異構(gòu)自組織網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理機(jī)制研究

摘要：文章認(rèn)為異構(gòu)網(wǎng)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，但其網(wǎng)元之間的相互干擾始終是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的重要“瓶頸”，因此是蜂窩自組織網(wǎng)絡(luò)中的重要研究方向。文章指出無線局域網(wǎng)和家庭基站二者業(yè)務(wù)互補(bǔ)、應(yīng)用場(chǎng)景重合，因此可通過二者的聯(lián)合資源調(diào)度來規(guī)避干擾，從而有效提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的容量以及對(duì)各類用戶的業(yè)務(wù)保障能力。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；家庭基站；干擾管理；服務(wù)質(zhì)量；資源分配

Abstract：Heterogeneous networks （HetNets） have been developing rapidly， and the number of HetNet applications have increased markedly. However， the interference between network elements is still a bottleneck， HetNets is a hot topic in the study of cellular self-organizing networks. In this paper， we suggest that WLAN and femtocell should be applied together in the same practical scenarios and complement each other. Combining WLAN and femtocell is a natural and feasible approach to reducing the interference and enhancing QoS in HetNets.

Key words：heterogeneous networks； femtocell； interference management； QoS； resource allocation

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是第4代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（LTE-Advanced）的提出，如何支持更高速率以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要迫切解決的問題。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中除了增加傳輸帶寬，采用高階調(diào)制和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)外，另一個(gè)有效途徑就是縮小接收機(jī)和發(fā)送機(jī)之間的距離，因此支持自組織中繼的蜂窩系統(tǒng)（Picocell）、毫微微基站（Femtocell）、中繼基站（Relaycell）等新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與技術(shù)也就不斷涌現(xiàn)，從而構(gòu)成多個(gè)接入節(jié)點(diǎn)共存且覆蓋范圍和傳輸能力不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNets）[1]。然而，多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變革以及同一地理位置多網(wǎng)元間的相互干擾給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員也帶來了許多新的挑戰(zhàn)。

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題

及分類

HetNets中干擾產(chǎn)生的原因主要有以下4點(diǎn)：

（1）低功率接入點(diǎn)的無規(guī)劃布設(shè)，使得宏站不能獲得這些節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，進(jìn)而通過增加功率來覆蓋原有用戶，從而對(duì)低功率接入點(diǎn)產(chǎn)生較大干擾。

（2）一些接入點(diǎn)采用限制接入方式，使得處于該小區(qū)覆蓋下的用戶只能接入其他小區(qū)，從而產(chǎn)生相互間的干擾。

（3）接入點(diǎn)間的發(fā)送功率不同，導(dǎo)致不同接入點(diǎn)的覆蓋范圍不同，處于覆蓋邊緣的用戶會(huì)受到不同接入點(diǎn)以及其他邊緣用戶產(chǎn)生的干擾。

（4）當(dāng)某些接入點(diǎn)處于覆蓋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)其周圍的其他接入點(diǎn)和用戶會(huì)產(chǎn)生干擾。

而HetNets中的干擾主要又可分為兩類：層內(nèi)干擾和層間干擾。層內(nèi)干擾指的是同類網(wǎng)元之間存在的干擾，如家庭基站（HBS）間的相互干擾；而層間干擾是指不同類網(wǎng)元之間的干擾，如宏基站（MBS）和家庭基站之間的相互干擾。同時(shí)，從干擾鏈路的種類又可分為上行干擾和下行干擾。LTE中MBS和HBS上下行干擾場(chǎng)景如圖1所示，左圖為下行干擾場(chǎng)景，右圖為上行鏈路傳輸干擾示意。

2 現(xiàn)有的干擾管理機(jī)制

針對(duì)傳統(tǒng)干擾問題，雖然3GPP Release8和Release9提出并細(xì)化了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）技術(shù)，但是該技術(shù)沒有充分考慮HetNets場(chǎng)景，可能不能有效地解決HetNets中各層之間相互的強(qiáng)干擾問題。為此3GPP Release10中提出了增強(qiáng)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（eICIC），也納入了蜂窩自組織網(wǎng)絡(luò)的重要用例，該方法主要可以分為三大類[2]：

2.1 時(shí)域技術(shù)

時(shí)域技術(shù)指的是在時(shí)域資源上調(diào)度被干擾鏈路的傳輸從而消除干擾，主流方案是進(jìn)行子幀對(duì)齊：當(dāng)HBS和MBS相互干擾時(shí)，HBS將劃分出一些幾乎空子幀，讓受干擾的宏站用戶（MUE）使用。此外，HBS可根據(jù)干擾情況設(shè)定幾乎空子幀（ABSF），從而有效地避免層間干擾。

2.2 頻域技術(shù)

頻域技術(shù)通過為不同網(wǎng)元（HBS和MBS）劃分正交的頻率資源來實(shí)現(xiàn)干擾消除。頻域正交化可以采用靜態(tài)分配方式或者根據(jù)受害用戶（UE）探測(cè)來動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，然而這也大大降低了網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用因子，從而造成了整體網(wǎng)絡(luò)性能的損失。

2.3 功率控制技術(shù)

功率控制方式分為開環(huán)功率設(shè)定和閉環(huán)功率設(shè)定。在開環(huán)功率設(shè)定中，HBS僅根據(jù)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)和自身的測(cè)量結(jié)果調(diào)整發(fā)送功率；在閉環(huán)功率設(shè)定中，HBS通過與MBS協(xié)同調(diào)整發(fā)送功率。HBS也可將二者結(jié)合起來采用混合模式功率設(shè)定。功率控制的目標(biāo)有多種，如以家庭用戶（HUE）的信號(hào)與干擾噪聲比（SINR），或MUE的SINR。

在上述3類方法中，因?yàn)轭l率技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)全頻率空間復(fù)用，且功率控制受不同的傳播環(huán)境和信道條件的影響，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，所以時(shí)域技術(shù)被視為當(dāng)下主流方法干擾規(guī)避方法。文獻(xiàn)[3]給出了采用時(shí)域、頻域和功率進(jìn)行干擾管理時(shí)的性能比較。

上述均是干擾協(xié)同技術(shù)，即在不同的自由度上，通過調(diào)度使得相互干擾的信號(hào)相互正交，從而消除干擾。除此之外，一些新技術(shù)的引入也為干擾管理提供了新的手段，如認(rèn)知技術(shù)、干擾消除和干擾對(duì)齊技術(shù)等。

2.4 認(rèn)知技術(shù)

具有認(rèn)知無線電（CR）[4]功能的HBS可以根據(jù)已有的頻譜感知技術(shù)來獲得相關(guān)資源塊（RB）的使用情況，進(jìn)一步結(jié)合已有的干擾協(xié)同技術(shù)，如時(shí)域和頻域技術(shù)，來動(dòng)態(tài)地規(guī)避網(wǎng)元間的相互干擾。文獻(xiàn)[5]采用認(rèn)知技術(shù)來獲得MBS的RB使用情況在Femtocell中僅使用空閑的RB來減輕層間干擾，同時(shí)通過策略型博弈來減輕層內(nèi)之間的干擾。該方案通過等效容量的概念來保證統(tǒng)計(jì)時(shí)延的同時(shí)在Femtocell中獲得有效的頻譜資源利用率。文獻(xiàn)[6]中提出認(rèn)知干擾管理方案，通過認(rèn)知技術(shù)確定安全和受害用戶，再基于該用戶分組來分配時(shí)頻塊和傳輸機(jī)會(huì)來避免干擾層間和層內(nèi)干擾，從而提升邊緣用戶的吞吐量。

2.5 干擾消除技術(shù)

除了傳統(tǒng)的干擾消除方法如串行干擾抵消、并行干擾抵消等方法以外，一些新型編碼方式的引入，如“臟紙”編碼等，可以使得受干擾用戶在接收信號(hào)中主動(dòng)消除干擾從而獲得有用信號(hào)。該類方法往往需要已知信道信息以及相關(guān)的發(fā)送消息信息

2.6 干擾對(duì)齊技術(shù)

干擾對(duì)齊的思想是設(shè)計(jì)發(fā)送信號(hào)，使其在非目的接收機(jī)處對(duì)齊到一個(gè)維度上，而在目的接收機(jī)處可以明顯區(qū)分開來。但是干擾對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)較為困難，當(dāng)有多個(gè)非目的接收機(jī)時(shí)，將干擾對(duì)一個(gè)非目的接收機(jī)對(duì)齊并不能保證干擾對(duì)其他非目的接收機(jī)對(duì)齊。文獻(xiàn)[7]在蜂窩系統(tǒng)中提出采用有限維度將干擾在多個(gè)非目的接收機(jī)處對(duì)齊的方法。在具有多個(gè)移動(dòng)終端時(shí)，該方案不需協(xié)同也能夠獲得沒有干擾時(shí)的自由度。文獻(xiàn)[8]針對(duì)下行多天線蜂窩系統(tǒng)提出一種僅需小區(qū)內(nèi)反饋信息的干擾對(duì)齊方案，在有一個(gè)干擾特別強(qiáng)時(shí)該方案能夠獲得很大增益。文獻(xiàn)[9]在時(shí)分雙工的蜂窩系統(tǒng)上行鏈路中提出基于機(jī)會(huì)的干擾對(duì)齊方案，它不需要全局的信道信息。

綜上所述：不同的干擾管理方案在是否需要MBS協(xié)同、適合處理的干擾類型、適合的接入模式、復(fù)雜度和傳輸模式都存在差異。表1對(duì)所陳述的6種干擾管理方案進(jìn)行了總結(jié)。

3 利用蜂窩與Wi-Fi共同

組網(wǎng)來規(guī)避干擾

針對(duì)HetNets中存在的層間干擾和層內(nèi)干擾問題，上節(jié)中所述的干擾管理機(jī)制僅關(guān)注于MBS和HBS二者之間的相互協(xié)調(diào)或HBS自身來處理相應(yīng)的干擾問題。然而，隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN互補(bǔ)特性的不斷顯現(xiàn)，在HetNets中已經(jīng)出現(xiàn)將Femtocell和無線局域網(wǎng)（WLAN）融合來為用戶提供更好業(yè)務(wù)體驗(yàn)的趨勢(shì)。

3.1 Wi-Fi的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)

Wi-Fi能夠提供寬帶高速率的傳輸，成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐刖W(wǎng)絡(luò)。隨著智能移動(dòng)終端的不斷涌現(xiàn)，每個(gè)用戶可以享受多種多樣的業(yè)務(wù)，相應(yīng)的傳輸速率也不斷提高，而現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)以及4G系統(tǒng)在保障用戶不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求方面仍然需要進(jìn)一步提高。目前較多的運(yùn)營商將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向Wi-Fi側(cè)，充分發(fā)揮Wi-Fi的特長(zhǎng)，體現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。

3.2 Femtocell的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)

Femtocell是為了進(jìn)一步增加蜂窩系統(tǒng)信號(hào)覆蓋提高系統(tǒng)容量而提出的，和宏蜂窩MBS相比，F(xiàn)emtocell（在3GPP中稱為家庭基站）容量小、安全、功率管理更加有效、部署簡(jiǎn)單且無需復(fù)雜的頻率規(guī)劃，能夠有效地補(bǔ)充覆蓋宏蜂窩的盲點(diǎn)。此外隨著Femtocell的應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展，從傳統(tǒng)的家庭、小型辦公室到企業(yè)公司，甚至是熱點(diǎn)地區(qū)。

3.3 Femtocell與Wi-Fi的融合趨勢(shì)

為了充分發(fā)揮Wi-Fi和Femtocell的各自優(yōu)勢(shì)，關(guān)于Femtocell和Wi-Fi的融合也成為蜂窩移動(dòng)通信行業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。Cisco公司在2010World Mobile Congress大會(huì)上指出運(yùn)營商采用收費(fèi)頻段和免費(fèi)頻段聯(lián)合調(diào)度將會(huì)獲得最優(yōu)的成本，同時(shí)Cisco認(rèn)為Wi-Fi和Femtocell的融合是一個(gè)強(qiáng)強(qiáng)組合，具有很大的優(yōu)勢(shì)。PicoChip公司和InterDigtal公司在World Femtocell Summit 2011大會(huì)上發(fā)布了他們聯(lián)合開發(fā)的基于3GPP Release 7 HSPA+的3G Femtocell和基于IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi的融合設(shè)備的Demo。該設(shè)備能夠根據(jù)信道條件、負(fù)載內(nèi)容以及用戶喜好在Wi-Fi和Femtocell之間進(jìn)行業(yè)務(wù)的分流和合并以及切換。Ubiquisys公司認(rèn)為未來的Femtocell應(yīng)該具有自組織的特性，并指出目前幾乎所有新型Femtocell都集成了Wi-Fi功能。

3.4 Femtocell與WLAN聯(lián)合干擾

管理方法

干擾管理技術(shù)多是以犧牲Femtocell的吞吐量或增加Femtocell或移動(dòng)終端的復(fù)雜性為代價(jià)。而當(dāng)Wi-Fi和Femtocell共站已成為趨勢(shì)（本文用i-Femtocell表示集成Wi-Fi的Femtocell），則可以通過引入WLAN的免費(fèi)頻段來實(shí)現(xiàn)干擾規(guī)避。圖2給出了由MBS和集成Wi-Fi的LTE Femtocell（HBS）組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)?？拷麳BS邊緣的MUE將會(huì)干擾到HUE的上行傳輸，而在下行鏈路時(shí)，靠近HBS邊緣的MUE將會(huì)受到HBS下行傳輸?shù)母蓴_。此外，圖中灰色雙向箭頭表示的是HBS和MBS之間的交互鏈路。

針對(duì)該場(chǎng)景，如何有效地進(jìn)行資源調(diào)度來充分發(fā)揮Wi-Fi和HBS的各自優(yōu)勢(shì)，同時(shí)盡可能地降低或者消除HBS和MBS之間的干擾是一個(gè)非常值得研究的問題。本文初步給出了該場(chǎng)景下的聯(lián)合資源管理算法，并給給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。

該算法的基本思想可以歸納為以下步驟：

（1）將Femtocell側(cè)的用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求分為兩類：時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)和非時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)。

（2）當(dāng)產(chǎn)生干擾時(shí)，F(xiàn)emtocell側(cè)在優(yōu)先保障對(duì)時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)的支持下進(jìn)行相應(yīng)的干擾規(guī)避調(diào)度，如采用功率控制和頻域正交技術(shù)。

（3）第二步處理之后如仍存在干擾，則可讓W(xué)i-Fi側(cè)來承載在Femtocell側(cè)受干擾或干擾MBS用戶中的非時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)。

（4）如第三步中Wi-Fi側(cè)業(yè)務(wù)已經(jīng)飽和，則Femtocell優(yōu)先對(duì)非時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)采用ABSF算法。

將i-Femtocell的覆蓋區(qū)域到MBS的距離遠(yuǎn)近，分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。如MUE所處位置不同將和Femtocell間形成不同程度的干擾。具體仿真場(chǎng)景如圖3所示。表2、表3、表4分別列出了MBS、HBS和業(yè)務(wù)的相關(guān)仿真參數(shù)[10-11]。

圖4、圖5分別給出了該方法的上下行的性能。由仿真結(jié)果可以看出：采用Femtocell和WLAN聯(lián)合資源調(diào)度來進(jìn)行干擾管理可以大幅提升容量而不影響MBS的正常傳輸，二者融合可有效地提升Femtocell對(duì)蜂窩用戶的業(yè)務(wù)保障能力。

4 結(jié)束語

隨著HetNets的發(fā)展，F(xiàn)emtocell和WLAN的融合已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。聯(lián)合二者的優(yōu)勢(shì)解決HetNets的干擾問題具有雙重意義：其一，避免或減輕Femtocell和MBS的相互干擾；其二，可充分發(fā)揮Femtocell和WLAN各自的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)用戶提供更好的業(yè)務(wù)保障。利用聯(lián)合資源調(diào)度方法能夠有效地解決HetNets的相互干擾，并且還可以對(duì)用戶提供更好的業(yè)務(wù)保障能力，從而促進(jìn)HetNets的發(fā)展與應(yīng)用。

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收稿日期：2012-11-06

作者簡(jiǎn)介

王亮，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀博士生；主要研究方向認(rèn)知無線電、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾管理等。

盛敏，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)等；已主持和參與基金項(xiàng)目10余項(xiàng)；已發(fā)表論文70余篇（其中被SCI/EI檢索50余篇），出版專著2部。

張琰，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線自組織網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)等；已主持和參與基金項(xiàng)目8項(xiàng)；已發(fā)表論文20余篇（其中被SCI/EI檢索10余篇）。