0 引言

    隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其各種應(yīng)用的快速發(fā)展，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸式增長，因此對數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為解決上述問題和滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求，業(yè)界提出了許多創(chuàng)新解決方案，如：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)^[1]、毫米波技術(shù)^[2]、小小區(qū)技術(shù)^[3]等。其中，小小區(qū)技術(shù)是系統(tǒng)容量擴(kuò)充和信息速率提升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。

    小小區(qū)的大量部署能夠提高系統(tǒng)容量和信息速率，但是也帶來很多問題與挑戰(zhàn)，如：小小區(qū)間嚴(yán)重干擾^[4]、小小區(qū)頻繁切換以及小小區(qū)之間協(xié)同運(yùn)行等。隨著小小區(qū)的增多，UE在進(jìn)行小小區(qū)搜索時(shí)，相比于現(xiàn)有的宏基站網(wǎng)絡(luò)部署，需要進(jìn)行大量的異頻掃描(Inter-Frequency Scanning，IFS)，導(dǎo)致UE在此過程中耗費(fèi)大量能量^[5]。因此，在小小區(qū)大量部署的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何降低UE在小小區(qū)發(fā)現(xiàn)和切換過程中的能耗，是非常重要的實(shí)際問題。文獻(xiàn)[6]和[7]分別提出一種基于UE運(yùn)動狀態(tài)評估與RSSI射頻指紋數(shù)據(jù)庫的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，兩者均是通過避免UE盲目地進(jìn)行IFS過程，以達(dá)到UE節(jié)能的目的，但是，兩者都存在一定的局限性。

    為解決上述問題，本文提出一種新的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)策略，以解決位于宏小區(qū)邊緣的UE在小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程中的能量損耗問題。當(dāng)UE接收到宏小區(qū)參考信號的噪聲干擾強(qiáng)度滿足一定范圍時(shí)，才觸發(fā)UE進(jìn)行IFS過程。同時(shí)，本方案考慮到UE移動性，避免UE在高速移動狀態(tài)下為了完成小小區(qū)發(fā)現(xiàn)而實(shí)施的無效IFS過程或小小區(qū)切換動作。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    本文研究場景為小小區(qū)大量部署的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。在宏小區(qū)邊緣地帶，由于宏小區(qū)信號質(zhì)量差，有時(shí)不能滿足UE的通信要求，UE需盡可能發(fā)現(xiàn)其周圍的小小區(qū)并與之建立連接。在傳統(tǒng)的小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案中，UE需要周期性進(jìn)行IFS，以達(dá)到發(fā)現(xiàn)小小區(qū)的目的，但這往往會消耗UE大量能量。

    雙頻連接是指小小區(qū)同時(shí)占有低頻和高頻兩頻段，即小小區(qū)與宏小區(qū)既是異頻關(guān)系，又是同頻關(guān)系。本文將低頻段稱作DSSC⁽¹⁾(Double Spectrum Small Cell⁽¹⁾)，高頻段稱作DSSC⁽²⁾。令宏小區(qū)占用低頻段DSSC⁽¹⁾，則小小區(qū)同時(shí)占用DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾兩個頻段，如圖1所示。為保證小小區(qū)在兩個頻段覆蓋范圍的一致性，則小小區(qū)基站在兩個頻段的發(fā)送功率滿足下式^[8]：

其中，P_tx2與P_tx1分別是小小區(qū)在頻段DSSC⁽²⁾與DSSC⁽¹⁾的發(fā)送功率，L₁與L₂分別為頻段DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾的路徑損耗。

1.2 信號模型

    UE S未與小小區(qū)建立連接時(shí)(即UE k在DSSC⁽¹⁾頻段)，在t時(shí)刻所接收的宏基站參考信號的信干噪比定義為：

2 基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案

2.1 小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案原理及過程

    當(dāng)UE k接收到宏基站參考信號的值滿足預(yù)先設(shè)定的范圍后，才觸發(fā)UE進(jìn)行IFS過程。為了使UE k方便檢測出當(dāng)前位置對應(yīng)的值，可令UE k的接收信號總功率為：

2.2 限制高速移動狀態(tài)下的UE進(jìn)行IFS

    由于高速移動的UE在小小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)活動的時(shí)間相當(dāng)短，會造成UE大量的無效IFS過程。例如UE通過IFS過程與小小區(qū)建立了連接，但連接時(shí)間不滿足預(yù)先要求的時(shí)長（例如不足10 s）；或者UE進(jìn)行IFS過程，卻無法成功完成小小區(qū)發(fā)現(xiàn)或與小小區(qū)建立連接，都可視為無效的IFS^[6]。因此，如果不對高速移動狀態(tài)下的UE進(jìn)行IFS測限制，將會大大降低UE異頻掃描的有效性。

    根據(jù)上述分析，將IFS的范圍控制在如圖6所示的圓環(huán)內(nèi)，即當(dāng)UE S進(jìn)行IFS同頻檢測的值落在該圓環(huán)區(qū)域所對應(yīng)的值范圍內(nèi)時(shí)，才觸發(fā)UE k進(jìn)行IFS。假設(shè)將移動速度滿足v>v_th(v_th為預(yù)設(shè)速度門限)的UE視為高速移動UE，系統(tǒng)需限制該UE進(jìn)行IFS，則有式(7)：

2.3 兩種IFS機(jī)制

其中，r₁的大小是由式(8)、式(9)確定。

3 仿真與性能分析

3.1 仿真場景與參數(shù)設(shè)置

    本文采用系統(tǒng)級仿真實(shí)驗(yàn)，對提出的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案進(jìn)行仿真分析。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中只有1個宏小區(qū)，宏小區(qū)邊緣地帶均勻部署有20個小小區(qū)，且宏小區(qū)占用低頻段，小小區(qū)同時(shí)占用低頻段與高頻段。同時(shí)假設(shè)在宏小區(qū)邊緣區(qū)域，有50個UE，分別以不同的移動速率在宏小區(qū)邊緣范圍作圓周運(yùn)動，且每個UE至少重復(fù)2次以上的圓周運(yùn)動。UE在移動過程中，如果成功發(fā)現(xiàn)附近存在小小區(qū)，網(wǎng)絡(luò)則會依據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況，決定UE是否進(jìn)行小小區(qū)切換。具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示^[9]。假設(shè)UE進(jìn)行一次IFS的能量消耗為^[10]：

其中，PL₁和PL₂分別為頻段DSSC⁽¹⁾與DSSC⁽²⁾的路徑損耗，d_u為收發(fā)兩端之間的距離。

3.2 仿真結(jié)果分析

    為了驗(yàn)證上述各個方案的能量效率，分別對3種方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為便于分析說明，本文令方案一表示傳統(tǒng)小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，方案二表示單閾值情況下的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案，方案三則表示雙閾值情況下的基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案。圖7為3種方案的UE能耗圖。從圖中可看出，當(dāng)UE移動速度為10 km/h時(shí)，相對于方案一，方案二與方案三節(jié)省大量的UE能耗；在IFS周期為80 ms時(shí)，方案二與方案三的能耗不足方案一的2%，即相對于方案一，節(jié)省了UE本身98%以上的IFS能量。其原因在于，方案二與方案三將UE的異頻掃描控制在很小的一個范圍內(nèi)，即小小區(qū)覆蓋范圍或某部分范圍，只有當(dāng)同頻檢測結(jié)果滿足預(yù)先設(shè)定的范圍時(shí)，才觸發(fā)UE的IFS操作。這意味著UE只有在小小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)或邊緣才進(jìn)行IFS，大量減少UE無效的IFS，以達(dá)到UE節(jié)能的目的。

    圖8為方案二與方案三的IFS次數(shù)與UE移動速度的關(guān)系圖。實(shí)驗(yàn)中假設(shè)不同速度的UE圍繞著宏小區(qū)邊緣運(yùn)動兩周，測量出不同移動速度UE進(jìn)行IFS的次數(shù)。從圖中可以看出，方案二對高速移動UE沒有起到限制IFS的作用，IFS次數(shù)隨UE移動速度增加，無明顯的下降趨勢。反觀方案三則對高速移動UE的IFS有明顯的限制作用，其用戶IFS次數(shù)隨UE移動速度的增大呈明顯的下降趨勢，且在當(dāng)移動速度大于40 km/h時(shí)，IFS次數(shù)急劇下降，這說明方案三能很大程度地避免其進(jìn)行IFS。

    圖9為方案二與方案三所對應(yīng)的歸一化無效IFS次數(shù)與UE移動速度之間的關(guān)系圖。從圖中可看出，隨著UE移動速度的提高，方案二的無效IFS次數(shù)較方案三增大較為明顯。這說明相比于方案二，方案三能減少UE大量無效的IFS，從而提高小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性。這是因?yàn)榉桨溉啾扔诜桨付苡行П苊飧咚僖苿覷E進(jìn)行IFS。圖10為UE在低速移動的情況下(0～50 km/h)，UE與小小區(qū)連接時(shí)間同UE移動速度之間的關(guān)系圖。從圖中可看出，在低速情況下，3種小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案中的UE與小小區(qū)連接時(shí)間相差很小。這說明本文所提的方案，在低速情況下，能保持較高的小區(qū)發(fā)現(xiàn)概率，同時(shí)，在輕微減少小小區(qū)發(fā)現(xiàn)概率的代價(jià)下，可對高速移動的UE進(jìn)行IFS限制，從而提高UE小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性。

4 總結(jié)

    本文提出一種基于雙頻連接的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，設(shè)計(jì)了兩種用戶IFS方案，以解決邊緣區(qū)域UE在小小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程中的IFS能耗過高問題。這兩種方案通過減少UE不必要的IFS次數(shù)，以達(dá)到UE節(jié)能的目的。與傳統(tǒng)小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案相比，本文提出的小小區(qū)發(fā)現(xiàn)方案能節(jié)省UE異頻掃描98%的IFS能耗，同時(shí)，通過進(jìn)一步設(shè)定信干噪比值門限（即設(shè)置雙門限），可對高速移動UE進(jìn)行IFS限制，提高小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的有效性，同時(shí)有效地避免由于頻繁切換而帶來的通信質(zhì)量下降問題。

參考文獻(xiàn)

[1] LARSSON E，EDFORS O，TUFVESSON F，et al.Massive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Communications Magazine，2014，52(2)：186-195.

[2] DAVE S，DUBEY A，MACWAN S，et al.5G cellular communication system with millimeterwaves：study of requirements，hardware and biological effects[C].IEEE International Conference on Research in Computational Intelligence and Communication Networks，2015.

[3] DAMNJANOVIC A，MONTOJO J，WEI Y，et al.A survey on 3GPP heterogeneous networks[J].Wireless Communications IEEE，2011，18(3)：10-21.

[4] RYU Y，KIM J G.Cell search for 3GPP LTE system using interference cancellation[C].2015 Seventh International Conference on ICUFN，2015：579-584.

[5] PRASAD A，LUNDEN P，TIRKKONEN O，et al.Energy-efficient flexible inter-frequency scanning mechanism for enhanced small cell discovery[C].Vehicular Technology Conference.IEEE，2013：1-5.

[6] HONG Y，XU X，TAO M.Predictive connection time based small cell discovery strategy for LTE-advanced and beyond[C].Wireless Communications and NETWO-RKING Conference.IEEE，2014.

[7] PRASAD A，LUNDEN P，TIRKKONEN O，et al.Energy efficient small-cell discovery using received signal strength based radio maps[C].Vehicular Technology Conference(VTC Spring)，2013 IEEE 77th.IEEE，2013：1-5.

[8] MAHBAS A.Double spectrum small cell(DSSC) for discovering inter-frequency small cell inHetNet[C].IEEE International Conference on Communications.IEEE，2015.

[9] 3GPP TR 36.839.E-UTRA；Mobility enhance-ments in heterogeneous networks[S].Ver. 0.5.0，2012.

[10] Nokia Siemens Networks, Nokia Corporation.R2-116151：Small cell detection in HetNet environment[Z].2011.