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

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种基于随机几何的上行链路容量分析与干扰规避策略，针对采用时隙跳频和扇区化天线的两层小型蜂窝网络，使用DS-CDMA技术。引入了工作轮廓（OC）度量以量化在中断约束下宏蜂窝用户与小型蜂窝基站的可行组合，结果表明，通过干扰抑制，小型蜂窝网络的密度可比使用全向天线的分频谱方案提高多达7倍。

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. With universal frequency reuse and DS-CDMA transmission however, the ensuing cross-tier cochannel interference (CCI) causes unacceptable outage probability. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the \\emph{operating contour (OC)} defined as the feasible combinations of the average number of active macrocell users and femtocell base stations (BS) per cell-site that satisfy a target outage constraint. The capacity analysis provides an accurate characterization of the uplink outage probability, accounting for power control, path-loss and shadowing effects. Considering worst case CCI 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 density, relative to a split spectrum two-tier network with omnidirectional femtocell antennas. A femtocell exclusion region and a tier selection based handoff policy offers modest improvements in the OCs. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

研究动机与目标

• 建立并分析采用共享频谱和全频复用的两层小型蜂窝网络中的上行链路容量。
• 量化小型蜂窝对宏蜂窝用户产生的跨层干扰影响，考虑路径损耗、阴影衰落和功率控制因素。
• 评估干扰规避技术（时隙跳频CDMA与扇区化天线）对网络容量的影响。
• 评估小型蜂窝排除区和基于网络层级选择的切换机制对系统性能的提升效果。

提出的方法

• 采用泊松点过程的随机几何框架，建模小型蜂窝与宏蜂窝用户在空间中的随机分布。
• 将工作轮廓（OC）定义为在目标中断概率约束下，满足条件的宏蜂窝用户与小型蜂窝基站的可行区域。
• 通过建模主导的宏蜂窝干扰源，并利用一阶泰勒展开近似干扰统计特性，推导出小型蜂窝用户下限的中断概率。
• 通过累积分布函数的卷积运算，结合宏蜂窝与小型蜂窝的干扰，利用两两独立性假设。
• 引入小型蜂窝排除区以消除小区边缘的强干扰，提升链路可靠性。
• 采用独立的伯努利删减方法建模基于网络层级选择的切换，近似表示未被小型蜂窝服务的宏蜂窝用户密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共享频谱与全频复用条件下，两层小型蜂窝网络的上行链路容量是多少？
• RQ2 在路径损耗、阴影衰落和功率控制条件下，跨层干扰的表征精度如何？
• RQ3 时隙跳频CDMA与扇区化天线在多大程度上可减少干扰并提升小型蜂窝密度？
• RQ4 小型蜂窝排除区在改善工作轮廓方面效果如何？
• RQ5 基于网络层级选择的切换策略能带来多大的容量增益？

主要发现

• 采用时隙跳频CDMA与扇区化天线的小型蜂窝网络，其小型蜂窝密度相比使用全向天线的分频谱两层网络可提高约7倍。
• 工作轮廓（OC）度量能有效捕捉在目标中断约束下，宏蜂窝用户负载与小型蜂窝基站密度之间的权衡关系。
• 通过扇区化与时隙跳频实现的干扰规避显著降低了跨层干扰，尤其在小区边缘区域效果明显。
• 小型蜂窝排除区与基于层级选择的切换策略在工作轮廓上提供了适度但可测量的性能提升。
• 所提出的解析模型能准确表征在广泛的小型蜂窝密度范围内的上行链路中断概率，且无需对干扰统计特性进行近似。
• 下限中断概率表达式（公式18）为系统设计提供了紧致的近似，其有效性通过泰勒展开与干扰分布的卷积运算得到验证。