淺析異構密集網絡中干擾管理技術

陳琤

【摘 要】 隨著移動用戶的不斷增加、數據業務類型多樣化，傳統的網絡格局漸漸難以達到人們對信道容量的要求。近年來，學者們提出了在原有宏基站布局下引入更多微基站的異構網絡結構與為減少基站到用戶距離而放置更多的微小基站的密集網絡布局。異構密集網絡能有效地提高系統吞吐量，但同時也帶來了挑戰。

研究表明，同頻帶干擾將限制無線通信系統的性能，尤其對于無線通信網絡。另外，與傳統的網絡格局中的干擾環境相比，異構密集網絡中的干擾場景更加復雜，并可能降低整個網絡的性能。因此，如何在無線通信網絡中進行干擾管理是一個值得研究的問題。

【關鍵詞】 異構網絡 密集網絡 全雙工 干擾管理

背 景

隨著大數據時代到來，無線通信領域正面臨著無處不在的覆蓋與更大數據率的需求的挑戰：越來越多先進的用戶終端以及貪婪地占據帶寬的應用（比如移動電視，文件傳輸）的使用，這無疑加快了無線通信網絡中的數據傳輸量的增長。為了滿足數據要求，3GPP的長期演進系統Release 8標準展現了眾多與之前HSPA相比更有優勢的特點，比如更高的頻譜效率，更低的延遲和更大的吞吐量。然而，它依舊難以滿足由國際電信聯盟ITU制定的對第四代移動網絡的性能要求。因此，為了達到下行移動用戶數據率100Mb/s，人們制定LTE-Advanced標準化。相比于Release 8、LTE-Advanced引入了另外三類有助于提高系統性能的先進技術：

（1）載波聚合：不同頻率的載波協作利用，因而有效地增加分配給終端用戶的帶寬；

（2）異構網絡：在網絡中宏基站的覆蓋范圍內，布置一系列低發射功率節點；

（3）多天線技術，即多輸入多輸出技術。

在第四代移動通信技術中，同頻帶干擾是限制4G網絡系統性能的一個重要問題。在蜂窩網絡中，具有充分資源復用的密集覆蓋異構網絡布局形式是不可避免的趨勢。實際上，同頻帶干擾管理問題一直在推進LTE的Release的制定，比如小區間干擾協調和協作多點傳輸技術。

在當前頻譜資源緊張而用戶數據率要求不斷提高的情況下，尤其是在5G通信系統中，異構密集網絡中的干擾管理技術研究是十分重要的。

異構密集網絡

蜂窩系統正朝著全頻復用的異構網絡發展。在異構網絡中，除了傳統網絡中部署的宏基站，還有布置在宏基站覆蓋范圍內的低功率節點，比如Micro基站、Pico基站、Femto基站和遠程無線電頭[1]。異構網中低功率節點的布置能減輕宏基站的傳輸開銷；通常情況下，低功率節點距離用戶終端更近，這有助于提高室內信號覆蓋率，同時位于小區邊緣的用戶性能將得到提高。異構網使網絡離用戶終端更近，從而得到小區分裂增益；此外，提高網絡的密集度有利于提升系統吞吐量[2]。因此，采用異構密集網絡能夠有效地提高單位面積的頻譜效率。

近年來，異構網絡受到了工業界的廣泛關注，人們認為異構網絡在提升系統容量方面有很大的潛力，但與此同時，異構網絡也帶來了新的挑戰。自組織問題、回程傳輸問題、小區切換問題和干擾管理問題是異構網絡在實現過程中遇到的主要技術難題。其中，異構網絡中的干擾管理問題的困難之處在于，與傳統的同構網絡相比，異構網絡中的同頻干擾更為嚴重，并且干擾場景變得更加復雜，同時，在異構網絡中的用戶可能會受到覆蓋相同區域的相鄰小區的嚴重干擾。此外，在實際系統中，直接將低功率節點放置在宏基站的覆蓋范圍內并不能有效地實現異構網絡帶來的優勢。這是因為，在異構網絡中，宏基站的發射功率大于布置的低功率節點的發射功率，這使得低功率節點的信號覆蓋范圍很小，并不能充足地將宏基站的負擔轉移到低功率節點上。與此同時，隨著用戶到宏基站和低功率節點的接入節點數增多，網絡布局會更加密集，基站對用戶的干擾也會更多。

干擾管理問題與研究現狀

移動蜂窩網絡系統面臨著越來越高的數據率要求，而決定無線通信容量增益的一個關鍵因子是網絡中接入節點的密度。如今，隨著小小區的大規模布置，如個人室內接入、街道戶外覆蓋和遠距射頻頭等，這種類型的網絡布局打破了蜂窩網規劃的傳統方式，帶來了非常規的節點接入布置方式和已知的傳播或覆蓋。

為了建模這樣的新的布局，人們引入隨機網絡拓撲。在隨機網絡拓撲模型中，移動用戶和基站在空間中隨機分布，他們的位置都是假設為泊松點過程分布且互相獨立。在密集網絡中，網絡拓撲十分密集，并且其接入方式是隨機的，采用以最大化利用寶貴的頻譜資源為目標的傳統頻率分配方式是十分困難的。在密集網絡中，隨著移動用戶與基站數目的增多，部分小區（小區內移動用戶接收到的信干噪比很差）被視為小區邊緣的情況也會更為常見，因此，與傳統的常規蜂窩網絡相比，密集網絡中的干擾是一個更嚴重的問題。

與此同時，蜂窩網逐漸向同頻復用的異構網絡演進。在異構網絡中，除了已有的宏基站，還在宏基站的覆蓋范圍內布置了其他低功率節點，例如微基站、picocell和RRH。這樣，與傳統的同構蜂窩網絡相比，異構網絡中的用戶終端距離基站更近，增加了用戶接入的機會，得到小區分裂的增益。與此同時，異構網絡中的低功率節點能夠部分轉移宏基站的傳輸數據，有效地提高室內信號覆蓋率以及改善宏小區邊緣用戶的性能，從而有效地提高系統平均區域的頻譜效率。同時，這也給人們帶來了不斷的挑戰。自組織網絡、回程鏈路、跨區移交和干擾都是異構網絡中的需要解決的關鍵問題。與同構網絡相比，異構網絡中的干擾環境更加復雜，這是因為異構網絡中除了原有的宏基站覆蓋，還有更多的低功率節點，它們發射功率的差異，將導致低功率節點覆蓋范圍內的用戶終端受到來自宏基站較大的干擾，考慮到接入節點數目的增多也會給用戶帶來更多的干擾。此外，在實際中，考慮到宏基站與低功率節點間發射功率的明顯差異，在異構網絡中需要采用小區距離擴展技術以保證用戶終端在宏基站發射功率的范圍內能接入低功率節點。盡管CRE技術能有效地將宏基站的數據傳輸負擔部分轉移到低功率節點，但是隨之而來的是嚴重的從宏基站到低功率節點中用戶終端的跨層小區間干擾，尤其是位于擴展小區邊緣的用戶。這個干擾問題嚴重制約著異構網絡中本可達到的系統容量，因此，在異構網絡中需要研究有效的小區間干擾抑制方法。endprint

作為一種能有效抑制小區間干擾的方法，CoMP技術被認為是密集蜂窩網中的一項關鍵技術?？紤]到系統實現以及信令開銷問題，CoMP中的基站協作簇通常由有限個基站組成。按照不同的分簇方式，網絡可以被劃分為非重疊分簇網絡與重疊分簇網絡。以基站為中心的分簇方式通常形成非重疊分簇網絡，其劃分的方法可以根據基站所處的地理位置，靜態地選擇相鄰的基站形成基站協作簇[2]；也可以基于信道信息，動態地選擇基站協作簇。這些方法易于實現，但在以基站為中心的分簇方式處形成的分簇網絡中，處于基站協作簇邊緣的用戶終端，仍然受到來自相鄰協作簇帶來的嚴重干擾。為了解決這個問題，人們提出了以用戶為中心的分簇方式：用戶傾向選擇不同的基站形成協作簇，此時，基站可能屬于不同用戶終端選擇的多個不同協作簇。

在3GPP的Release 8和Release 9中ICIC的方法并沒有特別指明是異構網絡的場景，因此，直接將這類ICIC的方法應用到異構網絡的場景，并不能有效地抑制干擾。在LTE的Release 10中，增強ICIC技術被提出。這類eICIC技術可大致分為以下三類：時域類、頻域類和功率控制類。時域類的eICIC技術中，宏基站在被稱為幾乎空白的子幀不發送數據，而小區邊緣的低功率節點服務的用戶終端則在這個子幀中不受宏基站地被低功率節點服務；頻域類的eICIC技術中，為了避免跨層小區間干擾，宏基站和低功率節點采用正交的頻率資源進行數據傳輸。eICIC的方法具有低復雜度并易于實現，但低功率節點中的用戶終端只在部分時頻資源被服務，從而限制了低功率節點的性能。

CoMP是另一種充分利用宏基站空間資源抑制跨層ICI的有效方法：低功率節點中的用戶終端能在全時頻資源上被服務，它們的性能受限于宏基站端的發射天線數，并且當低功率節點用戶終端過于密集時，通常是難以實現的。eICIC和CoMP為了在低功率傳輸節點和它們服務的用戶終端間營造一個無ICI的傳輸環境，它們需要在時域、頻域或者空域上控制宏基站的傳輸方式，而如果在異構網絡中應用全雙工技術，那么全雙工技術能在抑制跨層小區間干擾的同時，不依賴于宏基站的行為，也不會占用宏基站的資源。

長期以來，人們認為全雙工通信是不可能實現的，源于收發端間有嚴重的自身干擾。直到最近，在工業界和學術界的努力下，大量自身干擾抑制的方法被提出，才使短距點對點全雙工通信得以實現。全雙工技術利用相同的時頻資源進行雙向通信，與半雙工技術相比，能獲得顯著的頻譜效率增益。與此同時，全雙工技術也應用在中繼系統中以提高業務服務范圍，并且能避免半雙工中繼系統中的資源浪費。已有文獻資料將全雙工技術應用到異構網絡中抑制跨層小區間干擾的研究。

總 結

在未來的通信中，隨著越來越多新型用戶終端接入基站，網絡接入將變得更加密集，加之異構網絡的引入，網絡中的干擾環境變得更為復雜。因此，如何在未來的無線通信網絡中進行干擾管理是提升系統性能的一個重要的研究問題。本文介紹的異構網絡中干擾管理的關鍵技術CoMP與全雙工技術，相信在提升未來無線通信系統性能上有大應用前景。

【參考文獻】

[1] 黃晨， 陳前斌， 唐倫，等. 異構蜂窩網絡干擾管理研究與展望[J]. 重慶郵電大學學報（自然科學版）， 2015， 27（03）：285-296.

[2] 劉偉強. 異構蜂窩網絡的干擾管理研究[D]. 中國科學技術大學， 2013.endprint