分层异构无线网络干扰协调

苗小康 沈 嘉 宋令阳 焦秉立

【摘要】文章对异种网络结构、异构网络各种类型的发射节点和应用场景作了介绍，分析了异种网络结构中小区间干扰面临的新挑战，重点阐述了采用CoMP技术以及跨层资源调度的方法对异种网络小区间干扰进行协调。

【美键词】LTE Advanced异种网络干扰协调CoMP跨层资源调度

1引言

有统计表明，未来80％～90％的系统吞吐量将发生在室内和热点场景。但是传统的蜂窝网技术具有“重室外、轻室内”。“重蜂窝组网、轻孤立热点”，“重移动切换、轻固定游牧”等特点，LTE Advanced的工作重点之一就在对室内和热点场景进行优化。对此许多公司都提出了相应的技术方案，其中异种网络(heterogeneous networks)能很好地满足LTE Advanced提出的要求。异种网络结构引进一些相对于传统的小区基站发射功率更小的发射节点，包括微微蜂窝(Picocell)、亳微微蜂窝(Femtocells)以及用于信号中继的中继站(Relay)。这些节点的引入可以为室内和热点场景的覆盖提供很好的保障；这些节点的发射功率小，便于灵活地部署网络；同时这些节点的覆盖范围小。可以更加方便地利用LTE Advanced潜在的高频段频谱。但是新的节点的引入改变了原来网络的拓扑结构，使这种网络结构的小区间干扰成为一个新的挑战。

2分层异构网络介绍

异构网络，按照小区覆盖范围的大小，可以将小区分成宏小区、微微蜂窝小区、毫微微蜂窝小区，以及用于信号中继的中继站。宏小区基站相当于传统的小区基站，微微蜂窝小区主要面向办公室和企业用户，毫微微蜂窝小区主要面向家庭用户。产业应用方面，市场研究机构ABI公司2009年7月预计，到2013年全球将部署36.6万个Picocell基站。Femtocell是一种家庭基站技术，主要用来解决家庭室内覆盖的问题。它具有运行于IP协议、通过用户IP宽带网接入运营商的移动核心网和超小型化、即插即用等创新特性。

Femtocell又被称作家庭基站(HeNB。Home eNB)，在LTE Advanced中又被称为封闭用户群(CSG，CloseSubscribe r Group)。Relay技术是在原有站点的基础上，通过增加一些新的Relay站(或称中继节点)，加大站点和天线的分布密度。相比于Picocell~Femtocell，Relay；~LTEAdvanced中被研究得更多。

异构网络的优点：

(1)有效支持宽带多媒体用户对高数据速率的要求，提供良好的用户体验。

(2)LTE Advanced潜在的部署频段包括450MHz～470MH z、698MHz～86 2MHz、790MHz～862MHz、2.3GHz～2.4GHz、3.4GHz～4.2GHz、4.4GHz～4.99GHz，大量潜在的频段集中在3.4GHz以上的较高频段。高频段的路径损耗和穿透损耗都比较大，异构网络缩短了用户和基站之间的距离，更加便于利用这些高频频段。

异构网络的缺点：

(1)在原来的小区范围之内引入了新的发射节点，相当于引进了新的干扰源，小区间干扰协调是一个新的挑战。

(2)对于引进的新的发射节点，除了层1的小区间的干扰协调的挑战外，对于层2和层3，还需要设计与之相关的公共信道、控制信道、协议结构和物理过程，在一定程度上增加了复杂度。

3分层异构网络小区间干扰的新场景

3.1网络拓扑变化所造成的干扰场景

在一个传统的蜂窝网的小区内引入很多不同类型的小区，对于宏小区的基站来说，相当于小区内部增加了许多“小区边缘”，增加了整个小区内干扰协调的复杂度。

对于封闭用户群基站来说。由于其部署有很大的随意性，小区形状不规则，两个不同的家庭基站HeNB的覆盖范围可能会有很大程度的重叠，在不同的家庭基站之间协调干扰也是一个新的问题。

3.2不同类型小区基站发射功率不同所造成的干扰场景

正如表1所列的那样，不同类型的基站发射功率相差很大，在一个Picocell或者Femtocell中通信的UE，其接收到来自于Picocell或者Femtocell基站发射的功率可能小于来自于宏小区基站的发射功率，Picocell=或Femtocell内的UE接收到很强的干扰。这种干扰可以通过本文第4部分提供的子载波分割以及资源调度的方法进行协调减弱。

3.3小区间切换所造成的干扰场景

在LTE Rel-8中，UE选择接入小区的标准是其接收到功率的大小，选择接入到接收的功率大的基站，即仅仅从下行链路的质量来确定。而对于异构网络来说，UE处在PicocelI或者Femtocell合理的覆盖范围之内，但是其接收到的来自PicocelI或Femtocell基站的功率依然小于来自Macrocell的基站，特别是对于靠近小区边缘的UE更是如此。如果仍然按照Rel-8的标准，那么微型小区的覆盖范围会非常小，达不到设计的目的。

从上行链路的角度来衡量。UE选择接八微型小区其路径损耗会更小。如果把上行链路中接入路径损耗大小作为接入标准的话，微型小区的覆盖范围会扩大，那么微型小区中UE以及基站的发射功率都会增大，会对宏小区中其他用户造成很大的干扰。

4异构网络小区间干扰协调

4.1通过CoMP实现

CoMP。协同多点传送和接收(Coo rdinated MultiplePoint Transmission and Reception)是LTE Advanced系统中一个非常重要的技术。结合CoMP技术的异构网络小区间干扰协调的方法有：

(1)频分复用的方法

利用CoMP技术中uE的测量和反馈机制，设计出频分复用的方法消除异构网络小区间干扰。Picocell和FemtocelI覆盖的范围小，发射功率小，LTE Advanced系统可以将某些潜在的高频频段分配给这些基站，这些频段在不同的距离比较远的Picocell和FemtocelI之间还可以复用。当UE接近某个微型小区的基站时，uE和微型小区的基站及宏小区的基站进行通信。申请进入微型小区，并在宏小区的基站登记，之后UE就可以切换到较高频段的微型小区。

(2)波束成形的方法

本文所描述的波束成形的方法，特别适用于覆盖小区范围小和服务用户少、小区内用户移动性稳定的情况，可以通过空口实现信令的交互，简单实用。其过程如下：

a)基于效用函数(效用的形成参考文献[14]，基于频谱效率、交互的容量和延迟、CSIT的准确程度、UE的优先级、UE处理能力、网络容量等)，UE分配到一定的无线资源并正常通信，基站给小区边缘受到干扰的UE发送空间反馈信息请求SFI-REQ(Spatial Feedback Information

Request)，请求信息向UE指示了干扰小区。图2(a)中Celll和Cell2分别向UElll和U巳，发送了SFI-REQ。

b)接收到SFI-REQ的uE向一个或者多个目标小区(即干扰小区)发送空间反馈信息SFI，SFI中包括信道方向信息CDf(Channel Direction Information)以及效用。图2(b)中UE1.1和UE2.1分别向目标小区Cell2和Cell1发送SFI。

c)接收到SFI后，eNB对资源调度进行优化，决定发射功率以及波束，并对原来设定的资源分配进行调整。向特定的用户群发送资源质量信息请求RQI-REQ(ResourceQuality Information Request)，并向小区内广播资源质量指示信号RQI-RS(Resource Quality Indication ReferenceSiganl)，指称适合UE测量特点的资源块中的信道质量以及干扰的大小。在图2(c)中，由于Cell2接收的UE1，的SFI中的效用高于UE21，所以Cell“屈服”于Cell，将波束指向了uE2.2，并向其发送了RQI-REQ信息，UE会分配新的资源块来满足其要求。两个eNB都向小区内广播了RQI-RS。

d)UE分别向eNB回复资源质量信息RQI，eNB根据接收到的RQI信息再次进行资源调度，完成数据通信。

4.2通过跨层资源调度实现

除了采用CoMP的方法消除异构网络之间的干扰，还可以采用跨层优化和资源调度。实现资源的动态分配。降低异构网络之间的干扰。

(1)子载波分配的方法

在一个小区中，把可以使用的子载波的集合进行分配，一些子载波的集合分配给Picocell使用，一部分分配给MacrocelI使用。依照信道的质量信息，对子载波的分配可以进行动态调整，但是这种调整是比较慢的。存在干扰的可能情况在于不同的小区分配的子载波方式不同，可能在小区边缘造成干扰。

(2)功率控制的方法

除了将子载波进行分配之外，利用功率控制的方法，也可以降低异构网络之间的干扰。可以将子载波分成如下三种子类：

◆无功率限制的开放接入载波

MacrocellFrl]Picocel呵以用最大功率发射；

不能被封闭用户群CSG(HeNB)用作PSC、SSC、PBCH和PDCCH信道。

◆有功率限制的开放接入载波

Macrocell必须用限定的低功率发射；

Picocell可以用最大功率发射；

不能被封闭用户群CSG(HeNB)用作PSC、SSC、PBCH和PDCCH信道。

◆低功率的封闭接入载波

可以被Macrocell、PicoceII以及CSG使用(由于CSG基站的发射功率都很小，所以其他类型的基站在使用这些载波的时候。其发射功率都是受到限制的)。

如图3所示。子载波1和3是无功率限制的开放接入子载波，Macrocell和Picocell都可以最大的功率发射(Macrocell的最大功率比Picocell的最大功率大16dB)；子载波2是有功率限制的开放接入载波，Picocell可以用最大功率发射，Macrocell必须以受限的功率发射。

在图3中，Picocell为UEO和UEl提供服务，Macrocell为UE2和uE3提供服务，它们可以分配的子载波都是子载波1、2和3。UE0距离Macrocell的基站比较远。接收到来自Picocell的功率大于来自于Macrocell的功率，为其分配子载波1或者子载波3；UEI距离Macrocell比较近，为其分配功率受限的子载波2；UE2处在Macrocell的中心位置，为其分配子载波2。这样就能保证UE2的通信质量，子载波2覆盖的范围只在基站的中心，对其他UE的干扰很小；UE3不能被子载波2覆盖，只能为其分配子载波1和3。由于Picocell的发射功率小，所以对UE3的干扰也很小。

结合上面干扰协调的要求，再把不同UE不同业务的QoS要求、整个小区系统容量和临近的Macrocell内的资源分配都考虑进来，可以设计出更好的动态资源调度的算法。这在LTE Advanced系统中也是研究的重点。由于要准确地测量信道质量和接收功率，不同的发射节点要实时更新共享信息，信令设计以及UE、eNB的计算复杂度都会增加。

5总结和展望

异构网络是为了满足LTE Advanced系统中热点场景和室内通信需求而提出来的。主要方式是在传统的网络结构中引入一些覆盖范围和发射功率都很小的节点。它具有灵活的布网方式、较高的频谱效率，为用户提供高质量多类型的数据服务，是非常有前景的技术方案。异构网络小区间的干扰协调还面临很多挑战，诸如在小区间采用CoMP技术，由于相邻的小区的类型不相同，uE的信道测量和反馈需要重新定义。UE对接收功率以及信道估计的精确性需要提高。异构网络面临的另一个挑战，是小区之间的接口的容量和可靠性问题。