淺析異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)中干擾管理技術(shù)

陳琤

【摘 要】 隨著移動用戶的不斷增加、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型多樣化，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)布局。異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)能有效地提高系統(tǒng)吞吐量，但同時也帶來了挑戰(zhàn)。

研究表明，同頻帶干擾將限制無線通信系統(tǒng)的性能，尤其對于無線通信網(wǎng)絡(luò)。另外，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)格局中的干擾環(huán)境相比，異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾場景更加復(fù)雜，并可能降低整個網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，如何在無線通信網(wǎng)絡(luò)中進行干擾管理是一個值得研究的問題。

【關(guān)鍵詞】 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 密集網(wǎng)絡(luò) 全雙工 干擾管理

背 景

隨著大數(shù)據(jù)時代到來，無線通信領(lǐng)域正面臨著無處不在的覆蓋與更大數(shù)據(jù)率的需求的挑戰(zhàn)：越來越多先進的用戶終端以及貪婪地占據(jù)帶寬的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量的增長。為了滿足數(shù)據(jù)要求，3GPP的長期演進系統(tǒng)Release 8標準展現(xiàn)了眾多與之前HSPA相比更有優(yōu)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(lián)盟ITU制定的對第四代移動網(wǎng)絡(luò)的性能要求。因此，為了達到下行移動用戶數(shù)據(jù)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(tǒng)性能的先進技術(shù)：

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

（2）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)中宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，布置一系列低發(fā)射功率節(jié)點；

（3）多天線技術(shù)，即多輸入多輸出技術(shù)。

在第四代移動通信技術(shù)中，同頻帶干擾是限制4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的一個重要問題。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，具有充分資源復(fù)用的密集覆蓋異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(qū)間干擾協(xié)調(diào)和協(xié)作多點傳輸技術(shù)。

在當前頻譜資源緊張而用戶數(shù)據(jù)率要求不斷提高的情況下，尤其是在5G通信系統(tǒng)中，異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理技術(shù)研究是十分重要的。

異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)

蜂窩系統(tǒng)正朝著全頻復(fù)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，除了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中部署的宏基站，還有布置在宏基站覆蓋范圍內(nèi)的低功率節(jié)點，比如Micro基站、Pico基站、Femto基站和遠程無線電頭[1]。異構(gòu)網(wǎng)中低功率節(jié)點的布置能減輕宏基站的傳輸開銷；通常情況下，低功率節(jié)點距離用戶終端更近，這有助于提高室內(nèi)信號覆蓋率，同時位于小區(qū)邊緣的用戶性能將得到提高。異構(gòu)網(wǎng)使網(wǎng)絡(luò)離用戶終端更近，從而得到小區(qū)分裂增益；此外，提高網(wǎng)絡(luò)的密集度有利于提升系統(tǒng)吞吐量[2]。因此，采用異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)能夠有效地提高單位面積的頻譜效率。

近年來，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)受到了工業(yè)界的廣泛關(guān)注，人們認為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在提升系統(tǒng)容量方面有很大的潛力，但與此同時，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也帶來了新的挑戰(zhàn)。自組織問題、回程傳輸問題、小區(qū)切換問題和干擾管理問題是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在實現(xiàn)過程中遇到的主要技術(shù)難題。其中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理問題的困難之處在于，與傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾更為嚴重，并且干擾場景變得更加復(fù)雜，同時，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶可能會受到覆蓋相同區(qū)域的相鄰小區(qū)的嚴重干擾。此外，在實際系統(tǒng)中，直接將低功率節(jié)點放置在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)并不能有效地實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來的優(yōu)勢。這是因為，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，宏基站的發(fā)射功率大于布置的低功率節(jié)點的發(fā)射功率，這使得低功率節(jié)點的信號覆蓋范圍很小，并不能充足地將宏基站的負擔轉(zhuǎn)移到低功率節(jié)點上。與此同時，隨著用戶到宏基站和低功率節(jié)點的接入節(jié)點數(shù)增多，網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)狀

移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨著越來越高的數(shù)據(jù)率要求，而決定無線通信容量增益的一個關(guān)鍵因子是網(wǎng)絡(luò)中接入節(jié)點的密度。如今，隨著小小區(qū)的大規(guī)模布置，如個人室內(nèi)接入、街道戶外覆蓋和遠距射頻頭等，這種類型的網(wǎng)絡(luò)布局打破了蜂窩網(wǎng)規(guī)劃的傳統(tǒng)方式，帶來了非常規(guī)的節(jié)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(wǎng)絡(luò)拓撲。在隨機網(wǎng)絡(luò)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(shè)為泊松點過程分布且互相獨立。在密集網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)頻率分配方式是十分困難的。在密集網(wǎng)絡(luò)中，隨著移動用戶與基站數(shù)目的增多，部分小區(qū)（小區(qū)內(nèi)移動用戶接收到的信干噪比很差）被視為小區(qū)邊緣的情況也會更為常見，因此，與傳統(tǒng)的常規(guī)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾是一個更嚴重的問題。

與此同時，蜂窩網(wǎng)逐漸向同頻復(fù)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)演進。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，除了已有的宏基站，還在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)布置了其他低功率節(jié)點，例如微基站、picocell和RRH。這樣，與傳統(tǒng)的同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(qū)分裂的增益。與此同時，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的低功率節(jié)點能夠部分轉(zhuǎn)移宏基站的傳輸數(shù)據(jù)，有效地提高室內(nèi)信號覆蓋率以及改善宏小區(qū)邊緣用戶的性能，從而有效地提高系統(tǒng)平均區(qū)域的頻譜效率。同時，這也給人們帶來了不斷的挑戰(zhàn)。自組織網(wǎng)絡(luò)、回程鏈路、跨區(qū)移交和干擾都是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的需要解決的關(guān)鍵問題。與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾環(huán)境更加復(fù)雜，這是因為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中除了原有的宏基站覆蓋，還有更多的低功率節(jié)點，它們發(fā)射功率的差異，將導(dǎo)致低功率節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)的用戶終端受到來自宏基站較大的干擾，考慮到接入節(jié)點數(shù)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(jié)點間發(fā)射功率的明顯差異，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中需要采用小區(qū)距離擴展技術(shù)以保證用戶終端在宏基站發(fā)射功率的范圍內(nèi)能接入低功率節(jié)點。盡管CRE技術(shù)能有效地將宏基站的數(shù)據(jù)傳輸負擔部分轉(zhuǎn)移到低功率節(jié)點，但是隨之而來的是嚴重的從宏基站到低功率節(jié)點中用戶終端的跨層小區(qū)間干擾，尤其是位于擴展小區(qū)邊緣的用戶。這個干擾問題嚴重制約著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中本可達到的系統(tǒng)容量，因此，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中需要研究有效的小區(qū)間干擾抑制方法。endprint

作為一種能有效抑制小區(qū)間干擾的方法，CoMP技術(shù)被認為是密集蜂窩網(wǎng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)?？紤]到系統(tǒng)實現(xiàn)以及信令開銷問題，CoMP中的基站協(xié)作簇通常由有限個基站組成。按照不同的分簇方式，網(wǎng)絡(luò)可以被劃分為非重疊分簇網(wǎng)絡(luò)與重疊分簇網(wǎng)絡(luò)。以基站為中心的分簇方式通常形成非重疊分簇網(wǎng)絡(luò)，其劃分的方法可以根據(jù)基站所處的地理位置，靜態(tài)地選擇相鄰的基站形成基站協(xié)作簇[2]；也可以基于信道信息，動態(tài)地選擇基站協(xié)作簇。這些方法易于實現(xiàn)，但在以基站為中心的分簇方式處形成的分簇網(wǎng)絡(luò)中，處于基站協(xié)作簇邊緣的用戶終端，仍然受到來自相鄰協(xié)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(xié)作簇，此時，基站可能屬于不同用戶終端選擇的多個不同協(xié)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的場景，因此，直接將這類ICIC的方法應(yīng)用到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的場景，并不能有效地抑制干擾。在LTE的Release 10中，增強ICIC技術(shù)被提出。這類eICIC技術(shù)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(shù)中，宏基站在被稱為幾乎空白的子幀不發(fā)送數(shù)據(jù)，而小區(qū)邊緣的低功率節(jié)點服務(wù)的用戶終端則在這個子幀中不受宏基站地被低功率節(jié)點服務(wù)；頻域類的eICIC技術(shù)中，為了避免跨層小區(qū)間干擾，宏基站和低功率節(jié)點采用正交的頻率資源進行數(shù)據(jù)傳輸。eICIC的方法具有低復(fù)雜度并易于實現(xiàn)，但低功率節(jié)點中的用戶終端只在部分時頻資源被服務(wù)，從而限制了低功率節(jié)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(jié)點中的用戶終端能在全時頻資源上被服務(wù)，它們的性能受限于宏基站端的發(fā)射天線數(shù)，并且當?shù)凸β使?jié)點用戶終端過于密集時，通常是難以實現(xiàn)的。eICIC和CoMP為了在低功率傳輸節(jié)點和它們服務(wù)的用戶終端間營造一個無ICI的傳輸環(huán)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用全雙工技術(shù)，那么全雙工技術(shù)能在抑制跨層小區(qū)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(xiàn)的，源于收發(fā)端間有嚴重的自身干擾。直到最近，在工業(yè)界和學術(shù)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(xiàn)。全雙工技術(shù)利用相同的時頻資源進行雙向通信，與半雙工技術(shù)相比，能獲得顯著的頻譜效率增益。與此同時，全雙工技術(shù)也應(yīng)用在中繼系統(tǒng)中以提高業(yè)務(wù)服務(wù)范圍，并且能避免半雙工中繼系統(tǒng)中的資源浪費。已有文獻資料將全雙工技術(shù)應(yīng)用到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中抑制跨層小區(qū)間干擾的研究。

總 結(jié)

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

【參考文獻】

[1] 黃晨， 陳前斌， 唐倫，等. 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的干擾管理研究[D]. 中國科學技術(shù)大學， 2013.endprint