Cognitive-Empowered家庭基站:毫微微蜂窝网络的智能模式

文摘

部署家庭基站作为一个有效的解决方案已经移除覆盖漏洞,提高无线服务性能3 g-beyond无线网络WiMAX和长期演进(LTE)等。本文探讨小说的毫微微蜂窝网络的动态频谱管理框架,叫做cognitive-empowered家庭基站(CEF),旨在减轻跨越层和intratier干扰最小的修改需要在相应的宏单元的网络。拟议的框架,每个CEF基站(BS)和毫微微蜂窝用户可以使用时空可用的无线电资源的访问流量。我们得出结论,提出CEF框架能有效补充现有毫微微蜂窝设计和作为一个增值功能最先进的毫微微蜂窝技术,同时实现高可扩展性和互操作性通过最小化所需修改的宏单元协议设计。

1。介绍

的广泛部署3 g和/或3 g-beyond无线网络基础设施,无处不在的通信和异构服务配置可以通过一个集成的macrocellular网络战略,支持所有用户在一个阶段,无论他们是移动或固定,室内或室外,数据或语音服务(1]。从早期的经验教训在发展中macrocellular网络是昂贵的视线外同时支持视线和通信在一个典型的几十公里的范围,它变得不那么经济可行的构建基础设施增加数据速率。除此之外,服务质量(QoS)可以明显退化的路径损耗、阴影,和多径衰落效应由于墙渗透,导致低数据速率和建筑物内语音质量差。

的最新进展之一克服室内通信障碍没有多少基础设施支出家庭基站的使用,可以实现高数据率和可控的QoS宏单元的用户和室内家庭基站。毫微微蜂窝是一个小的细胞区域覆盖家庭或办公室,而毫微微蜂窝基站(BS)是简单、低成本、和微型接入点为室内设计的无线服务覆盖相应的宏单元。因此,毫微微蜂窝网络终端用户部署热点,衬底计划中的宏单元的移动网络运营商。而不是使用无线传输像继电器、毫微微蜂窝的废话是与宏单元b通过有线线路,如同轴电缆。毫微微蜂窝规定服务作为一个整体与相应的宏单元b,毫微微蜂窝的用户可以使用毫微微蜂窝资源此刻又切换到宏单元,成为一个宏单元用户在下一时刻由于流动性,可能通过使用不同的无线电资源和副和。因此,两层体系结构形成的宏单元的废话在第一/顶级和毫微微蜂窝第二/ BSs下面层。

1.1。干扰决议在毫微微蜂窝网络

根据最近的发展在3 gpp LTE / LTE-Advanced标准化进展,家庭基站有以下三种部署模式(2- - - - - -4]:(我)专用通道部署:毫微微蜂窝和宏单元利用无线电频谱互相正交。(2)Cochannel部署:毫微微蜂窝和宏单元使用一组通用的无线电部分波段。(3)部分cochannel部署:毫微微蜂窝无线电频谱利用的某些部分是正交的宏单元,而毫微微蜂窝无线电频谱利用的其他部分与宏单元重叠。

尽管专用通道部署可以避免跨越层的干扰,带宽有限的家庭基站和宏单元可能严重损害性能。这是特别密集部署下家庭基站并不可行,因为每个毫微微蜂窝只能访问带宽非常有限。cochannel和部分cochannel部署,另一方面,全球调度方案所需的信道分配;否则家庭基站和宏单元可能遭受可怕的相互干扰。这是一个重大的挑战在采用这些方案。

毫微微蜂窝网络的干扰管理方法已报告,包括功率控制策略为毫微微蜂窝用户(5),时间跳CDMA (TH-CDMA)结合sectorized天线6[],signal-to-interference-plus-noise基础组件载体选择7),和一个集中的调度方案,考虑两个毫微微蜂窝的相互干扰和宏单元的用户(8]。然而,由于简单的设计要求与最小修改宏单元协议运行在BS,这些干扰管理方法可能不是有效的和可伸缩的。注意,宏单元的覆盖范围可以在成千上万的家庭基站。因此,它不是一种可伸缩的解决方案在共同考虑那些毫微微蜂窝用户宏单元资源分配和调度方案的设计。

1.2。认知无线电把一个角色吗?

认知无线电(CR)的概念(9]介绍了几十年前,它的目标是利用时空未使用的频谱资源许可的无线电频谱的中等和投机取巧的方式,在不干扰授权用户信号。因此,CR技术被认为是有吸引力的解决方案来提高频谱利用率和缓解频谱资源的饥饿无处不在的无线服务。第一个标准旨在使用CR技术是IEEE 802.22的最初草案指定CR启用网络应该在频谱分配给超高频率/甚高频(UHF / VHF)电视广播服务,点对多点(P2MP)集中基础设施(3,4]。

解决干扰管理问题没有施加额外的复杂性和偏离当前宏单元网络设计,我们将考虑CR动态频谱管理的方法,展示了很强的协同作用的毫微微蜂窝的干扰管理的设计任务的前提和原则。

1.3。欧共体语言教学大纲的轮廓框架

本文探讨小说的框架cognitive-empowered家庭基站(CEF)实现高效管理跨越层和intratier干扰。CR动态频谱感知技术作为欧共体语言教学大纲的BSs的内置特性和毫微微蜂窝用户手机和旨在作为一种有效补充现有的毫微微蜂窝技术。欧共体语言教学大纲的框架下,广播资源,毫微微蜂窝的用户可以使用它来与欧共体语言教学大纲的BSs通信不仅宏单元的授权频谱,而且频谱分配给UHF / VHF电视广播服务。这预计将实现有效的干扰管理通过最小化intratier和跨越层干涉通过一种投机取巧的方式进行小修改所需的宏单元协议设计。此外,考虑在其他许可乐队可以进一步解决带宽口渴和改善毫微微蜂窝网络的QoS。

有效和动态确定时空可用频谱在欧共体语言教学大纲的框架下,我们提出一个新的传感协调方案启动抗干扰的CEF BS和毫微微蜂窝用户之间的通信。我们将表明,该方案能完全适合毫微微蜂窝网络的独特的特性和设计前提而采取的最佳优势传统独立传感和合作传感策略(10]。

2。动态频谱感知英语

动态频谱感知是一个独特的特性在CR网络,是否一个高效和无干扰的频谱复用CR设备可以实现。本节概述在先进的光谱传感技术和最近报道动态频谱感知方案。

2.1。现有的频谱感知技术

有很多光谱传感技术提出了radio-scene分析(11),如能量检测,检测周期平稳,pilot-based相干检测和covariance-based检测。由于计算复杂度低,易于实现,能量检测是一种自然选择在CR宽带传感网络(12]。底层对CR使用宽带传感网络的动机是希望获得尽可能多的闲置频谱资源以同步的方式。大部分的重点一直放在宽带传感技术检测信号重建和决策过程(13- - - - - -15]。

可靠的功率谱密度(PSD)的方法估计和子带识别作为基础上实现高效的宽带传感在处理异质性的部分波段光谱。提出了欧共体语言教学大纲的框架,这是必不可少的交易与一个动态网络环境改变部分波段可用性和噪声波动条件下,以及异构混合不同的宏单元的用户具有不同的频谱资源需求。在这篇文章中,最先进的宽带传感技术(16)是用于这一目的。特点是一个能力强的噪声fluctuation-free PSD估计宽带传感以及自动检测的部分波段信息获得无线电频率信号,它被认为是完美的CEF BSs设计基于能量检测主动传感过程提出的框架下。

2.2。动态频谱感知方案

频谱感知技术需要一个合适的动态传感方案作为一个特定系统的实现方法。合作传感和独立的感应是两个最流行的动态频谱感知方案被广泛报道和就业。与合作传感、中央控制器(例如,一个基站,集群的头,或数据接收器)练习时完全控制和部分波段每个无线节点必须有意义,使最终决定在频谱可用性融合所有无线节点的感知结果。与独立的感应,另一方面,每个二级用户单独控制和这部分波段时,和频谱可用性仅决定根据自己的观察。相关的优点和缺点在表提供了这两种策略1。

很明显,这两个传感方案的适用性受到限制实现提出了欧共体语言教学大纲的框架。例如,由于不可忽视的异质性在现代无线网络可容纳不同厂商的设备和无线技术,使用一个中央控制器来处理光谱传感、访问和资源分配过程可能导致低灵活性的问题,可扩展性差,和坏的互操作性。此外,欧共体语言教学大纲的BSs和毫微微蜂窝用户简单的设备,它可以不可行实现一个复杂的分布式计算平台合作感知。相反,考虑到所有的频谱感知和信息处理独立执行没有任何附加信息和协调,解决上述问题会导致严重的性能下降由于障碍次要用户访问,然后影响到传感精度。

2.3。感应协调

提出了欧共体语言教学大纲的框架实现了一个协同频谱感知方案,旨在把最好的两个传统的频谱感知方案,说合作传感和独立的感应,同时避免各自的缺点,为了满足的具体设计要求欧共体语言教学大纲的网络。与协调感应,当需要更多的无线电资源可用的宏单元许可乐队,独立的传感执行相关的协调下CEF b,这安排所有周围的毫微微蜂窝用户的频谱感知过程。自从CEF BS简单指示传感序列频谱感知的范围而不是结束每个毫微微蜂窝用户的频谱可用性,主/从关系CEF BS和毫微微蜂窝用户放松与合作遥感相比。

预计集成传感协调方案在现有的毫微微蜂窝技术允许更大的频谱资源使用和有效的干扰管理,因此作为一个增值补充毫微微蜂窝网络设计。它的简单性和效率,随着高透明度系统中现有的协议,完全满足所需的特性和现代毫微微蜂窝系统的初衷。

3所示。提出了欧共体语言教学大纲的框架

第一节定义了欧共体语言教学大纲的BSs的功能模块,重点为动态频谱感知的目的,其次是提出协调传感方案的描述。

3.1。欧共体语言教学大纲的BSs的函数

最具特色的英语网络是欧共体语言教学大纲的BS可以发起通信的毫微微蜂窝用户通过两个宏单元乐队和未使用的电视乐队以投机取巧的方式,以扩大系统容量而明智地减轻跨越层和intratier干扰。因此,除了现有的家庭基站的功能,欧共体语言教学大纲的BS和毫微微蜂窝用户探索宏单元的乐队以及许可授权频谱资源UHF / VHF电视通过定期通过能源检测传感资源块。欧共体语言教学大纲的废话是保持实时的感知环境和渠道毫微微蜂窝用户相关信息。初步感知结果,欧共体语言教学大纲的废话时间表毫微微蜂窝用户时,这部分波段以随机的方式。很明显,无序传感在一群毫微微蜂窝用户可用一组公共的部分波段可能导致不正确的感知结果,导致非正常干扰(10]。因此,英语BS的协调下,毫微微蜂窝用户指示的范围和优先级可能的通道扫描,和协调预计将显著提高传感精度在每个毫微微蜂窝用户。协调与合作遥感相比,该传感方案每个毫微微蜂窝用户扫描了一组较小的部分波段与某些序列,可有效减少感应延迟和功耗。

欧共体语言教学大纲的函数是由两个功能模块:传感模块的协调(SCM)安装在欧共体语言教学大纲的BS和终端用户模块(设计)装备在毫微微蜂窝用户手机。

每个SCM的操作是由三个主要处理阶段:(i)主动传感、(2)传感协调,和(3)承认(ACK)信息调整。每个设计都是由两个主要的操作处理阶段:(i)知识估计和(2)传感在推理。

SCM和设计的功能模块之间的关系如图所示1。在主动感知阶段,CEF BS定期执行通道测量来识别和收集实时可用资源块和直接的通道信息。在每个测量周期,CEF BS执行传感协调通过随机选择可能提供部分波段与设计和相应的共享信息。这是为了避免跨越层的干扰。

共享信息,设计估计传感等参数传感迭代的最大数量和通道序列传感和执行好传感的建议部分波段通过推理过程,为了最小化intratier干扰。一旦一个毫微微蜂窝用户访问部分波段,毫微微蜂窝用户将承认欧共体语言教学大纲的BS关于使用部分波段。ACK信息协助SCM执行通道测量相应的光谱识别宏单元的用户信号。注意,如果任何宏单元用户确定信号,单片机将指导毫微微蜂窝用户从这些部分波段立即疏散。

3.2。传感模块的协调(SCM)

总之,SCM主动执行宽带传感通道测量来确定传输/接收机会超越传统技术,以及维护和更新主动感知的结果,以协助毫微微蜂窝用户确定各自的传感参数时执行独立的频谱感知。的遥感参数估计每个毫微微蜂窝用户手机将在后面介绍。

在接下来的讨论中,我们考虑下时间和频率OFDMA / TDMA网络资源和使用它们资源块。周期通道测量过程如图2和总结如下:(我)主动感知阶段:供应链管理措施收到干扰功率(RIP)每个资源块(即。,每个时间段的每个部分波段)。执行测量在一个完整的子帧通过宽带传感在所有时段和部分波段子帧,如图2。(2)感应协调阶段:SCM提取网站信息的宏单元宽带传感和股票和毫微微蜂窝用户的信息。(3)ACK信息调整阶段:欧共体语言教学大纲的废话可以调整原来的检测阈值更好地估计相关的宏单元的活动用户根据ACK来自它的毫微微蜂窝用户的信息。

注意,一个资源块被认为是被宏单元,如果把资源块超过某个阈值。在任何子帧不执行测量,欧共体语言教学大纲的BS只安排空闲的资源块的大电池给用户。SCM还获得信道可用性信息可能在其他许可乐队,比如,电视。

以上三个阶段中执行每个通道测量SCM的时期,这是详细的下面。

3.2.1之上。主动感知阶段

(我)一步1。一个fluctuation-free功率谱密度(PSD)是通过使用受限的贝叶斯估计方法16),计算加权平均每个频率在渐渐减少的窗口。内的重量分配给每个频率逐渐减少窗口设置基于Gibbs-based似然函数,一个低体重PSD偏差时,就分配高频率和频率之间我们希望估计。这似然函数有两个目的:(i)频率较低的PSD偏差(PSD偏差主要是由于噪声波动)有很高的贡献在消除噪声波动和高PSD (ii)频率偏差(PSD偏差主要是由于底层PSD形状)的贡献较低,因此对PSD的整体形状影响甚微。因此,噪声波动压制而PSD的整体形状是保留。(2)一步2。情况的部分波段是未知的(例如,无线设备从不同的制造商使用不同的频段),一阶导数滤波器应用于fluctuation-free PSD识别PSD的重大变化,体现了个人的边界部分波段(16]。(3)一步3。测试统计数据计算从fluctuation-free PSD在每个子带,并与检测阈值的概率来确定可用性。此外,阈值将ACK信息更新调整阶段。

3.2.2。感应协调阶段

在感应协调阶段,部分波段的SCM指示毫微微蜂窝用户在这些子序列感,为了减轻intratier干扰和提高的可能性获得可用带宽和会议的延迟由于传感过程。另一方面,它将决定传输速率和调制的毫微微蜂窝用户来说,这是必不可少的条件来满足他们的QoS要求。

注意,可能会有一个隐藏终端问题在毫微微蜂窝用户身边当一次能带,被认为是在欧共体语言教学大纲的BS端可用实际上是被隔壁欧共体语言教学大纲的废话。这就导致intratier干扰。因此,而不是完全遵循指令从CEF b通道的可用性,每个用户手机上执行好通过能源检测传感的部分波段的CEF BS通过推理方法的指导。(我)一步1。提取服务类的需求。(2)一步2。随机确定的部分波段数,表示 ,以一个概率毫微微蜂窝用户的感觉根据一个分布 与的意思和标准偏差 。请注意,这是一个简单的高斯分布。(3)一步3。随机选择一个组部分波段的毫微微蜂窝用户感觉和访问的概率根据部分波段在主动感知阶段确定的可用性。因此,最有可能的毫微微蜂窝用户指示部分波段。(iv)一步4。设置中选择部分波段,指导毫微微蜂窝用户执行只有能量检测之前访问相关的部分波段遥感结果通道检测的时间内,表示 ,在IEEE 802.22中指定)。能量检测满足这些病例是由于新鲜的感知结果。如果推荐的部分波段比秒,毫微微蜂窝用户将指示执行特征检测之前访问的腐败感知的结果。

公平是另一个重要的设计目标以外的干扰降低,可以有效地实现通过操纵的部分波段数量允许用户为每个传输扫描。另一方面,最优数量的部分波段扫描在femmtocell用户也可以帮助减轻intratier干扰自毫微微蜂窝用户,与随机通道传感策略,不可能选择一组公共的部分波段和扫描顺序相同。这将是检查的模拟。

3.2.3。ACK信息调整阶段

ACK信息调整阶段,应答消息的毫微微蜂窝用户承担部分波段的信息已经被毫微微蜂窝用户和使用信道的统计条件,这样CEF BS可以调整原检测阈值更好地估计相关的宏单元的活动用户。

3.3。终端用户模块(设计)

毫微微蜂窝用户手机的设计利用外在和内在的知识网络环境来估计最优数量的渠道在他们独立的传感过程中,可以使用能量检测或特性检测,根据指令SCM的欧共体语言教学大纲的废话。此外,设计动态完善的遥感结果达到预期的QoS要求。两个阶段进一步阐述了下面。

3.3.1。以知识为基础的评估阶段

直觉上,扫描更多的渠道将更有可能获得足够的带宽,以支持所需的连接如果感应时间不是一个问题。然而,传感部分波段的结果再感应延迟,因此降低了吞吐量。除此之外,一个长期传感过程会增加失败的可能性传输和失去的机会由于通道的动态特性的可用性。因此,认知,设计估计部分波段扫描(表示的数量欧共体语言教学大纲的BS)使用的知识要求,为了达到最好的客户的前提。

3.3.2。推理感应阶段

自设计部分波段扫描一个接一个,有可能是一个设计确定之前足够的通道扫描所有推荐的部分波段欧共体语言教学大纲的废话。因此,推理过程是建议提高传感效率,每一个设计决定继续扫描第二次能带只有在吞吐量方面的预期收益率是正的,和部分波段的数量没有达到 。

4所示。绩效评估

实验验证的性能提出了欧共体语言教学大纲的框架。我们模拟 室内网络区域平均10宏单元的用户和各种毫微微蜂窝用户的数量,是根据帕累托分布在三个家庭基站分配。每个毫微微蜂窝的用户有一个无线电传输半径范围 。为每个光谱传感事件,一个与随机生成的带宽频谱分为10次能带(这反映了无线信道的随机性质)。对于每一个传输,毫微微蜂窝用户随机选择然后意图接收器是最近的欧共体语言教学大纲的废话。我们进行了模拟 每个试验,提出欧共体语言教学大纲的框架的性能评价方面(1)吞吐量上限在主动感知阶段,intratier干扰的概率(2),(3)颞使用率。注意,我们假设(1)的宽带传感可以准确地识别可用的资源块,这样跨越层的干扰可以被完全移除。

4.1。通过定期主动传感通道测量的性能

很明显,可用的渠道提供的CEF b可能是也可能不是免费的毫微微蜂窝用户,取决于良好的感知结果毫微微蜂窝用户澄清intratier干扰。因此,吞吐量通过使用可用的资源块在主动感知阶段确定可以简单地作为上限后,真正实现吞吐量考虑毫微微蜂窝用户的感知结果。这是见图3,该方案有效地达到显著增强相比,“没有测量”的场景。注意,与“不”测量CEF BS随机资源块分配在每个子帧,这是类似于交叉的概念资源块分配打击块衰落信道。测量期间由子帧数。

4.2。Intratier干扰的概率

这组模拟评估intratier干扰的概率,这是超过一个的概率毫微微蜂窝用户识别任何常见的可用部分波段。这导致intratier干扰,因为媒介竞争访问可能出现以后。

intratier干扰的概率是直接衡量工作表现的拟议的框架,它决定了该框架的可行性和有效性。在图4intratier干扰的概率,提出了欧共体语言教学大纲的框架,独立的传感方案(17),合作方案相比,部分波段被设置的数量 。正如预期的那样,该框架收益率更低的概率intratier干扰比独立计划和可比性与合作计划。结果表明集成协调感应到的潜在好处欧共体语言教学大纲的框架,在频谱感知过程还具有类似的简单独立的感应与合作遥感可以实现相同的效率。进一步,有毫微微蜂窝用户,该框架可以更好的表现比独立方案intratier干扰的概率。

我们注意到与合作传感intratier干扰的概率略减少随着毫微微蜂窝用户的数量增加。这是因为传感精度提出了框架的高度依赖毫微微蜂窝用户和保持稳定的密度达到一定数量后的毫微微蜂窝用户(18]。结果显示效率,可以通过该框架的使用。

4.3。时间使用率

进一步评估全网时间效率,我们调查了颞使用率,这被定义为时间的百分比,任意次能带不是由任何毫微微蜂窝用户使用。我们的目标是评估衬底上的毫微微蜂窝用户流量的影响全网性能。通过设置每一个宏单元用户的通信交通量10包/秒,数字5显示的是时间使用率在拟议的框架与不同的毫微微蜂窝用户流量卷。可以观察到颞使用率明显高于独立的传感方案由于BSs指导CEF最有可能的可用部分波段毫微微蜂窝用户基于先天的部分波段获得的信息从它的能量检测和ACK信息调整。此外,该框架可以达到类似水平的全网时间效率与传统合作传感方案相比,虽然明显优于合作传感方案的总体效率和简单。这是一个有前途的特性提出了框架的工作部署简单,低成本,custom-premised欧共体语言教学大纲的BSs。

5。结论

在本文中,我们提出了一个新颖的干扰管理框架通过信道测量和动态频谱感知的毫微微蜂窝网络,称为cognitive-empowered家庭基站(CEF),旨在提高毫微微蜂窝的容量和减轻跨越层和intratier干涉一个步骤。拟议的框架下,欧共体语言教学大纲的BSs定期执行信道测量和传感与相应的毫微微蜂窝用户协调。动态频谱感知功能,设备可以利用时空可用频谱以投机取巧的方式。仿真结果证明了提出的潜力CEF框架的努力提高整体网络容量通过智能采集的频谱机会的可伸缩性、灵活性、和透明度对现有宏单元协议设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(2015 r1c1a1a02036536)。

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