【原】【学术论文】一种基于双频连接的小小区发现方案

    随着移动互联网和物联网技术及其各种应用的快速发展，移动数据业务呈爆炸式增长，因此对数据速率和网络系统容量提出了更高的要求和挑战。为解决上述问题和满足日益增长的业务需求，业界提出了许多创新解决方案，如：大规模MIMO系统^[1]、毫米波技术^[2]、小小区技术^[3]等。其中，小小区技术是系统容量扩充和信息速率提升的最直接有效的方法之一，也是未来5G系统及网络的关键使能技术之一。

    小小区的大量部署能够提高系统容量和信息速率，但是也带来很多问题与挑战，如：小小区间严重干扰^[4]、小小区频繁切换以及小小区之间协同运行等。随着小小区的增多，UE在进行小小区搜索时，相比于现有的宏基站网络部署，需要进行大量的异频扫描(Inter-Frequency Scanning，IFS)，导致UE在此过程中耗费大量能量^[5]。因此，在小小区大量部署的蜂窝异构网络中，如何降低UE在小小区发现和切换过程中的能耗，是非常重要的实际问题。文献[6]和[7]分别提出一种基于UE运动状态评估与RSSI射频指纹数据库的小小区发现方案，两者均是通过避免UE盲目地进行IFS过程，以达到UE节能的目的，但是，两者都存在一定的局限性。

    为解决上述问题，本文提出一种新的基于双频连接的小小区发现策略，以解决位于宏小区边缘的UE在小小区发现过程中的能量损耗问题。当UE接收到宏小区参考信号的噪声干扰强度满足一定范围时，才触发UE进行IFS过程。同时，本方案考虑到UE移动性，避免UE在高速移动状态下为了完成小小区发现而实施的无效IFS过程或小小区切换动作。

1 系统模型

1.1 网络模型

    本文研究场景为小小区大量部署的蜂窝异构网络，如图1所示。在宏小区边缘地带，由于宏小区信号质量差，有时不能满足UE的通信要求，UE需尽可能发现其周围的小小区并与之建立连接。在传统的小区发现方案中，UE需要周期性进行IFS，以达到发现小小区的目的，但这往往会消耗UE大量能量。

    双频连接是指小小区同时占有低频和高频两频段，即小小区与宏小区既是异频关系，又是同频关系。本文将低频段称作DSSC⁽¹⁾(Double Spectrum Small Cell⁽¹⁾)，高频段称作DSSC⁽²⁾。令宏小区占用低频段DSSC⁽¹⁾，则小小区同时占用DSSC⁽¹⁾与DSSC⁽²⁾两个频段，如图1所示。为保证小小区在两个频段覆盖范围的一致性，则小小区基站在两个频段的发送功率满足下式^[8]：

    

其中，P_tx2与P_tx1分别是小小区在频段DSSC⁽²⁾与DSSC⁽¹⁾的发送功率，L₁与L₂分别为频段DSSC⁽¹⁾与DSSC⁽²⁾的路径损耗。

1.2 信号模型

    UE S未与小小区建立连接时(即UE k在DSSC⁽¹⁾频段)，在t时刻所接收的宏基站参考信号的信干噪比定义为：

2 基于双频连接的小小区发现方案

2.1 小小区发现方案原理及过程

    当UE k接收到宏基站参考信号的值满足预先设定的范围后，才触发UE进行IFS过程。为了使UE k方便检测出当前位置对应的值，可令UE k的接收信号总功率为：

2.2 限制高速移动状态下的UE进行IFS

    由于高速移动的UE在小小区覆盖范围内活动的时间相当短，会造成UE大量的无效IFS过程。例如UE通过IFS过程与小小区建立了连接，但连接时间不满足预先要求的时长（例如不足10 s）；或者UE进行IFS过程，却无法成功完成小小区发现或与小小区建立连接，都可视为无效的IFS^[6]。因此，如果不对高速移动状态下的UE进行IFS测限制，将会大大降低UE异频扫描的有效性。

    根据上述分析，将IFS的范围控制在如图6所示的圆环内，即当UE S进行IFS同频检测的值落在该圆环区域所对应的值范围内时，才触发UE k进行IFS。假设将移动速度满足v>v_th(v_th为预设速度门限)的UE视为高速移动UE，系统需限制该UE进行IFS，则有式(7)：

2.3 两种IFS机制

其中，r₁的大小是由式(8)、式(9)确定。

3 仿真与性能分析

3.1 仿真场景与参数设置

    本文采用系统级仿真实验，对提出的小小区发现方案进行仿真分析。假设网络系统中只有1个宏小区，宏小区边缘地带均匀部署有20个小小区，且宏小区占用低频段，小小区同时占用低频段与高频段。同时假设在宏小区边缘区域，有50个UE，分别以不同的移动速率在宏小区边缘范围作圆周运动，且每个UE至少重复2次以上的圆周运动。UE在移动过程中，如果成功发现附近存在小小区，网络则会依据系统负载情况，决定UE是否进行小小区切换。具体的仿真参数设置如表1所示^[9]。假设UE进行一次IFS的能量消耗为^[10]：

    

其中，PL₁和PL₂分别为频段DSSC⁽¹⁾与DSSC⁽²⁾的路径损耗，d_u为收发两端之间的距离。

3.2 仿真结果分析

    为了验证上述各个方案的能量效率，分别对3种方案进行仿真实验。为便于分析说明，本文令方案一表示传统小小区发现方案，方案二表示单阈值情况下的基于双频连接的小小区发现方案，方案三则表示双阈值情况下的基于双频连接的小小区发现方案。图7为3种方案的UE能耗图。从图中可看出，当UE移动速度为10 km/h时，相对于方案一，方案二与方案三节省大量的UE能耗；在IFS周期为80 ms时，方案二与方案三的能耗不足方案一的2%，即相对于方案一，节省了UE本身98%以上的IFS能量。其原因在于，方案二与方案三将UE的异频扫描控制在很小的一个范围内，即小小区覆盖范围或某部分范围，只有当同频检测结果满足预先设定的范围时，才触发UE的IFS操作。这意味着UE只有在小小区覆盖范围内或边缘才进行IFS，大量减少UE无效的IFS，以达到UE节能的目的。

    图8为方案二与方案三的IFS次数与UE移动速度的关系图。实验中假设不同速度的UE围绕着宏小区边缘运动两周，测量出不同移动速度UE进行IFS的次数。从图中可以看出，方案二对高速移动UE没有起到限制IFS的作用，IFS次数随UE移动速度增加，无明显的下降趋势。反观方案三则对高速移动UE的IFS有明显的限制作用，其用户IFS次数随UE移动速度的增大呈明显的下降趋势，且在当移动速度大于40 km/h时，IFS次数急剧下降，这说明方案三能很大程度地避免其进行IFS。

    图9为方案二与方案三所对应的归一化无效IFS次数与UE移动速度之间的关系图。从图中可看出，随着UE移动速度的提高，方案二的无效IFS次数较方案三增大较为明显。这说明相比于方案二，方案三能减少UE大量无效的IFS，从而提高小小区发现的有效性。这是因为方案三相比于方案二能有效避免高速移动UE进行IFS。图10为UE在低速移动的情况下(0～50 km/h)，UE与小小区连接时间同UE移动速度之间的关系图。从图中可看出，在低速情况下，3种小小区发现方案中的UE与小小区连接时间相差很小。这说明本文所提的方案，在低速情况下，能保持较高的小区发现概率，同时，在轻微减少小小区发现概率的代价下，可对高速移动的UE进行IFS限制，从而提高UE小小区发现的有效性。

4 总结

    本文提出一种基于双频连接的小小区发现机制，设计了两种用户IFS方案，以解决边缘区域UE在小小区发现过程中的IFS能耗过高问题。这两种方案通过减少UE不必要的IFS次数，以达到UE节能的目的。与传统小小区发现方案相比，本文提出的小小区发现方案能节省UE异频扫描98%的IFS能耗，同时，通过进一步设定信干噪比值门限（即设置双门限），可对高速移动UE进行IFS限制，提高小小区发现的有效性，同时有效地避免由于频繁切换而带来的通信质量下降问题。