基于異構網絡的增強型小區間干擾協調技術研究

金雨超+李強+呂震+郭景贊

【摘 要】為了解決異構網絡中的干擾問題，在介紹異構網絡產生的背景、網絡中節點類型及其特性的基礎上，分析了應對層間干擾的各項技術，主要研究了增強型小區間干擾協調技術，并解析了幾乎空白子幀的技術方案和低功率幾乎空白子幀的實現方式。通過比較各種實施方案的優缺點，說明了低功率幾乎空白子幀技術方案的靈活擴展性。

【關鍵詞】異構網絡 eICIC 區域擴展 ABS LP-ABS

Research on Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Technique

in Heterogeneous Networks

[Abstract] In order to deal with the interference in heterogeneous networks， the technical background of heterogeneous networks， types and characteristics of network nodes were introduced. Then， different techniques to deal with the inter-layer interference were analyzed. Enhanced inter-cell interference coordination techniques were mainly investigated， including the implementations of ABS and LP-ABS. Advantages and disadvantages of different implementations were compared to validate the flexibility and expandability of LP-ABS.

[Key words]heterogeneous network eICIC range expansion ABS LP-ABS

1 異構網絡產生背景

隨著通信技術的發展成熟，移動用戶數量穩步上升，用戶的需求也由簡單的日常語音通信向更多更廣泛的數據業務上遷移。終端類型的智能化和多樣化助力了移動互聯網發展，同時也催生了越來越多的無線應用，數據服務呈現爆發式增長。為了適應市場對移動網絡系統帶寬、傳輸速率和系統穩定性方面不斷增長的需求，運營商在網絡中逐步引入了異構網絡機制。

傳統的蜂窩網絡架構為同構單層組網，結構如圖1所示。所有的宏基站都有類似的特性，覆蓋范圍相近，以宏蜂窩的覆蓋方式為用戶提供業務。目前技術背景下，同構網絡的頻譜效率已經接近了香農信息論的容量極限值。為了應對日益增長的業務需求，3GPP提出了異構網絡的概念。

異構網絡在傳統的蜂窩網絡中引入區別于宏基站的LPN（Low Power Node，低功率節點）形成雙層網絡覆蓋。不同類型的節點混合組網，分別實現不同的功能。宏基站功率大、可移動性差，負責覆蓋的廣度；低功率節點發射功率小，部署靈活可以彌補覆蓋空洞。由于低功率節點的引入可以降低運營成本，提升網絡規劃的靈活度，分擔熱點區域的負載流量，因此越來越受到運營商的重視和歡迎。

2 異構網絡的應用場景

異構網絡中的低功率節點可以在宏蜂窩的基礎上，對其范圍內的網絡進行進一步優化。其重要的應用場景如下：

（1）低功率節點因其可以提供小范圍網絡覆蓋，所以可以補充宏蜂窩的室外覆蓋盲區。在城市中，會出現四周被高樓環繞的廣場或平臺等宏基站無法覆蓋的場景，可以使用低功率節點對弱覆蓋區域補盲。

（2）對于墻體較厚的場館和沒有室分系統的寫字樓的覆蓋場景，可以利用低功率節點靈活的配置方式和便攜性彌補室內覆蓋空洞。

（3）對于人員密度較大的熱點區域，宏蜂窩負載較重，可以利用低功率節點與其共同提供覆蓋，緩解覆蓋壓力，由宏蜂窩負責廣覆蓋、低功率節點負責吸收熱點區域的用戶流量來分擔過重的負載。

不同應用場景的異構網絡中，低功率節點的作用存在一定的差別，主要的低功率節點包括：微微蜂窩（Pico Cell）、家庭基站（Femto Cell）、中繼（Relay）和射頻拉遠單元（RRH）。表1列出了宏基站和不同類型低功率節點的特性及用途。

異構網絡在諸多場景中可以作為增強性能的首選方法，但是同時也帶來了一些挑戰，低功率節點的引入增加了網絡結構的復雜度，小區數量、小區類型以及邊緣用戶數量都會隨之增加，網絡需要應對更多的優化協調類問題。

3 異構網絡中的干擾問題

本文主要研究Pico與宏基站混合組網的異構網絡場景。Pico基站提供Pico Cell覆蓋，分擔宏基站流量負載，完成業務均衡功能。如表1所示，宏基站的發射功率與Pico節點差異較大。用戶根據小區選擇的S準則，會選擇接收信號最強的小區進行接入。然而，處于宏蜂窩與Pico Cell邊緣的用戶會趨向于接入宏基站而不是網絡預期的、路損最小的Pico基站，這種現象會造成業務分布不均、宏基站過載、低功率節點吸熱效果不明顯等弊端。針對上述情況，研究并提出了RE（Range Expansion，區域擴展）技術，在Pico小區的參考信號強度上增加偏置值來人工擴大Pico基站的覆蓋區域，如圖2所示：

在LTE系統中，用戶通過RSRP測量和比較來選擇接入的小區，根據小區接入準則可知，用戶i的接入小區為：

其中，ci是用戶i的接入小區；是用戶i接收到的小區j的功率；是小區j的發射功率；是小區j到用戶i的大中尺度損耗，其中包括大尺度衰落、陰影衰落和穿透損耗等。通常Pico基站的發射功率小于宏基站的發射功率，因此能夠接入Pico節點的用戶數量十分有限，Pico節點部署的作用就會明顯降低。

在應用RE技術的異構網絡中，宏基站與Pico基站之間可以通過handover bias信元來引入偏移量，人為提高Pico的接入成功率。用戶在使用接入準則比較宏基站和Pico基站的參考信號強度時，會直接使用添加偏置值的RSRPp+bias與RSRPm進行比較，并選擇接入的小區。其中，RSRPp是用戶測量的Pico小區的參考信號強度；RSRPm是用戶測量的宏小區的參考信號強度；bias即為是偏置值。

采用人工擴大Pico覆蓋范圍的方式會導致用戶體驗下降，位于擴展區域內的用戶必然會受到宏基站的嚴重干擾。擴展區域內的用戶能夠接入Pico基站，其參考信號接收功率滿足條件：RSRPp+bias>RSRPm>RSRPp，擴展區域內用戶的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比）為-bias

由此可見，隨著bias絕對值的增加，擴展區域用戶的SINR逐漸降低，小區邊緣的信道環境會越發惡劣。為了緩解小區邊緣用戶的通信質量，必須使用小區間干擾協調技術改善擴展區域用戶的SINR。

4 增強型小區間干擾協調

由上可知，為了提高Pico Cell用戶接入的成功率，異構網絡引入了RE技術。但是，處于擴展區域的用戶由于接入過程受到了人為干預，業務進行過程受到鄰小區干擾會增強，導致通信質量下降、用戶感知差等情況。

為了解決同頻組網，小區邊緣同頻干擾突出的問題，3GPP在R8/9版本中引入了ICIC（Inter Cell Interference Coordination，小區間干擾協調）機制，包括動態頻率復用、靜態頻率復用、半靜態頻率復用、基于X2接口的干擾協調技術等。這些技術主要是針對同構網絡的小區間干擾，對于異構網絡中引入低功率節點后帶來的層間干擾收益甚微。

異構網絡中宏基站與低功率傳輸節點混合組網，引入新節點增加了系統拓撲結構的復雜度，多種類型節點同時競爭時頻資源，形成了新的干擾環境。基于此，針對異構網絡部署方式，eICIC（enhanced Inter Cell Interference Coordination，增強型小區間干擾協調）技術在LTE-A系統中提出并標準化。

eICIC技術在ICIC的基礎上加入了時間維度的調度機制。為宏微蜂窩小區邊緣的用戶分配時頻資源時，將不同小區的用戶信息調度在時域正交的資源塊上。相比ICIC技術，eICIC不僅針對業務信道，而且還能在一定程度上降低不同小區的控制信道之間的干擾。ICIC技術通過小區間頻域調度方式對業務信道的小區間干擾進行協調，而eICIC技術則是通過小區間時域、頻域聯合調度以及功率控制完成對業務信道和控制信道的小區間干擾協調。

4.1 幾乎空白子幀（ABS）技術方案

如圖2所示，位于擴展區域的小區邊緣用戶會受到宏基站的下行干擾，宏基站與Pico基站使用相同的時頻資源為用戶傳遞信息，當其子幀重疊時，用戶的控制信道和數據信道相互重疊。因此，為了提高Pico邊緣用戶SINR，減小層間干擾，宏基站需要執行eICIC技術，使用ABS（Almost Blank Subframe，幾乎空白子幀）。

包含ABS子幀的無線幀結構示意圖如圖3所示，協作的宏基站與Pico節點通過X2接口共享子幀配置圖譜，宏基站根據配置圖譜將無線幀中的某幾個子幀設置為ABS子幀。ABS子幀中的所有RE除參考信號外，發射功率均為0，不傳輸信息，從而對使用相同時頻資源的Pico用戶無干擾。

Pico基站將與宏基站ABS子幀對齊的時頻資源分配給小區邊緣用戶，此時來自宏基站的干擾強度趨近于0，則Pico小區邊緣用戶的SINR為：

其中，為Pico基站的接收功率不變；為宏基站的接收功率大幅降低，干擾減小，信道環境顯著改善。上述機制使得Pico基站既實現了宏基站的分流功能，又保證了Pico用戶的通信質量。

4.2 低功率幾乎空白子幀（LP-ABS）技術方案

由于使用ABS子幀人為降低了宏基站用戶的調度次數，影響了宏蜂窩邊緣用戶的數據傳輸時間，導致邊緣用戶的通信質量下降，降低了整體網絡的利用率。為了平衡折衷網絡整體吞吐量和邊緣用戶通信質量之間的關系，3GPP在R11版本中引入了低功率ABS子幀（LP-ABS）的干擾協調機制，如圖4所示。

LP-ABS調度方案是在ABS子幀基礎上改變了宏基站的發射功率，即在保持ABS子幀圖譜不變的前提下修改ABS子幀的發射功率。將原ABS子幀中RE的發射功率由0修改為低功率，并將信道質量較好的宏蜂窩中心用戶調度在LP-ABS子幀上傳輸信息。小區中心用戶距離宏基站較近，信號傳輸的路徑損耗小且信道質量較好，雖然發射功率降低，但是用戶的SINR在可接受范圍內，仍然可以保證通信質量。同時，由于發射功率低，并不會對使用相同時頻資源的Pico小區邊緣用戶的通信質量造成多大的影響。

采用LP-ABS調度方案是在一定程度上犧牲了Pico小區邊緣用戶通信量的基礎上，提高了整個異構網絡的資源利用率。同時，可根據場景特點和功能需求來合理配置LP-ABS子幀的發射功率，以獲得通信質量和資源利用率的靈活折衷。

5 結束語

本文介紹了異構網絡產生的背景、網絡中節點類型及其特性，并根據節點不同的特點分析了異構網絡的應用場景。低功率節點的引入優化了傳統同構網絡問題，同時又帶來了新的挑戰。網絡結構復雜度提高，用戶流向不均衡、層間干擾強度大等問題制約著異構網絡技術前進的腳步。針對上述弊端，本文分別介紹了區域擴展、增強型小區間干擾協調等技術方案。在異構場景下，通過范圍擴展技術增大了接入低功率節點的用戶數，能夠更好地分擔熱點區域宏基站的負載。但是區域擴展的偏置因子較大時，擴展區域的用戶受到宏基站很強的干擾。ABS技術方案能夠緩解小區邊緣的強干擾，降低RE技術帶來的負面影響，但此技術方案會造成宏小區用戶調度次數的減少。進一步地改進，LP-ABS技術方案既能夠適當提高宏小區用戶的吞吐量，也能夠適當降低對低功率節點邊緣用戶的干擾。研究表明，靈活地使用LP-ABS技術方案可以取得網絡整體吞吐量和小區邊緣通信質量的折衷。增強型小區間干擾協調技術的應用可以顯著減少異構網絡的層間干擾，充分發揮低功率節點的預期價值。

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