LTELTE-A异构网络下对Small Cell干扰协调的研究

1、重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2014-2015学年第2学期考试科目 移动通信系统 姓 名 焦中帅 年 级 2014级 专 业 信息与通信工程 2015年 7月7日LTE/LTE-A异构网络下对Small Cell干扰协调的研究焦中帅（重庆市重庆邮电大学 重庆 400065）摘 要：小区(Small Cell)的引入使小区间的交叠区域增加,使小区间的干扰复杂化。如果相邻小区釆用同频部署的方式,将在相同频带上进行数据收发,不可避免地会产生小区间干扰(Inter-Cell Interference, ICI)。特别是在热点地区,Small Cell部署的密度大,基站间距离很近,小区间的干扰情况将更

2、加复杂，解决小区间干扰十分重要。本文简单论述了Small Cell的基础知识和Small Cell所面临的机遇与挑战。并重点研究了传统的Small Cell间干扰协调技术，并在此基础上列出了几种新的增强型干扰协调技术。关键词：Small Cell；小区间干扰；干扰协调；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般指由运营商管理的,运行在授权频段内的,覆盖范围较小的基站。Small Cell的发射功率通常只有250mW到2W左右,而宏蜂窝基站的发射功率一般是5W到40W左右由于Small Cell的发射功率较宏蜂窝基站低,所以又称Small Cell为低功率节点(Low Power Node, LPN)。Small Cell 一般包括以下几种类型微蜂窝基站(Micro Cell)、微微蜂窝基站(Pico Cell)、毫微微蜂窝基站(Femto Cell)和都市热点小蜂窝基站(Metro Cell)等。Small Cell的部署能够显著改善蜂窝小区覆盖和系统容量,进而提升网

7、络整体效率。1.1 Small Cell引入的新的问题和挑战为了最大化地利用频谱资源,提高频谱资源利用率,LTE最初一般是釆用同频组网的形式Zhang Dajun .Research enhancement technology of LTE-Advanced system of small base stations J Modern telecommunications technology, 2013,8: 1-9,即相邻的宏小区都是使用相同的载波。这样邻小区的不同用户,尤其是小区边缘用户存在一定的概率在某一时间收到两个或者多个小区的相同频率信号。当来自其他小区的同频信号相对服务小区的有

8、用信号较强时,该用户就会受到强烈的小区间干扰,从而极大地影响通信质量和用户体验。相比于传统宏基站的同频干扰问题,Small Cell大规模部署之后使得LTE-A异构网络的干扰情况变得更加复杂和严重LI Caoyuan .Small Cell Enhancement small inter-cell interference coordination problems J Modern telecommunications technology, 2013,8: 17-25。相比于传统的同构蜂窝网络,当前LTE-A异构网络中的千扰问题将面临以下重大挑战:(1)Small Cell和宏基站发射功率

9、的差异性对于下行链路,在LTE-A异构网中,接入到能提供最强下行参考信号的基站未必就一定是最优的接入方案,这是因为Small Cell的发射功率远远低于宏基站的发射功率,这就使得Small Cell的原本覆盖范围相对较小,因此大部分用户仍会选择接入到宏基站,这将导致宏基站和Small Cell两者的负载分布不均匀,即出现Small Cell负载过轻而宏基站却负载过重的情况。同时对于上行链路,连接到Macro基站的用户为了补偿到宏基站的路径损耗,距离宏基站越远的用户其上行发射功率越大,对相邻小区用户的上行干扰也就越大。因此对上行链路来说,最优的小区选择方案为选择距用户本身最近的基站。对于传统的同

10、构宏蜂窝网络,因为所有宏基站的发射功率一样,因此上下行最优服务小区相同。但在LTE-A异构网中由于Macro基站和Small Cell的发射功率相差较大,有时甚至达几十倍,使得下行参考信号接收功率最大的基站不一定都是距离该用户最近的基站。如图1所示,用户1距低功率的小基站Small Cell较近,但是从Macro基站获得的下行参考信号接收功率仍较大,则该用户仍会选择接入Macro基站,此时用户1的上行信号则对Small Cell中的用户尤其是小区边缘用户(如用户2)造成较大的上行干扰。这种选择上下行最优服务小区不一致的问题称为上下行不对称。(2)家庭基站的无规划部署和CSG接入特性从前面Sma

11、ll Cell的介绍中已经知道Femtocell是由个体用户自行无规划部署,即用户可以在任意时间随意地幵启、关闭或移动家庭基站。因此传统的网络规划和优化方案不再适用于Femtocell网络,运营商难以控制家庭基站的部署位置和数量。因此需要每个Femtocell利用自主获得的局部干扰信息,利用分布式干扰协调方案以有效减少异构网络的干扰。并且通常家庭基站的接入方式属于CSG接入模式,只有属于其封闭用户组的用户才能够接入。如图1所示,在下行传输场景中,即使宏小区用户3从宏基站接收到的参考信号接收功率低于从家庭基站接收到的,但由于Femtocell的封闭用户接入的特性,该用户不被允许切换到该家庭基站,

12、因此受到较强的该家庭基站的下行干扰,导致用户的SINR值较低甚至可能出现用户的连接中断,从而产生所谓的宏小区"覆盖空洞”。同样对于上行链路,由于用户3无法接入到距离最近、接收信号最强的家庭基站,为了克服到宏基站较大的上行路径损耗,该用户需提高上行发射功率导致终端的能量消耗增大,也对该家庭基站中的边缘用户(如用户4)造成较强的上行干扰。图1 LTE-A异构干扰场景综上所述,LTE-A异构网中引入Small Cell为移动蜂窝网络带来了一定的网络容量的提升和良好的用户体验,但与此同时也为小区间干扰(宏基站间小区间干扰、小基站间小区间干扰、宏基站和小基站间小区间干扰)带来了巨大的技术挑战。

13、1.2 Small Cell抗干扰技术对于LTE-A系统的小区间干扰(Inter-Cell Interference, ICI)问题,3GPP主要提出了三种ICI解决方案:小区间干扰随机化、小区间干扰消除以及小区间干扰协调 3GPP RAN1.R1-133459: Performance Evaluation of lCIC for SCE (NTT DOCOMO)R.Aug,2013.。1.干扰随机化就是通过对信号加扰的方法把干扰信号随机化,该方法虽不能真正降低干扰信号的能量,但是可以将干扰随机化成“白噪声”,即通过数学统计方法对干扰进行有效地估计,从而能有效地抑制小区间干扰。常用的干扰随机

14、化技术主要有小区跳频法和增加干扰码这两种 3GPP RAN1.R1-050738: Interference Mitigation/consideration and Results On Frequency Reuse (Siemens) R.Aug,2005.。干扰随机化技术比较简单,但并不能真正地消除ICI,对于多小区场景尤其是Small Cell密集部署场景,使用该方法误差较大并不适用。2.干扰消除釆用的办法是将干扰信号解码或解调,然后充分利用接收机的信号处理功能来消除干扰信号的分量。常用的干扰消除技术主要有加扰技术和基于多天线终端用户的空间千扰消除技术这两种 3GPP RAN1.R1

15、-051396: Comparison of Bit Repetition And Symbol Repetition For Inter-Cell Interference Mitigation (Panasonic) Rj.Nov, 2005.。干扰消除技术对消除较强的小区间干扰作用明显,对于Small Cell场景中许多小干扰叠加产生的小区间干扰作用不明显,且该技术对LTE系统要求较高、计算复杂度高,因此在LTE-A系统中该技术实际应用范围相对有限,也不再在3GPP的会议上研究讨论。3.对于LTE-A系统中,随着异构网络拓扑结构的越来越复杂,对小区间干扰最主要的解决办法是使用小区间干扰协

16、调(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)技术。ICIC的技术思路是对某些小区的资源(包括频域、功率域或时域)进行一定程度的限制或控制,协调运作多个小区资源,从而减少该小区对其他邻小区用户所造成的干扰,最终提高系统小区覆盖率、用户信干噪比和系统吞吐量。小区间干扰协调的主要技术有频域的小区间干扰协调技术,包括部分频率复用和软频率复用,还有基于功率控制的干扰协调方案以及最近提出的基于时域的增强型干扰协调技术,这些技术都能有效地降低小区间千扰。并且,小区间干扰协调技术使用较为灵活,实现也相对简单,应用场景丰富,因此是目前应对小区间干扰的主流技术手段。2

17、 小区间干扰协调技术由于LTE-A物理层采用了OFDM技术,各个子载波相互正交,因此不存在小区内的干扰。而小区间干扰会降低边缘用户的SINR,其将成为影响LTE-A性能的重要因素之一。LTE-A中异构网为移动蜂窝网络带来了极大的网络容量的提升和良好的用户体验,但与此同时也为小区间干扰协调带来了巨大的技术挑战。因此,ICIC技术受到越来越多的关注,ICIC技术指的是相邻小区在频域、功率、时域等方面进行协调控制,减少相邻小区对边缘用户的干扰。之后将分别阐述异构网中三种不同类型的干扰协调技术,包括频域干扰协调、功率控制下干扰协调、时域增强型干扰协调。2.1 频域干扰协调为了减少和避免小区间干扰的影响

18、,LTE系统中目前已经有一些成熟的小区间干扰协调技术。3GPP在R8和R9版本中引入了软频率复用(Soft frequency reuse)和部分频率复用(Fractional frequency reuse)等频域的干扰协调技术来解决小区间的干扰问题。频域的ICIC最初使用的方法是固定频率复用,即将频率资源等分为N个互不重叠的子频带,N被称为频率复用因子(Frequency Reuse Factor,FRF),每个小区只能使用其中一个子频带,相邻小区使用不同的子频带以避免干扰。虽然固定频率复用能有效消除小区间干扰,但也大大降低了系统的频谱资源利用率。为了提高频谱资源利用率并有效地减少干扰于是

19、又有了部分频率复用(FractionalFrequency Reuse, FFR)技术,FFR将将频谱资源划为两部分,其中一部分子频带上的FRF为1,另一部分子频带上的FRF大于1。FFR的频率分布情况如图2所示,FFR的解决思路是先将整个频率带宽分为四个部分,小区中心用户可复用相同的子频带,其余的三部分子频带分别供相邻的小区边缘用户正交使用。这样不同小区边缘用户使用的频谱资源互不重叠,从而有效地避免了小区间干扰。但由于每个小区不能使用全部的频带资源,因此该FFR方案同样也会降低频谱资源利用率。图2 FFR的频率分布情况为了进一步提高频谱资源利用率,改进后的FFR技术频带划分如图3所示。此时小

20、区边缘用户可用频带根据频率复用因子为3的频率复用方法进行划分,而小区中心用户则使用剩余2/3的未被使用的频率资源,从而成功实现了全频带复用。虽然改进后的FFR方案提高了频谱效率,但与此同时也一定程度上增加了ICI。图3 改进后的FFR频率分布情况为了解决软频率复用技术频谱资源利用率较低和仍存在小区间干扰的问题,华为公司最先提出了软频率复用技术(Soft Frequency Reuse, SFR)。SFR技术和改进后的FFR技术有一定的相似之处如图4所示,SFR的原理是:首先将频谱资源分成三部分,对每个小区,一部分频谱资源作为其主载波,相邻小区的主载波互不重叠,其余为频谱作为副载波。并且主载波的

21、功率高于副载波,主载波可供整个小区用户使用,而副载波只能供小区中心用户使用。SFR和改进后的FFR主要区别就是FFR技术没有采用功率控制,所有子载波都是相同的发射功率,而SFR为主载波分配较大的发射功率,从而能为小区边缘用户提供更好的覆盖,为副载波分配较低的功率,有效减少了基站对小区边缘用户的干扰。软频率复用还有一个特点就是,可以通过调整主副载波的功率比以适应小区中心和小区边缘的负载分布,从而进一步提高频谱效率。但是SFR和FFR也都有相似的缺点,那就是小区边缘用户只能使用部分频率资源,可能会导致部分小区边缘用户不能接入到基站,造成一定的频谱资源浪费,并且随着越来越多的Small Cell的引

22、入,从频域的角度机械地划分频率带宽并不实际。因此总体来说,频域的小区间干扰协调技术对于异构网中Macro基站和Small Cell的跨层干扰并不适用,该方案很难直接完全应用于LTE-A的异构网络。图4 软频率复用示意图2.2 功率控制对于Macro基站和Femtocell组成的异构网,一般为了保护受家庭基站下行干扰严重的宏小区用户,常常可以采用基于功率控制的小区间干扰协调方案。由于宏基站覆盖范围广且发射功率较大,若针对宏基站进行功率控制往往成本较高,因此3GPP推荐对家庭基站进行功率控制的设置。例如为了降低家庭基站对附近宏小区用户的下行干扰,家庭基站可根据某种规律调整其发射功率,降低覆盖范围从

23、而保护宏小区边缘用户性能并提高宏小区平均用户吞吐量,而仅仅牺牲家庭基站的小部分用户吞吐量,这时就需要采用功率控制算法。我们用和分别表示家庭基站发射功率的最小值和最大值,表示家庭基站发送功率,表示与家庭基站共信道的宏基站对当前家庭基站最强干扰信号的功率(所有功率值单位为dBm), 和表示两个功控变量,应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,此方法是基于网络侦听模式,家庭基站根据最近的宏基站的接收功率调整其发射功率的值。 (1)当宏基站与家庭基站相距比较近时,家庭基站可以使用最大功率发送,反之功率必须按照上述公式进行一定程度的降低,如果相距远达到一定距离时,就必

24、须使用最低功率,否则干扰会很严重。(2)基于家庭基站和宏小区用户间损坏,家庭基站功率控制设定其发射功率为: (2)其中定义为功率补偿值,表示家庭基站和宏小区用户之间的室内损耗和穿墙损耗,和分别表示的最小值和最大值。(3)基于宏小区用户的目标SINR,这种方法是通过调整家庭基站的发射功率来保证宏小区用户接收的最小SINR值,家庭基站功率设定发射功率为: (3)其中表示仅考虑受最近的家庭基站干扰的宏小区用户的SINR的值。这种方法之间反应了宏小区用户的接收信号质量。比较而言,在方法(1)和方法(2)中,家庭基站主动调整其发射功率来降低对附近宏小区用户的干扰。这两种方法虽然可以改善宏小区用户的传输性

25、能,但是无法准确保障用户的传输性能,而方法(3)可保障宏小区用户的传输性能。方法(3)因为要保障用户的SINR值,随着干扰环境的变化,需要在宏小区用户与家庭基站之间交互信道状态,需要相应基站网络接口的支持。2.3 时域干扰协调为了进一步地减小异构网中小区间干扰的影响,3GPP在LTE-A的Release 10版本中开始引入增强型小区间干扰协调技术(elCIC)以解决小基站和宏基站构成的异构网络中的小区间干扰问题。elCIC是一种时域的干扰协调技术,其主要是在时域中引入了几乎空白子帧ABS的概念,通过不同基站时域上发送时间的正交来避免宏小区对Small Cell用户的干扰。ABS子帧之所以被业界

26、称为几乎空白子帧,主要就是考虑到该技术的后向兼容性,ABS子帧中必须携带Release 8/9用户连接所必需的一些最基本的信号,如CRS在每个单播子帧中都必须全带宽地发送。ABS子帧上还会发送PSS/SSS、主广播信道(PBCH)、SIB1、寻呼信道(Paging)和定位参考信号(PRS)等,但是相对来说这些信号的发射功率较低。时域的elCIC技术总体思路如图5所示,图5 eICIC技术ABS配置通过在干扰基站(如宏基站)的子帧中设置ABS子帧的方式来减少对其他被干扰基站(如Small Cell)的干扰。干扰基站在ABS子帧上保持静默,几乎不发送控制和数据信道信号。此时被干扰基站则可以在ABS

27、子帧时刻调度其被严重干扰的小区边缘用户,进行数据传输,从而有效地避免了干扰基站对这些用户的下行干扰,提升了小区边缘用户的服务质量和用户体验。但是在未来Small Cell密集部署的场景下,Macro基站需要为众多Small Cell小区边缘用户配置大量的ABS,这时可能会导致系统的整体频谱效率降低,因此ABS配置比例必须要得到严格有效的控制。3 新的增强型干扰协调技术虽然时域增强型干扰协调技术能有效降低小区间干扰,但是由于宏基站只能在部分发射时隙给宏小区用户传输数据信息,这样在一定程度上会影响宏小区用户的吞吐量和边缘用户体验。Release 10中提出了新的ICIC方案,用来同时解决异构网络中

28、控制信道和数据信道的干扰。这类方案主要分为两种,一种是基于载波聚合的跨载波调度方案,另一种是非载波聚合(non-CA)下基于ABS的增强型小区间干扰协调方案(elCIC)。3.1 基于载波聚合的跨载波聚合方案LTE-A系统中引入了载波聚合技术,它不仅支持跨越载波进行资源分配,而且也支持载波间无时延的快速切换。异构场景中,一种简单的方式是将可用频谱划分为两个独立的成员载波,不同层的控制信息,即每一子帧头部的PDCCH,PCFICH, PHICH等信息由不同的主成员载波(PCC)负责传输,从而避免了控制信道上的干扰。而数据信道则既可以使用主成员载波,也可以使用第二成员载波(SCC) 3GPP Rl

29、-100061, Ericsson,ST-Ericsson,On technical aspects on Heterogeneous Net-Works,January 2010.。如图6所不,以macro-pico场景为例,宏基站和pico基站同一时刻采用不同频率的PCC作为控制信道载波,从而降低了控制信道干扰,但是可以只选择一个CC或者通过跨载波调度的方式采用两个CC共同作为数据信道载波。这样既可将小区间干扰控制在较小的程度,同时基站也可以降低在SCCs上的发射功率。图6 基于载波集合的跨载波调度3.2 基于ABS的时域elCIC由于异构网络中引入区域扩展,低功率节点覆盖范围内的边缘用户

30、受到宏基站的下行干扰则更加严重,为了降低这种千扰,可以通过对受干扰用户在子帧或是资源块上进行调度。当下釆用的时域elCIC方案,主要是基于ABS (AlmostBlank Subframe)结构的 3GPPR1-104256, Qualcomm,elCIC solutions details, August 23-August 27,2010.。elCIC方案的思路是,在对用户产生干扰的基站发送信息中周期性的隐藏(muting) 一些子帧,从而被干扰用户对应的基站便可以在这些子帧内对其提供无干扰服务。这种muting并不是完全不发送信号,它还包括一些参考信号:公共参考信号(CRS)、同步信号(

31、PSS&SSS)、物理广播信道(PBCH)、SIB-1和一些paging信息,所以采取这种muting形式的子帧被称为几乎空白子帧(ABS)。基于ABS的elCIC方案是当下Release 10中小区间干扰协调技术的主要研究方向。分别在异构网络下行干扰的两种场景下对elCIC进行分析。在macro-femto场景下,当宏用户进入femto基站的覆盖范围时将受到其下行信号的干扰,此时在femto基站对宏用户产生干扰的子帧内采用ABS,不传输控制信号和数据信号,仅传输一些必要的RS (参考信号),这样femto基站在控制信道和业务信道上可能对宏用户产生的干扰就大幅降低,从而宏用户的信号质量也会提高,如图7所示。类似的,在macro-pico场景下,由于p