LTELTE-A異構網絡下對Small Cell干擾協(xié)調的研究

1、重慶郵電大學研究生堂下考試答卷2014-2015學年第2學期考試科目 移動通信系統(tǒng) 姓 名 焦中帥 年 級 2014級 專 業(yè) 信息與通信工程 2015年 7月7日LTE/LTE-A異構網絡下對Small Cell干擾協(xié)調的研究焦中帥（重慶市重慶郵電大學 重慶 400065）摘 要：小區(qū)(Small Cell)的引入使小區(qū)間的交疊區(qū)域增加,使小區(qū)間的干擾復雜化。如果相鄰小區(qū)釆用同頻部署的方式,將在相同頻帶上進行數據收發(fā),不可避免地會產生小區(qū)間干擾(Inter-Cell Interference, ICI)。特別是在熱點地區(qū),Small Cell部署的密度大,基站間距離很近,小區(qū)間的干擾情況將更

2、加復雜，解決小區(qū)間干擾十分重要。本文簡單論述了Small Cell的基礎知識和Small Cell所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。并重點研究了傳統(tǒng)的Small Cell間干擾協(xié)調技術，并在此基礎上列出了幾種新的增強型干擾協(xié)調技術。關鍵詞：Small Cell；小區(qū)間干擾；干擾協(xié)調；The Small Cell Interference Coordination of Heterogeneous Network under LTE/LTE-AJiao Zhong-shuai(Chongqing Municipality, Chongqing University of Posts and Telecommu

3、nications, Chongqing 400065, China)Abstract: The introduction of the cell (Small Cell) enables the overlapping area between cells increases, the complexity of inter-cell interference. If the neighbor cell preclude the use of the same frequency to deploy manner, it will send and receive data on the s

4、ame frequency band, will inevitably produce inter-cell interference (Inter-Cell Interference, ICI). Especially in the hot spots, the density of Small Cell deployments large, inter-base station very close, interference between cells will be more complicated to resolve inter-cell interference is very

5、important. This article briefly discusses the opportunities and challenges of Small Cell basics and Small Cell face. And focus on the traditional Small Cell interference coordination technology, and lists several new interference coordination technology on this basis.Keywords: Small Cell; ICI; eICIC

6、;1 概述Small Cell般指由運營商管理的,運行在授權頻段內的,覆蓋范圍較小的基站。Small Cell的發(fā)射功率通常只有250mW到2W左右,而宏蜂窩基站的發(fā)射功率一般是5W到40W左右由于Small Cell的發(fā)射功率較宏蜂窩基站低,所以又稱Small Cell為低功率節(jié)點(Low Power Node, LPN)。Small Cell 一般包括以下幾種類型微蜂窩基站(Micro Cell)、微微蜂窩基站(Pico Cell)、毫微微蜂窩基站(Femto Cell)和都市熱點小蜂窩基站(Metro Cell)等。Small Cell的部署能夠顯著改善蜂窩小區(qū)覆蓋和系統(tǒng)容量,進而提升網

7、絡整體效率。1.1 Small Cell引入的新的問題和挑戰(zhàn)為了最大化地利用頻譜資源,提高頻譜資源利用率,LTE最初一般是釆用同頻組網的形式Zhang Dajun .Research enhancement technology of LTE-Advanced system of small base stations J Modern telecommunications technology, 2013,8: 1-9,即相鄰的宏小區(qū)都是使用相同的載波。這樣鄰小區(qū)的不同用戶,尤其是小區(qū)邊緣用戶存在一定的概率在某一時間收到兩個或者多個小區(qū)的相同頻率信號。當來自其他小區(qū)的同頻信號相對服務小區(qū)的有

8、用信號較強時,該用戶就會受到強烈的小區(qū)間干擾,從而極大地影響通信質量和用戶體驗。相比于傳統(tǒng)宏基站的同頻干擾問題,Small Cell大規(guī)模部署之后使得LTE-A異構網絡的干擾情況變得更加復雜和嚴重LI Caoyuan .Small Cell Enhancement small inter-cell interference coordination problems J Modern telecommunications technology, 2013,8: 17-25。相比于傳統(tǒng)的同構蜂窩網絡,當前LTE-A異構網絡中的千擾問題將面臨以下重大挑戰(zhàn):(1)Small Cell和宏基站發(fā)射功率

9、的差異性對于下行鏈路,在LTE-A異構網中,接入到能提供最強下行參考信號的基站未必就一定是最優(yōu)的接入方案,這是因為Small Cell的發(fā)射功率遠遠低于宏基站的發(fā)射功率,這就使得Small Cell的原本覆蓋范圍相對較小,因此大部分用戶仍會選擇接入到宏基站,這將導致宏基站和Small Cell兩者的負載分布不均勻,即出現Small Cell負載過輕而宏基站卻負載過重的情況。同時對于上行鏈路,連接到Macro基站的用戶為了補償到宏基站的路徑損耗,距離宏基站越遠的用戶其上行發(fā)射功率越大,對相鄰小區(qū)用戶的上行干擾也就越大。因此對上行鏈路來說,最優(yōu)的小區(qū)選擇方案為選擇距用戶本身最近的基站。對于傳統(tǒng)的同

10、構宏蜂窩網絡,因為所有宏基站的發(fā)射功率一樣,因此上下行最優(yōu)服務小區(qū)相同。但在LTE-A異構網中由于Macro基站和Small Cell的發(fā)射功率相差較大,有時甚至達幾十倍,使得下行參考信號接收功率最大的基站不一定都是距離該用戶最近的基站。如圖1所示,用戶1距低功率的小基站Small Cell較近,但是從Macro基站獲得的下行參考信號接收功率仍較大,則該用戶仍會選擇接入Macro基站,此時用戶1的上行信號則對Small Cell中的用戶尤其是小區(qū)邊緣用戶(如用戶2)造成較大的上行干擾。這種選擇上下行最優(yōu)服務小區(qū)不一致的問題稱為上下行不對稱。(2)家庭基站的無規(guī)劃部署和CSG接入特性從前面Sma

11、ll Cell的介紹中已經知道Femtocell是由個體用戶自行無規(guī)劃部署,即用戶可以在任意時間隨意地幵啟、關閉或移動家庭基站。因此傳統(tǒng)的網絡規(guī)劃和優(yōu)化方案不再適用于Femtocell網絡,運營商難以控制家庭基站的部署位置和數量。因此需要每個Femtocell利用自主獲得的局部干擾信息,利用分布式干擾協(xié)調方案以有效減少異構網絡的干擾。并且通常家庭基站的接入方式屬于CSG接入模式,只有屬于其封閉用戶組的用戶才能夠接入。如圖1所示,在下行傳輸場景中,即使宏小區(qū)用戶3從宏基站接收到的參考信號接收功率低于從家庭基站接收到的,但由于Femtocell的封閉用戶接入的特性,該用戶不被允許切換到該家庭基站,

12、因此受到較強的該家庭基站的下行干擾,導致用戶的SINR值較低甚至可能出現用戶的連接中斷,從而產生所謂的宏小區(qū)"覆蓋空洞”。同樣對于上行鏈路,由于用戶3無法接入到距離最近、接收信號最強的家庭基站,為了克服到宏基站較大的上行路徑損耗,該用戶需提高上行發(fā)射功率導致終端的能量消耗增大,也對該家庭基站中的邊緣用戶(如用戶4)造成較強的上行干擾。圖1 LTE-A異構干擾場景綜上所述,LTE-A異構網中引入Small Cell為移動蜂窩網絡帶來了一定的網絡容量的提升和良好的用戶體驗,但與此同時也為小區(qū)間干擾(宏基站間小區(qū)間干擾、小基站間小區(qū)間干擾、宏基站和小基站間小區(qū)間干擾)帶來了巨大的技術挑戰(zhàn)。

13、1.2 Small Cell抗干擾技術對于LTE-A系統(tǒng)的小區(qū)間干擾(Inter-Cell Interference, ICI)問題,3GPP主要提出了三種ICI解決方案:小區(qū)間干擾隨機化、小區(qū)間干擾消除以及小區(qū)間干擾協(xié)調 3GPP RAN1.R1-133459: Performance Evaluation of lCIC for SCE (NTT DOCOMO)R.Aug,2013.。1.干擾隨機化就是通過對信號加擾的方法把干擾信號隨機化,該方法雖不能真正降低干擾信號的能量,但是可以將干擾隨機化成“白噪聲”,即通過數學統(tǒng)計方法對干擾進行有效地估計,從而能有效地抑制小區(qū)間干擾。常用的干擾隨機

14、化技術主要有小區(qū)跳頻法和增加干擾碼這兩種 3GPP RAN1.R1-050738: Interference Mitigation/consideration and Results On Frequency Reuse (Siemens) R.Aug,2005.。干擾隨機化技術比較簡單,但并不能真正地消除ICI,對于多小區(qū)場景尤其是Small Cell密集部署場景,使用該方法誤差較大并不適用。2.干擾消除釆用的辦法是將干擾信號解碼或解調,然后充分利用接收機的信號處理功能來消除干擾信號的分量。常用的干擾消除技術主要有加擾技術和基于多天線終端用戶的空間千擾消除技術這兩種 3GPP RAN1.R1

15、-051396: Comparison of Bit Repetition And Symbol Repetition For Inter-Cell Interference Mitigation (Panasonic) Rj.Nov, 2005.。干擾消除技術對消除較強的小區(qū)間干擾作用明顯,對于Small Cell場景中許多小干擾疊加產生的小區(qū)間干擾作用不明顯,且該技術對LTE系統(tǒng)要求較高、計算復雜度高,因此在LTE-A系統(tǒng)中該技術實際應用范圍相對有限,也不再在3GPP的會議上研究討論。3.對于LTE-A系統(tǒng)中,隨著異構網絡拓撲結構的越來越復雜,對小區(qū)間干擾最主要的解決辦法是使用小區(qū)間干擾協(xié)

16、調(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)技術。ICIC的技術思路是對某些小區(qū)的資源(包括頻域、功率域或時域)進行一定程度的限制或控制,協(xié)調運作多個小區(qū)資源,從而減少該小區(qū)對其他鄰小區(qū)用戶所造成的干擾,最終提高系統(tǒng)小區(qū)覆蓋率、用戶信干噪比和系統(tǒng)吞吐量。小區(qū)間干擾協(xié)調的主要技術有頻域的小區(qū)間干擾協(xié)調技術,包括部分頻率復用和軟頻率復用,還有基于功率控制的干擾協(xié)調方案以及最近提出的基于時域的增強型干擾協(xié)調技術,這些技術都能有效地降低小區(qū)間千擾。并且,小區(qū)間干擾協(xié)調技術使用較為靈活,實現也相對簡單,應用場景豐富,因此是目前應對小區(qū)間干擾的主流技術手段。2

17、 小區(qū)間干擾協(xié)調技術由于LTE-A物理層采用了OFDM技術,各個子載波相互正交,因此不存在小區(qū)內的干擾。而小區(qū)間干擾會降低邊緣用戶的SINR,其將成為影響LTE-A性能的重要因素之一。LTE-A中異構網為移動蜂窩網絡帶來了極大的網絡容量的提升和良好的用戶體驗,但與此同時也為小區(qū)間干擾協(xié)調帶來了巨大的技術挑戰(zhàn)。因此,ICIC技術受到越來越多的關注,ICIC技術指的是相鄰小區(qū)在頻域、功率、時域等方面進行協(xié)調控制,減少相鄰小區(qū)對邊緣用戶的干擾。之后將分別闡述異構網中三種不同類型的干擾協(xié)調技術,包括頻域干擾協(xié)調、功率控制下干擾協(xié)調、時域增強型干擾協(xié)調。2.1 頻域干擾協(xié)調為了減少和避免小區(qū)間干擾的影響

18、,LTE系統(tǒng)中目前已經有一些成熟的小區(qū)間干擾協(xié)調技術。3GPP在R8和R9版本中引入了軟頻率復用(Soft frequency reuse)和部分頻率復用(Fractional frequency reuse)等頻域的干擾協(xié)調技術來解決小區(qū)間的干擾問題。頻域的ICIC最初使用的方法是固定頻率復用,即將頻率資源等分為N個互不重疊的子頻帶,N被稱為頻率復用因子(Frequency Reuse Factor,FRF),每個小區(qū)只能使用其中一個子頻帶,相鄰小區(qū)使用不同的子頻帶以避免干擾。雖然固定頻率復用能有效消除小區(qū)間干擾,但也大大降低了系統(tǒng)的頻譜資源利用率。為了提高頻譜資源利用率并有效地減少干擾于是

19、又有了部分頻率復用(FractionalFrequency Reuse, FFR)技術,FFR將將頻譜資源劃為兩部分,其中一部分子頻帶上的FRF為1,另一部分子頻帶上的FRF大于1。FFR的頻率分布情況如圖2所示,FFR的解決思路是先將整個頻率帶寬分為四個部分,小區(qū)中心用戶可復用相同的子頻帶,其余的三部分子頻帶分別供相鄰的小區(qū)邊緣用戶正交使用。這樣不同小區(qū)邊緣用戶使用的頻譜資源互不重疊,從而有效地避免了小區(qū)間干擾。但由于每個小區(qū)不能使用全部的頻帶資源,因此該FFR方案同樣也會降低頻譜資源利用率。圖2 FFR的頻率分布情況為了進一步提高頻譜資源利用率,改進后的FFR技術頻帶劃分如圖3所示。此時小

20、區(qū)邊緣用戶可用頻帶根據頻率復用因子為3的頻率復用方法進行劃分,而小區(qū)中心用戶則使用剩余2/3的未被使用的頻率資源,從而成功實現了全頻帶復用。雖然改進后的FFR方案提高了頻譜效率,但與此同時也一定程度上增加了ICI。圖3 改進后的FFR頻率分布情況為了解決軟頻率復用技術頻譜資源利用率較低和仍存在小區(qū)間干擾的問題,華為公司最先提出了軟頻率復用技術(Soft Frequency Reuse, SFR)。SFR技術和改進后的FFR技術有一定的相似之處如圖4所示,SFR的原理是:首先將頻譜資源分成三部分,對每個小區(qū),一部分頻譜資源作為其主載波,相鄰小區(qū)的主載波互不重疊,其余為頻譜作為副載波。并且主載波的

21、功率高于副載波,主載波可供整個小區(qū)用戶使用,而副載波只能供小區(qū)中心用戶使用。SFR和改進后的FFR主要區(qū)別就是FFR技術沒有采用功率控制,所有子載波都是相同的發(fā)射功率,而SFR為主載波分配較大的發(fā)射功率,從而能為小區(qū)邊緣用戶提供更好的覆蓋,為副載波分配較低的功率,有效減少了基站對小區(qū)邊緣用戶的干擾。軟頻率復用還有一個特點就是,可以通過調整主副載波的功率比以適應小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的負載分布,從而進一步提高頻譜效率。但是SFR和FFR也都有相似的缺點,那就是小區(qū)邊緣用戶只能使用部分頻率資源,可能會導致部分小區(qū)邊緣用戶不能接入到基站,造成一定的頻譜資源浪費,并且隨著越來越多的Small Cell的引

22、入,從頻域的角度機械地劃分頻率帶寬并不實際。因此總體來說,頻域的小區(qū)間干擾協(xié)調技術對于異構網中Macro基站和Small Cell的跨層干擾并不適用,該方案很難直接完全應用于LTE-A的異構網絡。圖4 軟頻率復用示意圖2.2 功率控制對于Macro基站和Femtocell組成的異構網,一般為了保護受家庭基站下行干擾嚴重的宏小區(qū)用戶,常常可以采用基于功率控制的小區(qū)間干擾協(xié)調方案。由于宏基站覆蓋范圍廣且發(fā)射功率較大,若針對宏基站進行功率控制往往成本較高,因此3GPP推薦對家庭基站進行功率控制的設置。例如為了降低家庭基站對附近宏小區(qū)用戶的下行干擾,家庭基站可根據某種規(guī)律調整其發(fā)射功率,降低覆蓋范圍從

23、而保護宏小區(qū)邊緣用戶性能并提高宏小區(qū)平均用戶吞吐量,而僅僅犧牲家庭基站的小部分用戶吞吐量,這時就需要采用功率控制算法。我們用和分別表示家庭基站發(fā)射功率的最小值和最大值,表示家庭基站發(fā)送功率,表示與家庭基站共信道的宏基站對當前家庭基站最強干擾信號的功率(所有功率值單位為dBm), 和表示兩個功控變量,應用于家庭基站的下行功率控制方法有:(1)基于家庭基站接收的最大宏基站功率,此方法是基于網絡偵聽模式,家庭基站根據最近的宏基站的接收功率調整其發(fā)射功率的值。 (1)當宏基站與家庭基站相距比較近時,家庭基站可以使用最大功率發(fā)送,反之功率必須按照上述公式進行一定程度的降低,如果相距遠達到一定距離時,就必

24、須使用最低功率,否則干擾會很嚴重。(2)基于家庭基站和宏小區(qū)用戶間損壞,家庭基站功率控制設定其發(fā)射功率為: (2)其中定義為功率補償值,表示家庭基站和宏小區(qū)用戶之間的室內損耗和穿墻損耗,和分別表示的最小值和最大值。(3)基于宏小區(qū)用戶的目標SINR,這種方法是通過調整家庭基站的發(fā)射功率來保證宏小區(qū)用戶接收的最小SINR值,家庭基站功率設定發(fā)射功率為: (3)其中表示僅考慮受最近的家庭基站干擾的宏小區(qū)用戶的SINR的值。這種方法之間反應了宏小區(qū)用戶的接收信號質量。比較而言,在方法(1)和方法(2)中,家庭基站主動調整其發(fā)射功率來降低對附近宏小區(qū)用戶的干擾。這兩種方法雖然可以改善宏小區(qū)用戶的傳輸性

25、能,但是無法準確保障用戶的傳輸性能,而方法(3)可保障宏小區(qū)用戶的傳輸性能。方法(3)因為要保障用戶的SINR值,隨著干擾環(huán)境的變化,需要在宏小區(qū)用戶與家庭基站之間交互信道狀態(tài),需要相應基站網絡接口的支持。2.3 時域干擾協(xié)調為了進一步地減小異構網中小區(qū)間干擾的影響,3GPP在LTE-A的Release 10版本中開始引入增強型小區(qū)間干擾協(xié)調技術(elCIC)以解決小基站和宏基站構成的異構網絡中的小區(qū)間干擾問題。elCIC是一種時域的干擾協(xié)調技術,其主要是在時域中引入了幾乎空白子幀ABS的概念,通過不同基站時域上發(fā)送時間的正交來避免宏小區(qū)對Small Cell用戶的干擾。ABS子幀之所以被業(yè)界

26、稱為幾乎空白子幀,主要就是考慮到該技術的后向兼容性,ABS子幀中必須攜帶Release 8/9用戶連接所必需的一些最基本的信號,如CRS在每個單播子幀中都必須全帶寬地發(fā)送。ABS子幀上還會發(fā)送PSS/SSS、主廣播信道(PBCH)、SIB1、尋呼信道(Paging)和定位參考信號(PRS)等,但是相對來說這些信號的發(fā)射功率較低。時域的elCIC技術總體思路如圖5所示,圖5 eICIC技術ABS配置通過在干擾基站(如宏基站)的子幀中設置ABS子幀的方式來減少對其他被干擾基站(如Small Cell)的干擾。干擾基站在ABS子幀上保持靜默,幾乎不發(fā)送控制和數據信道信號。此時被干擾基站則可以在ABS

27、子幀時刻調度其被嚴重干擾的小區(qū)邊緣用戶,進行數據傳輸,從而有效地避免了干擾基站對這些用戶的下行干擾,提升了小區(qū)邊緣用戶的服務質量和用戶體驗。但是在未來Small Cell密集部署的場景下,Macro基站需要為眾多Small Cell小區(qū)邊緣用戶配置大量的ABS,這時可能會導致系統(tǒng)的整體頻譜效率降低,因此ABS配置比例必須要得到嚴格有效的控制。3 新的增強型干擾協(xié)調技術雖然時域增強型干擾協(xié)調技術能有效降低小區(qū)間干擾,但是由于宏基站只能在部分發(fā)射時隙給宏小區(qū)用戶傳輸數據信息,這樣在一定程度上會影響宏小區(qū)用戶的吞吐量和邊緣用戶體驗。Release 10中提出了新的ICIC方案,用來同時解決異構網絡中

28、控制信道和數據信道的干擾。這類方案主要分為兩種,一種是基于載波聚合的跨載波調度方案,另一種是非載波聚合(non-CA)下基于ABS的增強型小區(qū)間干擾協(xié)調方案(elCIC)。3.1 基于載波聚合的跨載波聚合方案LTE-A系統(tǒng)中引入了載波聚合技術,它不僅支持跨越載波進行資源分配,而且也支持載波間無時延的快速切換。異構場景中,一種簡單的方式是將可用頻譜劃分為兩個獨立的成員載波,不同層的控制信息,即每一子幀頭部的PDCCH,PCFICH, PHICH等信息由不同的主成員載波(PCC)負責傳輸,從而避免了控制信道上的干擾。而數據信道則既可以使用主成員載波,也可以使用第二成員載波(SCC) 3GPP Rl

29、-100061, Ericsson,ST-Ericsson,On technical aspects on Heterogeneous Net-Works,January 2010.。如圖6所不,以macro-pico場景為例,宏基站和pico基站同一時刻采用不同頻率的PCC作為控制信道載波,從而降低了控制信道干擾,但是可以只選擇一個CC或者通過跨載波調度的方式采用兩個CC共同作為數據信道載波。這樣既可將小區(qū)間干擾控制在較小的程度,同時基站也可以降低在SCCs上的發(fā)射功率。圖6 基于載波集合的跨載波調度3.2 基于ABS的時域elCIC由于異構網絡中引入區(qū)域擴展,低功率節(jié)點覆蓋范圍內的邊緣用戶

30、受到宏基站的下行干擾則更加嚴重,為了降低這種千擾,可以通過對受干擾用戶在子幀或是資源塊上進行調度。當下釆用的時域elCIC方案,主要是基于ABS (AlmostBlank Subframe)結構的 3GPPR1-104256, Qualcomm,elCIC solutions details, August 23-August 27,2010.。elCIC方案的思路是,在對用戶產生干擾的基站發(fā)送信息中周期性的隱藏(muting) 一些子幀,從而被干擾用戶對應的基站便可以在這些子幀內對其提供無干擾服務。這種muting并不是完全不發(fā)送信號,它還包括一些參考信號:公共參考信號(CRS)、同步信號(

31、PSS&SSS)、物理廣播信道(PBCH)、SIB-1和一些paging信息,所以采取這種muting形式的子幀被稱為幾乎空白子幀(ABS)。基于ABS的elCIC方案是當下Release 10中小區(qū)間干擾協(xié)調技術的主要研究方向。分別在異構網絡下行干擾的兩種場景下對elCIC進行分析。在macro-femto場景下,當宏用戶進入femto基站的覆蓋范圍時將受到其下行信號的干擾,此時在femto基站對宏用戶產生干擾的子幀內采用ABS,不傳輸控制信號和數據信號,僅傳輸一些必要的RS (參考信號),這樣femto基站在控制信道和業(yè)務信道上可能對宏用戶產生的干擾就大幅降低,從而宏用戶的信號質量也會提高,如圖7所示。類似的,在macro-pico場景下,由于p