基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究

金雨超+李強(qiáng)+呂震+郭景贊

【摘 要】為了解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題，在介紹異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的背景、網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型及其特性的基礎(chǔ)上，分析了應(yīng)對層間干擾的各項技術(shù)，主要研究了增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，并解析了幾乎空白子幀的技術(shù)方案和低功率幾乎空白子幀的實現(xiàn)方式。通過比較各種實施方案的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了低功率幾乎空白子幀技術(shù)方案的靈活擴(kuò)展性。

【關(guān)鍵詞】異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) eICIC 區(qū)域擴(kuò)展 ABS LP-ABS

Research on Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Technique

in Heterogeneous Networks

[Abstract] In order to deal with the interference in heterogeneous networks， the technical background of heterogeneous networks， types and characteristics of network nodes were introduced. Then， different techniques to deal with the inter-layer interference were analyzed. Enhanced inter-cell interference coordination techniques were mainly investigated， including the implementations of ABS and LP-ABS. Advantages and disadvantages of different implementations were compared to validate the flexibility and expandability of LP-ABS.

[Key words]heterogeneous network eICIC range expansion ABS LP-ABS

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生背景

隨著通信技術(shù)的發(fā)展成熟，移動用戶數(shù)量穩(wěn)步上升，用戶的需求也由簡單的日常語音通信向更多更廣泛的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上遷移。終端類型的智能化和多樣化助力了移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，同時也催生了越來越多的無線應(yīng)用，數(shù)據(jù)服務(wù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。為了適應(yīng)市場對移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶寬、傳輸速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面不斷增長的需求，運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)中逐步引入了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為同構(gòu)單層組網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有的宏基站都有類似的特性，覆蓋范圍相近，以宏蜂窩的覆蓋方式為用戶提供業(yè)務(wù)。目前技術(shù)背景下，同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率已經(jīng)接近了香農(nóng)信息論的容量極限值。為了應(yīng)對日益增長的業(yè)務(wù)需求，3GPP提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)^(qū)別于宏基站的LPN（Low Power Node，低功率節(jié)點(diǎn)）形成雙層網(wǎng)絡(luò)覆蓋。不同類型的節(jié)點(diǎn)混合組網(wǎng)，分別實現(xiàn)不同的功能。宏基站功率大、可移動性差，負(fù)責(zé)覆蓋的廣度；低功率節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率小，部署靈活可以彌補(bǔ)覆蓋空洞。由于低功率節(jié)點(diǎn)的引入可以降低運(yùn)營成本，提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的靈活度，分擔(dān)熱點(diǎn)區(qū)域的負(fù)載流量，因此越來越受到運(yùn)營商的重視和歡迎。

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的低功率節(jié)點(diǎn)可以在宏蜂窩的基礎(chǔ)上，對其范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。其重要的應(yīng)用場景如下：

（1）低功率節(jié)點(diǎn)因其可以提供小范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，所以可以補(bǔ)充宏蜂窩的室外覆蓋盲區(qū)。在城市中，會出現(xiàn)四周被高樓環(huán)繞的廣場或平臺等宏基站無法覆蓋的場景，可以使用低功率節(jié)點(diǎn)對弱覆蓋區(qū)域補(bǔ)盲。

（2）對于墻體較厚的場館和沒有室分系統(tǒng)的寫字樓的覆蓋場景，可以利用低功率節(jié)點(diǎn)靈活的配置方式和便攜性彌補(bǔ)室內(nèi)覆蓋空洞。

（3）對于人員密度較大的熱點(diǎn)區(qū)域，宏蜂窩負(fù)載較重，可以利用低功率節(jié)點(diǎn)與其共同提供覆蓋，緩解覆蓋壓力，由宏蜂窩負(fù)責(zé)廣覆蓋、低功率節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)吸收熱點(diǎn)區(qū)域的用戶流量來分擔(dān)過重的負(fù)載。

不同應(yīng)用場景的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，低功率節(jié)點(diǎn)的作用存在一定的差別，主要的低功率節(jié)點(diǎn)包括：微微蜂窩（Pico Cell）、家庭基站（Femto Cell）、中繼（Relay）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRH）。表1列出了宏基站和不同類型低功率節(jié)點(diǎn)的特性及用途。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在諸多場景中可以作為增強(qiáng)性能的首選方法，但是同時也帶來了一些挑戰(zhàn)，低功率節(jié)點(diǎn)的引入增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，小區(qū)數(shù)量、小區(qū)類型以及邊緣用戶數(shù)量都會隨之增加，網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)對更多的優(yōu)化協(xié)調(diào)類問題。

3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題

本文主要研究Pico與宏基站混合組網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景。Pico基站提供Pico Cell覆蓋，分擔(dān)宏基站流量負(fù)載，完成業(yè)務(wù)均衡功能。如表1所示，宏基站的發(fā)射功率與Pico節(jié)點(diǎn)差異較大。用戶根據(jù)小區(qū)選擇的S準(zhǔn)則，會選擇接收信號最強(qiáng)的小區(qū)進(jìn)行接入。然而，處于宏蜂窩與Pico Cell邊緣的用戶會趨向于接入宏基站而不是網(wǎng)絡(luò)預(yù)期的、路損最小的Pico基站，這種現(xiàn)象會造成業(yè)務(wù)分布不均、宏基站過載、低功率節(jié)點(diǎn)吸熱效果不明顯等弊端。針對上述情況，研究并提出了RE（Range Expansion，區(qū)域擴(kuò)展）技術(shù)，在Pico小區(qū)的參考信號強(qiáng)度上增加偏置值來人工擴(kuò)大Pico基站的覆蓋區(qū)域，如圖2所示：

在LTE系統(tǒng)中，用戶通過RSRP測量和比較來選擇接入的小區(qū)，根據(jù)小區(qū)接入準(zhǔn)則可知，用戶i的接入小區(qū)為：

其中，ci是用戶i的接入小區(qū)；是用戶i接收到的小區(qū)j的功率；是小區(qū)j的發(fā)射功率；是小區(qū)j到用戶i的大中尺度損耗，其中包括大尺度衰落、陰影衰落和穿透損耗等。通常Pico基站的發(fā)射功率小于宏基站的發(fā)射功率，因此能夠接入Pico節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù)量十分有限，Pico節(jié)點(diǎn)部署的作用就會明顯降低。

在應(yīng)用RE技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，宏基站與Pico基站之間可以通過handover bias信元來引入偏移量，人為提高Pico的接入成功率。用戶在使用接入準(zhǔn)則比較宏基站和Pico基站的參考信號強(qiáng)度時，會直接使用添加偏置值的RSRPp+bias與RSRPm進(jìn)行比較，并選擇接入的小區(qū)。其中，RSRPp是用戶測量的Pico小區(qū)的參考信號強(qiáng)度；RSRPm是用戶測量的宏小區(qū)的參考信號強(qiáng)度；bias即為是偏置值。

采用人工擴(kuò)大Pico覆蓋范圍的方式會導(dǎo)致用戶體驗下降，位于擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的用戶必然會受到宏基站的嚴(yán)重干擾。擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的用戶能夠接入Pico基站，其參考信號接收功率滿足條件：RSRPp+bias>RSRPm>RSRPp，擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)用戶的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比）為-bias

由此可見，隨著bias絕對值的增加，擴(kuò)展區(qū)域用戶的SINR逐漸降低，小區(qū)邊緣的信道環(huán)境會越發(fā)惡劣。為了緩解小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，必須使用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)改善擴(kuò)展區(qū)域用戶的SINR。

4 增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

由上可知，為了提高Pico Cell用戶接入的成功率，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)引入了RE技術(shù)。但是，處于擴(kuò)展區(qū)域的用戶由于接入過程受到了人為干預(yù)，業(yè)務(wù)進(jìn)行過程受到鄰小區(qū)干擾會增強(qiáng)，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降、用戶感知差等情況。

為了解決同頻組網(wǎng)，小區(qū)邊緣同頻干擾突出的問題，3GPP在R8/9版本中引入了ICIC（Inter Cell Interference Coordination，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）機(jī)制，包括動態(tài)頻率復(fù)用、靜態(tài)頻率復(fù)用、半靜態(tài)頻率復(fù)用、基于X2接口的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等。這些技術(shù)主要是針對同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間干擾，對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入低功率節(jié)點(diǎn)后帶來的層間干擾收益甚微。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏基站與低功率傳輸節(jié)點(diǎn)混合組網(wǎng)，引入新節(jié)點(diǎn)增加了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，多種類型節(jié)點(diǎn)同時競爭時頻資源，形成了新的干擾環(huán)境?；诖耍槍Ξ悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)部署方式，eICIC（enhanced Inter Cell Interference Coordination，增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中提出并標(biāo)準(zhǔn)化。

eICIC技術(shù)在ICIC的基礎(chǔ)上加入了時間維度的調(diào)度機(jī)制。為宏微蜂窩小區(qū)邊緣的用戶分配時頻資源時，將不同小區(qū)的用戶信息調(diào)度在時域正交的資源塊上。相比ICIC技術(shù)，eICIC不僅針對業(yè)務(wù)信道，而且還能在一定程度上降低不同小區(qū)的控制信道之間的干擾。ICIC技術(shù)通過小區(qū)間頻域調(diào)度方式對業(yè)務(wù)信道的小區(qū)間干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)，而eICIC技術(shù)則是通過小區(qū)間時域、頻域聯(lián)合調(diào)度以及功率控制完成對業(yè)務(wù)信道和控制信道的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)。

4.1 幾乎空白子幀（ABS）技術(shù)方案

如圖2所示，位于擴(kuò)展區(qū)域的小區(qū)邊緣用戶會受到宏基站的下行干擾，宏基站與Pico基站使用相同的時頻資源為用戶傳遞信息，當(dāng)其子幀重疊時，用戶的控制信道和數(shù)據(jù)信道相互重疊。因此，為了提高Pico邊緣用戶SINR，減小層間干擾，宏基站需要執(zhí)行eICIC技術(shù)，使用ABS（Almost Blank Subframe，幾乎空白子幀）。

包含ABS子幀的無線幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，協(xié)作的宏基站與Pico節(jié)點(diǎn)通過X2接口共享子幀配置圖譜，宏基站根據(jù)配置圖譜將無線幀中的某幾個子幀設(shè)置為ABS子幀。ABS子幀中的所有RE除參考信號外，發(fā)射功率均為0，不傳輸信息，從而對使用相同時頻資源的Pico用戶無干擾。

Pico基站將與宏基站ABS子幀對齊的時頻資源分配給小區(qū)邊緣用戶，此時來自宏基站的干擾強(qiáng)度趨近于0，則Pico小區(qū)邊緣用戶的SINR為：

其中，為Pico基站的接收功率不變；為宏基站的接收功率大幅降低，干擾減小，信道環(huán)境顯著改善。上述機(jī)制使得Pico基站既實現(xiàn)了宏基站的分流功能，又保證了Pico用戶的通信質(zhì)量。

4.2 低功率幾乎空白子幀（LP-ABS）技術(shù)方案

由于使用ABS子幀人為降低了宏基站用戶的調(diào)度次數(shù)，影響了宏蜂窩邊緣用戶的數(shù)據(jù)傳輸時間，導(dǎo)致邊緣用戶的通信質(zhì)量下降，降低了整體網(wǎng)絡(luò)的利用率。為了平衡折衷網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和邊緣用戶通信質(zhì)量之間的關(guān)系，3GPP在R11版本中引入了低功率ABS子幀（LP-ABS）的干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，如圖4所示。

LP-ABS調(diào)度方案是在ABS子幀基礎(chǔ)上改變了宏基站的發(fā)射功率，即在保持ABS子幀圖譜不變的前提下修改ABS子幀的發(fā)射功率。將原ABS子幀中RE的發(fā)射功率由0修改為低功率，并將信道質(zhì)量較好的宏蜂窩中心用戶調(diào)度在LP-ABS子幀上傳輸信息。小區(qū)中心用戶距離宏基站較近，信號傳輸?shù)穆窂綋p耗小且信道質(zhì)量較好，雖然發(fā)射功率降低，但是用戶的SINR在可接受范圍內(nèi)，仍然可以保證通信質(zhì)量。同時，由于發(fā)射功率低，并不會對使用相同時頻資源的Pico小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量造成多大的影響。

采用LP-ABS調(diào)度方案是在一定程度上犧牲了Pico小區(qū)邊緣用戶通信量的基礎(chǔ)上，提高了整個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。同時，可根據(jù)場景特點(diǎn)和功能需求來合理配置LP-ABS子幀的發(fā)射功率，以獲得通信質(zhì)量和資源利用率的靈活折衷。

5 結(jié)束語

本文介紹了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的背景、網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型及其特性，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同的特點(diǎn)分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。低功率節(jié)點(diǎn)的引入優(yōu)化了傳統(tǒng)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)問題，同時又帶來了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提高，用戶流向不均衡、層間干擾強(qiáng)度大等問題制約著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前進(jìn)的腳步。針對上述弊端，本文分別介紹了區(qū)域擴(kuò)展、增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)方案。在異構(gòu)場景下，通過范圍擴(kuò)展技術(shù)增大了接入低功率節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù)，能夠更好地分擔(dān)熱點(diǎn)區(qū)域宏基站的負(fù)載。但是區(qū)域擴(kuò)展的偏置因子較大時，擴(kuò)展區(qū)域的用戶受到宏基站很強(qiáng)的干擾。ABS技術(shù)方案能夠緩解小區(qū)邊緣的強(qiáng)干擾，降低RE技術(shù)帶來的負(fù)面影響，但此技術(shù)方案會造成宏小區(qū)用戶調(diào)度次數(shù)的減少。進(jìn)一步地改進(jìn)，LP-ABS技術(shù)方案既能夠適當(dāng)提高宏小區(qū)用戶的吞吐量，也能夠適當(dāng)降低對低功率節(jié)點(diǎn)邊緣用戶的干擾。研究表明，靈活地使用LP-ABS技術(shù)方案可以取得網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和小區(qū)邊緣通信質(zhì)量的折衷。增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的應(yīng)用可以顯著減少異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的層間干擾，充分發(fā)揮低功率節(jié)點(diǎn)的預(yù)期價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜來為，吳宣利，張乃通. 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)算法研究[J]. 通信學(xué)報， 2016，37（2）： 143-150.

[2] Kamel M I， Elsayed K M F. ABSF offsetting and optimal resource partitioning for eICIC in LTE-Advanced： Proposal and analysis using a Nash bargaining approach[A]. IEEE International Conference on Communications（ICC）[C]. 2013： 6240-6244.

[3] 王偉平，劉金虎，梁文莉. LTE-A家庭基站干擾協(xié)調(diào)方案的研究[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2016，33（1）： 124-126.

[4] Khandekar A， Bhushan N， Tingfang J， et al. LTE-Advanced： Heterogeneous networks[A]. European Wireless Conference（EW）[C]. 2010： 978-982.

[5] Weber A， Stanze O. Scheduling strategies for HetNets using eICIC[A]. IEEE International Conference on Communications（ICC）[C]. 2012.

[6] 3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）： Further advancements for E-UTRA physical layer aspects[S]. 2010.

[7] Roche GDL， Valcarce A， Lopez-Perez D， et al. Access Control Mechanisms for Femtocells[J]. IEEE Communications Magazine， 2010，48（1）： 33-39.

[8] 林輝，焦慧穎，劉思楊，等. LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)詳解[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[9] 鄒時林，何巖，常宇光. LTE Femto網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性分析[J]. 移動通信， 2012，36（8）： 47-50.

[10] Lu S H， Lai W P， Wang L C. Time domain coordination for inter-cell interference reduction in LTE hierarchical cellular systems[A]. International Conference on Heterogeneous Networking for Quality[C]. 2014： 51-55.