Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  Vol .   5 ,  No . 3,  J une   2 0 1 5 ,  pp . 53 9~ 54 7   I S SN : 208 8-8 7 0 8           5 39     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Alleviating Interference th rough Cognitive Radio for LTE- Advan ced Network       Tsung-Hui  Chuang*,  Gu an -H on g Chen *,   Men g -Hsu Tsai*,  Chun -Lung Lin *   *Departm ent  of  Com puter Scien ceand  Inform ati on E ngin eering ,   Nationa l Cheng   Kung Universit y , T a iwan   ** Industrial  Technolog y  R e sear ch Institute (ITR I), Taiwan       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Ja n 14, 2015  Rev i sed  Ap 18 , 20 15  Accepte May 2, 2015      In the LTE-Ad vanced ne twork, som e  fem t ocells are deplo y e d  within a   macroecell for  improving through put of  indo or user equipments (UEs),  which are referr ed to as fem t ocell UEs (FUEs).  Cross-tier interf erenc e  is an   im portant issue in this deplo y m e nt , which may significan tly  impact signal  qualit be tween  M acroc ell  Ba s e  S t ations  (M BS s )  and M acr ocel l Us er   Equipm ents  (M UEs ) , es pecia l l y  for MUEs   near  the fem t oce ll. T o  reliev e  this   problem, the  Third Generation  Partne rship Project Long Ter m  Evolution- Advanced (3GP P LTE-Advan c ed) def i ned  the  cognit i ve  radi o enhan ced   femtocell to  coo r dinate interfer e nce  for  LTE-Advanced  Network .  Cognitive  radio femtocells  have the  ability to  sense radio  environment to  obtain rad i o   parameters . In   this pap e r, we inve s t i g at ed th e perform an ce   of exis t i ng  schemes based  on fraction a frequency   reuse. Th erefor e, w e  proposed   aschem e with  cognitive radio  t echnolog y   to i m p rove the per f orm a nce of   fractional fre-q uency  r e use scheme. Si mulation results showed that our   scheme can ef fectiv ely   enhan c e aver age downlink throughput o f  FUEs as  well  as th e to tal  downlink throug hput in  LTE-Ad vanced  Network s .   Keyword:  Co gn itiv e rad i Femto cell  Fract i o nal  f r eq uency   re use   In ter-cell in terferen c co ord i n a tion  LTE-Adva nce d    networks   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Tsun g- Hu i C h u a ng   Depa rt m e nt  of  C o m put er Sci e nce a n d  I n f o rm at i on E n gi nee r i n g ,   Natio n a C h eng  Kung  Un i v ersity,  No1 ,  Un iv ersity Ro ad, Tainan City, Taiwan,  ROC.  Em a il: h u e i@im s l ab .csie.n c ku .ed u .tw       1.   INTRODUCTION  In orde r t o  acc omm odate the  rapi growt h   of  wireless tra f fic, it is essenti a l to im prove  t h ecapacity  o f   cu rren cellu lar n e two r k s  for  pro v i d i ng  h i gh er d a ta rat e s and  b e tter  q u a lityo f  serv ice (Qo S ). Thus, th fo urt h  ge nerat i on  (4 G) m obl i e  net w o r us e a prom i s i ng  m odul at i o n t echn o l o gy , i t  sai d  t h at  Ort h og o n al   Freq u e n c Div i sion  Mu ltip l e x   (OFDM ) Th 4G m o b ile co mm u n i catio n  system s, in clu d i n g  th Th ird  Gene rat i o n Pa rt ner s hi p P r o j ect  Lon g   Ter m  Evol ut i o n - Ad va nced  ( 3 GPP  LTE -A d v ance d )  [ 2 ]  a n d  IEE E   8 0 2 . 16 m  [3 ].  OFDM tech nolo g y  sp lited  a h i gh -rate d a ta stream in to  sev e ral lower rat e  p a rallel stream s  th at   are transm i tted   si m u ltan e o u s ly o v e r a larg e n u m b e o f   o r t h ogo n a l sub carriers. Becau s o f  its  orthog on ality  feature ,  the intra-cell interfe re ncecan be  a voi ded.  The m acrocell  user e qui pm ent (MUE) fa r from   macr ocel l  base st at i on ( M B S ) i n cu rre d  po or i n d o o r   capaci t y  i n  cel l u l a net w or ks,  beca use t h M U E s u f f ere d  fr om  hi ghe p o we de gra d at i o n  (i .e ., t h pa t h  l o ss   an d p e n e tration  lo ss of  walls are si g n i fican t).  Altho ugh   d e p l o y in g m o re m acro cells see m s to  so l v e th is  p r ob lem ,  th e p r ob lem  co u l d  no t b e  actu a lly so lv ed  du e to  t h e ex tra in terferen ce in trod u c ed  b y  th ese  n e w b a se  st at i ons (B Ss ).  Furt he rm ore,  t h e cost  i s  also ot he r cri t i cal  concer n t o  t h e ope rat o r.  The de pl oy m e nt  and   ope rat i n g ex pe nses  of  fem t ocel l  are m u ch l o we r t h a n   t h at of m acro cells. To  so lv e th is prob lem ,  3 G PP  propose d  a sm all cell, called  Femtocell. The fem t oce ll  with  a low power, short rang e, an d  l o w co st b a se  st at i on.  D u e t o  s h o r t  ra n g e,  t h fem t ocel l use r  e qui pm ent  (F UE ) c o ul not i n t e rfe re by  F U Es i n  ot he Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  5, No . 3,  J u ne 2 0 1 5   :    53 9 – 5 4 7   54 0 fem t ocell. The sam e  channel c oul be efficiently reuse d   for  m u l tip le ti mes b y  d i fferen t femto cells. Th erefore,  fem t ocel l s  coul d e ffi ci ent l y  i m prove i n d o o r  co vera ge  a n enha nce t h e ca paci t y  of  cel l u l a net w or ks.   Fem t ocel l  net w o r k s  are seen  as end- use r  h o t spot s p o si t i o n e d u nde r pl a n n e d m acrocel l  net w o r ks a n d   o p e rated in  m acro cellu lar  p r ov id er’s licen sed  sp ectru m  [4 , 5 ] . Th fem t o cell b a se station  co nn ected to co re   net w or k t h r o u g h  ca bl e o r   di g i t a l  subsc r i b e r   l i n e ( D SL bac kha ul .  The  fe m t ocel l  base st at i on  was a   pl ug -a nd - pl ay   de vi ce  a n c oul d be de pl oy ed   by  som e   su bsc r i b er s. W i t h   t h i s , het e ro ge neo u s net w o r k s  (Het Net s ) was   form ed . In terferen ce ex isted   wh en  two  UEs u s ed  a co mmo n   freq u e n c y resou r ces in  cel ls. Fig u re 1  illu strates  a HetNet whe r e a m acrocell  was  ove rlaid with two  fem t oc e lls. In t h is Het N et, interfere n ce coul be classifie d   in to  th ree types:Femto cell t o  Fem t o cell  i n terferen ce  (Fi g ure 1  (1 )),  Macro cell to  Femto cell in te rferen ce  (Fi g ure 1  ( 3 ) and (5 )) an d Fem t oce ll to  Macro cell in terferen ce  (Figure 1   (2) and   (4 )). Th e first typ e  o f   in terferen ce  was co -tier i n terferen c e, wh i c h  o c cured   between   n e ighb oring  fem t o cells. It was  u s ually   negl ect e d   due   t o  l o w t r ansm it  po we r a n d  t h e pe net r at i o n l o ss  o f   wal l s . T h ot he r t w o  t y pes  of  i n t e r f e r enc e   were  cr oss - t i e r  i n t e r f ere n ce,   whi c h c o ul se verel y   deg r a d e d  t h e ca pacity of Het N ets.  The distance   between a n   MUE and  an   MBS were u s ually  larg er th an  th at o f   a MUE and afem tocell base st ati o n  (FBS),  so  th e MU co u l d   b e  in terfered   fo rm  femto cells. Th e cro ss-tier in te rferen ce  was a im p o r tan t  issu e in  Het N ets.  In  th is  p a p e r, we m a in ly fo cu o n  th e in terfere n ce mitig atio n  for cro ss-tier in terferen ce.  M a ny  sol u t i o n s  have  bee n  p r op ose d  f o r t h e i n t e rfe rence m i t i g at i on schem e si n rece nt  y ears [ 6 , 7] In   strict fractional  fre que ncy re use (St FFR) sc hem e , each  m a cr ocell only us ed a half  ba nd.  On the  othe r hand,  i n  ot her  f r act i o nal  f r e que ncy   r e use  (i .e.  S o  F F R ,  a n d  FFR -3 ), eac h  fem t ocel l  used  i n s u ffi ci ent  su b b an ds . T h e   abo v e sc hem e m a y  severel y  deg r a d ed t h e c a paci t y  of  Het N et s. T o  sl o v e  t h i s  pr o b l e m ,   t h i s  pa per  pr o p o se d a   reso u r ce m a nagem e nt  schem e  fo r FU Es. T h e FB S wa s d e si gne d t o   ha ve t h e cap abi l i t y  t o  sel f-or g ani ze.  Co gn itiv e rad i o  (CR)  was an effectiv e techn i qu e to  pr o v i d e  th e cap ab ility o f  self-o rg an izatio n .  CR-en h a n ced  fem t ocells could obtain the i n form a tion of   m acrocells by spectrum  se nsing a nd acces s  the cha nnels  without   co op eratin g wi th  m acro cells [8 9 ,  10 ].  In th i s  way ,   fem t ocel l s  coul use s u bba n d s e ffi ci en t l y The rest   of t h e  pape r was  or gani ze d as f o l l o ws . I n  Sect i o n II , t h e R e l a t e d w o r k  wa s p r esent e d.  I n   Sect i o n  I II,  w e  p r ese n t e de t a i l s  of  o u r  p r op ose d  sc hem e  t o   ha ndl e i n t e rfere nce.  Si m u l a t i on re sul t s were   prese n t e d  i n   Sect i on  IV  t o  eval uat e d sy s t em  perf orm a nce  of  o u p r op ose d  sc hem e . Fi nal l y , Se ct i on  V   concl ude t h i s  pape r.            Fi gu re  1.   I n t e r f ere n ce sce n a r i o   of  Het e r o gen e ou net w or k       2.   RELATED WORKS  In t h i s  cha p t e r ,  we i n t r od uce  po pul a r  fract i onal  f r eq ue nc y  reuse schem e s [8]  [6]  [ 12] . The n  we  in trodu ce a cog n itiv erad i o  tech no log y  in my literatu re.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Al l evi at i ng  Int e rf erence t h ro ug h C o gni t i ve  Ra di o f o r L T E- Adv ance d  N e t w ork   (Tsung -Hu i  Chua ng 54 1 2. 1. T r adi t i o n a l  Freq uenc Pl anni n g   In the traditional freque n cy pl anni ng sc hem e , the  MUEs a n d FUEs can  us e entire spectrum  in each   cel l .  M U Es an d F U Es ca n u s e ent i r e sp ect r u m  wi t hout  a n y  i n t e r-cel l  i n t e rfe rence c o or di nat i o n sc he m e s, so  th is sch e m e  is  also called  No ICIC sch e m e .  Th is si m p le f r equ e n c y p l ann i ng  sch e m e   max i m i zes  th e to tal  cellu lar n e twork  cap acity and   sp ectru m  u tiliz atio n ,   b u t   fails to  gu aran tee the MUEs' p e rform a n ce su rroun d i n g   fem t o cells. (e.g ., wh en  th e M U Es  u s e t h e same PRB with   FUE  surrou nd i n g fem t o cells)    2. 2. Frac ti on a l   Frequenc y R e use     2. 2. 1 S t ri ct  Fr acti on al  Freq uency  Re use  ( S t F F R )   In  Strict Fracti o n a l Frequ e n c y Reu s e (St FFR), a  m acro cell is  p a rtitio ned  in to cell-center an d  cell - edge  according to Re fere nc e Signal  Receiving Powe (RSRP)  reporte d   by MUE  pe riodically. An RSRP  t h res hol d i s  de ned  fo r cel l - ce nt er.  IfR SR P r e p o r t e by  t h M U Es are  hi g h er t h e R S R P  t h res hol d, t h M B considers that  theMUE belong t o   t h e cel l-center.Others  MUEs  are  co nside r ed as ce ll-edge  MUEs . The   available frequencyba n d is partitione d i n to  4 subba nds. B ecause the  cell- center MUEs  are not interfe r edby   any  ot her cel l - cent e r M U Es , t h e cel l - cent e M U Es use t h com m on subba nd . Ont h e ot he r han d , t h e cel l - ed ge   MUEs are clos e to other cell-edge MUEs. In this case,  th ecell-ed g e  MUEs sh ou ld  u e s th e d i eren tsu b b a nd s in   d i ern e tm acro cell. To  mitig atecro s s-tier in t e rferen c e,  FB Ss lo cated  in th e cell-cen t e r cho o se sub b a nd assi gne d t o  t h e M U Es i n  t h e cel l - ed ge,  and  vi ce ve rs a. Fo r suc h  a  sub b a nd al l o cat i on, t h e c r oss-t i e r   in terferen c e is  eectiv ely  m i t i g a ted .     2. 2. 2 S o f t   Fra c ti on al  Freq u e ncy  Reus e ( S o FF R )   Th e cell p a rtitio n i n g  tech n i q u e o f  th is sch e me is si milar t o  th at of th e St FFR.Ho w ev er, th e cell- cen ter MUEs  o f  an m acro c ellisallo wed  to u s e th e sub b a n d s   o f  cell-ed ge MUEs o f   n e ig hbo ri n g  cells with i n   t h e cl ust e r. F o r  a cl ust e r   of  m acrocel l s , t h e  t o t a l  avai l a bl e  ba nd  i s   di vi de d i n t o   3 s u bba nds . T h ree s u b - b a n d   assi gne dt o t h e  t h ree cel l - ed ge t o  a voi d i n t e rfe re n ce be tween m acroc ells. The cell-center MUEsof any   macrocell choose the s u bba nd s o f  cel l - e dge  M U Es o f   ne igh boring  cells with in th e cl u s t e r. To  m i tig ate cro s s- tier in terferen c e, FBSs lo cated  in  th e cell-cen ter n e ed to  cho o s e th e sub b a n d s  th at are assig n i ng  to  th MUE in  the cell-edge,  and  vice  vers a. In this sc he m e , the  FUEs in  m acro cell cell-cen ter suffer fro m  cro s s-tier  interfe rence .  T h ere f ore, the  SINR  of t h FUE i n  m acrocell cell-cen ter is lower  t h an that of t h e FUEi macrocell cell-edge . Beca use  the dista n ce  be tween t h FU E a n d  th e  s e r v in g  F B S  i s  sh o r te r  t h an  th e   d i s t a n ce  betwee n the  FUE a n d the  MBS, the  SINR  of th FUE  inmacrocell cell-center is a cceptable.    2. 2. 3 Fr acti on al  Freq uenc Reuse - 3  (F FR -3 )   In  th is sch e m e , th e m acro cell co v e rag e  is p a r titon e d  in t o  cell-cen terand cell-ed g e , inclu d i ng  three  sect ors eac h. T h e ent i r fre q u e ncy  i s  di vi ded  i n t o f o ur s u b- b a nd s O n es ub ba nds i s  as si g n ed  t o  M U E i n  t h e  cel l - cen ter,  wh ile th e o t h e rs are assig n e d  to  M U E in  cell-ed ge.  To  di m i ni shcr oss-t i e r i n t e rf e r ence , FB Ss c h o o se   subba n ds that  are not ue sd   by the MUEs in thesam macrocell subare a .   For exam ple, whe n  a  FBS is  located  i n  a suba rea, i t  wo ul d onl y  us e sub b an d A ,  B ,  and D a nd  excl u d e su b b a nd C  si nce su b b an d C  i s  used  by t h MUEs in th is  su barea. Co mp ared   with  So FFR, t h F U Es i n  m acroce l l  cel l - cent e rw oul not  s u f f e r  f r om   cross - tier interfere n ce since the MUEs  in  cell-ed g e  an d  t h e FUEs in  m acrocell cell-center are notus i ng the  sam e  subba nd .     2. 3 Co gni t i v e Ra di o   Co gn itiv e rad i o  h a s b e en   consid ered   as  a k e tech no log y   fo r in terferen ce m i tig atio n i n   fu ture m o b ile   n e two r k .  C o gnitiv e rad i o  is an  in tellig en t rad i o  th at is  aware of its su rrou n d i ng  en v i ron m en t, wh ich   sen s es  usef ul  i n f o rm at i on  fr om  t h envi ro nm ent s  wi t h u s er' s  cha nnel  cha r acteri zation. The n BSs analyze it  and  ad ju st th e syst e m  p a ram e ters  co nfo r m i n g  to certain  po licies an d   reg u l ation s In  t h is p a per, we con s id er th at   FBS sh av e t h ree ab ilities: rad i o  env i ron m e n ts sense,  rad i o  env i ron m en t s  an alyzatio n ,   an dsyste m  p a ra m e ter  ad ju stm e n t . These th ree ab ilities are  d e scrib e d  in th fo llo wi n g  threesub sectio n s   2. 3. 1 Ra di E n vi ro nmen ts Sense   FB S can se ns e som e  dow nl i nk  refe rence  si gnal s  t o  m oni t o r t h e d o w nl i nk t r ans - m i ssi on . Am on g   these downli n k refe re nce signals, the Refe re nce Si gnal Re ceiv e Po wer  (RSRP) is m o st im p o r tan t  fo reso urce  man a g e m e n t  an d in terferen ce m i tig atio n .   Th eRSRP is  t h e a v era g e  power of RE  that carry cell-s p ecific   R e fere nce Si g n a l s  (C R S ) ove r t he ent i r e ban d w i d t h . The C R S  are pre dne si gnal s  occ u py i ng speci fi c res o u r ce  ele-m e n t s fo ch ann e l estim a tio n .   Th e CRS tran sm itted   in  ev ery down l i n k su bfram e  an d in   ev ery reso urce  bl oc k i n  t h e f r e que ncy  d o m a i n , t h us co veri ng t h e ent i r e c e l l  band -wi d t h . The R S R P   p r o v i d es i n f o rm at i on  about si gnal st rengt h that im plies the  di stance  betwee recei ver and tra n sm itter.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  5, No . 3,  J u ne 2 0 1 5   :    53 9 – 5 4 7   54 2 2. 3. 2 Ra di E n vi ro nmen ts An al yz ati o n   Aft e FB S se n s es radi o e nvi r onm ent s , FB can o b t a i n   usef ul  i n f o rm at i on fr om  it s surr o u ndi ng cel l s .   Th en , FBS an alyzes th ese in fo rm atio n s  to  ob tain  p a ram e te rs th atcan  b e   used  in  resou r ce allo catio n  sch e m e In [4], the a u thor s propose d a non-cooperative path l o ss estim a tion  m e thod. T h e  FUEs inde pe nde ntly  esti m a te th e p a th  lo ss  b e tween  itself and  M U Es i n   h i erar c h ical net w ork.  The  basic i d ea  is that the  FUE  sens es   t h e b r oa dcast i ng  si g n al  f r om  t h eM B S , a n d  dem odul at es t h e c h an nel  ass i gnm ent  i n f o r m at i on an d a d apt i v m odulationa nd coding (AMC ) settings for t h e MUE.  Ad a p tive  m odulation and coding is a keytechnology for  channel quality  m a intenance .  AMC  provides the exibility to  m a tchthe   m odulation-c odi ng sc hem e  to the  avera g e c h a nnel conditions  for each  user.  ThisAMC is  used t o  c o nstruct m odulation  and c odi ng sc hem e   (MCS). The   MCS containst h path l o ss  between MBS a n d MUE in formatio n .  Fo exa m p l e, th e sm all p a th   l o ssl eads t o  hi ghe r si g n al -t o- i n t e rfe rence - pl us- n oi se rat i o   (SI N R ) , an vi ce ver s a. T h M C Scan be  m a ppi n g   t o  pat h  l o ss, a l t hou g h  M C sel ect i on m a y   al so be a ffect e d  by  s o m e ot her fact o r (e. g .,  fadi ng , sha d o w i n g,   noise , and som e tim e interference). The M U E' s transm it   po we r can  be estim a ted from  the M C S info rm atio n   by SINR form ula, while FUE can se nse received  powe r from  MUEs dir ectly. In t h is way, the FUE can  esti m a te th e v a l u o f  th p a th lo ss  b e tween   FUEs and  MUEs.    2.3.3 Sys t em  Par a meter  Adjustment  In   ord e r to  imp r ov e cellu lar  n e two r k  cap aci ty, BS  h a s t o  ad ju st cellu lar network   syste m  p a ram e ters  (i e., FB S t r a n s m i t  powe r UE  t r ansm it  powe r , an d R B  sche dul e )  eci ent l y . Aft e r B S  se nse s  radi o e nvi ro n m ent s   and analyze it,  BS obtains  use f ul  pa-ram eters about  ra di o e n vi r onm ent s . F o r e x am pl e, i n  [ 4 ] ,  t h e  FB S  o b t ai ns   th e p a th  lo ssbetween  th e FB S an d  in terfered  MUEs , s o  the FBS can schedule  uno ccupied  RB b y MU Es to   FUEs  or adjust its tran sm i t  p o wer to   d i min i sh  cro ss- t i er in terferen c e. FBSscan  ad ju st th ese p a ram e ters   p e ri o d i cally to   o p tim ize th e HeNet.      3.   SYSTE M  MO DEL  Th e syste m   m o d e l o f  ou r sch e me is  il lu strated  in  Fi g u re 2 ,  i n clud ing  illu strate a h i erarch ical n e two r wi t h  o u pr o p o se d schem e  depl oy m e nt  and  a  m acrocel l  wi t h  o u pr o p o se d schem e  depl oy m e nt .The  sy st e m   m odel  cont ai n e d se ven M B Ss wi t h  t h ree  12  di rect i o nal  t r an sm it  ant e n n as at  t h e  cent e of eac h cel l   respect i v el y ,  a s  sho w n i n  Fi gu re 3.  A R e f e rence Si gnal  R eci eved P o w e r (R SR P) [ 1 1 ]  i s  defi ne d fo r cel l - centerin every  cell. If RSRP reported by  the  MUEs a r hi g h er  R S R P  t h re shol d,  t h e  M B S co nsi d ere d  t h at  t h e   MUEs bel o ng to the cell-center. Othe rs MUEs are c ons i d ere d  as cell-edge MUEs  [4 ].  I n  th is w a y,   ev ery   macrocell cove rage  is pa rtitioned into cell-c e nt er a n d cell-edge , incl udi ng three sect ors  each.          Fi gu re  2.   Sy st em   m odel        Thi r t y  FB Ss a r e depl oy ed  uni fo rm ly i n  every   m acrocel l .  Th e M U E w o ul suf f er  fr om  seri ous c r o ss- tier in terferen ce b ecau s e th e MU E   is  c l o s ed   to   F B Ss .  T h e r e f o r e,   in ter f e r e n c c o u l d be  c o n s id er ed  in  th e     achi e va bl e cha nnel  ca paci t y  of M U E.  The   achi e va bl e cha nnel  ca paci t y  of M U E c o ul d   be c o m put ed  by  t h e   Sha n non’s  capacity form ula as    ) 1 ( log 10 x x SINR BW C   (1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Al l evi at i ng  Int e rf erence t h ro ug h C o gni t i ve  Ra di o f o r L T E- Adv ance d  N e t w ork   (Tsung -Hu i  Chua ng 54 3 whe r e x C indicated the theoretically ach ievabl e channel capacity ofMUE x . BW indicated t h available  ban d w i d t h  fo r   com m uni cat ion . x SINR indicated the signal-to-i n terfe re nce- pl u s -n oi se rat i o   of t h eM UE x .Thesi gnal - t o -i nt erfe re nce- pl u s -n oi se rat i o  of   t h M U E x can be re prese n ted a s       K i L j j x j i x i m x m x G P G P N G P SINR 11 , , ,   (2 )     whe r e m P indicated the transm iting power  of M B m m x G ,   ind i cated th ech an n e g a in  b e tween  the MUE  x an d  its serv ing MBS  m N   i ndi ca t e dt he t h erm a l   noi se  po wer .   i P   indicated t h e transm it  powe r  of i n t e r f er i n g   MBSs  i K   in d i cated th e to tal n u m b er o f  in terfering  MBSs.  L i ndi cat ed t h et ot a l  num ber of i n t e rfe ri n g  FUE s   with in  th e sam e  MBS.  j P   i ndi c a t e dt he t r a n sm i t  powe r  o f  i n t e rfe ri n g  FB Ss  j i x G ,   indicated t h e channel  gai n   bet w ee n t h e M U x  an d interfe rin g  M B i , and  j x G , is the channel gai n  between the M U x  and  interfe rin g  FB S j .  In [8 ],  th au tho r s assu med  th at  no   o t he r cell in terfers th is se nse d  MUE. The r efore,   K i L j j x j i x i G P G P 11 , , canbe  i g no re d.   The ac hieva b le  cha nnel c a pac ity of FUE ca n be  re prese n ted as     ) 1 ( log 10 y y SINR BW C   (3 )     whe r e y C indicated the t h eoretically achie va ble  channel ca paci ty of  FUE y y SINR   indicated t h e si gnal-to- i n t e rfe rence - pl us- n oi se rat i o   of t h FUE y . T h esi g nal - t o -i nt erfe rence - pl us- noi se  rat i o  o f   t h e FUE y can be  represe n ted as       K i L j j y j i y i f y f y G P G P N G P SINR 11 , , ,    (4   whe r e f P indicated the transm it p o we r of FBS  f f y G ,   indicated the channelgai n be tween the FUE   y  and  its serv ing  FB f N   i ndi cat ed  t h et herm al  noi se po we r.  i P   in dicated  th e transmit p o w er  o f  in terferi ng  MBSs  i K   ind i cated  th e to tal  n u m b e o f  in t e rfering  MBSs.  L indicated t h e t otal num b er  of interferi n FUEs  with in th e sam e  MBS.  j P is th e transm i t  p o wer of in terfering  FB Ss  j i y G ,   indicated t h e c h annelgai bet w ee n t h e F U E y  a n d i n t e rfe ri n g  M B S   i ., a n j y G ,  i s  t h e cha nnel  gai n   bet w ee n t h e  FU y  and  interfe rin g  FB j     4.   PROP OSE D  SCHE ME   Based   o n  fractio n a l freq u e n c y reu s e (FFR) sch e m e , to tal b a n d  were  p a rtitio n e d in to sev e ral   subba n ds accordi ng to t h e location of  eve r y UE. If the re s o urce bl ocks (RBs) were e xhausted in  fem t ocells,  fem t ocel l s  woul use ot her  sub b a n ds. I n  t h i s  way ,   M U Es su ffe red  fr om  cross-tier  interfe rence .  F o r this   reaso n , t h p r o p o sed sc he m e  i n t r od uced  C R - enha nce d  fem t ocel l s  to pr o v i d e R B s l i s t s  of cross - t i e i n t e rfe rence  R B s. I n   ou p r o p o se d sc hem e , we  defi ned  si set s  o f  R B s :     M Th e set of t o tal RBs o f  a macro cell   i M The  set of R B s of m acrocell suba rea    ac cording to FFR-3 sc hem e , where  } , , , , , { , 3 2 1 3 2 1 E E E C C C i  .  That is,  i E E E C C C i M M } , , , , , { , 3 2 1 3 2 1  , a s  s h ow n i n  Fi gu re  3.   j F The set of R B s of fem t ocell j according to FFR-3 s c hem e , where is the  fem t ocell sequence num b er per  macrocell.  ' j F The  set  o f  R B s of  M U E  s u r r o u ndi ng  fem t ocel l      j R Th e set of can d i d a te RBs for fem t o cell    U The  set of R B s in  use   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  5, No . 3,  J u ne 2 0 1 5   :    53 9 – 5 4 7   54 4 Wh en  th e RB s were exh a usted  in  a fem t o cell (i.e., U F j   ),  t h e f o l l o wi ng  pr oce d u r e wa s   exercise d at FBS:  Step1 Wh en  U F R j j , th e FBS sen s ed  so m e  d o wn lin k   reference sig n a ls to  mo n itor th do w n l i nk t r a n s m i ssi on. Acc o r d i n g t o  t h no n-c o ope rat i v pat h  l o s s  est i m a t i on m e t hod [ 8 ] ,  t h e FB ob t a i n e d   u s efu l  link   param e ters. The lin k   p a rameters in cl u d e d th d o wn link / up lin k chann e l ind e x and  ad op do w n l i nk/ upl i n k m odul at i o n a nd c o di n g  sc he m e  (M C S ) by   dem odul at i n br oa dcast i n g  si gnal   fr om  t h e M B S.  Ot he rwi s e,  t h pr oce d u r pr oc eeds t o  St e p   2.   Step2: T h e fe mtocell analyzed above pa ram e te rs accordi ng to t h non- cooperative path los s   esti m a t i o n  m e t h od . Th en , th FBS ob tain ed  t h e p a t h  lo ss  be t w een M U Es a nd i t s el f.  Ot he r w i s e, t h pr oce d u r pr ocee ds t o  St e p   3.   Step 3 :  Ob tain ed j R  fr om     U F M R j j '   If  j R  , th femto cell r eallocated a RB in  j R  to F U E.  In  Fig u re  3 ,   , 3 , 2 , 1 { RB RB RB R j } 3 { } 5 , 4 { } 2 , 1 { } 5 , 4 RB RB RB RB RB RB RB . The r efore, the fem t ocell rea llo cated  RB3  t o  FUE3 After  th fem t o cell rello cated  RBs, th e p r o c ed ure was termin ated . No te th at MUE3 an d   FUE3   u s ed  th e sam e  RB  (i.e.,  R B 3 ). B eac use  FUE 3   was  far  fr om  M U E3,  M U E3  co ul d    not  se nse  t h d o w n l i n k si g n al  bet w ee FUE 3  a n d   its serv ing   FB S. Th us, t h e cro ss-tier in terferen ce wasm itig ated If it  wasun f o r t u n a tely,  j R  , th e fem t o cell  coul d n o t  ha ve  any  can di dat e  R B  for  FUE 3 .  That  i s , n o  m a t t e r whi c h R B s  be use d   by  t h e FU E (i .e. ,   FUE 3 ) ,   o t h e r UEs will  b e   in terfered. Th e p r o c ed ure p r o ceed s   to  Step  4 .     Step 4 :  Ob tain ed j R   fr om    U M R j   Th en , th e FBS sh ou ld  redu ce d o wn link  transmit p o w er In th is way, th e cro s s-tier in terferen ce is  al so m i ti gat e d.       5.   PERFO R MA NCE E V ALU A TIO N   We e v al uat e d  sy st em  perf orm a nce o f  o u pr o p o s ed  schem e  t h ro u gh  si m u l a ti on.  The m a jo r   si m u latio n  p a ra m e ters are lis ted  in  Tab l e 1 .  W e   d e fi n e d  cell-cen ter MUE as th e MUE with  d i stan ce to  its  servi n g  B S  l e s s  t h a n   or e q ual  t o   40 0 m e t e rs.  Li ke wi se when  th e UE is m o re th an   4 0 0   meters away fro m  th e   BS, it is ca lled  a cell- ed g e  MU E. Th e pr oposed  sch e m e  is  co m p ar ed  w ith St FFR, So  FFR, FFR-3 , and  No   in ter-cell in terferen ce co ord i natio n  (IC IC) sch e m e s. W e  as s u m e   that 1/2 of RBs (i.e., 24  RBs) are allocated to  cel l - edge  M U E s  i n  a b ove  FFR  schem e s.  Figure 3 showed the variation in avera g e FUE’s  thro ugh pu t with  v a rying  av erag e nu mb er of FUEs  per  fem t ocell. Whe n  t h e a v erage  num ber  of FUE s  ev ery fe m t ocell were  m o re than  10 FUE s , s o m e  FUEs   waited   u n til some RBs were av ailab l e. FFR sch e m e s (i.e. St FFR, So  FFR,  an d   FFR-3) sev e rely d e grad ed   th FUE s throughput as t h e ave r age num b er o f  FUEs  per  fem t ocel l  i n creasi n g.  Ho we ver ,  o u pr o pose d  sc hem e   has  bat t e r F U E s t h r o u g h p u t   whe n  t h e a v era g num ber  of  F U Es  pe r fem t ocel l  i n creasi n g.       Tabl e 1. Si m u lat i on  Pa ram e t e rs     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Alleviating  Int e rference th ro ug h C o gnitive  Ra dio f o r L T E- Adv ance d  N e t w ork   (Tsung -Hu i  Chua ng 54 5 Fi gu re 4 sh o w ed t h e cum u l a ti ve di st ri b u t i o n  funct i on (C D F ) o f   FUE t h r o u g h p u t  wi t h  f i ve di ffe re nt   schem e s. Thi s   fi g u re s h owe d  t h at ou pr o p o s ed sc hem e  has bat t e r F U E s  t h r o u g h p u t  t h an St  FFR , S o  FFR and FFR-3. T h e proposed s c hem e  got the better perf ormance of FUE  throughput , because FUE coul d use  m o re R B s . Ho weve r,  N o  IC I C  schem e  had  bat t e r t h ro u g h put  t h an  o u p r op ose d  sc hem e  beca use FB S s  co ul d   allo cate all R B s with ou t any ICIC sch e mes. Gen e rally sp eak i ng , No  ICIC sch e m e  u s u a lly h a d  th e larg est  FUE s t h roughput  (i.e.,  beca use FBSs  can al locate all  RBs  witho u t a n y  IC IC sc hem e s). M U Es s u ffe re fr o m   strong interference  from  femtocells, s o  No  ICIC  is n o t  fair in   a HetNet.  T h ere f ore, No  ICIC was  not  practical  i n  Het N et s.  O u pr o pose d  sc hem e  was cl osed t o  t h e F U E s t h r o u g h p u t  o f  N o  IC IC  sc h e m e . In ot her  wo rd s,   ou pr o pos ed   s c hem e  had  bet t e r t h ro u g h p u t  i n  F U E s t h r o u g h p u t .         Fi gu re  3.    Ave r age F U E  t h r o u g h p u t  ( K bps )       Fig u re 5   sho w ed  th e CDF of MUE th ro ugh pu t with   differe n t schem e s. This figure s h owed that our  pr o pose d  sche m e  has bat t e r M U E’s t h r o u g h p u t t h an  No  IC IC , St  FFR , and S o  FF R .  In FFR - 3 ,  l a rge   t h r o u g h p u t  o f   M U Es wa s o b s erve due t o  t h r o ug h put   wi t h  di ffe rent  sc h e m e s. Ou r p r o pos ed sc hem e   had t h larg est to tal th rou ghp u t . The th roug hpu t o f  FFR-3  was s m aller th an  No   ICIC du to  li m i ted  sp ectru m   allo catio n  of fe m t o cell. Wh en  RBs were exh a usted  in  th fem t o cell, th FBS d i d   n o t  al lo cate o t h e r RBs th at  wo ul not  ca us ed st ro n g  i n t e r f e rence t o   nei g h b o r  M U Es . H o weve r, t h e t h r o ug h put  o f  N o  I C IC  i s  sm all e r t h an   our  propos ed s c hem e  because  MU Es suffe r from   strong  inte rfe re nce  from  neighbor fem t ocell.          Fig u r e   4 .  CD o f  FUE thro ugh pu ( K bp s)       Fi gu re  5.  C D F   of  M U E t h r o u g h p u t  ( K bps )       Tabl e 2 sh o w s  t h at  t o t a l   t h ro ug h put  wi t h   di ffe rent  schem e s. Ou r p r o p o se d schem e  has t h e l a rgest   to tal th ro ugh pu tin  t h is tab l e. Th e throug hpu o f  FFR-3 was sm allerth a n  No   ICIC  du e to  lim i t ed  spectru m   allo catio n   o f   femto cell. Wh en RBs were exhau s ted32 in  th fem t o cell, th e FBS d i d  no t allo cate o t h e r RB s th at   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  5, No . 3,  J u ne 2 0 1 5   :    53 9 – 5 4 7   54 6 wo ul not  ca u s ed st r o n g  i n t e rfe rence t o   nei g h b o r M U Es Howev e r, th e th ro ugh pu t of No   ICIC is smaller   thanour proposed  schem e  because M U Es suffered  from seri ous  interference  from  neighboring fem t ocell.      Tabl e 2.  T o t a l  Thr o ug h put         6.   CO NCL USI O N   In t h i s   pape r,  we p r o p o sed  a no vel  schem e  for  d o w n l i n k IC IC  i n  LT E-ad va nced  ne t w o r ks . T o   allev i ate in terferen ce, we  u s ed  cogn itiv e rad i o  tech n i ques to  sen s rad i o  en v i ron m en t and  adju st RB   allo catio n .  In   ou r propo sed  sch e m e , w e  sacri f iced    a  little MU E’s through pu (i.e., 4.8%)  for  fem t o c e ll. For a  fem t ocel l ,  t h m o re R B s  coul d be  use d . T h e  FUE’ s t h r o ug hp ut  was t hus  im pro v ed  (i .e.,  13. 1% ). Si m u l a t i o n   resu lts sh owed th at o u r   p r op o s ed  sch e m e  can  ach iev e   b e tter to tal th ro ugh pu t co m p ared   with   o t h e r ICIC   schem e s.       ACKNOWLE DGE M ENTS  Th e wo rk  o f   Men g -H sun  Tsai w a spo n s or ed b y   NSC  102 -22 21- E-00 6- 113- MY2 .       REFERE NC ES   [1]   G. H.  Chen,   et  al . , “ I nte r-ce ll Int e rferen ce  throug h Cognitive R a d i o for LTE-Adv a nced Downlink  Transm ission in  Heterogen e ous   Network", in  P r oceed ing of  th e 6th  Intern at io nal Conf eren ce  on Int e rnet  (I CONI'14)”,  T a i p ei,   Decem ber 2014 [2]   3GPP TS 36.300 (Rel-11) , "LTE; Evo l ved Universal  Terrest r i al Radio  Access (E-UTRA)  and  Evolved Univ er sal  Terrestr i al Rad i o  Access Network (E-UTRAN);  Overall descr i ption; Stag e 2 , Mar. 2013 [3]   3GPP TS 36.300 (Rel-9) ,  " LTE ; Evo l ved Univ ersal  Terr es tria l  Radio Access ( E -UTRA) and Evolved Univer sa l   Terrestr i al Rad i o  Access Network (E-UTRAN);  Overall descr i ption; Stag e 2", Feb. 2010 [4]   3GPP TS 36.921, "LTE;  Evolv e d  Univer sal Ter r estrial R a dio  Ac cess (EUTRA); FDD Home  eNodeB (HeNB) Rad i Frequency  (RF)   requirements  an aly s is, "Sep . 201 2.  [5]   C.U. Bed a  C a stellanos,  et  al ., “Anon-cooperative method fo r path  loss  estimation in  femtocell networks”,  IEEEGLOBECO M  Workshop, De c . 2010 [6]   V. Chandr as ekh a r,  et  al .,  “ F em tocel l ne tworks: A  surve y ,   IEEEC ommun. Magazine , pp . 59-6 7 , Sept. 2008 [7]   L.P .   et al ., “Interferen ce manag e ment in ltef e mtocell  s y stems using fraction a l f r equency  reus e”,  12th Int'l. Con f AdvancedCommunication  Techn o logy ,pp .  1047-1 051, Feb .  2010 [8]   L. H. H. Claussen et a l .,  “Se l f-optimi z a t i o n of  c overa ge  for fe mt oc el l  de pl oy m e nt s”,  WTS , pp . 278-2 85, Apr. 2008.  [9]   3GPP R1-05050 7, “ H uawei, Soft  frequen c y  r e use  schem e  for  UT RAN LTE” , Ma y . 2005.  [10]   IEEE  802.16m I EEE 802 .16m  S y stem  Requ ire m ents”, De c. 20 08.  [11]   M. D. S. R. J. G. Andrews  et  al . ,  “ F em tocel ls : P a s t pres ent,  and  futu re”,   IEEE J. Sel.  Areas Commun. , Apr. 2012 [12]   D. K. N.  Saquib,   et al ., “Fraction a l fr equenc y  reuse for in te rference manag e men t  in  lte-a h e tnet”,  I EEE  Wire les s   Communications , April. 2013 [13]   Qualcomm, LTE advan ced : heter ogeneous  networks, white pap e r,  Jan. 20011 [14]   G. Y. W.  Wang  et al. , “ C ognitiv e  radio enhanc ed interf eren ce coo r dination for fe m t ocell network s ”,  IEEE Commun.   Magazine , pp . 3 7 -43, Sept. 2008                       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJECE   ISS N 2088-8708      Al l evi at i ng  Int e rf erence t h ro ug h C o gni t i ve  Ra di o f o r L T E- Adv ance d  N e t w ork   (Tsung -Hu i  Chua ng 54 7 BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS         Tsung-H ui C h u a ng is a  Ph.D. Candidatein Dep a rtment  of Computer Science an d Information   Engineering, National Cheng K ung University   (NCKU). He re ceiv e d the M.S degrees from  National Ping  Tung University   ( N PU ). His current research  topic  includ e cong estion of   MTC dev i ces and   MTC   d e vices trigg e ring         Guan-Hong Chen  was gradu a ted from Department of  Computer Scien ce and Information  Engineering, National Cheng  Kung University   ( N C KU). He is f u lfilling his  mandator y  militar y   service now.            M e ng-H sun Ts ai  is a n  a ssista n t profe ssor in Depa rtme nt of Co mputer Science  and Information  Engineering, National Ch eng Ku ng University  ( N C KU). He rec e ived  the B . S .,  t h e M . S .  and  the  Ph. D. degrees  from  National Chiao Tung  University   (NCTU) in 2002, 2004 and 2009,  res p ect ivel y.  He  was  a vis iting s c holar  at Univ er sity  of  Southern  California (USC) during July August 2012.  He was a recipient of the Exp l oration Res earch Award of  Pan Wen Yuan  Foundation in 2 012 and th e Outstanding Contr i b u ti on Award fro m IEEE Taip ei  Section  in 2010.  His c u rre nt re se arc h  inte re sts in clude design  and analy s is of mobi le networks, mobile  computing   and perfo rmance modeling.          Chu n -Lung Lin  rec e ived  th e B. S. degre e  in  m a t h em atics from   Nationa l Tsing   Hua Universit y ,   Hsinchu, T a iwa n , R.O.C .,  in 20 01, the M.S. degree in  comput e r  scienc e from   Nationa l Chiao   Tung University, Hsinchu, Taiw an, in 2003,  an d the Ph.D. deg r eein co mputer science from  National Tsing Hua Universit y in 2010. He join ed  the Industri a l  Technolog y  Research Institu te  (ITRI), Hs inchu ,  Ta iwan, in 20 10 as  a res ear ch er .His  curren t  re s earch int e res t s   includ e im age  processing,  video processing , sensor ne tworks and ICT for   disaster response.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.