浅析异构密集网络中干扰管理技术

陈琤

【摘 要】 随着移动用户的不断增加、数据业务类型多样化，传统的网络格局渐渐难以达到人们对信道容量的要求。近年来，学者们提出了在原有宏基站布局下引入更多微基站的异构网络结构与为减少基站到用户距离而放置更多的微小基站的密集网络布局。异构密集网络能有效地提高系统吞吐量，但同时也带来了挑战。

研究表明，同频带干扰将限制无线通信系统的性能，尤其对于无线通信网络。另外，与传统的网络格局中的干扰环境相比，异构密集网络中的干扰场景更加复杂，并可能降低整个网络的性能。因此，如何在无线通信网络中进行干扰管理是一个值得研究的问题。

【关键词】 异构网络 密集网络 全双工 干扰管理

背 景

随着大数据时代到来，无线通信领域正面临着无处不在的覆盖与更大数据率的需求的挑战：越来越多先进的用户终端以及贪婪地占据带宽的应用（比如移动电视，文件传输）的使用，这无疑加快了无线通信网络中的数据传输量的增长。为了满足数据要求，3GPP的长期演进系统Release 8标准展现了众多与之前HSPA相比更有优势的特点，比如更高的频谱效率，更低的延迟和更大的吞吐量。然而，它依旧难以满足由国际电信联盟ITU制定的对第四代移动网络的性能要求。因此，为了达到下行移动用户数据率100Mb/s，人们制定LTE-Advanced标准化。相比于Release 8、LTE-Advanced引入了另外三类有助于提高系统性能的先进技术：

（1）载波聚合：不同频率的载波协作利用，因而有效地增加分配给终端用户的带宽；

（2）异构网络：在网络中宏基站的覆盖范围内，布置一系列低发射功率节点；

（3）多天线技术，即多输入多输出技术。

在第四代移动通信技术中，同频带干扰是限制4G网络系统性能的一个重要问题。在蜂窝网络中，具有充分资源复用的密集覆盖异构网络布局形式是不可避免的趋势。实际上，同频带干扰管理问题一直在推进LTE的Release的制定，比如小区间干扰协调和协作多点传输技术。

在当前频谱资源紧张而用户数据率要求不断提高的情况下，尤其是在5G通信系统中，异构密集网络中的干扰管理技术研究是十分重要的。

异构密集网络

蜂窝系统正朝着全频复用的异构网络发展。在异构网络中，除了传统网络中部署的宏基站，还有布置在宏基站覆盖范围内的低功率节点，比如Micro基站、Pico基站、Femto基站和远程无线电头[1]。异构网中低功率节点的布置能减轻宏基站的传输开销；通常情况下，低功率节点距离用户终端更近，这有助于提高室内信号覆盖率，同时位于小区边缘的用户性能将得到提高。异构网使网络离用户终端更近，从而得到小区分裂增益；此外，提高网络的密集度有利于提升系统吞吐量[2]。因此，采用异构密集网络能够有效地提高单位面积的频谱效率。

近年来，异构网络受到了工业界的广泛关注，人们认为异构网络在提升系统容量方面有很大的潜力，但与此同时，异构网络也带来了新的挑战。自组织问题、回程传输问题、小区切换问题和干扰管理问题是异构网络在实現过程中遇到的主要技术难题。其中，异构网络中的干扰管理问题的困难之处在于，与传统的同构网络相比，异构网络中的同频干扰更为严重，并且干扰场景变得更加复杂，同时，在异构网络中的用户可能会受到覆盖相同区域的相邻小区的严重干扰。此外，在实际系统中，直接将低功率节点放置在宏基站的覆盖范围内并不能有效地实现异构网络带来的优势。这是因为，在异构网络中，宏基站的发射功率大于布置的低功率节点的发射功率，这使得低功率节点的信号覆盖范围很小，并不能充足地将宏基站的负担转移到低功率节点上。与此同时，随着用户到宏基站和低功率节点的接入节点数增多，网络布局会更加密集，基站对用户的干扰也会更多。

干扰管理问题与研究现状

移动蜂窝网络系统面临着越来越高的数据率要求，而决定无线通信容量增益的一个关键因子是网络中接入节点的密度。如今，随着小小区的大规模布置，如个人室内接入、街道户外覆盖和远距射频头等，这种类型的网络布局打破了蜂窝网规划的传统方式，带来了非常规的节点接入布置方式和已知的传播或覆盖。

为了建模这样的新的布局，人们引入随机网络拓扑。在随机网络拓扑模型中，移动用户和基站在空间中随机分布，他们的位置都是假设为泊松点过程分布且互相独立。在密集网络中，网络拓扑十分密集，并且其接入方式是随机的，采用以最大化利用宝贵的频谱资源为目标的传统频率分配方式是十分困难的。在密集网络中，随着移动用户与基站数目的增多，部分小区（小区内移动用户接收到的信干噪比很差）被视为小区边缘的情况也会更为常见，因此，与传统的常规蜂窝网络相比，密集网络中的干扰是一个更严重的问题。

与此同时，蜂窝网逐渐向同频复用的异构网络演进。在异构网络中，除了已有的宏基站，还在宏基站的覆盖范围内布置了其他低功率节点，例如微基站、picocell和RRH。这样，与传统的同构蜂窝网络相比，异构网络中的用户终端距离基站更近，增加了用户接入的机会，得到小区分裂的增益。与此同时，异构网络中的低功率节点能够部分转移宏基站的传输数据，有效地提高室内信号覆盖率以及改善宏小区边缘用户的性能，从而有效地提高系统平均区域的频谱效率。同时，这也给人们带来了不断的挑战。自组织网络、回程链路、跨区移交和干扰都是异构网络中的需要解决的关键问题。与同构网络相比，异构网络中的干扰环境更加复杂，这是因为异构网络中除了原有的宏基站覆盖，还有更多的低功率节点，它们发射功率的差异，将导致低功率节点覆盖范围内的用户终端受到来自宏基站较大的干扰，考虑到接入节点数目的增多也会给用户带来更多的干扰。此外，在实际中，考虑到宏基站与低功率节点间发射功率的明显差异，在异构网络中需要采用小区距离扩展技术以保证用户终端在宏基站发射功率的范围内能接入低功率节点。尽管CRE技术能有效地将宏基站的数据传输负担部分转移到低功率节点，但是随之而来的是严重的从宏基站到低功率节点中用户终端的跨层小区间干扰，尤其是位于扩展小区边缘的用户。这个干扰问题严重制约着异构网络中本可达到的系统容量，因此，在异构网络中需要研究有效的小区间干扰抑制方法。endprint

作为一种能有效抑制小区间干扰的方法，CoMP技术被认为是密集蜂窝网中的一项关键技术。考虑到系统实现以及信令开销问题，CoMP中的基站协作簇通常由有限个基站组成。按照不同的分簇方式，网络可以被划分为非重叠分簇网络与重叠分簇网络。以基站为中心的分簇方式通常形成非重叠分簇网络，其划分的方法可以根据基站所处的地理位置，静态地选择相邻的基站形成基站协作簇[2]；也可以基于信道信息，动态地选择基站协作簇。这些方法易于实现，但在以基站为中心的分簇方式处形成的分簇网络中，处于基站协作簇边缘的用户终端，仍然受到来自相邻协作簇带来的严重干扰。为了解决这个问题，人们提出了以用户为中心的分簇方式：用户倾向选择不同的基站形成协作簇，此时，基站可能属于不同用户终端选择的多个不同协作簇。

在3GPP的Release 8和Release 9中ICIC的方法并没有特别指明是异构网络的场景，因此，直接将这类ICIC的方法应用到异构网络的场景，并不能有效地抑制干扰。在LTE的Release 10中，增强ICIC技术被提出。这类eICIC技术可大致分为以下三类：时域类、频域类和功率控制类。时域类的eICIC技术中，宏基站在被称为几乎空白的子帧不发送数据，而小区边缘的低功率节点服务的用户终端则在这个子帧中不受宏基站地被低功率节点服务；频域类的eICIC技术中，为了避免跨层小区间干扰，宏基站和低功率节点采用正交的频率资源进行数据传输。eICIC的方法具有低复杂度并易于实现，但低功率节点中的用户终端只在部分时频资源被服务，从而限制了低功率节点的性能。

CoMP是另一种充分利用宏基站空间资源抑制跨层ICI的有效方法：低功率节点中的用户终端能在全时频资源上被服务，它们的性能受限于宏基站端的發射天线数，并且当低功率节点用户终端过于密集时，通常是难以实现的。eICIC和CoMP为了在低功率传输节点和它们服务的用户终端间营造一个无ICI的传输环境，它们需要在时域、频域或者空域上控制宏基站的传输方式，而如果在异构网络中应用全双工技术，那么全双工技术能在抑制跨层小区间干扰的同时，不依赖于宏基站的行为，也不会占用宏基站的资源。

长期以来，人们认为全双工通信是不可能实现的，源于收发端间有严重的自身干扰。直到最近，在工业界和学术界的努力下，大量自身干扰抑制的方法被提出，才使短距点对点全双工通信得以实现。全双工技术利用相同的时频资源进行双向通信，与半双工技术相比，能获得显著的频谱效率增益。与此同时，全双工技术也应用在中继系统中以提高业务服务范围，并且能避免半双工中继系统中的资源浪费。已有文献资料将全双工技术应用到异构网络中抑制跨层小区间干扰的研究。

总 结

在未来的通信中，随着越来越多新型用户终端接入基站，网络接入将变得更加密集，加之异构网络的引入，网络中的干扰环境变得更为复杂。因此，如何在未来的无线通信网络中进行干扰管理是提升系统性能的一个重要的研究问题。本文介绍的异构网络中干扰管理的关键技术CoMP与全双工技术，相信在提升未来无线通信系统性能上有大应用前景。

【参考文献】

[1] 黄晨， 陈前斌， 唐伦，等. 异构蜂窝网络干扰管理研究与展望[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版）， 2015， 27（03）：285-296.

[2] 刘伟强. 异构蜂窝网络的干扰管理研究[D]. 中国科学技术大学， 2013.endprint