5G超密集組網環境下干擾管理技術分析

【摘要】? ? 隨著網絡建設大幅推進，5G網絡分場景覆蓋極大的改善了用戶體驗及新業務的發展，5G已經完成城區縣城基本覆蓋，網絡建設重點也將放在微基站、小基站及室內覆蓋基站上。在5G超密集組網環境中室外宏基站、微基站、小基站與室內基站組成異構網絡，其中干擾是影響整個系統容量的關鍵因素。如何通過干擾管理技術對超密集網絡中的干擾進行避免和消除，提高網絡質量和容量，是本文討論的主要內容。

【關鍵詞】? ? 5G通信? ? 超密集組網? ? 干擾管理

引言：

2019年作為我國5G商用元年距今已過去2年，目前我國5G已在地市的重點地區完成了室外覆蓋，從2021年開始5G建設將在室外進行連續覆蓋的基礎上，將重點放在微基站和室內分布式基站的建設。5G要達到全面覆蓋，基站數量將超越現有4G基站數量，重點區域基站甚至是4G站點的數倍。密集的基站建設會使得無線環境更加復雜，帶來更多的干擾。解決5G超密集組網環境下的干擾將是我們下一步將要面臨的問題。

一、5G超密集組網技術

（一）超密集組網背景

5G網絡提供不同應用場景下的差異化服務、網絡切片等技術，以及5G無線網的高速率、低時延、海量連接、高可靠性等特點都需要系統容量的支撐。在通信系統中，系統容量決定了用戶接入數量以及用戶接入速率，因此提高系統容量是通信技術發展中重點解決的問題之一。

超密集組網技術（Ultra-Dense Network，UDN）是指高密度部署與宏基站相比功率更低的小基站，從而增加單位覆蓋面積內站點密度的組網方式。小型基站之間的站間距根據用戶密集程度，縮減至十幾米到幾十米，密集分布的站點可以提高單位面積內頻譜復用率、網絡容量及用戶體驗速率。

5G融合了多種關鍵技術，與其他5G通信技術相比，超密集組網技術帶來的網絡容量增益位于各技術前列。表1為各種5G關鍵技術所帶來的增益對比。

（二）超密集組網特點分析

1.超密集組網應用場景

5G網絡由于使用頻率較高，與4G相比信號在傳播過程中的路徑損耗更大，使得單位面積內5G基站數量肯定比4G基站更多。但這并不意味著5G超密集組網技術要應用于任何場景之下。除了信號強度的考慮之外，超密集組網主要應用于人口密集，用戶并發數高，網絡流量密度高和數據速率要求高的區域。對應上述要求，可以看出UDN典型應用場景主要包括：密集商業區、商務樓宇、高層住宅、密集住宅、醫院、高校、交通樞紐、體育場館等。

2.超密集組網網絡架構演進

在4G時代，針對復雜的網絡結構提出了異構網絡（Heterogeneous Network， HetNet）的概念。無線網絡中的異構網絡與廣義的異構網相比，采用的是其狹義的概念。

廣義異構網絡是指運行在不同的協議上，支持不同的功能或應用協議的設備或系統所組成的網絡，通信系統中的異構網絡（HetNet）主要是針對無線接入網絡的差異性，是一種面向未來的創新移動寬帶網絡架構。異構網絡由不同大小、類型小區構成，包括宏小區Macro cell、微小區Micro cell、微微小區Pico cell、毫微微小區Femto cell，通過無線基礎設施中的關鍵部件進行協調部署并協同工作，從而提供高系統容量，為用戶帶來更好使用體驗。

5G時代的超密集組網是在HetNet基礎上進一步擴展。傳統宏蜂窩提供的單一同構網絡結構雖然易于規劃，能給用戶提供無差異化的服務，但是現在用戶需求已經發生根本性的改變，從語音業務為主過渡到數據業務為主，從單一需求變為多元化需求，不同場景下的用戶業務需求差異明顯，因此超密集組網提供宏基站層用于網絡整體覆蓋，微基站層用于局部補盲及熱點覆蓋，小基站層用于室內或重點區域密集覆蓋及業務吸收，從而在整體上達到覆蓋效果的同時，為分場景、切片網絡打下基礎，為用戶提供真正意義上的差異化服務。超密集異構網網絡結構如圖1所示。

（三）面臨的問題與挑戰

雖然超密集組網有效地提升了系統容量，但是高密度的小基站也會帶來新的問題，其中最主要的兩個問題是上行回傳和干擾問題。

1.上行回傳

由于超密集組網區域內用戶量大、業務集中，才采取了密集建設基站的方式作為應對策略。5G基站本身對上行傳輸資源要求極高，隨著基站的增加，傳輸需求也會成倍增加。對于基站大量的上行回傳需求單純依靠光網絡進行承載建設成本過高，因此5G網絡自回傳方案的提出，可以有效解決回傳問題。通過對頻率資源的復用，用5G空口同時承載接入數據與回傳數據，不僅能提高基站選點的靈活性，節約光網資源，還能對網絡資源進行更高效靈活地分配。

2.干擾應對與管理

密集小基站的建設可以滿5G用戶在不同場景下的各種需求，同時也因為基站間距縮小使得小區之間重疊覆蓋區域大幅增加。雖然小基站功率已降低，也具有更加靈活的功率控制手段，但重疊區內用戶通常位于小區邊緣，主導小區的缺失使得信號干擾嚴重，用戶體驗也會急劇下降。密集小區在帶來容量提升的同時也帶來了嚴重的干擾問題，并且干擾會成為限制超密集組網區域內無線性能的主要因素。因此超密集組網環境下干擾管理技術將是本文重點討論的內容。

二、干擾應對策略

（一）干擾類型

無線通信中的干擾種類繁多，但最主要的干擾還是來至于同頻干擾。由于頻譜資源的有限性，無線傳輸帶寬需求日益增大，為了滿足傳輸需要，各個無線技術在組網時都采用了頻率復用的方式來提高頻譜效率。頻率復用帶來的問題就是不同小區同頻段信號被同時接收時會產生同頻干擾。

根據超密集組網的網絡結構，以及干擾來源的不同，可以將干擾分為以下兩種類型：

1.層內干擾：層內干擾是指來至同一覆蓋層，如宏基站與宏基站之間、微基站與微基站之間的干擾。在超密集組網中，蜂窩網網格縮小、基站密度的增大以及不規則的部署，都會使層內同頻干擾變得更為嚴重。

2.層間干擾：在超密集組網中采用了多層網絡結構，覆蓋范圍更大的宏基站層與微基站層及小基站層相互重疊，5G頻段帶寬有限，無法給每一層網絡分配獨立頻段，層與層之間的同頻干擾十分明顯。

（二）干擾應對策略

5G超密集組網中的干擾雖然是終端接收信號受影響，但干擾來源卻是存在于通信中的各個環節，因此在應對這些干擾時我們需要從信號源、傳播途徑及接收端多個方面考慮，最大化的減少或消除干擾。

從對干擾的處理方式上，可以分為三類策略：

1.干擾消除：干擾消除是指針對干擾產生原因，采取措施避免干擾的產生。通常可采用多址技術、跳頻技術、功率控制技術等消除干擾。

2.干擾抑制：干擾抑制是已經產生干擾后，在接收端對期望信號和干擾信號進行區分并對干擾信號進行抑制以提取更多有用信號。對于干擾的抑制，一是盡量分離有用信號與干擾，使得分離出的有用信號中干擾量更少。另外一種則是解構重構干擾信號，再從接收信號中去除對應干擾，從而獲得更純凈的有用信號。干擾對齊技術利用信道矩陣將干擾空間重疊后降低干擾信號占比，也是一種干擾抑制策略。

3.干擾利用：從傳播信道進行考慮，將干擾信號轉化為分集或多徑增益。5G系統采用了大規模天線技術，因此在超密集網絡中可以利用空間分集和波束賦型技術加強信噪比。

從考慮的環節不同，也可以分為三類策略：

1.信號源側：在信號源側考慮采用多址技術對用戶進行區分，降低干擾。多址技術包括時分多址TDMA、頻分多址FDMA、碼分多址CDMA。這些信道技術主要利用正交特性對干擾進行抑制。

2.傳播途徑中：在傳播途徑中則主要考慮波束賦型及功率控制技術。采用波束賦型進行空間濾波，同時協調小區間進行聯合傳輸。通過調整每個小區的傳輸功率來改善干擾影響，包括智能關斷技術。智能關斷技術根據超密集網絡中業務數據、用戶使用情況等變量動態地調整區域內基站開關狀態。關閉無服務需求的基站可以降低對鄰近小區的干擾。

3.接收端：在接收端主要考慮干擾抑制策略：通過合并算法抑制干擾或者通過干擾對齊矩陣使干擾空間重疊以減少干擾。

在超密集組網中，網絡結構的復雜性帶來容量的提升，也使得干擾變得復雜化和異構化。分析干擾形成的原因、帶來的影響并采取相應措施對于網絡的質量提升很有必要。

三、干擾管理方案分析

干擾管理是根據網絡運行情況及干擾類型的不同，在信號傳播的不同環節采取相應消除或抑制策略減少干擾的過程。由于超密集組網的異構性和復雜性，單一的干擾策略無法應對諸如小區業務及覆蓋不均衡、異構網分層覆蓋限制策略使干擾更加嚴重等問題。因此干擾管理方案是一系列干擾管理策略的集合。

超密集組網環境下不同網絡層的干擾更需要有效地協調機制，這使得集中式的管理模式下，對網絡資源占用會相當高，因此在超密集組網時考慮可以分布式管理來減輕系統負荷。

目前超密集組網中有效的干擾管理手段和策略多集中于以下幾種：

（一）資源分配策略

5G通信系統中的資源主要是頻率和功率，同時也是干擾形成最重要的因素，合理地分配資源不僅是提高資源利用率，也能有效地控制干擾。

在超密集組網環境中，可以根據場景的差異選取正交分配、全復用及部分復用等頻率分配策略。同時依據組網環境的差異，可以采用不同資源分配的算法。例如注水算法、博弈算法、自適應頻率分配算法、增強學習算法等，不同的算法有不同的應用場景和優缺點。注水算法需要依賴高質量的信道，適合信道質量差別不大的情況。信道質量差異過大會導致注水算法失效，無法降低干擾水平。博弈算法則具有適用性、反饋開銷低的特點，缺點則是信息的不全面會導致網絡性能有所損失。

（二）多點協同策略

多點協同傳輸（Coordinated Multiple Points， CoMP）策略是指通過物理存在的多個小區共享數據、信道狀態、調度等控制信息，采用協同傳輸、接收的方式到達多個小區間協作。終端會同時接收到多個小區的信號，進行相干合并后能夠消除干擾，提升系統整體性能。同時參與協作的小區越多，協作效果越明顯，但是對系統的要求也越高。

在實際的超密集組網環境中，基站數量及小區數量較多，使得對所有小區進行協調變得極其復雜。包括小區間協調的一致性、額外信號處理過程、復雜的波束成形設計以及調度過程會產生大量回傳鏈路等眾多問題。即使有諸多問題，CoMP仍然是5G超密集網絡減少小區間干擾的有效手段。

（三）分簇策略

通信系統中為了使系統增益最大化，通常會采用集中控制模式。在超密集組網場景下由于基站數量眾多提高了網絡結構的復雜度，集中控制模式也將面臨極其大量的交互信息，需要耗費系統開銷進行處理。分簇策略則是將網絡化繁為簡，將大網降級為小網，也就是簇進行控制管理，簇內的干擾管理則會更加有效。

分簇策略根據終端所在協作簇是否調整可分為靜態和動態兩種策略。

1）靜態分簇：系統初始指定協調簇，終端所在簇相對固定，不會隨網絡實時變化。其優勢在于復雜度較低，可以實現快速部署。靜態分簇的問題在于當小區內的基站部署和用戶位置發生移動時，協作簇并不會作相應變化，也就使協作效率下降而無法最大化消除干擾。

2）動態分簇：系統動態分配協作簇，同時根據用戶終端反饋的信息進行動態調整。在動態分簇策略下，同一小區內的終端所在簇可能不一樣，因此針對每個用戶的集群大小可以動態優化，從而得到最佳的平衡方案，最大化消除簇內干擾。與靜態分簇不同，當網絡發生變化時，系統也會做相應協作簇調整以持續保持最優狀態。缺點則在于動態的用戶反饋信息會增大分簇方案的復雜性，尤其是當用戶密集時，因此需要對調整范圍進行合理的控制。從動態分簇的特點可以看出，協作簇劃分算法的優化設計是分簇策略的關鍵問題。

（四）干擾對齊

干擾對齊技術是一種信道編碼技術，通過設計合理的編碼譯碼矩陣，使得信號接收端能夠更有效地解碼出有用信息，其本質也是干擾抑制技術。干擾對齊技術的核心思想是將信號矩陣劃分為兩部分：一部分為期望信號，一部分為干擾信號，同時設計出相應的預編碼矩陣，使得接收端收到的干擾信號重疊，從而壓縮干擾信號占用的系統容量，降低其對期望信號的影響。

干擾對齊雖然可以作為一種有效的干擾管理機制，但還處于研究階段，仍有很多問題需解決。

四、結束語

從前面的分析可以看出，5G超密集組網環境復雜，導致無線網內干擾嚴重，僅靠單一的技術難以解決網絡中的層內干擾和層間干擾問題。同時各種干擾應對技術和策略僅在某些方面具有較強優勢，但是難以全面的解決干擾問題。因此，我們需要通過分析主要干擾來源，通過干擾管理技術，最大化的減少或者消除5G超密集組網環境下的干擾，從而提升網絡性能，讓處于不同場景下的用戶都能得到極致的5G網絡體驗。

作者單位：秦奇? ? 四川通信科研規劃設計有限責任公司

參? 考? 文? 獻

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