業(yè)務(wù)只占用下行頻譜中很少的RB，femtocell只要避開使用的這些被占用的RB即可，故femtocell基站采用跳頻的方法接入下行頻譜比較適合；當(dāng)下行頻譜承載的是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，如圖3所示，由于在單個時隙內(nèi)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要占用下行頻譜中較多的RB，femtocell適合采用功率控制的方法接入下行頻譜，來控制對該業(yè)務(wù)的干擾。為了利用下行頻譜，femtocell采用針對周圍MUE不同的業(yè)務(wù)類型采用不同的接入方式，具體說明如下。

1)功率控制方法

如果在一個時隙內(nèi)，一旦檢測到下行頻譜中承載有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，那么femtocell將采用功率控制的方法來接入下行頻譜。在本方案的功率控制方法中，femtocell會根據(jù)感知到的信息，估計其對周圍MUE的干擾，以自適應(yīng)的方式來調(diào)整發(fā)射功率，從而把干擾控制在MUE可承受的干擾范圍內(nèi)。

對于處于激活狀態(tài)的MUE，在下行第k個RB上的信干噪比（SINR，signal to interference and noise ratio）計算公式為

其中，S為MUE在第k個RB上接收到的基站信號功率，Ifem為MUE在第k個RB上接收到的femtocell干擾信號功率，N0為噪聲，Pmac為macrocell基站發(fā)射功率，Pfem為femto基站發(fā)射功率，F(xiàn)DL為下行頻譜的RB數(shù)目，L1為macrocell對MUE用戶的路損，L2為femtocell對MUE用戶的路損。

由于macrocell基站在廣播信道的發(fā)射功率是一個固定的值，因此femtocell基站可以通過在廣播信道接收到的macrocell基站功率，確定自身到HeNB的路徑損耗。由于femtocell的覆蓋范圍有限，這個路徑損耗可以等同于周圍MUE到macrocell基站的路徑損耗。

首先，femtocell接收來從macrocell廣播信道的信號，然后估算路損L1。

其中，E1是macrocell基站信標(biāo)（beacon）發(fā)射能量，其大小可以從macrocell基站的廣播信息中得到；R1是femtocell基站接收到的beacon能量。

同樣，femtocell監(jiān)聽來自MUE的信號，然后估計該MUE到femtocell的路損L2。

其中，E2是MUE的ACK信號的發(fā)射能量，能量大小也可以預(yù)先為femtocell所知；R2是femtocell基站接收MUE的ACK信號的能量。

從上式可知，可以自適應(yīng)femtocell的發(fā)射功率來保證MUE的在頻譜上SINR高于門限值，從而把干擾控制在MUE可承受的干擾范圍內(nèi)

其中，γth是承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的RB所要求的最低門限。

Femtocell的傳輸功率可由式(6)決定。

2)跳頻方法

如果在某個時隙的下行頻譜中只承載有語音業(yè)務(wù)，那么femtocell采用跳頻的方式使用下行頻譜，避免對MUE的干擾。

通過在某一時隙的下行頻譜中，當(dāng)femtocell和周圍的MUE使用相同的RB時，會造成相互干擾，也就是碰撞（collision）。由于距離很近，這種碰撞會破壞MUE在共同使用的RB上的下行數(shù)據(jù)接收。

所以，控制對于MUE干擾的核心是控制碰撞概率。假設(shè)對碰撞概率的約束條件為

其中，η為碰撞概率，也就是在某一時隙，femtocell和周圍MUE使用相同的RB的概率；γ2為確保macrocell用戶不受到干擾而允許的碰撞概率最大值。

對于femtocell基站而言，采用跳頻方法時，在不同時隙使用的RB是不同的，如圖7所示。

圖7 femtocell采用跳頻方法接入下行頻譜

可以推出，這時的碰撞概率為

其中，F(xiàn)DL為下行頻譜中的RB數(shù)目，F(xiàn)2為語音業(yè)務(wù)在一個時隙中用到的RB數(shù)目，F(xiàn)H為femtocell采用跳頻方法時在一個時隙用到的RB數(shù)目，k為在這個時隙中檢測到的業(yè)務(wù)類型2的個數(shù)。在圖7中，

在干擾約束η下，可以找到FH的最大值，這樣可以最大化吞吐量，即

可以看出，femtocell在每個時隙使用的RB數(shù)目FH是根據(jù)在這個時隙中檢測到的業(yè)務(wù)個數(shù)k而變的。如果k比較大，那么為了避免碰撞，F(xiàn)H就比較小，反之亦然。

3.3 femtocell的容量計算

本節(jié)對femtocell采用混合頻譜接入方法的容量進(jìn)行估算?？梢杂门抨犂碚搧斫UE的業(yè)務(wù)對下行頻譜的使用模型。

如圖8所示，femtocell周圍MUE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)到達(dá)的規(guī)律分別服從參數(shù)為λ1、λ2的泊松分布，對頻譜的占用時間服從參數(shù)為μ1、μ2的指數(shù)分布。

圖8 MUE的業(yè)務(wù)模型

語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的頻譜使用可以看成是相互獨立的，因此，根據(jù)排隊論模型，可以計算出在下行頻譜中語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)量的概率。

Femtocell在下行信道的容量的期望表示為

其中，P(H1)、P(H2)和P(H3)分別是針對在一個時隙里的下行頻譜，femtocell采用功率控制方法接入、采用跳頻接入和最大功率接入的概率；C1、C2和C3分別是這3種情況下femtocell的下行容量。若采用混合接入方法，則式（12）中各參量可分別表示為

4 仿真結(jié)果與分析

對所提出的動態(tài)頻譜接入模型的吞吐量性能進(jìn)行評估，并與其他的方案進(jìn)行比較。

仿真參數(shù)如表1所示，仿真參數(shù)多參照3GPP LTE規(guī)范定義。在仿真中，LTE網(wǎng)絡(luò)由macrocell和femtocell重疊組網(wǎng)而成?？紤]一個macrocell覆蓋半徑為500 m，在其覆蓋范圍內(nèi)均勻分布有10個femtocell。網(wǎng)絡(luò)工作在2GHz，系統(tǒng)帶寬選擇5 MHz。如表1所示，宏小區(qū)用戶以固定等功率發(fā)送，且采用全向天線。每個macrocell有100個宏小區(qū)用戶。femtocell均勻分布在macrocell覆蓋范圍內(nèi)，其覆蓋半徑為20 m，femto用戶均勻分布在femtocell覆蓋范圍內(nèi)。

在仿真中，采用奧村-哈特模型計算室外路損，并利用COST-231模型計算室內(nèi)路損。假設(shè)穿墻損耗為20 dB。另外，假設(shè)femtocell采用閉合式接入策略，即只對其鑒權(quán)用戶提供服務(wù)。特別是，考慮每個femtocell是滿負(fù)荷。

本文比較的2個其他方案都不采用業(yè)務(wù)識別，方案一是當(dāng)femtocell判定下行頻譜中存在MUE的業(yè)務(wù)后，直接采用自適應(yīng)功率控制的方法接入下行頻譜；方案二是當(dāng)femtocell判定下行頻譜中存在MUE的業(yè)務(wù)后，直接采用跳頻的方法接入下行頻譜。

表1 仿真參數(shù)

本文仿真的業(yè)務(wù)類型有2種：業(yè)務(wù)1是HTTP業(yè)務(wù)，代表數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；業(yè)務(wù)2是VoIP業(yè)務(wù)，代表語音業(yè)務(wù)。圖9所示為在業(yè)務(wù)1的數(shù)量和業(yè)務(wù)2的相同情況下（場景1），隨著MUE的活躍度變化的3種方案femtocell的吞吐量比較。從圖中可以看到，動態(tài)頻譜接入方案與其他2種不進(jìn)行業(yè)務(wù)識別的方案比較，容量上有較大提升。這是因為動態(tài)頻譜接入方案是以MUE的頻譜使用情況和空間條件來考慮如何利用頻譜。以積極的方式利用頻譜，其他2種方案以較為保守的方式利用頻譜。

圖9 femtocell的平均吞吐量（場景1）

圖10所示為業(yè)務(wù)1的數(shù)量3倍于業(yè)務(wù)2情況下（場景2），隨著MUE的活躍度變化的3種方案femtocell的吞吐量比較。從圖中可以看到，這時功率控制方案在性能上占了較大優(yōu)勢，使femtocell在吞吐量上有較大提升，從圖10中可見，當(dāng)業(yè)務(wù)2數(shù)目很少時(圖中兩曲線交點之前)，功率控制方案的性能甚至好過了動態(tài)頻譜接入方案，但是當(dāng)業(yè)務(wù)2逐漸增多后，由于有業(yè)務(wù)2存在的頻譜上，功率控制接入的性能不如跳頻接入，所以動態(tài)頻譜接入方案逐漸開始展現(xiàn)優(yōu)勢。

圖10 femtocell的平均吞吐量（場景2）

圖11所示為業(yè)務(wù)2的數(shù)量3倍于業(yè)務(wù)1的情況下（場景3），隨著macrocell用戶的活躍度變化的3種方案femtocell的吞吐量比較。從圖中可以看到，這時功率控制方案在性能和跳頻方案大致相等，而動態(tài)頻譜接入方案上占了較大優(yōu)勢。這是因為跳頻方案對業(yè)務(wù)2的頻譜利用率較高，而針對業(yè)務(wù)1的頻譜利用率較低，然而在業(yè)務(wù)1的數(shù)量逐漸增加后，功率控制方案對頻譜的利用率逐漸會超過跳頻方案。

圖11 femtocell的平均吞吐量（場景3）

5 結(jié)束語

針對LTE系統(tǒng)中femtocell的通信需求，本文給出了一種基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動態(tài)頻譜接入方案。首先，本方案通過對上行鏈路中的ACK信號和數(shù)據(jù)信息來進(jìn)行聯(lián)合感知，從而得知周圍macrocell用戶的下行頻譜使用情況；比起單純通過感知macrocell基站信號來探究周圍macrocell用戶的下行頻譜使用情況而言，這種方法能發(fā)現(xiàn)更多的空閑頻譜，從而提高femtocell的吞吐量。其次，本方案在感知頻譜的基礎(chǔ)上，對頻譜承載的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行識別，根據(jù)業(yè)務(wù)類型的特點決定對頻譜的接入方法，從而在對macrocell用戶干擾遠(yuǎn)低于允許值的前提下，提高了femtocell的吞吐量。最后，本文通過系統(tǒng)仿真來比較femtocell在混合接入的方案和單純的功率控制和跳頻方法下的吞吐量，仿真結(jié)果顯示，該方法可在滿足macrocell用戶不同業(yè)務(wù)類型不受干擾的前提下，提高femtocell小區(qū)的吞吐量，實現(xiàn)對頻譜承載業(yè)務(wù)的智能化識別，系統(tǒng)性能明顯提高。

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