異構自組織網絡中的干擾管理機制研究

摘要：文章認為異構網發展迅速、應用廣泛，但其網元之間的相互干擾始終是阻礙其進一步發展的重要“瓶頸”，因此是蜂窩自組織網絡中的重要研究方向。文章指出無線局域網和家庭基站二者業務互補、應用場景重合，因此可通過二者的聯合資源調度來規避干擾，從而有效提升異構網絡的容量以及對各類用戶的業務保障能力。

關鍵詞：異構網絡；家庭基站；干擾管理；服務質量；資源分配

Abstract：Heterogeneous networks （HetNets） have been developing rapidly， and the number of HetNet applications have increased markedly. However， the interference between network elements is still a bottleneck， HetNets is a hot topic in the study of cellular self-organizing networks. In this paper， we suggest that WLAN and femtocell should be applied together in the same practical scenarios and complement each other. Combining WLAN and femtocell is a natural and feasible approach to reducing the interference and enhancing QoS in HetNets.

Key words：heterogeneous networks； femtocell； interference management； QoS； resource allocation

隨著移動通信技術的發展，特別是第4代蜂窩移動通信系統（LTE-Advanced）的提出，如何支持更高速率以滿足日益增長的數據業務和多媒體業務對網絡的需求成為移動通信網絡需要迫切解決的問題。在蜂窩移動通信系統中除了增加傳輸帶寬，采用高階調制和多輸入多輸出（MIMO）技術外，另一個有效途徑就是縮小接收機和發送機之間的距離，因此支持自組織中繼的蜂窩系統（Picocell）、毫微微基站（Femtocell）、中繼基站（Relaycell）等新型網絡結構與技術也就不斷涌現，從而構成多個接入節點共存且覆蓋范圍和傳輸能力不同的異構網絡（HetNets）[1]。然而，多層次網絡結構的變革以及同一地理位置多網元間的相互干擾給網絡設計人員也帶來了許多新的挑戰。

1 異構網絡中的干擾問題

及分類

HetNets中干擾產生的原因主要有以下4點：

（1）低功率接入點的無規劃布設，使得宏站不能獲得這些節點的相關信息，進而通過增加功率來覆蓋原有用戶，從而對低功率接入點產生較大干擾。

（2）一些接入點采用限制接入方式，使得處于該小區覆蓋下的用戶只能接入其他小區，從而產生相互間的干擾。

（3）接入點間的發送功率不同，導致不同接入點的覆蓋范圍不同，處于覆蓋邊緣的用戶會受到不同接入點以及其他邊緣用戶產生的干擾。

（4）當某些接入點處于覆蓋擴展狀態時，會對其周圍的其他接入點和用戶會產生干擾。

而HetNets中的干擾主要又可分為兩類：層內干擾和層間干擾。層內干擾指的是同類網元之間存在的干擾，如家庭基站（HBS）間的相互干擾；而層間干擾是指不同類網元之間的干擾，如宏基站（MBS）和家庭基站之間的相互干擾。同時，從干擾鏈路的種類又可分為上行干擾和下行干擾。LTE中MBS和HBS上下行干擾場景如圖1所示，左圖為下行干擾場景，右圖為上行鏈路傳輸干擾示意。

2 現有的干擾管理機制

針對傳統干擾問題，雖然3GPP Release8和Release9提出并細化了小區間干擾協調（ICIC）技術，但是該技術沒有充分考慮HetNets場景，可能不能有效地解決HetNets中各層之間相互的強干擾問題。為此3GPP Release10中提出了增強小區間干擾協調（eICIC），也納入了蜂窩自組織網絡的重要用例，該方法主要可以分為三大類[2]：

2.1 時域技術

時域技術指的是在時域資源上調度被干擾鏈路的傳輸從而消除干擾，主流方案是進行子幀對齊：當HBS和MBS相互干擾時，HBS將劃分出一些幾乎空子幀，讓受干擾的宏站用戶（MUE）使用。此外，HBS可根據干擾情況設定幾乎空子幀（ABSF），從而有效地避免層間干擾。

2.2 頻域技術

頻域技術通過為不同網元（HBS和MBS）劃分正交的頻率資源來實現干擾消除。頻域正交化可以采用靜態分配方式或者根據受害用戶（UE）探測來動態實現，然而這也大大降低了網絡的頻率復用因子，從而造成了整體網絡性能的損失。

2.3 功率控制技術

功率控制方式分為開環功率設定和閉環功率設定。在開環功率設定中，HBS僅根據預先設定的系統參數和自身的測量結果調整發送功率；在閉環功率設定中，HBS通過與MBS協同調整發送功率。HBS也可將二者結合起來采用混合模式功率設定。功率控制的目標有多種，如以家庭用戶（HUE）的信號與干擾噪聲比（SINR），或MUE的SINR。

在上述3類方法中，因為頻率技術不能夠實現全頻率空間復用，且功率控制受不同的傳播環境和信道條件的影響，實現起來比較復雜，所以時域技術被視為當下主流方法干擾規避方法。文獻[3]給出了采用時域、頻域和功率進行干擾管理時的性能比較。

上述均是干擾協同技術，即在不同的自由度上，通過調度使得相互干擾的信號相互正交，從而消除干擾。除此之外，一些新技術的引入也為干擾管理提供了新的手段，如認知技術、干擾消除和干擾對齊技術等。

2.4 認知技術

具有認知無線電（CR）[4]功能的HBS可以根據已有的頻譜感知技術來獲得相關資源塊（RB）的使用情況，進一步結合已有的干擾協同技術，如時域和頻域技術，來動態地規避網元間的相互干擾。文獻[5]采用認知技術來獲得MBS的RB使用情況在Femtocell中僅使用空閑的RB來減輕層間干擾，同時通過策略型博弈來減輕層內之間的干擾。該方案通過等效容量的概念來保證統計時延的同時在Femtocell中獲得有效的頻譜資源利用率。文獻[6]中提出認知干擾管理方案，通過認知技術確定安全和受害用戶，再基于該用戶分組來分配時頻塊和傳輸機會來避免干擾層間和層內干擾，從而提升邊緣用戶的吞吐量。

2.5 干擾消除技術

除了傳統的干擾消除方法如串行干擾抵消、并行干擾抵消等方法以外，一些新型編碼方式的引入，如“臟紙”編碼等，可以使得受干擾用戶在接收信號中主動消除干擾從而獲得有用信號。該類方法往往需要已知信道信息以及相關的發送消息信息

2.6 干擾對齊技術

干擾對齊的思想是設計發送信號，使其在非目的接收機處對齊到一個維度上，而在目的接收機處可以明顯區分開來。但是干擾對齊的實現較為困難，當有多個非目的接收機時，將干擾對一個非目的接收機對齊并不能保證干擾對其他非目的接收機對齊。文獻[7]在蜂窩系統中提出采用有限維度將干擾在多個非目的接收機處對齊的方法。在具有多個移動終端時，該方案不需協同也能夠獲得沒有干擾時的自由度。文獻[8]針對下行多天線蜂窩系統提出一種僅需小區內反饋信息的干擾對齊方案，在有一個干擾特別強時該方案能夠獲得很大增益。文獻[9]在時分雙工的蜂窩系統上行鏈路中提出基于機會的干擾對齊方案，它不需要全局的信道信息。

綜上所述：不同的干擾管理方案在是否需要MBS協同、適合處理的干擾類型、適合的接入模式、復雜度和傳輸模式都存在差異。表1對所陳述的6種干擾管理方案進行了總結。

3 利用蜂窩與Wi-Fi共同

組網來規避干擾

針對HetNets中存在的層間干擾和層內干擾問題，上節中所述的干擾管理機制僅關注于MBS和HBS二者之間的相互協調或HBS自身來處理相應的干擾問題。然而，隨著蜂窩網絡和WLAN互補特性的不斷顯現，在HetNets中已經出現將Femtocell和無線局域網（WLAN）融合來為用戶提供更好業務體驗的趨勢。

3.1 Wi-Fi的業務優勢

Wi-Fi能夠提供寬帶高速率的傳輸，成為數據傳輸的理想網絡。隨著智能移動終端的不斷涌現，每個用戶可以享受多種多樣的業務，相應的傳輸速率也不斷提高，而現有移動通信系統以及4G系統在保障用戶不斷增長的業務需求方面仍然需要進一步提高。目前較多的運營商將數據業務轉向Wi-Fi側，充分發揮Wi-Fi的特長，體現了異構網絡的優勢。

3.2 Femtocell的業務優勢

Femtocell是為了進一步增加蜂窩系統信號覆蓋提高系統容量而提出的，和宏蜂窩MBS相比，Femtocell（在3GPP中稱為家庭基站）容量小、安全、功率管理更加有效、部署簡單且無需復雜的頻率規劃，能夠有效地補充覆蓋宏蜂窩的盲點。此外隨著Femtocell的應用場景的發展，從傳統的家庭、小型辦公室到企業公司，甚至是熱點地區。

3.3 Femtocell與Wi-Fi的融合趨勢

為了充分發揮Wi-Fi和Femtocell的各自優勢，關于Femtocell和Wi-Fi的融合也成為蜂窩移動通信行業一個重要的發展趨勢。Cisco公司在2010World Mobile Congress大會上指出運營商采用收費頻段和免費頻段聯合調度將會獲得最優的成本，同時Cisco認為Wi-Fi和Femtocell的融合是一個強強組合，具有很大的優勢。PicoChip公司和InterDigtal公司在World Femtocell Summit 2011大會上發布了他們聯合開發的基于3GPP Release 7 HSPA+的3G Femtocell和基于IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi的融合設備的Demo。該設備能夠根據信道條件、負載內容以及用戶喜好在Wi-Fi和Femtocell之間進行業務的分流和合并以及切換。Ubiquisys公司認為未來的Femtocell應該具有自組織的特性，并指出目前幾乎所有新型Femtocell都集成了Wi-Fi功能。

3.4 Femtocell與WLAN聯合干擾

管理方法

干擾管理技術多是以犧牲Femtocell的吞吐量或增加Femtocell或移動終端的復雜性為代價。而當Wi-Fi和Femtocell共站已成為趨勢（本文用i-Femtocell表示集成Wi-Fi的Femtocell），則可以通過引入WLAN的免費頻段來實現干擾規避。圖2給出了由MBS和集成Wi-Fi的LTE Femtocell（HBS）組成異構網絡。靠近HBS邊緣的MUE將會干擾到HUE的上行傳輸，而在下行鏈路時，靠近HBS邊緣的MUE將會受到HBS下行傳輸的干擾。此外，圖中灰色雙向箭頭表示的是HBS和MBS之間的交互鏈路。

針對該場景，如何有效地進行資源調度來充分發揮Wi-Fi和HBS的各自優勢，同時盡可能地降低或者消除HBS和MBS之間的干擾是一個非常值得研究的問題。本文初步給出了該場景下的聯合資源管理算法，并給給出了相應的仿真結果。

該算法的基本思想可以歸納為以下步驟：

（1）將Femtocell側的用戶根據業務需求分為兩類：時延敏感性業務和非時延敏感性業務。

（2）當產生干擾時，Femtocell側在優先保障對時延敏感性業務的支持下進行相應的干擾規避調度，如采用功率控制和頻域正交技術。

（3）第二步處理之后如仍存在干擾，則可讓Wi-Fi側來承載在Femtocell側受干擾或干擾MBS用戶中的非時延敏感性業務。

（4）如第三步中Wi-Fi側業務已經飽和，則Femtocell優先對非時延敏感性業務采用ABSF算法。

將i-Femtocell的覆蓋區域到MBS的距離遠近，分為近區和遠區。如MUE所處位置不同將和Femtocell間形成不同程度的干擾。具體仿真場景如圖3所示。表2、表3、表4分別列出了MBS、HBS和業務的相關仿真參數[10-11]。

圖4、圖5分別給出了該方法的上下行的性能。由仿真結果可以看出：采用Femtocell和WLAN聯合資源調度來進行干擾管理可以大幅提升容量而不影響MBS的正常傳輸，二者融合可有效地提升Femtocell對蜂窩用戶的業務保障能力。

4 結束語

隨著HetNets的發展，Femtocell和WLAN的融合已經成為一種趨勢。聯合二者的優勢解決HetNets的干擾問題具有雙重意義：其一，避免或減輕Femtocell和MBS的相互干擾；其二，可充分發揮Femtocell和WLAN各自的業務優勢，對用戶提供更好的業務保障。利用聯合資源調度方法能夠有效地解決HetNets的相互干擾，并且還可以對用戶提供更好的業務保障能力，從而促進HetNets的發展與應用。

參考文獻

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收稿日期：2012-11-06

作者簡介

王亮，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室在讀博士生；主要研究方向認知無線電、異構網絡干擾管理等。

盛敏，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室教授、博士生導師；主要研究領域為移動通信、無線自組織網絡、認知無線網絡等；已主持和參與基金項目10余項；已發表論文70余篇（其中被SCI/EI檢索50余篇），出版專著2部。

張琰，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室副教授；主要研究領域為無線自組織網絡、認知無線網絡等；已主持和參與基金項目8項；已發表論文20余篇（其中被SCI/EI檢索10余篇）。