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1、 中国移动通信集团设计院有限公司第十八届新技术论坛 20121017中国移动通信集团设计院有限公司 第十八届新技术论坛 LTE-A系统中异构网络干扰抑制技术探究北京分院 高 伟【摘 要】：随着LTE 系统的迅速发展，3GPP 逐步开展了LTE- Advanced (LTE-A)系统相关技术的研究工作。作为一项能够补足覆盖盲点、提供热点地区吞吐量的重要技术，异构网络得到了越来越多的关注。为了利用有限的频谱资源获得所需的网络容量，异构网络中的不同节点需要共享频谱。在基于共享频谱的异构网络中，干扰将是影响网络容量的重要因素。LTE-A系统中的干扰协调技术将是提升网络容量、满足网络业务需求的关键技术之
2、一。本文首先介绍了异构网络及其干扰问题的研究背景，阐述了异构网络干扰抑制技术的研究现状，最后在前文分析的基础上对异构网络干扰抑制技术的发展方向进行了探讨。本文从异构网络干扰抑制技术的涉及各种场景和分析出发，提出了诸多思路和方法，并有诸多的解决策略。【关键词】：LTE-Advanced系统 异构网络 干扰抑制1 研究背景随着LTE 系统的迅速发展，3GPP 逐步开展了LTE- Advanced (LTE-A)系统相关技术的研究工作。LTE-A系统在减小延迟、提供更高的用户数据速率、提高系统容量和覆盖以及运营商的整体成本等方面都有新的要求1。而网络容量的增加主要来源于4个方面，分别为：可用频谱带宽
3、的增加、频率复用技术、先进的调制与编码，以及小区分裂技术。自1955年至今，蜂窝移动通信网络的容量已增加了一百万倍左右。其中，可用频谱带宽的增加带来的容量增益约为25倍，频谱复用技术带来的容量增益为5倍，调制与编码技术带来的容量增益为5倍，而剩下的1600倍的容量增益主要来源于小区分裂技术2。由此可见，小区分裂技术可带来显著的容量增益。但对于未来移动通信系统，是否仍旧可以采用小区分裂技术来增加系统容量？一方面，小区分裂技术指在原小区的覆盖范围内加入新的基站，减小单个基站的覆盖范围，增加用户接收信号强度，从而提升网络的容量。自第一代移动通信系统至今，移动通信单个基站的覆盖范围不断变小。目前，典型
4、城区基站间间距为500m，有些密集城区基站间间距甚至只有100多米。如果继续采用小区分裂技术增加网络容量，基站间间距将进一步缩小，这不仅对网络部署、维护带来困难，小区间干扰也将非常严重。另一方面，根据统计数据分析，业务的分布是不均匀的，70%的业务发生在室内或热点区域。因此，小区分裂技术已不是满足未来移动通信系统容量增长需求的最佳方案。结合小区分裂的优点以及业务分布不均匀的特点，3GPP提出了异构网络来满足4G网络容量增加的需求3。与小区分裂不同，异构网络一般由具有不同发射功率、覆盖范围的多个节点共同组成。通常情况下，传统的宏蜂窝基站(Macro eNodeB)发射功率较大，被用来对网络进行连
5、续覆盖；而一些低功率节点，如微微蜂窝基站(Pico eNodeB)、家庭基站(Home eNodeB)、中继(Relay)、远端射频单元(Remote Radio Unit, RRH)等，作为宏蜂窝基站的补充对部分盲点区域进行覆盖，并吸收业务量较大的数据业务，减轻宏蜂窝基站的负担。此时，网络被分割成多层，具有相同或相似发射功率的接入点形成的小区可被看为一层，同时一个高功率节点的覆盖范围内将会有多个低功率节点。为了避免不同节点间的干扰，需要为不同节点分配正交的频率资源，但未来移动通信系统可用频率资源紧缺，很难满足低功率节点密集部署时的频率需求，并且频率资源正交分配时频谱利用率较低。为了利用有限的
6、频谱资源获得所需的网络容量，异构网络中的不同节点需要共享频谱。因此，异构和频谱共享是4G网络的主要特点。在基于共享频谱的异构网络中，干扰将是影响网络容量的重要因素。此外，已有干扰协调方案主要采用复用因子为3或7的频率复用技术，不能满足4G网络中共享频谱的要求。因此，4G网络中的干扰协调技术将是提升4G网络容量、满足4G网络业务需求的关键技术之一。2 研究现状2.1 异构网络场景部署所谓异构网络(HetNet)，是指宏蜂窝接入节点和其它低功率节点混合组网而形成的网络。图2-1 异构网络场景部署(1) Microcell/Picocell：具有X2和S1接口，覆盖范围小于300m，典型发射功率为2
7、330dBm，可用于室内或室外的覆盖增强，由运营商同一部署。(2) Femtocell：不具有X2接口(R8/R9)，通过DSL或cable与互联网连接，覆盖范围小于50m，典型发射功率小于23dBm，一般用于室内，由用户安装。(3) Relay：通过无线回传链路与施主基站(DeNB)连接，覆盖半径300米左右，典型发射功率为30dBm，补充覆盖盲点或改善小区边缘服务质量。(4) RRH：通过光纤与中心基站的基带处理单元相连，覆盖范围灵活可变，发射功率灵活可变，补充覆盖盲点，典型应用为C-RAN。 2.2 异构网络干扰抑制技术2.2.1 异构网络干扰分析在1G到3G系统中，小区之间的干扰主要是
8、同层干扰。异构网络中的干扰可分为两种：n 同层干扰：具有相同或相似功率的接入点形成的小区之间的干扰。n 跨层干扰：具有不同发射功率的接入点形成的小区之间的干扰。(1) 异构网络下行干扰分析图2-2 异构网络下行干扰示意图n 下行干扰源为接入点，不同接入点引起的干扰程度不同n 采用封闭用户组的femtocell，严重干扰宏蜂窝用户 n 宏基站干扰采用开放接入的picocell/relay用户 (2) 异构网络上行干扰分析图2-3 异构网络上行干扰示意图n 上行干扰源为用户n 宏蜂窝用户严重干扰采用封闭用户组的femtocelln picocell/relay用户干扰宏基站 2.2.2 异构网络干
9、扰协调图2-4 异构网络干扰协调分类(1) 基于时域的跨层干扰协调方法4i. 基于空白子帧的时域干扰协调图2-5 基于空白子帧的时域干扰协调n MeNB与HeNB的子帧完全对齐，部分子帧存在控制信道干扰。 n HeNB通过空白子帧降低对MUE的干扰。 n 空白子帧的设置可以根据HeNB或MUE的测量报告动态调整。 ii. 基于OFDM符号偏移的时域干扰协调图2-6 基于OFDM符号偏移的时域干扰协调n MeNB与HeNB的子帧相差2个OFDM符号(控制信道占用符号数)，避免控制信道之间干扰。n PDSCH部分符号muting导致的吞吐量损失可通过速率匹配进行弥补(R8/R9终端无法获知muti
10、ng的符号数，无法弥补吞吐量损失)。(2) 基于频域的跨层干扰协调方法图2-7 不同节点频域资源完全正交图2-8 不同节点控制信道占用的频域资源正交n 不同接入节点频域资源完全正交时频谱利用率低。 n 根据低功率节点与宏基站的距离远近等因素，可得出混合频域资源分配方法(部分节点与宏基站完全相同，部分节点与宏基站正交)。(3) 基于功率控制的跨层干扰协调方法i. 基于低功率节点服务用户的目标SINRn 是低功率节点发射功率。 n 和分别表示低功率节点的最小和最大发射功率。n 是低功率节点和HUE间的路损。n 其中, 是用户检测到的干扰, 是背景噪声，是用户的目标SINR。 ii. 基于宏蜂窝用户
11、的目标SINRn 是线性的功率控制变量； n 是功控的动态范围，单位为dB； n 是宏蜂窝用户的SINR(只考虑最近的低功率节点的干扰)。 3 研究方向探讨3.1 载波聚合下的干扰协调图3-1 载波聚合下的干扰协调示意图n 每个HeNB打开后，检测周围HeNB载波干扰5，也可称为cognitive femtocell。n Cognitive femtocell容易导致节点载波选择的收敛速度慢，并且不准确，对干扰的抑制效果波动较大。 每个HeNB打开后，不仅检测周围HeNB载波干扰，也从周围HeNB获得专家信息(相邻HeNB选择载波的依据)，称为docitive femtocell。3.2 空域
12、干扰抑制图3-2 空域干扰抑制示意图n 当天线数目足够多时，可利用波束赋形完全消除干扰。 n 当天线数目受限时，仍可利用波束赋形对强干扰进行抑制。4 结语随着移动互联网应用的发展，移动数据量快速增长。作为一项能够补足覆盖盲点、提供热点地区吞吐量的重要技术，异构网络得到了越来越多的关注。而由于多种异构节点共用频谱资源所带来的干扰问题也成为了LTE-A系统的一个研究重点。具体来说，是要研究异构网络中如何避免控制信道的干扰以及提高数据信道的通信性能。 本文以上述分析作为研究出发点，在介绍LTE-A系统中异构网络及其干扰问题的基础上，详细介绍了当前异构网络的场景部署，分析了异构网络中的同层、跨层干扰问
13、题，并分别阐述了基于时域、频域和功率控制的异构网络干扰协调技术。最后，针对上述内容的分析和场景测试，提出了LTE-A系统中针对异构网络干扰抑制问题的下一步的研究方向，以便指导未来研究工作和工程的开展。参考文献：1 3GPP “Evolved universal terrestrial radio access (UTRA) and UTRAN radio interface protocol aspects”, TR25.813, Nov. 2005.2 Jeffrey G. Andrews, “Cellular 1000x,” May. 2011. Online. Available: ht
14、tp:/users.ece.utexas.edu/jandrews/pubs/Andrews_NotreDame_May2011.pdf3 3GPP R1-090536, “New SI Proposal: LTE heterogeneous network deployments,” Qualcomm, Nokia, NSN4 LTE-Advanced关键技术详解第一版 作者：林辉,焦慧颖,刘思杨等出版日期： 2012-03-01人民邮电出版社5 K. Zheng, F. Hu, L. Lei, and W. Wang, “Interference Coordination between Femtocells in LTE-Advanced Networks with Carrier Aggragation,” Communications and Networking in China (IEEE CHINACOM), August,2010.9
