徐梓瀛,周又玲,張亞洲

(海南大學 信息科學技術學院，海南 ?？?570228)

基于多級軟頻率復用的動態(tài)頻譜復用方案研究

徐梓瀛,周又玲,張亞洲

(海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228)

針對5G技術發(fā)展帶來的微小區(qū)、微微小區(qū)等越來越多的情況，為了提高這些無線通信用戶密集地區(qū)的頻譜效率，根據(jù)多級軟頻率復用(Multilevel Soft Frequency, ML-SFR)的思路，利用功率控制的方法結合動態(tài)頻譜接入技術中的非授權用戶對授權用戶的避讓策略，設計了一種動態(tài)頻譜復用方案，定義了功率控制參數(shù)k，并采用仿真實驗的方法研究了k與信噪比以及頻譜效率的關系.

頻譜復用； 頻譜效率； 功率控制

隨著各種智能終端的普及，移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長，在未來5G 網(wǎng)絡中，減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點數(shù)量，是保證未來5G網(wǎng)絡支持1 000倍流量增長的核心技術之一[1].因此，超密集異構網(wǎng)絡成為未來5G 網(wǎng)絡提高數(shù)據(jù)流量的關鍵技術[2].傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡頻譜復用方案很難滿足超密集異構網(wǎng)絡的對頻譜的需求，因此筆者針對超密集異構網(wǎng)絡的頻譜復用方案進行了分析研究，設計了一種動態(tài)頻譜復用方案.

根據(jù)文獻[3]中提出的多級軟頻率復用的思路，模擬小區(qū)中的用戶在移動過程中切換頻率的過程，如圖1所示.

在使用多級軟頻率復用方案的小區(qū)中，一個用戶從小區(qū)中心A往B點移動，然后經(jīng)過點C，D，E，最后移動到其他小區(qū).此過程中，由于多級軟頻率復用技術對不同位置的頻段的分配，該用戶使用的頻段將從B1跳到B2，再跳轉到B3，B4，B5，轉到B5后再往小區(qū)內部移動，此時并不會跳轉回B4，B3，B2，而是保持在B5的頻段，最終直到用戶移動到其他小區(qū).

分析上述頻率切換過程，發(fā)現(xiàn)其頻段切換的思路方法可以應用于認知無線電中的動態(tài)頻譜接入技術：在不對其他用戶造成影響的前提下，根據(jù)地理位置的動態(tài)變換自主選擇接入的頻段.從多級軟頻率復用技術的思路出發(fā)，結合動態(tài)頻譜接入技術中重點考慮的授權用戶接入時的避讓策略，設計了一種基于多級軟頻率復用的動態(tài)頻譜復用方案，并根據(jù)此方案進行了仿真以測試其性能.

1 多級軟頻率復用技術

1.1 軟頻率復用 軟頻率復用技術(SoftFrequencyReuse,SFR)的核心思想是將小區(qū)內的頻段分為主載波和副載波2個部分，主載波功率密度門限高于副載波的功率密度門限，通過控制主載波與副載波的發(fā)送功率達到控制其覆蓋范圍的目的[4].一般來說，主載波可用于整個小區(qū)，副載波只用于小區(qū)內部.

表1 軟頻率復用小區(qū)的功率密度門限

圖2中每個小區(qū)的可用頻段被分為了相互正交的B1，B2，B33個部分.在同一個小區(qū)中，通過劃分主載波與副載波的方式將B1，B2，B33個頻段相互組合，使相鄰小區(qū)間的主載波相互正交，從而達到消除相鄰小區(qū)邊緣用戶的干擾問題.軟頻率復用技術可以直接拓展到時域成為軟時間復用技術[5]，或作為一種在3GPP中增強小區(qū)間干擾協(xié)調(InterCellInterferenceCoordination，ICIC)的手段[6].

(1)

一個四級軟頻率復用(SFR-4)如圖3所示.

表2 多級軟頻率復用小區(qū)的功率門限

大量實驗結果表明多級軟頻率復用技術的小區(qū)邊緣頻譜效率比傳統(tǒng)軟頻率復用技術要高5倍，同時其整體頻譜效率也提高了31%.多級軟頻率復用技術能很好地應用在4G系統(tǒng)中，而且也將是未來的5G系統(tǒng)關鍵技術之一[7].

2 基于多級軟頻率復用的動態(tài)頻譜復用算法

2.1 算法流程 如圖4所示，假設有一非授權頻譜用戶A，其頻譜感知充分.在某一時刻感知到了3個授權頻譜用戶B，C，D，其與A的距離分別為R1，R2，R3.

根據(jù)多級軟頻率復用的思想，由R1，R2，R3來規(guī)劃B，C，D3個授權用戶所使用頻率的發(fā)送功率.為了使A的發(fā)送功率不對授權用戶產(chǎn)生影響，因此其發(fā)送功率的覆蓋范圍應當為

kx*Rx(0

(2)

其中,kx為功率控制參數(shù).

算法流程如下(假設所有頻譜感知結果充分)：

步驟1 通信開始，對全頻段進行頻譜感知；

步驟2 根據(jù)感知結果選擇未被占用的通信頻段并接入該頻段；

步驟3 利用步驟1中感知到的距離最近的同頻復用用戶的距離R與其發(fā)射功率P，通過式(2)計算得到功率控制參數(shù)k，再與P計算得到最終的發(fā)射功率；

步驟4 對當前占用頻段進行頻譜感知，若發(fā)現(xiàn)有授權用戶接入該頻段則轉回步驟1；

步驟5 檢查通信是否結束，若沒有結束則轉回步驟4；

步驟6 通信結束.

3.2 功率控制參數(shù)k的選擇 圖5中非授權頻譜用戶B通過頻譜感知發(fā)現(xiàn)了授權頻譜用戶A，并通過算法將A的發(fā)送功率P及其與A的距離R計算出來.此時用戶B準備使用該頻段與可能出現(xiàn)的非授權頻譜用戶C進行通信.根據(jù)公式X，B將以P′的功率發(fā)送信號，以確保其覆蓋范圍為RB=k*R.

假設用戶C接收到B的信號功率是Pb，接收到A的信號功率為Pa，接收到來自其他同頻率用戶的信號功率為Px，N是C接收到的噪聲和.由于必須保證授權用戶A的通信質量，因此k的取值必須小于0.5.A與B的發(fā)射功率都為P.

接收用戶的信噪比(SINR)

(3)

建立一個采用OFDM系統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡仿真環(huán)境，小區(qū)半徑采用300m，根據(jù)文獻[8]中的參數(shù)進行仿真.

表3 仿真參數(shù)

根據(jù)香農(nóng)公式計算頻譜效率

(4)

仿真結果如圖6所示.

由于頻譜感知充分，因此在算法中可以避免同頻干擾，從而使Px=0.對比Px=1和2的情況，在仿真結果中可以明顯看到SINR整體有所提高.當同頻干擾確定時，SINR會隨著k的增大而減小，而頻譜效率也會隨著k的增大而降低.

根據(jù)k的定義，k取值越大，其功率覆蓋范圍就越大，但是對授權用戶的影響也隨之增大，同時邊緣用戶的SINR也會隨之減小，從而使整體的頻譜效率減小.圖6中的仿真結果與預期的結果一致：在同頻干擾一定的情況下，k的取值越小，邊緣用戶的SINR與頻譜效率就越高.因此，在該方案中縮小k的取值是提高邊緣用戶與頻譜效率的有效方法之一.但k的取值每減小10%，其功率覆蓋范圍就要縮小19%，相當于小區(qū)整體容量減少19%.因此，k的具體取值要根據(jù)實際的小區(qū)預計容量以及對邊緣用戶SINR的要求來確定.

3 結束語

根據(jù)多級軟頻率復用的思路，以功率控制為基礎，研究了一種提高頻譜效率的動態(tài)頻譜接入方法，在此基礎上定義了一個功率控制參數(shù)k，并利用該參數(shù)進行了仿真實驗，得出了在該方案下減小k的取值是提高邊緣用戶與頻譜效率的有效方法之一.但減小k的取值意味著小區(qū)容量的大幅度減小，如何在小區(qū)容量和邊緣用戶的SINR及頻譜效率之間選擇成為了k的取值的問題.下一步工作將會以仿真的條件和結果為基礎，測試在k的不同取值的條件下收集實驗數(shù)據(jù)來評測k的取值與小區(qū)容量以及邊緣用戶SINR的具體關系.

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[9] 趙國鋒, 陳婧, 韓遠兵,等. 5G移動通信網(wǎng)絡關鍵技術綜述[J]. 重慶郵電大學學報:自然科學版, 2015, 27(4):441-452.

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Dynamic Frequency Reuse Scheme Based on Multilevel Soft Frequency Reuse Technique

Xu Ziying, Zhou Youling, Zhang Yazhou

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

With the development of 5G technology, there would be more and more micro cell. To improve the spectrum efficiency of the dense region of wireless users, based on multilevel soft frequency reuse (ML-SFR), the power control and avoidance strategy of non authorized users to authorized user of dynamic spectrum access (DSA) technique were used to design a dynamic spectrum reuse scheme. And a power control parameter K was defined, and the simulation experiments were performed to analyze the relationship among k and signal to noise ratio and spectrum efficiency.

spectrum reuse; spectrum efficiency; power control

2016-10-19

國家自然科學基金(61340027)；海南省自然科學基金(614222)；

徐梓瀛(1990-)，男，湖南長沙人，海南大學2014級碩士研究生，研究方向：海洋通信，E-mail:543860284@qq.com

周又玲(1965-)，女，湖南衡陽人，教授，研究方向：海洋通信，E-mail: ylzhou_hnu@126.com

1004-1729(2017)01-0026-05

TN

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0006