陳楊，雷珍珠，申濱

（1. 四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責任公司，四川 成都 610000；2. 重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

基于TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)

陳楊1，雷珍珠2，申濱2

（1. 四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責任公司，四川 成都 610000；2. 重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

在小小區(qū)大量部署的網(wǎng)絡(luò)場景下，用戶進行異頻掃描所檢測的載波數(shù)相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署場景會大量增加，因此用戶能耗也會相應(yīng)增加?；诖?，提出了一種基于宏小區(qū)參考信號到達時間（TOA）指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)策略，通過減少用戶不必要的異頻檢測操作，進而減少用戶能量消耗，以解決用戶在進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)時可能存在的能耗過高問題。仿真表明，該方案相比現(xiàn)有的基于參考信號接收功率（RSSI）指紋數(shù)據(jù)庫方案，受噪聲影響程度低，小小區(qū)發(fā)現(xiàn)準確率高。同時，該方案能有效地限制處于高速移動狀態(tài)的用戶進行異頻檢測，從而增大了用戶與小小區(qū)連接的成功率。

小小區(qū)發(fā)現(xiàn)；TOA；指紋數(shù)據(jù)庫；異頻檢測；能效

1 引言

近年來，越來越多的智能終端出現(xiàn)在日常生活的方方面面，并帶來了各種各樣的通信業(yè)務(wù)。在各種業(yè)務(wù)中，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占絕大部分且其呈爆發(fā)式增長趨勢，因此對數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提出了更高的挑戰(zhàn)。為解決通信速率和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量問題，業(yè)界提出了許多解決方案與新技術(shù)，如大規(guī)模MIMO、毫米波、小小區(qū)等技術(shù)[1-3]等。其中，小小區(qū)技術(shù)是解決系統(tǒng)容量和信息速率的最直接有效的方法之一，也是未來5G系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。通過在熱點地區(qū)或業(yè)務(wù)壓力較大的區(qū)域大量部署低發(fā)射功率的小小區(qū)設(shè)備，比如小基站、微基站、家庭基站或中繼節(jié)點，可以實現(xiàn)小小區(qū)對宏基站業(yè)務(wù)的分流，提高整個網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量[4]。

小小區(qū)的大量部署能夠有效地提高系統(tǒng)容量和信息速率，但是也帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如小小區(qū)之間的干擾[5]、小小區(qū)基站能耗問題[6]、小小區(qū)的頻繁切換以及小小區(qū)之間的協(xié)同運行等[7]。隨著小小區(qū)數(shù)量的增多，用戶設(shè)備（user equipment，UE）在進行小小區(qū)搜索過程時，需要檢測的載波數(shù)目也隨之增大，這將耗費 UE大量的能量[8]。因此，在新型的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何減少 UE在進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)和切換過程中的能耗，是非常重要也是非常實際的問題[9]。近來，3GPP對 UE在異構(gòu)網(wǎng)中的移動性增強非常重視，快速而有效地發(fā)現(xiàn)分布在不同載波的小小區(qū)，從而達到業(yè)務(wù)分流的目的，成為了小小區(qū)研究的焦點，也是急需解決的問題。為此，業(yè)界提出了許多解決方案，如基于網(wǎng)絡(luò)輔助的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案和新的發(fā)現(xiàn)信號的設(shè)計等[10,11]。已同步的小小區(qū)以較長的周期傳輸含有小區(qū)標識信息的發(fā)現(xiàn)信號。由于 UE在進行小區(qū)發(fā)現(xiàn)前已經(jīng)與提供服務(wù)的小區(qū)（例如宏小區(qū)）建立了連接，所以網(wǎng)絡(luò)可以向 UE提供輔助信息。該方案能有效地提高 UE小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的時效性，同時提高小小區(qū)的檢測概率。發(fā)現(xiàn)信號的設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)短時間內(nèi)可靠地檢測出 UE附近存在的小小區(qū)，并且應(yīng)具有良好的頑健性來應(yīng)對宏小區(qū)與小小區(qū)之間時間和頻率的偏移。

針對用戶IFS（inter-frequency scanning，異頻掃描）能耗問題，參考文獻[12]提出了一種基于UE運動狀態(tài)評估的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。當UE與宏基站相連時，UE設(shè)備不進行周期性的IFS過程，只有當 UE接收到來自宏基站的命令時，才進行IFS過程。宏基站對UE的運動狀態(tài)進行實時估計與預(yù)測，具體監(jiān)測 UE的位置信息、到達某個小小區(qū)覆蓋邊緣的時間以及該 UE將與小小區(qū)連接的時間。宏基站通過這些信息來判定該 UE何時何地需進行 IFS操作。該方案不但有效地減少了UE能耗，并且還能對UE移動性進行管控，避免那些高速移動的UE進行IFS操作。但是，該方案的實施過程較為復(fù)雜，且需消耗大量的信令。

在實際網(wǎng)絡(luò)中，UE在不同的物理位置，接收到的來自各個宏基站的信號強度一般皆有所不同，即 UE在每個物理位置都會有一組相應(yīng)的來自不同宏基站的接收信號強度與之對應(yīng)。參考文獻[13,14]提出了一種基于射頻指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)策略，該數(shù)據(jù)庫的每條射頻指紋包含多個宏小區(qū)標識及與之相對應(yīng)的 UE接收信號強度。當UE在進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)時，首先周期性地測量并上報所在位置的射頻指紋信息，然后將測量結(jié)果與指紋數(shù)據(jù)庫中的每一條指紋進行逐一匹配搜索，當測量值與指紋數(shù)據(jù)庫中的某一條指紋的誤差小于預(yù)先設(shè)定的范圍時，UE才進行IFS操作；反之，則不觸發(fā)IFS動作。該方案有效地避免了UE大量的、多余無效的IFS操作次數(shù)，從而大大減少了UE的能耗。然而，該方案對噪聲影響和多徑衰落非常敏感，因此存在較大的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)準確度問題。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于TOA（time of arrival，到達時間）指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。這里的TOA是指宏小區(qū)下行參考信號到達UE的時間（即傳播時延）。由于UE在與小小區(qū)建立連接之前是與宏小區(qū)連接的，且期間 UE會利用宏小區(qū)下行參考信號進行同步跟蹤及RSRP（reference signal received power，參考信號接收功率）測量等操作，因此 UE可以利用該特性測量多個宏小區(qū)的下行參考信號TOA。具體地，本方案利用不同宏小區(qū)下行參考信號到達UE的時間值建立TOA指紋數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中的每條指紋包含多個宏小區(qū) ID及對應(yīng)的下行參考信號TOA。UE在進行IFS之前，首先周期性地檢測宏基站的參考信號，并將檢測結(jié)果（即 UE在當前位置上獲取的TOA指紋）與指紋數(shù)據(jù)中的每條指紋進行匹配搜索。當且僅當 TOA指紋匹配成功時，系統(tǒng)才觸發(fā)UE的IFS過程。與傳統(tǒng)方案相比，本方案能將UE的IFS動作觸發(fā)區(qū)域控制在一個很小的范圍，大量減少 IFS次數(shù)，從而解決UE在小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程中的高能耗問題，同時還能大大提高小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性與準確性。相比于參考文獻[13,14]的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，本方案具有很好的抗噪性能，即使在低信噪比環(huán)境下，也能保持良好的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)性能。由于采用了宏小區(qū)參考信號作為測量對象，本方案還保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前后兼容性。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮小小區(qū)與宏小區(qū)異頻部署的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)，宏小區(qū)工作在低頻段并提供大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋；小小區(qū)占用高頻段，主要改善系統(tǒng)容量，如圖 1所示。

UE在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)活動，在宏小區(qū)邊緣地帶，由于信號質(zhì)量差，有時不能滿足通信要求；或者在熱點地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)負載大，UE需盡可能發(fā)現(xiàn)小小區(qū)并與之建立連接，從而將業(yè)務(wù)從宏小區(qū)分流到小小區(qū)。假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，宏小區(qū)集合為，且滿足：。小小區(qū)集合為S，且滿足：。UE集合為U ，且有，這里為向量的零范數(shù)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型及小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案原理

在傳統(tǒng)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制中，UE需周期性地進行IFS異頻檢測，以發(fā)現(xiàn)小小區(qū)，UE的IFS過程主要是UE對小小區(qū)發(fā)送的異頻信號進行測量，并且該測量過程是無條件的周期進行的。實際上，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的每個物理位置上，UE接收到不同宏基站所發(fā)送的下行參考信號TOA一般是不一樣的，即網(wǎng)絡(luò)中每個物理位置都有一組由不同宏小區(qū)（3個以上）下行參考信號的TOA形成的數(shù)據(jù)與之對應(yīng)。當 UE與宏小區(qū)相連時，會進行周期性的同頻檢測，因此可以不斷地獲得 UE當前位置所對應(yīng)的TOA指紋信息。

2.2 指紋數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)事先在每個小小區(qū)邊緣區(qū)域均勻地選取一系列指紋點，并在每個指紋點位置分配UE進行TOA指紋信息測量，即測量每個指紋點對應(yīng)的宏小區(qū)參考信號TOA以及相應(yīng)的宏小區(qū) ID，然后根據(jù)測量結(jié)果構(gòu)建初始 TOA指紋數(shù)據(jù)庫。假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中，總共選取了M個指紋點，即所構(gòu)建的TOA指紋數(shù)據(jù)庫有M條指紋，其中每條指紋包含N（3≤N≤V ）個宏小區(qū)ID以及與之對應(yīng)的參考信號TOA值，見表1，其中TOA_mn為第n個宏基站的參考信號到達第m個指紋點所對應(yīng)物理位置的TOA值，指紋數(shù)據(jù)庫中每條指紋信息都對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中一個指紋點位置。該指紋數(shù)據(jù)庫可以保存在網(wǎng)絡(luò)端（宏基站），也可以保存在 UE端。前者由于保存在網(wǎng)絡(luò)端，內(nèi)存與計算復(fù)雜度則不需要考慮，但會帶來較大的信令消耗；后者由于指紋數(shù)據(jù)庫保存在UE端，UE可以根據(jù)測量結(jié)果自行觸發(fā)IFS檢測。

表1 指紋數(shù)據(jù)庫

2.3 信號模型

假設(shè) UEk（k∈U）與目標小小區(qū)S(i)（ i=1,2,…,W）連接，則 UEk接收的小小區(qū)信號（F1頻段，即高頻段）為：

其中，hi,k表示從第i個小小區(qū)基站到UEk的信道系數(shù)，Pi為小小區(qū)基站S(i)的發(fā)送功率，si代表小小區(qū)S(i)所發(fā)送的下行信號符號，且滿足，n是UEk在F1頻段上對應(yīng)的加性白

k高斯噪聲。同樣，當 UEk與宏基站Mt(n)（n=1,2,…,V）相連接時，其接收信號（F0頻段，即低頻段）為：

假設(shè) IFS消耗的能量包括信道測量能量（Emeas）與解碼廣播信號消耗的能量（Edecode），則單次IFS檢測的總能耗為[13]：

2.4 參考信號測量模型

由于宏小區(qū)是利用同步衛(wèi)星來獲取時鐘同步的，因此宏小區(qū)之間擁有精準的時鐘同步。UE利用本地產(chǎn)生的參考信號與接收到的宏小區(qū)下行參考信號進行相關(guān)運算，計算出對應(yīng)宏基站的參考信號TOA，如式（6）：

當R( l)取到最大值時即可獲得符號定時位置，如式（7）。其中，為UE接收到的宏小區(qū)下行參考信號，時間滑動后的第l1個元素，為本地生成的參考信號（即 UE本地產(chǎn)生的模板信號），rlocal(l1)為 rlocal第 l1個元素， L1與L2分別為本地參考信號及接收信號長度（一般為一個幀的長度），η為宏小區(qū)下行信號采樣頻率，為與rlocal相關(guān)運算峰值所在位置的時間索引（即信號由宏基站傳播到UE所經(jīng)過的采樣周期數(shù)）， Tc為系統(tǒng)的采樣周期，Tarrive為宏小區(qū)參考信號到達UE的時間測量結(jié)果（即TOA測量結(jié)果）。

本文對比分析了 CRS與小區(qū) PRS（position reference signal，定位參考信號）作為TOA測量參考信號時的TOA測量性能，其中，CRS在LTE系統(tǒng)中用于同步追蹤與RSRP測量，PRS則用于定位。圖2為兩種參考信號對應(yīng)的測量誤差大小概率分布曲線對比，本文將 TOA測量值轉(zhuǎn)換為UE與宏基站之間的距離，從而將TOA測量誤差轉(zhuǎn)換為UE與宏基站之間的距離測量誤差。從圖2中可以看出，PRS對應(yīng)的測量誤差集中在10～40 m，反觀CRS，其測量誤差則集中在0～3 m，因此CRS的測量精度較高。本文選取CRS作為TOA測量目標信號的原因在于，用戶可以利用其同步追蹤過程提取宏小區(qū)對應(yīng)的CRS-TOA，即TOA值，因此，UE可在不增加系統(tǒng)額外開銷的情況下獲取TOA指紋信息，且CRS相比于PRS的TOA測量精度高。

圖2 兩種參考信號對應(yīng)的測量誤差大小概率分布曲線對比

由式（8）可知，宏小區(qū)下行信號采樣頻率對CRS到達UE時間的測量精度影響較大，信號的采樣頻率越高，意味著系統(tǒng)帶寬越寬。圖3給出了UE在不同系統(tǒng)帶寬下的TOA測量誤差大小概率分布曲線，從圖3中可以看出，下行鏈路對應(yīng)的資源塊數(shù)目（num of downlink resource block，NDLRB）值越大，即系統(tǒng)帶寬越寬，測量誤差值越小（即精度越高）。

圖3 UE在不同系統(tǒng)帶寬下的TOA測量誤差大小概率分布曲線

3 基于TOA指紋的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案

3.1 小小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制

基于TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，其出發(fā)點是通過減少UE不必要的IFS檢測，以達到UE節(jié)能的目的。UE在與宏小區(qū)連接時，會周期性地進行同頻檢測（即F0頻段上的參考信號檢測或同步追蹤），具體內(nèi)容包括：宏小區(qū)ID以及與之對應(yīng)的CRS的TOA。假設(shè)指紋數(shù)據(jù)庫保存在網(wǎng)絡(luò)端，UE將其在當前物理位置的TOA指紋信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)端進行指紋匹配搜索。如果匹配成功，網(wǎng)絡(luò)端將發(fā)送IFS指令至UE，觸發(fā)UE進行IFS操作。為便于分析問題，假設(shè)小小區(qū)擁有一個理想的覆蓋范圍，即半徑為R的圓，如圖4所示。定義參考信號 TOA測量誤差限度為β，即如果TOA測量結(jié)果與指紋數(shù)據(jù)庫中某條指紋的均方誤差δ在[-β, β]內(nèi)，則認為TOA指紋匹配成功。

圖4 指紋匹配誤差示意

具體步驟為：首先利用式（9）從指紋數(shù)據(jù)庫中找到與UE反饋的TOA指紋信息最相近的TOA指紋項（即與 UE反饋結(jié)果誤差最小的指紋項），再利用式（10）判斷兩者誤差是否滿足要求。如果TOA指紋誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則匹配成功，同時立即觸發(fā) UE進行 IFS檢測（即F1頻段上的參考信號檢測）；否則，UE可認為數(shù)據(jù)庫中不具備與之匹配的指紋項，避免UE進行無效的IFS檢測：

圖5 基于TOA指紋的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程

其中，F(xiàn)Pd為指紋數(shù)據(jù)庫， Fk為UEk當前位置對應(yīng)的位置指紋信息測量值， i*為與 UE測量結(jié)果最佳匹配的指紋項索引，F(xiàn)Pd{i}(j)表示指紋數(shù)據(jù)庫中第 i條指紋所對應(yīng)的第 j個指紋特征值，F(xiàn)k(j)表示UEk當前位置指紋信息第j個指紋特征值。具體方案實施流程如圖 5所示。值得說明的是，式（10）中TOA指紋匹配誤差范圍β的設(shè)置是實際設(shè)計中十分重要的問題，合適的指紋匹配誤差范圍能有效避免高速移動的UE進行無益的IFS檢測，從而提高UE小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性。

3.2 UE移動狀態(tài)下的IFS觸發(fā)控制

假設(shè)指紋匹配周期為 Ts，UE移動速度為ν，如圖4所示，用半徑為r的小圓表示網(wǎng)絡(luò)端進行指紋匹配時所能容忍的誤差范圍[13]，半徑r與匹配誤差門限β的關(guān)系如式（11）所示，其中νL為電磁波傳播速度。當半徑r滿足式（12）時，則能有效地避免速度為ν以上的UE進行異頻檢測：

之所以避免處于中高速移動狀態(tài)的 UE進行IFS檢測，是因為UE在中高速移動時停留在小小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的時間一般較短（與小小區(qū)建立連接的時間不能滿足分流業(yè)務(wù)要求），或者即使 UE進行了IFS檢測，也往往沒有足夠的時間切換到小小區(qū)。當UE處于小小區(qū)覆蓋范圍之外時，UE在IFS檢測后不能發(fā)現(xiàn)小小區(qū)；反之，當UE處于小小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)時，UE進行IFS檢測后并且成功發(fā)現(xiàn)小小區(qū)，但與小小區(qū)連接時間不滿足預(yù)設(shè)時間門限值（＜10 s），一般都視為無效的IFS檢測[12]，這兩種場景的IFS檢測對于UE來說是無益的，并且白白浪費了UE在IFS過程中消耗的能量。因此，合理設(shè)定指紋數(shù)據(jù)庫匹配誤差范圍，能有效地減少大量無效的IFS檢測次數(shù)，規(guī)避處于中高速移動狀態(tài)的UE進行IFS檢測，提高小小區(qū)業(yè)務(wù)切換的有效性。

4 仿真分析

4.1 仿真場景

其中，LM為宏基站與UE之間的路徑損耗，LS為小小區(qū)與UE之間的路徑損耗，R為收發(fā)兩端的距離，單位為km。詳細的仿真參數(shù)見表2[16]。

表2 仿真參數(shù)

根據(jù)參考文獻[17]，設(shè)定UE信道測量和解碼 的 能 耗 分 別 為 ：Emeas=1.5mJ與Edecode=0.75mJ。當UE發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)端的TOA測量結(jié)果與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋匹配成功時，則UE進行IFS檢測，檢測周期為 Tinter單位為ms。在整個過程中，如果UE成功地發(fā)現(xiàn)小小區(qū)，則進行小小區(qū)切換過程；如果UE沒有成功發(fā)現(xiàn)小區(qū)（未能成功匹配或IFS過程無效），則在 Tinter后停止異頻檢測。為與參考文獻[13]保持一致，本文將UE指紋信息檢測誤差（或匹配誤差）控制在半徑 r=5m的圓內(nèi)。

4.2 對比方案

以下對3種小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案進行性能對比與分析。

方案一：傳統(tǒng)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。當 UE與宏小區(qū)連接時，無論是否處于小小區(qū)覆蓋范圍，均以固定的周期進行IFS檢測。

方案二：基于RSSI指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案[11,12]。該方案利用RSSI建立指紋數(shù)據(jù)庫，UE在與宏小區(qū)連接時，周期性地進行同頻檢測，并將檢測到的宏小區(qū)ID以及與之相對應(yīng)的RSSI數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)端，進行指紋匹配搜索，一旦匹配成功，則觸發(fā)UE進行IFS檢測。

方案三（本文方案）：基于TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。利用宏小區(qū)下行參考信號到達UE的時間建立TOA指紋數(shù)據(jù)庫，UE周期性地進行同頻檢測，并將檢測到的宏小區(qū)ID以及與之相應(yīng)的 CRS-TOA發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)端，進行指紋匹配搜索。如果匹配成功，則觸發(fā)UE進行IFS。

4.3 性能分析

基于 TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案實質(zhì)上是一種基于地理位置信息的方案，網(wǎng)絡(luò)端在UE無線定位的基礎(chǔ)上決定是否觸發(fā)UE的IFS操作?；赥OA或TDOA及RSSI的無線定位技術(shù)，都已經(jīng)非常成熟，從精度上來說，基于TDOA或TOA的定位技術(shù)精度更高[18,19]。圖6為基于RSSI與TOA兩種方案在不同信噪比下UE位置信息測量精度的對比。

圖6 基于RSSI與TOA兩種方案在不同信噪比下UE位置信息測量精度的對比

從圖6中可以看出，基于RSSI的測量精度受高斯加性白噪聲的影響較大。當SNR=5 dB時，其測量誤差已達到 100 m，無法滿足有效的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的誤差要求，其中，SNR的定義如下：

相反，基于 CRS-TOA的測量精度，受噪聲影響較小，在SNR=5 dB時，能保持較高的精度。UE位置測量精度直接決定UE小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的準確性，即位置測量精度越高，UE小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的準確率越高。圖7為兩種測量方法在不同信噪比下測量準確率的對比（假設(shè)測量誤差在8 m以內(nèi)可視為準確的測量）。從圖 7中可以明顯看出，基于CRS-TOA的UE位置測量精度高，且受噪聲影響小，穩(wěn)定性高。

圖7 基于CRS與RSSI的測量準確度對比

圖8為RSSI FP方案與TOA FP方案在不同信噪比條件下，UE以固定的速度（10 km/h）移動時，其歸一化有效異頻檢測（即有效IFS）次數(shù)變化曲線，其中，有效異頻檢測是指UE經(jīng)過異頻檢測過程能成功完成小小區(qū)發(fā)現(xiàn)。從圖 8中可以看出，基于RSSI指紋數(shù)據(jù)庫的方案隨著信噪比的降低，UE有效IFS次數(shù)急劇下降，在SNR=16 dB時，歸一化有效IFS檢測次數(shù)只有0.56左右，這表明此時小小區(qū)正確檢測概率只有0.56左右。由此說明基于RSSI指紋數(shù)據(jù)庫方案在低信噪比環(huán)境下，由于定位精度受噪聲影響，誤差較大，UE很難觸發(fā)有效的IFS操作以發(fā)現(xiàn)小小區(qū)。相反，基于CRS-TOA的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，由于受噪聲影響小，定位精度在低信噪比下較高，有效IFS檢測次數(shù)隨噪聲變化小，趨于平穩(wěn)。即使在低信噪比環(huán)境下，本文方案仍能保持很好的性能。

圖8 有效異頻檢測次數(shù)隨信噪比變化（UE速度：10 km/h）

圖9為3種方案的UE能耗對比（SNR=30 dB），圖9中對比了傳統(tǒng)用戶IFS機制在IFS周期為80 ms與1 000 ms兩種情況下與RSSI FP方案、TOA FP方案對應(yīng)的用戶歸一化IFS能耗大小。從圖9中可以看出，基于RSSI指紋數(shù)據(jù)庫與基于TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，相比于傳統(tǒng)IFS機制可大量節(jié)省UE的IFS能耗，且當傳統(tǒng)IFS周期為80 ms（ Tinter=80 ms）的情況下，RSSI FP方案與TOA FP方案對應(yīng)的用戶IFS能耗小于傳統(tǒng)用戶IFS機制的2%。因為在傳統(tǒng)小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程中用戶是無條件地進行周期性IFS過程，相反，在RSSI FP方案與TOA FP方案中，只有當指紋數(shù)據(jù)匹配成功時，才觸發(fā)用戶IFS過程，從而將IFS檢測控制在很小的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，從而減少大量不必要的用戶 IFS次數(shù)，以達到為UE節(jié)能的目的。

圖10為RSSI FP方案與TOA FP方案在高信噪比環(huán)境下（SNR=30 dB），UE歸一化 IFS次數(shù)隨UE移動速度變化曲線。從圖10中可以看出，兩種方案的IFS檢測次數(shù)隨著UE移動速度的提高呈下降趨勢，且變化趨勢基本保持一致，且當UE速度大于40 km/h時，兩種方案中用戶 IFS次數(shù)急劇下降。這說明兩種小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案均能有效限制高速移動的 UE進行IFS過程，并且在高信噪比環(huán)境下，兩種方案的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)性能相當。圖11為本文方案在有多徑衰落與無多徑衰落兩種情況下，UE歸一化有效IFS檢測對比。從圖11中可以看出，有多徑衰落場景相比于無多徑衰落場景，小小區(qū)發(fā)現(xiàn)性能有輕微下降，這說明衰落條件下的有效IFS檢測次數(shù)比無多徑衰落情況有所下降。由此，可驗證本文方案即使在有多徑衰落的環(huán)境下能保證較高的小小區(qū)有效檢測率，適用于復(fù)雜多變的實際場景。

圖9 UE異頻檢測能耗對比（SNR=30 dB）

圖10 異頻檢測次數(shù)隨UE移動速度變化曲線（SNR=30 dB）

圖11 有無多徑衰落情況下UE有效IFS次數(shù)大小對比

從上述仿真結(jié)果與分析可得，基于TOA指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，相比于傳統(tǒng)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，能大量減少UE的能耗（＞98%），同時能有效地避免高速移動UE進行IFS檢測，從而提高小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性?；赗SSI指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)方案，由于其對噪聲非常敏感，在低信噪比環(huán)境下，UE無法精準測量不同宏基站下行信號的RSSI，因此該方案不能有效地進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)。本文提出的基于 CRS-TOA的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，通過測量不同宏小區(qū)下行參考信號到每個小小區(qū)邊緣位置的TOA，建立TOA指紋數(shù)據(jù)庫。由于TOA的測量對噪聲敏感度較低，即使在低信噪比環(huán)境下，也能保持較高的測量精度，從而使得UE能有效地進行小小區(qū)發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

提出一種基于宏小區(qū)參考信號 TOA指紋數(shù)據(jù)庫方案，以解決由于小小區(qū)大量部署而帶來的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程中的 UE能耗問題。該方案與傳統(tǒng)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案相比，不但能節(jié)省大量的IFS檢測所帶來的 UE能量消耗，而且還能有效地限制高速移動UE進行IFS檢測，進而提高UE進行IFS檢測的有效性。相對于RSSI指紋數(shù)據(jù)的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，TOA指紋方案有更好的抗噪性能，即使在低信噪比或存在多徑衰落的場景下，仍然有較好的 IFS檢測性能，該方案可以作為小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的高效實現(xiàn)方案之一。

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Small cell discovery based on TOA fingerprint database

CHEN Yang1, LEI Zhenzhu2, SHEN Bin2
1. Sichuan Communication Research and Design Co., Ltd., Chengdu 610000, China 2. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

In the scenario that a large number of small cells are deployed in the mobile communication network, the number of carriers to be detected by the user equipment (UE) in inter-frequency scanning is considerably larger than that in the conventional network deployment scenarios. This procedure may consume tremendous amounts of UEs’energy. In order to solve this problem, a small cell discovery (SCD) scheme based on TOA fingerprint database to alleviate intensive energy consumption was proposed when the UEs try to find their potential serving small cells. The proposed scheme reduces the energy consumption of the UE by decreasing the number of unnecessary inter-frequency detection. The simulation results verifiy that the proposed scheme, compared with the existing SCD strategy using

signal strength (RSSI) based radio maps, has better anti-noise performance and higher accuracy. In addition, it can effectively help the high-speed UE avoid performing inter-frequency detection, and hence increase the rate of the UE being successfully connected to the appropriate small cell.

small cell discovery, TOA,fingerprint database, inter-frequency detection, energy efficiency

The National Science and Technology Major Project(No.2016ZX03001010-004)

TN929.5

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017221

陳楊（1982-），女，四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責任公司高級工程師，主要研究方向為移動通信技術(shù)。

雷珍珠（1992-），男，重慶郵電大學通信與信息工程學院碩士生，主要研究方向為LTE-Hi系統(tǒng)及密集蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

申濱（1978-），男，重慶郵電大學通信與信息工程學院教授，主要研究方向為LTE系統(tǒng)和認知無線電等。

2017-03-23；

：2017-07-06

國家科技重大專項基金資助項目（No.2016ZX03001010-004）