苗小康 沈 嘉 宋令陽(yáng) 焦秉立

【摘要】文章對(duì)異種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各種類型的發(fā)射節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景作了介紹，分析了異種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中小區(qū)間干擾面臨的新挑戰(zhàn)，重點(diǎn)闡述了采用CoMP技術(shù)以及跨層資源調(diào)度的方法對(duì)異種網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)。

【美鍵詞】LTE Advanced異種網(wǎng)絡(luò)干擾協(xié)調(diào)CoMP跨層資源調(diào)度

1引言

有統(tǒng)計(jì)表明，未來(lái)80％～90％的系統(tǒng)吞吐量將發(fā)生在室內(nèi)和熱點(diǎn)場(chǎng)景。但是傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)技術(shù)具有“重室外、輕室內(nèi)”?！爸胤涓C組網(wǎng)、輕孤立熱點(diǎn)”，“重移動(dòng)切換、輕固定游牧”等特點(diǎn)，LTE Advanced的工作重點(diǎn)之一就在對(duì)室內(nèi)和熱點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)此許多公司都提出了相應(yīng)的技術(shù)方案，其中異種網(wǎng)絡(luò)(heterogeneous networks)能很好地滿足LTE Advanced提出的要求。異種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引進(jìn)一些相對(duì)于傳統(tǒng)的小區(qū)基站發(fā)射功率更小的發(fā)射節(jié)點(diǎn)，包括微微蜂窩(Picocell)、亳微微蜂窩(Femtocells)以及用于信號(hào)中繼的中繼站(Relay)。這些節(jié)點(diǎn)的引入可以為室內(nèi)和熱點(diǎn)場(chǎng)景的覆蓋提供很好的保障；這些節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率小，便于靈活地部署網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍小?？梢愿臃奖愕乩肔TE Advanced潛在的高頻段頻譜。但是新的節(jié)點(diǎn)的引入改變了原來(lái)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的小區(qū)間干擾成為一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

2分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)介紹

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，按照小區(qū)覆蓋范圍的大小，可以將小區(qū)分成宏小區(qū)、微微蜂窩小區(qū)、毫微微蜂窩小區(qū)，以及用于信號(hào)中繼的中繼站。宏小區(qū)基站相當(dāng)于傳統(tǒng)的小區(qū)基站，微微蜂窩小區(qū)主要面向辦公室和企業(yè)用戶，毫微微蜂窩小區(qū)主要面向家庭用戶。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)ABI公司2009年7月預(yù)計(jì)，到2013年全球?qū)⒉渴?6.6萬(wàn)個(gè)Picocell基站。Femtocell是一種家庭基站技術(shù)，主要用來(lái)解決家庭室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題。它具有運(yùn)行于IP協(xié)議、通過(guò)用戶IP寬帶網(wǎng)接入運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)核心網(wǎng)和超小型化、即插即用等創(chuàng)新特性。

Femtocell又被稱作家庭基站(HeNB。Home eNB)，在LTE Advanced中又被稱為封閉用戶群(CSG，CloseSubscribe r Group)。Relay技術(shù)是在原有站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一些新的Relay站(或稱中繼節(jié)點(diǎn))，加大站點(diǎn)和天線的分布密度。相比于Picocell~Femtocell，Relay；~LTEAdvanced中被研究得更多。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)有效支持寬帶多媒體用戶對(duì)高數(shù)據(jù)速率的要求，提供良好的用戶體驗(yàn)。

(2)LTE Advanced潛在的部署頻段包括450MHz～470MH z、698MHz～86 2MHz、790MHz～862MHz、2.3GHz～2.4GHz、3.4GHz～4.2GHz、4.4GHz～4.99GHz，大量潛在的頻段集中在3.4GHz以上的較高頻段。高頻段的路徑損耗和穿透損耗都比較大，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)縮短了用戶和基站之間的距離，更加便于利用這些高頻頻段。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)：

(1)在原來(lái)的小區(qū)范圍之內(nèi)引入了新的發(fā)射節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于引進(jìn)了新的干擾源，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

(2)對(duì)于引進(jìn)的新的發(fā)射節(jié)點(diǎn)，除了層1的小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)外，對(duì)于層2和層3，還需要設(shè)計(jì)與之相關(guān)的公共信道、控制信道、協(xié)議結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程，在一定程度上增加了復(fù)雜度。

3分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾的新場(chǎng)景

3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斐傻母蓴_場(chǎng)景

在一個(gè)傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)的小區(qū)內(nèi)引入很多不同類型的小區(qū)，對(duì)于宏小區(qū)的基站來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于小區(qū)內(nèi)部增加了許多“小區(qū)邊緣”，增加了整個(gè)小區(qū)內(nèi)干擾協(xié)調(diào)的復(fù)雜度。

對(duì)于封閉用戶群基站來(lái)說(shuō)。由于其部署有很大的隨意性，小區(qū)形狀不規(guī)則，兩個(gè)不同的家庭基站HeNB的覆蓋范圍可能會(huì)有很大程度的重疊，在不同的家庭基站之間協(xié)調(diào)干擾也是一個(gè)新的問(wèn)題。

3.2不同類型小區(qū)基站發(fā)射功率不同所造成的干擾場(chǎng)景

正如表1所列的那樣，不同類型的基站發(fā)射功率相差很大，在一個(gè)Picocell或者Femtocell中通信的UE，其接收到來(lái)自于Picocell或者Femtocell基站發(fā)射的功率可能小于來(lái)自于宏小區(qū)基站的發(fā)射功率，Picocell=或Femtocell內(nèi)的UE接收到很強(qiáng)的干擾。這種干擾可以通過(guò)本文第4部分提供的子載波分割以及資源調(diào)度的方法進(jìn)行協(xié)調(diào)減弱。

3.3小區(qū)間切換所造成的干擾場(chǎng)景

在LTE Rel-8中，UE選擇接入小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)是其接收到功率的大小，選擇接入到接收的功率大的基站，即僅僅從下行鏈路的質(zhì)量來(lái)確定。而對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，UE處在PicocelI或者Femtocell合理的覆蓋范圍之內(nèi)，但是其接收到的來(lái)自PicocelI或Femtocell基站的功率依然小于來(lái)自Macrocell的基站，特別是對(duì)于靠近小區(qū)邊緣的UE更是如此。如果仍然按照Rel-8的標(biāo)準(zhǔn)，那么微型小區(qū)的覆蓋范圍會(huì)非常小，達(dá)不到設(shè)計(jì)的目的。

從上行鏈路的角度來(lái)衡量。UE選擇接八微型小區(qū)其路徑損耗會(huì)更小。如果把上行鏈路中接入路徑損耗大小作為接入標(biāo)準(zhǔn)的話，微型小區(qū)的覆蓋范圍會(huì)擴(kuò)大，那么微型小區(qū)中UE以及基站的發(fā)射功率都會(huì)增大，會(huì)對(duì)宏小區(qū)中其他用戶造成很大的干擾。

4異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

4.1通過(guò)CoMP實(shí)現(xiàn)

CoMP。協(xié)同多點(diǎn)傳送和接收(Coo rdinated MultiplePoint Transmission and Reception)是LTE Advanced系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的技術(shù)。結(jié)合CoMP技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的方法有：

(1)頻分復(fù)用的方法

利用CoMP技術(shù)中uE的測(cè)量和反饋機(jī)制，設(shè)計(jì)出頻分復(fù)用的方法消除異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾。Picocell和FemtocelI覆蓋的范圍小，發(fā)射功率小，LTE Advanced系統(tǒng)可以將某些潛在的高頻頻段分配給這些基站，這些頻段在不同的距離比較遠(yuǎn)的Picocell和FemtocelI之間還可以復(fù)用。當(dāng)UE接近某個(gè)微型小區(qū)的基站時(shí)，uE和微型小區(qū)的基站及宏小區(qū)的基站進(jìn)行通信。申請(qǐng)進(jìn)入微型小區(qū)，并在宏小區(qū)的基站登記，之后UE就可以切換到較高頻段的微型小區(qū)。

(2)波束成形的方法

本文所描述的波束成形的方法，特別適用于覆蓋小區(qū)范圍小和服務(wù)用戶少、小區(qū)內(nèi)用戶移動(dòng)性穩(wěn)定的情況，可以通過(guò)空口實(shí)現(xiàn)信令的交互，簡(jiǎn)單實(shí)用。其過(guò)程如下：

a)基于效用函數(shù)(效用的形成參考文獻(xiàn)[14]，基于頻譜效率、交互的容量和延遲、CSIT的準(zhǔn)確程度、UE的優(yōu)先級(jí)、UE處理能力、網(wǎng)絡(luò)容量等)，UE分配到一定的無(wú)線資源并正常通信，基站給小區(qū)邊緣受到干擾的UE發(fā)送空間反饋信息請(qǐng)求SFI-REQ(Spatial Feedback Information

Request)，請(qǐng)求信息向UE指示了干擾小區(qū)。圖2(a)中Celll和Cell2分別向UElll和U巳，發(fā)送了SFI-REQ。

b)接收到SFI-REQ的uE向一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)小區(qū)(即干擾小區(qū))發(fā)送空間反饋信息SFI，SFI中包括信道方向信息CDf(Channel Direction Information)以及效用。圖2(b)中UE1.1和UE2.1分別向目標(biāo)小區(qū)Cell2和Cell1發(fā)送SFI。

c)接收到SFI后，eNB對(duì)資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，決定發(fā)射功率以及波束，并對(duì)原來(lái)設(shè)定的資源分配進(jìn)行調(diào)整。向特定的用戶群發(fā)送資源質(zhì)量信息請(qǐng)求RQI-REQ(ResourceQuality Information Request)，并向小區(qū)內(nèi)廣播資源質(zhì)量指示信號(hào)RQI-RS(Resource Quality Indication ReferenceSiganl)，指稱適合UE測(cè)量特點(diǎn)的資源塊中的信道質(zhì)量以及干擾的大小。在圖2(c)中，由于Cell2接收的UE1，的SFI中的效用高于UE21，所以Cell“屈服”于Cell，將波束指向了uE2.2，并向其發(fā)送了RQI-REQ信息，UE會(huì)分配新的資源塊來(lái)滿足其要求。兩個(gè)eNB都向小區(qū)內(nèi)廣播了RQI-RS。

d)UE分別向eNB回復(fù)資源質(zhì)量信息RQI，eNB根據(jù)接收到的RQI信息再次進(jìn)行資源調(diào)度，完成數(shù)據(jù)通信。

4.2通過(guò)跨層資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)

除了采用CoMP的方法消除異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，還可以采用跨層優(yōu)化和資源調(diào)度。實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配。降低異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的干擾。

(1)子載波分配的方法

在一個(gè)小區(qū)中，把可以使用的子載波的集合進(jìn)行分配，一些子載波的集合分配給Picocell使用，一部分分配給MacrocelI使用。依照信道的質(zhì)量信息，對(duì)子載波的分配可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是這種調(diào)整是比較慢的。存在干擾的可能情況在于不同的小區(qū)分配的子載波方式不同，可能在小區(qū)邊緣造成干擾。

(2)功率控制的方法

除了將子載波進(jìn)行分配之外，利用功率控制的方法，也可以降低異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的干擾?？梢詫⒆虞d波分成如下三種子類：

◆無(wú)功率限制的開放接入載波

MacrocellFrl]Picocel呵以用最大功率發(fā)射；

不能被封閉用戶群CSG(HeNB)用作PSC、SSC、PBCH和PDCCH信道。

◆有功率限制的開放接入載波

Macrocell必須用限定的低功率發(fā)射；

Picocell可以用最大功率發(fā)射；

不能被封閉用戶群CSG(HeNB)用作PSC、SSC、PBCH和PDCCH信道。

◆低功率的封閉接入載波

可以被Macrocell、PicoceII以及CSG使用(由于CSG基站的發(fā)射功率都很小，所以其他類型的基站在使用這些載波的時(shí)候。其發(fā)射功率都是受到限制的)。

如圖3所示。子載波1和3是無(wú)功率限制的開放接入子載波，Macrocell和Picocell都可以最大的功率發(fā)射(Macrocell的最大功率比Picocell的最大功率大16dB)；子載波2是有功率限制的開放接入載波，Picocell可以用最大功率發(fā)射，Macrocell必須以受限的功率發(fā)射。

在圖3中，Picocell為UEO和UEl提供服務(wù)，Macrocell為UE2和uE3提供服務(wù)，它們可以分配的子載波都是子載波1、2和3。UE0距離Macrocell的基站比較遠(yuǎn)。接收到來(lái)自Picocell的功率大于來(lái)自于Macrocell的功率，為其分配子載波1或者子載波3；UEI距離Macrocell比較近，為其分配功率受限的子載波2；UE2處在Macrocell的中心位置，為其分配子載波2。這樣就能保證UE2的通信質(zhì)量，子載波2覆蓋的范圍只在基站的中心，對(duì)其他UE的干擾很小；UE3不能被子載波2覆蓋，只能為其分配子載波1和3。由于Picocell的發(fā)射功率小，所以對(duì)UE3的干擾也很小。

結(jié)合上面干擾協(xié)調(diào)的要求，再把不同UE不同業(yè)務(wù)的QoS要求、整個(gè)小區(qū)系統(tǒng)容量和臨近的Macrocell內(nèi)的資源分配都考慮進(jìn)來(lái)，可以設(shè)計(jì)出更好的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度的算法。這在LTE Advanced系統(tǒng)中也是研究的重點(diǎn)。由于要準(zhǔn)確地測(cè)量信道質(zhì)量和接收功率，不同的發(fā)射節(jié)點(diǎn)要實(shí)時(shí)更新共享信息，信令設(shè)計(jì)以及UE、eNB的計(jì)算復(fù)雜度都會(huì)增加。

5總結(jié)和展望

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是為了滿足LTE Advanced系統(tǒng)中熱點(diǎn)場(chǎng)景和室內(nèi)通信需求而提出來(lái)的。主要方式是在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入一些覆蓋范圍和發(fā)射功率都很小的節(jié)點(diǎn)。它具有靈活的布網(wǎng)方式、較高的頻譜效率，為用戶提供高質(zhì)量多類型的數(shù)據(jù)服務(wù)，是非常有前景的技術(shù)方案。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)還面臨很多挑戰(zhàn)，諸如在小區(qū)間采用CoMP技術(shù)，由于相鄰的小區(qū)的類型不相同，uE的信道測(cè)量和反饋需要重新定義。UE對(duì)接收功率以及信道估計(jì)的精確性需要提高。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)，是小區(qū)之間的接口的容量和可靠性問(wèn)題。