5G超密集組網(wǎng)環(huán)境下干擾管理技術(shù)分析

【摘要】? ? 隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大幅推進(jìn)，5G網(wǎng)絡(luò)分場景覆蓋極大的改善了用戶體驗(yàn)及新業(yè)務(wù)的發(fā)展，5G已經(jīng)完成城區(qū)縣城基本覆蓋，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點(diǎn)也將放在微基站、小基站及室內(nèi)覆蓋基站上。在5G超密集組網(wǎng)環(huán)境中室外宏基站、微基站、小基站與室內(nèi)基站組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中干擾是影響整個(gè)系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。如何通過干擾管理技術(shù)對(duì)超密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾進(jìn)行避免和消除，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容量，是本文討論的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G通信? ? 超密集組網(wǎng)? ? 干擾管理

引言：

2019年作為我國5G商用元年距今已過去2年，目前我國5G已在地市的重點(diǎn)地區(qū)完成了室外覆蓋，從2021年開始5G建設(shè)將在室外進(jìn)行連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)放在微基站和室內(nèi)分布式基站的建設(shè)。5G要達(dá)到全面覆蓋，基站數(shù)量將超越現(xiàn)有4G基站數(shù)量，重點(diǎn)區(qū)域基站甚至是4G站點(diǎn)的數(shù)倍。密集的基站建設(shè)會(huì)使得無線環(huán)境更加復(fù)雜，帶來更多的干擾。解決5G超密集組網(wǎng)環(huán)境下的干擾將是我們下一步將要面臨的問題。

一、5G超密集組網(wǎng)技術(shù)

（一）超密集組網(wǎng)背景

5G網(wǎng)絡(luò)提供不同應(yīng)用場景下的差異化服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，以及5G無線網(wǎng)的高速率、低時(shí)延、海量連接、高可靠性等特點(diǎn)都需要系統(tǒng)容量的支撐。在通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量決定了用戶接入數(shù)量以及用戶接入速率，因此提高系統(tǒng)容量是通信技術(shù)發(fā)展中重點(diǎn)解決的問題之一。

超密集組網(wǎng)技術(shù)（Ultra-Dense Network，UDN）是指高密度部署與宏基站相比功率更低的小基站，從而增加單位覆蓋面積內(nèi)站點(diǎn)密度的組網(wǎng)方式。小型基站之間的站間距根據(jù)用戶密集程度，縮減至十幾米到幾十米，密集分布的站點(diǎn)可以提高單位面積內(nèi)頻譜復(fù)用率、網(wǎng)絡(luò)容量及用戶體驗(yàn)速率。

5G融合了多種關(guān)鍵技術(shù)，與其他5G通信技術(shù)相比，超密集組網(wǎng)技術(shù)帶來的網(wǎng)絡(luò)容量增益位于各技術(shù)前列。表1為各種5G關(guān)鍵技術(shù)所帶來的增益對(duì)比。

（二）超密集組網(wǎng)特點(diǎn)分析

1.超密集組網(wǎng)應(yīng)用場景

5G網(wǎng)絡(luò)由于使用頻率較高，與4G相比信號(hào)在傳播過程中的路徑損耗更大，使得單位面積內(nèi)5G基站數(shù)量肯定比4G基站更多。但這并不意味著5G超密集組網(wǎng)技術(shù)要應(yīng)用于任何場景之下。除了信號(hào)強(qiáng)度的考慮之外，超密集組網(wǎng)主要應(yīng)用于人口密集，用戶并發(fā)數(shù)高，網(wǎng)絡(luò)流量密度高和數(shù)據(jù)速率要求高的區(qū)域。對(duì)應(yīng)上述要求，可以看出UDN典型應(yīng)用場景主要包括：密集商業(yè)區(qū)、商務(wù)樓宇、高層住宅、密集住宅、醫(yī)院、高校、交通樞紐、體育場館等。

2.超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

在4G時(shí)代，針對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network， HetNet）的概念。無線網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與廣義的異構(gòu)網(wǎng)相比，采用的是其狹義的概念。

廣義異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指運(yùn)行在不同的協(xié)議上，支持不同的功能或應(yīng)用協(xié)議的設(shè)備或系統(tǒng)所組成的網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）主要是針對(duì)無線接入網(wǎng)絡(luò)的差異性，是一種面向未來的創(chuàng)新移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由不同大小、類型小區(qū)構(gòu)成，包括宏小區(qū)Macro cell、微小區(qū)Micro cell、微微小區(qū)Pico cell、毫微微小區(qū)Femto cell，通過無線基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵部件進(jìn)行協(xié)調(diào)部署并協(xié)同工作，從而提供高系統(tǒng)容量，為用戶帶來更好使用體驗(yàn)。

5G時(shí)代的超密集組網(wǎng)是在HetNet基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展。傳統(tǒng)宏蜂窩提供的單一同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然易于規(guī)劃，能給用戶提供無差異化的服務(wù)，但是現(xiàn)在用戶需求已經(jīng)發(fā)生根本性的改變，從語音業(yè)務(wù)為主過渡到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，從單一需求變?yōu)槎嘣枨螅煌瑘鼍跋碌挠脩魳I(yè)務(wù)需求差異明顯，因此超密集組網(wǎng)提供宏基站層用于網(wǎng)絡(luò)整體覆蓋，微基站層用于局部補(bǔ)盲及熱點(diǎn)覆蓋，小基站層用于室內(nèi)或重點(diǎn)區(qū)域密集覆蓋及業(yè)務(wù)吸收，從而在整體上達(dá)到覆蓋效果的同時(shí)，為分場景、切片網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)，為用戶提供真正意義上的差異化服務(wù)。超密集異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（三）面臨的問題與挑戰(zhàn)

雖然超密集組網(wǎng)有效地提升了系統(tǒng)容量，但是高密度的小基站也會(huì)帶來新的問題，其中最主要的兩個(gè)問題是上行回傳和干擾問題。

1.上行回傳

由于超密集組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)用戶量大、業(yè)務(wù)集中，才采取了密集建設(shè)基站的方式作為應(yīng)對(duì)策略。5G基站本身對(duì)上行傳輸資源要求極高，隨著基站的增加，傳輸需求也會(huì)成倍增加。對(duì)于基站大量的上行回傳需求單純依靠光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載建設(shè)成本過高，因此5G網(wǎng)絡(luò)自回傳方案的提出，可以有效解決回傳問題。通過對(duì)頻率資源的復(fù)用，用5G空口同時(shí)承載接入數(shù)據(jù)與回傳數(shù)據(jù)，不僅能提高基站選點(diǎn)的靈活性，節(jié)約光網(wǎng)資源，還能對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行更高效靈活地分配。

2.干擾應(yīng)對(duì)與管理

密集小基站的建設(shè)可以滿5G用戶在不同場景下的各種需求，同時(shí)也因?yàn)榛鹃g距縮小使得小區(qū)之間重疊覆蓋區(qū)域大幅增加。雖然小基站功率已降低，也具有更加靈活的功率控制手段，但重疊區(qū)內(nèi)用戶通常位于小區(qū)邊緣，主導(dǎo)小區(qū)的缺失使得信號(hào)干擾嚴(yán)重，用戶體驗(yàn)也會(huì)急劇下降。密集小區(qū)在帶來容量提升的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的干擾問題，并且干擾會(huì)成為限制超密集組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)無線性能的主要因素。因此超密集組網(wǎng)環(huán)境下干擾管理技術(shù)將是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

二、干擾應(yīng)對(duì)策略

（一）干擾類型

無線通信中的干擾種類繁多，但最主要的干擾還是來至于同頻干擾。由于頻譜資源的有限性，無線傳輸帶寬需求日益增大，為了滿足傳輸需要，各個(gè)無線技術(shù)在組網(wǎng)時(shí)都采用了頻率復(fù)用的方式來提高頻譜效率。頻率復(fù)用帶來的問題就是不同小區(qū)同頻段信號(hào)被同時(shí)接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。

根據(jù)超密集組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及干擾來源的不同，可以將干擾分為以下兩種類型：

1.層內(nèi)干擾：層內(nèi)干擾是指來至同一覆蓋層，如宏基站與宏基站之間、微基站與微基站之間的干擾。在超密集組網(wǎng)中，蜂窩網(wǎng)網(wǎng)格縮小、基站密度的增大以及不規(guī)則的部署，都會(huì)使層內(nèi)同頻干擾變得更為嚴(yán)重。

2.層間干擾：在超密集組網(wǎng)中采用了多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，覆蓋范圍更大的宏基站層與微基站層及小基站層相互重疊，5G頻段帶寬有限，無法給每一層網(wǎng)絡(luò)分配獨(dú)立頻段，層與層之間的同頻干擾十分明顯。

（二）干擾應(yīng)對(duì)策略

5G超密集組網(wǎng)中的干擾雖然是終端接收信號(hào)受影響，但干擾來源卻是存在于通信中的各個(gè)環(huán)節(jié)，因此在應(yīng)對(duì)這些干擾時(shí)我們需要從信號(hào)源、傳播途徑及接收端多個(gè)方面考慮，最大化的減少或消除干擾。

從對(duì)干擾的處理方式上，可以分為三類策略：

1.干擾消除：干擾消除是指針對(duì)干擾產(chǎn)生原因，采取措施避免干擾的產(chǎn)生。通?？刹捎枚嘀芳夹g(shù)、跳頻技術(shù)、功率控制技術(shù)等消除干擾。

2.干擾抑制：干擾抑制是已經(jīng)產(chǎn)生干擾后，在接收端對(duì)期望信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行區(qū)分并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制以提取更多有用信號(hào)。對(duì)于干擾的抑制，一是盡量分離有用信號(hào)與干擾，使得分離出的有用信號(hào)中干擾量更少。另外一種則是解構(gòu)重構(gòu)干擾信號(hào)，再從接收信號(hào)中去除對(duì)應(yīng)干擾，從而獲得更純凈的有用信號(hào)。干擾對(duì)齊技術(shù)利用信道矩陣將干擾空間重疊后降低干擾信號(hào)占比，也是一種干擾抑制策略。

3.干擾利用：從傳播信道進(jìn)行考慮，將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為分集或多徑增益。5G系統(tǒng)采用了大規(guī)模天線技術(shù)，因此在超密集網(wǎng)絡(luò)中可以利用空間分集和波束賦型技術(shù)加強(qiáng)信噪比。

從考慮的環(huán)節(jié)不同，也可以分為三類策略：

1.信號(hào)源側(cè)：在信號(hào)源側(cè)考慮采用多址技術(shù)對(duì)用戶進(jìn)行區(qū)分，降低干擾。多址技術(shù)包括時(shí)分多址TDMA、頻分多址FDMA、碼分多址CDMA。這些信道技術(shù)主要利用正交特性對(duì)干擾進(jìn)行抑制。

2.傳播途徑中：在傳播途徑中則主要考慮波束賦型及功率控制技術(shù)。采用波束賦型進(jìn)行空間濾波，同時(shí)協(xié)調(diào)小區(qū)間進(jìn)行聯(lián)合傳輸。通過調(diào)整每個(gè)小區(qū)的傳輸功率來改善干擾影響，包括智能關(guān)斷技術(shù)。智能關(guān)斷技術(shù)根據(jù)超密集網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、用戶使用情況等變量動(dòng)態(tài)地調(diào)整區(qū)域內(nèi)基站開關(guān)狀態(tài)。關(guān)閉無服務(wù)需求的基站可以降低對(duì)鄰近小區(qū)的干擾。

3.接收端：在接收端主要考慮干擾抑制策略：通過合并算法抑制干擾或者通過干擾對(duì)齊矩陣使干擾空間重疊以減少干擾。

在超密集組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來容量的提升，也使得干擾變得復(fù)雜化和異構(gòu)化。分析干擾形成的原因、帶來的影響并采取相應(yīng)措施對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提升很有必要。

三、干擾管理方案分析

干擾管理是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況及干擾類型的不同，在信號(hào)傳播的不同環(huán)節(jié)采取相應(yīng)消除或抑制策略減少干擾的過程。由于超密集組網(wǎng)的異構(gòu)性和復(fù)雜性，單一的干擾策略無法應(yīng)對(duì)諸如小區(qū)業(yè)務(wù)及覆蓋不均衡、異構(gòu)網(wǎng)分層覆蓋限制策略使干擾更加嚴(yán)重等問題。因此干擾管理方案是一系列干擾管理策略的集合。

超密集組網(wǎng)環(huán)境下不同網(wǎng)絡(luò)層的干擾更需要有效地協(xié)調(diào)機(jī)制，這使得集中式的管理模式下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源占用會(huì)相當(dāng)高，因此在超密集組網(wǎng)時(shí)考慮可以分布式管理來減輕系統(tǒng)負(fù)荷。

目前超密集組網(wǎng)中有效的干擾管理手段和策略多集中于以下幾種：

（一）資源分配策略

5G通信系統(tǒng)中的資源主要是頻率和功率，同時(shí)也是干擾形成最重要的因素，合理地分配資源不僅是提高資源利用率，也能有效地控制干擾。

在超密集組網(wǎng)環(huán)境中，可以根據(jù)場景的差異選取正交分配、全復(fù)用及部分復(fù)用等頻率分配策略。同時(shí)依據(jù)組網(wǎng)環(huán)境的差異，可以采用不同資源分配的算法。例如注水算法、博弈算法、自適應(yīng)頻率分配算法、增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法等，不同的算法有不同的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點(diǎn)。注水算法需要依賴高質(zhì)量的信道，適合信道質(zhì)量差別不大的情況。信道質(zhì)量差異過大會(huì)導(dǎo)致注水算法失效，無法降低干擾水平。博弈算法則具有適用性、反饋開銷低的特點(diǎn)，缺點(diǎn)則是信息的不全面會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能有所損失。

（二）多點(diǎn)協(xié)同策略

多點(diǎn)協(xié)同傳輸（Coordinated Multiple Points， CoMP）策略是指通過物理存在的多個(gè)小區(qū)共享數(shù)據(jù)、信道狀態(tài)、調(diào)度等控制信息，采用協(xié)同傳輸、接收的方式到達(dá)多個(gè)小區(qū)間協(xié)作。終端會(huì)同時(shí)接收到多個(gè)小區(qū)的信號(hào)，進(jìn)行相干合并后能夠消除干擾，提升系統(tǒng)整體性能。同時(shí)參與協(xié)作的小區(qū)越多，協(xié)作效果越明顯，但是對(duì)系統(tǒng)的要求也越高。

在實(shí)際的超密集組網(wǎng)環(huán)境中，基站數(shù)量及小區(qū)數(shù)量較多，使得對(duì)所有小區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)變得極其復(fù)雜。包括小區(qū)間協(xié)調(diào)的一致性、額外信號(hào)處理過程、復(fù)雜的波束成形設(shè)計(jì)以及調(diào)度過程會(huì)產(chǎn)生大量回傳鏈路等眾多問題。即使有諸多問題，CoMP仍然是5G超密集網(wǎng)絡(luò)減少小區(qū)間干擾的有效手段。

（三）分簇策略

通信系統(tǒng)中為了使系統(tǒng)增益最大化，通常會(huì)采用集中控制模式。在超密集組網(wǎng)場景下由于基站數(shù)量眾多提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，集中控制模式也將面臨極其大量的交互信息，需要耗費(fèi)系統(tǒng)開銷進(jìn)行處理。分簇策略則是將網(wǎng)絡(luò)化繁為簡，將大網(wǎng)降級(jí)為小網(wǎng)，也就是簇進(jìn)行控制管理，簇內(nèi)的干擾管理則會(huì)更加有效。

分簇策略根據(jù)終端所在協(xié)作簇是否調(diào)整可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種策略。

1）靜態(tài)分簇：系統(tǒng)初始指定協(xié)調(diào)簇，終端所在簇相對(duì)固定，不會(huì)隨網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)變化。其優(yōu)勢在于復(fù)雜度較低，可以實(shí)現(xiàn)快速部署。靜態(tài)分簇的問題在于當(dāng)小區(qū)內(nèi)的基站部署和用戶位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，協(xié)作簇并不會(huì)作相應(yīng)變化，也就使協(xié)作效率下降而無法最大化消除干擾。

2）動(dòng)態(tài)分簇：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配協(xié)作簇，同時(shí)根據(jù)用戶終端反饋的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在動(dòng)態(tài)分簇策略下，同一小區(qū)內(nèi)的終端所在簇可能不一樣，因此針對(duì)每個(gè)用戶的集群大小可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而得到最佳的平衡方案，最大化消除簇內(nèi)干擾。與靜態(tài)分簇不同，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)做相應(yīng)協(xié)作簇調(diào)整以持續(xù)保持最優(yōu)狀態(tài)。缺點(diǎn)則在于動(dòng)態(tài)的用戶反饋信息會(huì)增大分簇方案的復(fù)雜性，尤其是當(dāng)用戶密集時(shí)，因此需要對(duì)調(diào)整范圍進(jìn)行合理的控制。從動(dòng)態(tài)分簇的特點(diǎn)可以看出，協(xié)作簇劃分算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)是分簇策略的關(guān)鍵問題。

（四）干擾對(duì)齊

干擾對(duì)齊技術(shù)是一種信道編碼技術(shù)，通過設(shè)計(jì)合理的編碼譯碼矩陣，使得信號(hào)接收端能夠更有效地解碼出有用信息，其本質(zhì)也是干擾抑制技術(shù)。干擾對(duì)齊技術(shù)的核心思想是將信號(hào)矩陣劃分為兩部分：一部分為期望信號(hào)，一部分為干擾信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，使得接收端收到的干擾信號(hào)重疊，從而壓縮干擾信號(hào)占用的系統(tǒng)容量，降低其對(duì)期望信號(hào)的影響。

干擾對(duì)齊雖然可以作為一種有效的干擾管理機(jī)制，但還處于研究階段，仍有很多問題需解決。

四、結(jié)束語

從前面的分析可以看出，5G超密集組網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致無線網(wǎng)內(nèi)干擾嚴(yán)重，僅靠單一的技術(shù)難以解決網(wǎng)絡(luò)中的層內(nèi)干擾和層間干擾問題。同時(shí)各種干擾應(yīng)對(duì)技術(shù)和策略僅在某些方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢，但是難以全面的解決干擾問題。因此，我們需要通過分析主要干擾來源，通過干擾管理技術(shù)，最大化的減少或者消除5G超密集組網(wǎng)環(huán)境下的干擾，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能，讓處于不同場景下的用戶都能得到極致的5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

作者單位：秦奇? ? 四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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