5G超密集網(wǎng)絡環(huán)境下功率控制方案研究

孫 霞，周朋光

(1.重慶工程學院 電子信息學院，重慶 400056；2.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

5G是繼4G之后，面向2020年商用的新一代通信系統(tǒng)[1]，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)處于探索發(fā)展階段。截至到目前，5G的關(guān)鍵技術(shù)已得到確認，技術(shù)設計和細節(jié)在不斷完善中，具體關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)、毫米波(mmWave)和UDN等。全球共同努力推動整個5G通信系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，促進5G國際標準的指定和未來相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

與4G移動通信系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)要在更加復雜多變的場景下為用戶提供極致的速度體驗和低延時通信感受?？偨Y(jié)未來移動互聯(lián)網(wǎng)的愿景、環(huán)境及需求等特點，得到以下4個5G的重要應用場景[3-4]：

① 通信覆蓋場景廣：在保障用戶終端較低掉話率的基礎之上，用戶終端可以達到100 Mbps及以上的體驗速率；

② 高速率高容量：針對室外的小區(qū)邊緣用戶和處于盲區(qū)的用戶終端，為小區(qū)邊緣用戶提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；

③ 高可靠低延時：針對車聯(lián)網(wǎng)、人工智能和精細級工程控制等高需求，用戶終端可以享受到ms級端到端的時延體驗，系統(tǒng)能夠保證業(yè)務基本達到百分之百的可靠性；

④ 低功耗多連接：面向特殊場景具有密集人群的特點，通信系統(tǒng)要為海量的用戶終端提供高數(shù)據(jù)速率的服務，縮短與宏基站間的物理距離，即相對減小功耗。

根據(jù)文獻[4]中的描述，5G通信關(guān)鍵技術(shù)需求的內(nèi)容有：0.1～1 Gbps的用戶體驗速率，10 Gbps左右的峰值數(shù)據(jù)速率，10 Tbps/km2左右的數(shù)據(jù)流量密度，1 000 000/km2的用戶終端連接密度，ms級端到端時延，以及百倍以上能效提升和單位比特成本降低。由此可知，5G通信系統(tǒng)期望在高數(shù)據(jù)速率、高業(yè)務可靠性、快速移動性及海量連接數(shù)量的場景下，可以支撐多樣化的通信數(shù)據(jù)業(yè)務類型，為用戶終端提供最佳的服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)，其中包括更多樣的業(yè)務、更高的體驗速率、非常低的時延和較低的終端功耗等。與此同時，可以提升整個通信系統(tǒng)的性能，包括更高的頻譜效率和能源效率等[5]。

為了實現(xiàn)5G網(wǎng)絡達到數(shù)據(jù)流量密度提升1 000倍和設備數(shù)量增加10～100倍的目標，在上述關(guān)鍵技術(shù)(大規(guī)模MIMO、毫米波和超密集網(wǎng)絡)中，最有效的實現(xiàn)方法之一就是超密集網(wǎng)絡技術(shù)[6]。之前的4G通信系統(tǒng)中，常見的減小小區(qū)半徑的方法是通過小區(qū)分裂，但是小區(qū)覆蓋范圍不斷地縮小使得小區(qū)分裂很難做到，因此可以在熱點區(qū)域?qū)嵤┎渴鹈芗凸β市』?Femtocell Base Station，F(xiàn)BS)的方案來形成超密集網(wǎng)絡。但部署較多的FBS后會引起強烈的小區(qū)間干擾?；谠搯栴}，本文目的在于尋找性能較優(yōu)的功率控制方法來減小超密集網(wǎng)絡中的小區(qū)間干擾，提升用戶的服務質(zhì)量。主要的創(chuàng)新點在于通過對信號功率的循環(huán)和比對篩選得出信號功率最大的基站來為用戶終端提供協(xié)作功率控制。

1 系統(tǒng)模型

搭建一個超密集網(wǎng)絡場景下的雙層干擾模型，如圖1所示，1層指宏基站(Macrocell Base Station，MBS)網(wǎng)絡，2層指小基站(Femtocell Base Station，F(xiàn)BS)網(wǎng)絡。所有FBS和用戶(User Equipment，UE)均是單天線作業(yè)，每個FBS僅可以為一個UE提供業(yè)務。FBS與UE服從相互獨立的泊松點過程(Poisson Point Process， PPP)。假設范圍內(nèi)每個UE在選擇接入FBS時遵循就近原則，如果FBS并未服務UE則相應地轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)[7]。

圖1 系統(tǒng)模型

2 功率控制方案

2.1 跨層功率最大化方案

考慮到5G關(guān)鍵技術(shù)超密集網(wǎng)絡中雙層異構(gòu)的網(wǎng)絡架構(gòu)特點[8-10]，本文設計的算法主要考慮不同網(wǎng)絡層次覆蓋在相同區(qū)域下，各層小基站的屬性(覆蓋范圍、發(fā)射功率和增益比等)不同，用戶終端接收到的信號強度也不同。為了盡可能地利用好異構(gòu)網(wǎng)絡拓撲下的小基站，在協(xié)作多點傳輸(CoMP)技術(shù)[1]中設計了跨層功率最大化方案作為本節(jié)系統(tǒng)模型的聯(lián)合傳輸功率控制算法。該方案的主要設計理念是在雙層網(wǎng)絡架構(gòu)下的用戶終端，能夠接收到不同網(wǎng)絡層的小基站信號，用戶終端衡量小基站的信號強度并選擇接收信號中發(fā)送功率最強的小基站，令這些小基站為用戶終端提供協(xié)同傳輸服務[11-14]，減小小區(qū)間干擾，進一步提升用戶終端的服務質(zhì)量，包括用戶高速率和低時延體驗。規(guī)定用戶終端接收到MBS的信號功率為Pm，接收到FBS的信號功率為Pf，網(wǎng)絡中用戶終端數(shù)目為n，具體跨層功率最大化方案如算法1所示。

算法1:跨層功率最大化方案輸入:Pm,Pf,n輸出:用戶終端連接基站屬性While i

通過輸入MBS的信號功率、FBS的信號功率以及用戶終端數(shù)量，算法1的主要目的是通過循環(huán)得出接收信號中發(fā)送功率最強的小基站，模型由選出的小基站為用戶提供業(yè)務服務。

2.2 協(xié)作功率最大化控制方案

2.1節(jié)中提出的跨層功率最大化方案中，通過對比2種基站的發(fā)送功率，選取其中信號功率最大的FBS來達到控制功率的目的。對跨層功率最大化方案做出優(yōu)化，取名為協(xié)作功率最大化控制方案，選取2個信號功率最大的基站為用戶終端提供協(xié)作功率控制，能夠高效提升接收信號的功率[15-17]，減小干擾信號對用戶終端的影響，從而獲取更優(yōu)的信干噪比，進一步提升用戶終端的數(shù)據(jù)傳輸速率。具體協(xié)作功率最大化控制方案如算法2所示。

算法2:協(xié)作功率最大化控制方案輸入:Pm,Pf,Pf′,n輸出:用戶終端連接基站屬性While i0 i←{maxPm,maxPf}Else i←{maxPm,maxPf′}EndEnd

通過輸入MBS的信號功率、FBS的信號功率以及用戶終端數(shù)量，算法2的主要目的是2個信號功率最大的基站為用戶終端提供協(xié)作功率控制，旨在優(yōu)化信干噪比和提升用戶數(shù)據(jù)傳播速率。

3 仿真驗證

仿真參數(shù)如表1[18]所示，針對本文提出的2種功率控制方法做出了仿真驗證，比較了用戶的信干噪比和能效等指標。

表1 仿真參數(shù)

參數(shù)值網(wǎng)絡區(qū)域覆蓋半徑250 mBS密度0.000 5～0.008 0/m2UE密度0.000 5/m2BS發(fā)射功率30 dBm噪聲功率-174 dBm信道衰落模型瑞利衰落

算法1和算法2在接收信號信干噪比的CDF圖如圖2所示。

圖2 接收信號信干噪比的累計分布函數(shù)圖

由圖2可以看出，算法2在信干噪比方面性能占據(jù)優(yōu)勢，分布累計要優(yōu)于算法1，可以證明本文提出的協(xié)作功率最大化控制方案可以有效地控制FBS功率，最大化用戶的信干噪比，從而提升用戶的數(shù)據(jù)傳播速率和系統(tǒng)的吞吐量等指標。

能效隨FBS功率的變化曲線如圖3所示。

圖3 能效隨FBS功率變化曲線

由圖3可以看出，算法2在能效指標上要好于算法1，這是由于算法2高效控制住小基站發(fā)射功率之后，可以節(jié)省系統(tǒng)的能耗。當系統(tǒng)能耗得到控制，必然會使系統(tǒng)的能效性得以提升。

4 結(jié)束語

提出一種跨層功率最大化方案，選擇接收信號中發(fā)送功率最強的小基站作為用戶終端的服務基站，經(jīng)過仿真驗證，本方案提升了用戶終端的服務質(zhì)量。提出協(xié)作功率最大化控制方案，選擇2個FBS作為用戶的終端的協(xié)作服務基站，經(jīng)過仿真驗證，本方法不僅可以提升用戶服務質(zhì)量，性能也優(yōu)于跨層功率最大化方案。