0 引言

    隨著移動互聯網和物聯網技術及其各種應用的快速發展，移動數據業務呈爆炸式增長，因此對數據速率和網絡系統容量提出了更高的要求和挑戰。為解決上述問題和滿足日益增長的業務需求，業界提出了許多創新解決方案，如：大規模MIMO系統^[1]、毫米波技術^[2]、小小區技術^[3]等。其中，小小區技術是系統容量擴充和信息速率提升的最直接有效的方法之一，也是未來5G系統及網絡的關鍵使能技術之一。

    小小區的大量部署能夠提高系統容量和信息速率，但是也帶來很多問題與挑戰，如：小小區間嚴重干擾^[4]、小小區頻繁切換以及小小區之間協同運行等。隨著小小區的增多，UE在進行小小區搜索時，相比于現有的宏基站網絡部署，需要進行大量的異頻掃描(Inter-Frequency Scanning，IFS)，導致UE在此過程中耗費大量能量^[5]。因此，在小小區大量部署的蜂窩異構網絡中，如何降低UE在小小區發現和切換過程中的能耗，是非常重要的實際問題。文獻[6]和[7]分別提出一種基于UE運動狀態評估與RSSI射頻指紋數據庫的小小區發現方案，兩者均是通過避免UE盲目地進行IFS過程，以達到UE節能的目的，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發現策略，以解決位于宏小區邊緣的UE在小小區發現過程中的能量損耗問題。當UE接收到宏小區參考信號的噪聲干擾強度滿足一定范圍時，才觸發UE進行IFS過程。同時，本方案考慮到UE移動性，避免UE在高速移動狀態下為了完成小小區發現而實施的無效IFS過程或小小區切換動作。

1 系統模型

1.1 網絡模型

    本文研究場景為小小區大量部署的蜂窩異構網絡，如圖1所示。在宏小區邊緣地帶，由于宏小區信號質量差，有時不能滿足UE的通信要求，UE需盡可能發現其周圍的小小區并與之建立連接。在傳統的小區發現方案中，UE需要周期性進行IFS，以達到發現小小區的目的，但這往往會消耗UE大量能量。

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

其中，P_tx2與P_tx1分別是小小區在頻段DSSC⁽²⁾與DSSC⁽¹⁾的發送功率，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未與小小區建立連接時(即UE k在DSSC⁽¹⁾頻段)，在t時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發現方案

2.1 小小區發現方案原理及過程

    當UE k接收到宏基站參考信號的值滿足預先設定的范圍后，才觸發UE進行IFS過程。為了使UE k方便檢測出當前位置對應的值，可令UE k的接收信號總功率為：

2.2 限制高速移動狀態下的UE進行IFS

    由于高速移動的UE在小小區覆蓋范圍內活動的時間相當短，會造成UE大量的無效IFS過程。例如UE通過IFS過程與小小區建立了連接，但連接時間不滿足預先要求的時長（例如不足10 s）；或者UE進行IFS過程，卻無法成功完成小小區發現或與小小區建立連接，都可視為無效的IFS^[6]。因此，如果不對高速移動狀態下的UE進行IFS測限制，將會大大降低UE異頻掃描的有效性。

    根據上述分析，將IFS的范圍控制在如圖6所示的圓環內，即當UE S進行IFS同頻檢測的值落在該圓環區域所對應的值范圍內時，才觸發UE k進行IFS。假設將移動速度滿足v>v_th(v_th為預設速度門限)的UE視為高速移動UE，系統需限制該UE進行IFS，則有式(7)：

2.3 兩種IFS機制

其中，r₁的大小是由式(8)、式(9)確定。

3 仿真與性能分析

3.1 仿真場景與參數設置

    本文采用系統級仿真實驗，對提出的小小區發現方案進行仿真分析。假設網絡系統中只有1個宏小區，宏小區邊緣地帶均勻部署有20個小小區，且宏小區占用低頻段，小小區同時占用低頻段與高頻段。同時假設在宏小區邊緣區域，有50個UE，分別以不同的移動速率在宏小區邊緣范圍作圓周運動，且每個UE至少重復2次以上的圓周運動。UE在移動過程中，如果成功發現附近存在小小區，網絡則會依據系統負載情況，決定UE是否進行小小區切換。具體的仿真參數設置如表1所示^[9]。假設UE進行一次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為收發兩端之間的距離。

3.2 仿真結果分析

    為了驗證上述各個方案的能量效率，分別對3種方案進行仿真實驗。為便于分析說明，本文令方案一表示傳統小小區發現方案，方案二表示單閾值情況下的基于雙頻連接的小小區發現方案，方案三則表示雙閾值情況下的基于雙頻連接的小小區發現方案。圖7為3種方案的UE能耗圖。從圖中可看出，當UE移動速度為10 km/h時，相對于方案一，方案二與方案三節省大量的UE能耗；在IFS周期為80 ms時，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，即小小區覆蓋范圍或某部分范圍，只有當同頻檢測結果滿足預先設定的范圍時，才觸發UE的IFS操作。這意味著UE只有在小小區覆蓋范圍內或邊緣才進行IFS，大量減少UE無效的IFS，以達到UE節能的目的。

    圖8為方案二與方案三的IFS次數與UE移動速度的關系圖。實驗中假設不同速度的UE圍繞著宏小區邊緣運動兩周，測量出不同移動速度UE進行IFS的次數。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次數隨UE移動速度的增大呈明顯的下降趨勢，且在當移動速度大于40 km/h時，IFS次數急劇下降，這說明方案三能很大程度地避免其進行IFS。

    圖9為方案二與方案三所對應的歸一化無效IFS次數與UE移動速度之間的關系圖。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，從而提高小小區發現的有效性。這是因為方案三相比于方案二能有效避免高速移動UE進行IFS。圖10為UE在低速移動的情況下(0～50 km/h)，UE與小小區連接時間同UE移動速度之間的關系圖。從圖中可看出，在低速情況下，3種小小區發現方案中的UE與小小區連接時間相差很小。這說明本文所提的方案，在低速情況下，能保持較高的小區發現概率，同時，在輕微減少小小區發現概率的代價下，可對高速移動的UE進行IFS限制，從而提高UE小小區發現的有效性。

4 總結

    本文提出一種基于雙頻連接的小小區發現機制，設計了兩種用戶IFS方案，以解決邊緣區域UE在小小區發現過程中的IFS能耗過高問題。這兩種方案通過減少UE不必要的IFS次數，以達到UE節能的目的。與傳統小小區發現方案相比，本文提出的小小區發現方案能節省UE異頻掃描98%的IFS能耗，同時，通過進一步設定信干噪比值門限（即設置雙門限），可對高速移動UE進行IFS限制，提高小小區發現的有效性，同時有效地避免由于頻繁切換而帶來的通信質量下降問題。

參考文獻

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