[论文解读] Uplink Capacity and Interference Avoidance for Two-Tier Cellular Networks

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 2

一句话总结

本文提出了一种在采用通用频率复用的两层CDMA网络中，利用时隙跳频CDMA和扇区化天线进行上行链路容量分析与干扰规避的策略，以减轻跨层干扰。结果表明，这些技术可使微微蜂窝基站密度相比采用频谱分离与全向天线的系统提高约7倍，在中断约束下显著提升网络容量。

ABSTRACT

Two-tier femtocell networks-comprising a conventional macrocellular network plus embedded femtocell hotspots- offer an economically viable solution to achieving high cellular user capacity and improved coverage. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network with universal frequency reuse. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the Operating Contour (OC) defined as the combinations of the average macrocell users and femtocell BS per cell-site that meet a target outage constraint. A contribution of this work is an accurate characterization of the uplink outage probability taking cross-tier power control, path-loss and shadowing into account. Considering worst case interference at a corner femtocell, results reveal that interference avoidance through a time-hopped CDMA physical layer and sectorized antennas allows about a 7x higher femtocell BS density, relative to a split spectrum network with omnidirectional femtocell antennas. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

研究动机与目标

• 分析采用通用频率复用与共享频谱的两层微微蜂窝网络中的上行链路容量。
• 解决宏蜂窝对微微蜂窝的跨层干扰问题，特别是最坏情况下角落微微蜂窝的干扰。
• 开发一种干扰规避策略，在维持目标中断性能的同时最大化微微蜂窝基站密度。
• 量化先进物理层技术相较于传统频谱分离与全向天线方法的性能增益。
• 定义并评估操作轮廓（OC）度量指标，作为在中断约束下衡量网络整体面积频谱效率的指标。

提出的方法

• 作者通过引入跨层功率控制、路径损耗及对数距离阴影效应，建立上行链路中断概率的模型。
• 将操作轮廓（OC）定义为满足目标中断概率的宏蜂窝用户负载与微微蜂窝基站密度的集合。
• 分析聚焦于角落微微蜂窝处的最坏情况干扰场景，代表最具挑战性的部署条件。
• 采用时隙跳频CDMA作为物理层技术，以减少宏蜂窝与微微蜂窝层之间的同频干扰。
• 利用扇区化天线实现微微蜂窝传输的空间隔离，降低对邻近小区的干扰泄漏。
• 在相同的频谱与功率约束下，将性能与采用全向微微蜂窝天线的频谱分离网络进行基准对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用通用频率复用的两层CDMA网络中，跨层干扰如何影响上行链路容量？
• RQ2 在最坏干扰条件下，维持目标中断概率的可行微微蜂窝基站密度最大可达多少？
• RQ3 与传统的频谱分离及全向天线系统相比，时隙跳频CDMA与扇区化天线在多大程度上可提升微微蜂窝部署密度？
• RQ4 操作轮廓（OC）度量指标如何量化在中断约束下宏蜂窝用户负载与微微蜂窝基站密度之间的权衡？
• RQ5 路径损耗与阴影效应如何影响采用跨层功率控制的两层网络中的上行链路中断概率？

主要发现

• 采用时隙跳频CDMA与扇区化天线的干扰规避策略，使微微蜂窝基站密度相比采用全向天线的频谱分离网络提高了约7倍。
• 操作轮廓（OC）度量指标能有效捕捉在给定中断约束下，宏蜂窝用户负载与微微蜂窝基站密度之间的权衡关系。
• 若未有效缓解干扰，跨层干扰会显著限制微微蜂窝部署密度，尤其在遭受最坏干扰的角落微微蜂窝处。
• 准确表征上行链路中断概率（包括路径损耗、阴影效应及跨层功率控制）对于可靠容量分析至关重要。
• 时隙跳频CDMA提供了显著的干扰隔离能力，支持更高的频谱复用，从而提升共享频谱两层部署中的网络容量。
• 结果表明，诸如时隙跳变与扇区化等物理层技术对于实现具备通用频率复用的稳健、高容量两层蜂窝网络至关重要。