朱南皓，張濤

（1.廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510310；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)覆蓋以及干擾的研究

朱南皓1，張濤2

（1.廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510310；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

基于LTE異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)特性進(jìn)行分析，論述了LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)基礎(chǔ)、組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和組網(wǎng)過(guò)程中的挑戰(zhàn)。從如何充分利用網(wǎng)絡(luò)性能的角度出發(fā)，詳細(xì)闡述了LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)組網(wǎng)問(wèn)題的最新技術(shù)方案。最后，總結(jié)并展望了LTE異構(gòu)網(wǎng)在未來(lái)組網(wǎng)中發(fā)揮的作用。

異構(gòu)網(wǎng) 小區(qū)范圍擴(kuò)展 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào) 增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào) 載波聚合

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.024

1 引言

4G LTE的推廣不僅是作為3G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，同時(shí)也使得運(yùn)營(yíng)商獲得了更新更高的頻譜資源來(lái)提供高速、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)，且LTE扁平化和全I(xiàn)P的系統(tǒng)構(gòu)架也為日后的升級(jí)及擴(kuò)展提供了便利?？紤]到3G和LTE無(wú)線(xiàn)通信的性能指標(biāo)已經(jīng)快要接近理論極限，因此對(duì)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提升將會(huì)是基于逐步演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)架。基于4G LTE-Advanced異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）的理念就是提升單位范圍內(nèi)的頻譜利用率。對(duì)于LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提倡各種功能性基站的混合使用，即通過(guò)宏基站（Macro）、微基站（Micro）、微微基站（Pico）、家庭基站（Femto）的混合布局形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。這種LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了靈活低成本的布局可能，并且為網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)提供了統(tǒng)一的寬帶使用體驗(yàn)。

本文首先通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)同構(gòu)網(wǎng)（Homogeneous Networks）和新型異構(gòu)網(wǎng)（HetNet）的論述來(lái)說(shuō)明LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)基礎(chǔ)、組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)以及遇到的挑戰(zhàn)；然后從充分利用網(wǎng)絡(luò)性能的角度出發(fā)，詳細(xì)地闡述了LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)負(fù)載分流不均衡和干擾控制等問(wèn)題的最新組網(wǎng)技術(shù)方案；最后總結(jié)并展望了LTE異構(gòu)網(wǎng)在未來(lái)組網(wǎng)過(guò)程中的必然趨勢(shì)和優(yōu)勢(shì)。

2 LTE異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)分析

2.1 傳統(tǒng)LTE組網(wǎng)限制

當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為典型的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)以Macro基站為中心的規(guī)劃布局而實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的核心是有詳盡規(guī)劃和部署的基站以及一系列用戶(hù)終端。所有這些精心規(guī)劃的基站都有著相近的發(fā)送功耗、天線(xiàn)模型、接收靈敏度、覆蓋范圍、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)回路連接，并且所有基站都可以為用戶(hù)提供平等非受限的網(wǎng)絡(luò)接入，服務(wù)數(shù)量相同的用戶(hù)終端，承載相同的數(shù)據(jù)流量和保證對(duì)等的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）性能。

圖1 LTE同構(gòu)網(wǎng)示例

對(duì)于Macro站點(diǎn)的選擇而言是通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的，這些基站的設(shè)置都需要合適的調(diào)試，以達(dá)到盡可能大的覆蓋范圍和控制好站點(diǎn)之間的干擾。當(dāng)負(fù)載需求增加和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通常是依靠小區(qū)分裂或者額外的載波來(lái)克服網(wǎng)絡(luò)容量和連接限制，并且保持用戶(hù)的統(tǒng)一體驗(yàn)品質(zhì)。但是，這種形式的部署不但復(fù)雜反復(fù)而且耗時(shí)耗力，再者就是Macro塔站點(diǎn)的部署和選擇在密集的城區(qū)變得越來(lái)越困難。因此，一種靈活便捷且以?xún)?yōu)化的成本獲得用戶(hù)最優(yōu)體驗(yàn)的站點(diǎn)部署模式已成為運(yùn)營(yíng)商急需解決的問(wèn)題。

2.2 LTE異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)信息理論原理，對(duì)于當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)中的單一站點(diǎn)的使用已可逐步達(dá)到最優(yōu)理論性能。所以，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將來(lái)更進(jìn)一步的性能增益會(huì)取決于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，即意味著把網(wǎng)絡(luò)更拉近用戶(hù)。LTE異構(gòu)網(wǎng)（HetNet）正是在傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中增加部署了一系列功能性多樣的小微型基站提升了頻率效率，從而發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)的最大利用價(jià)值。

如圖2所示，LTE異構(gòu)網(wǎng)通常以較高發(fā)送功率的Macro基站（5～40W）為基礎(chǔ)，輔以一些簡(jiǎn)單部署在Macro基站范圍內(nèi)的低功耗站點(diǎn)（100mW～2W），如Micro基站、Pico基站、Femto基站和少量的Relay中繼基站。

圖2 LTE異構(gòu)網(wǎng)示例

這些低功耗基站的分布可以有效地消除純Macro系統(tǒng)范圍內(nèi)的覆蓋盲點(diǎn)，并且也能同時(shí)提高熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)容量。對(duì)于部署策略上來(lái)說(shuō)，Macro主基站通常需要專(zhuān)業(yè)合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，而小微附屬基站（Micro/Pico/Femto/Relay）其部署特點(diǎn)是組成相對(duì)隨意的Ad Hoc方式的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，過(guò)程中不需要具備太多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，只要了解大體需要覆蓋的熱點(diǎn)區(qū)域即可完成部署。此外，小微基站的低功耗、低成本和設(shè)備微型化又進(jìn)一步方便了站點(diǎn)布局的堪選。

對(duì)比同構(gòu)網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)，同構(gòu)網(wǎng)的特點(diǎn)是每個(gè)站點(diǎn)范圍下的對(duì)應(yīng)用戶(hù)終端都有相近的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)其他站點(diǎn)發(fā)來(lái)的非目標(biāo)信號(hào)到達(dá)手機(jī)時(shí)，這些信號(hào)會(huì)被認(rèn)為是干擾信號(hào)而被濾除。相反，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，這種情況卻能在很大程度上促發(fā)次優(yōu)化性能。在這樣一種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，合理地使用一些技術(shù)方案和優(yōu)化策略如站點(diǎn)間智能化資源協(xié)調(diào)、最優(yōu)服務(wù)器選擇策略、先進(jìn)的干擾協(xié)調(diào)管理方案，都能提升潛在的網(wǎng)絡(luò)吞吐率和用戶(hù)體驗(yàn)，而且比傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢(shì)。

2.3 LTE異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)挑戰(zhàn)

通過(guò)引入混合型多節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方案，LTE異構(gòu)網(wǎng)為數(shù)據(jù)量不斷增加的無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)提供了有效的解決辦法。但是，就其組網(wǎng)過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)而言，主要來(lái)自以下2個(gè)方面：

（1）由于作為輔助功能的小微站點(diǎn)是低功率、弱覆蓋的，當(dāng)其位于宏基站覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，很難保證移動(dòng)終端的駐留，從而達(dá)不到負(fù)載分流的作用。

（2）異構(gòu)網(wǎng)中多類(lèi)型節(jié)點(diǎn)在重疊區(qū)域的共用會(huì)帶來(lái)頻譜資源使用的問(wèn)題，且彼此之間的通信質(zhì)量會(huì)受到相互的干擾。

因此，LTE異構(gòu)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣普及需要有適合的技術(shù)手段來(lái)保證更有針對(duì)性的問(wèn)題解決方案。下面將對(duì)當(dāng)前主要的4種技術(shù)方案進(jìn)行論述。

3 TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)方案

截至2013年，已經(jīng)約有90個(gè)國(guó)家的超250個(gè)運(yùn)營(yíng)商部署了或者正在部署4G LTE網(wǎng)絡(luò)，其中超40個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始商用。

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的逐步普及，其相關(guān)的技術(shù)方案也在不斷進(jìn)行演進(jìn)，理論和實(shí)踐的結(jié)合都證明了其可行性。當(dāng)前主要的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)方案有4種：CRE（Cell Range Expansion，小區(qū)范圍擴(kuò)展）技術(shù)用以保障網(wǎng)絡(luò)在切換和重選時(shí)更多地駐留輔助的小微站點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的分流；ICIC（Inter-Cell Interference Coordination，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）、eICIC（enhanced Inter-Cell Interference Coordination，增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）以及CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術(shù)則用以控制干擾和協(xié)調(diào)優(yōu)化頻譜資源。

3.1 小區(qū)范圍擴(kuò)展（CRE）

移動(dòng)終端在進(jìn)行小區(qū)選擇、重選時(shí)，一般是根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度（RSRP/RSRQ）來(lái)決定所在小區(qū)的駐留。而對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)，低功率站點(diǎn)的發(fā)射功率較低，因此移動(dòng)終端對(duì)這種節(jié)點(diǎn)的參考信號(hào)接收功率（RSRP）也會(huì)相應(yīng)的偏低。故只有非常接近低功率站點(diǎn)的用戶(hù)才會(huì)偏向選擇低功率的小微站點(diǎn)，否則選擇宏基站的用戶(hù)數(shù)將遠(yuǎn)大于小微站點(diǎn)用戶(hù)數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致小微站點(diǎn)資源沒(méi)有獲得充分利用，而宏小區(qū)卻負(fù)載過(guò)重，資源競(jìng)爭(zhēng)激烈。所以，在LTE異構(gòu)網(wǎng)中有必要改變小區(qū)切換和重選策略，讓更多移動(dòng)終端選擇駐留低功率小微節(jié)點(diǎn)為服務(wù)小區(qū)，保證小區(qū)分裂增益的最大化，以提升全網(wǎng)總體性能。

基于以上的情景，小區(qū)范圍擴(kuò)展（CRE）技術(shù)方案的核心就是以差別補(bǔ)償值的手段進(jìn)行小區(qū)選擇。其思路是給低功率小微節(jié)點(diǎn)的RSRP加上一個(gè)大于0的正值，而對(duì)宏小區(qū)的RSRP進(jìn)行數(shù)值為0的補(bǔ)償，從而降低小微節(jié)點(diǎn)的接入門(mén)檻，增大移動(dòng)終端選擇其作為服務(wù)小區(qū)的概率。其簡(jiǎn)單的概念如圖3所示：

圖3 小區(qū)范圍擴(kuò)展（CRE）

3.2 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）

為了使用戶(hù)在信號(hào)較強(qiáng)的宏小區(qū)內(nèi)獲得低功率小微節(jié)點(diǎn)的接入服務(wù)，小微站點(diǎn)如Pico需要實(shí)現(xiàn)與主要的Macro宏基站在數(shù)據(jù)信道和控制信道的干擾協(xié)調(diào)，因此ICIC對(duì)LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)就有很實(shí)際的意義。ICIC的基本理念是有關(guān)一些在相互干擾小區(qū)內(nèi)的資源協(xié)調(diào)處理方式，所涉及的主要是在頻域范圍、時(shí)域范圍和空間域范圍。其中頻域和時(shí)域使用得較多，也是本文研究討論的重點(diǎn)，對(duì)于空間域的特性可以參考3GPP R11的CoMP相關(guān)內(nèi)容。

頻域范圍的干擾控制方式分為3種：HFR（Hard Frequency Reuse，硬頻率復(fù)用）、FFR（Fractional Frequency Reuse，部分頻率復(fù)用）和SFR（Soft Frequency Reuse，軟頻率復(fù)用）。

（1）硬頻率復(fù)用

如圖4（a）所示，此復(fù)用方法是將整個(gè)頻域帶寬分為幾個(gè)相互之間沒(méi)有交疊的部分，其使用原則是每小區(qū)只占用其中某一部分，同時(shí)相鄰小區(qū)使用不同部分，以抑制相鄰小區(qū)之間的干擾，提高邊緣用戶(hù)的SINR和系統(tǒng)的吞吐量。不足的是該方法降低了頻譜利用率。

（2）部分頻率復(fù)用

如圖4（b）所示，頻譜資源分為兩大部分：第一部分用于所有小區(qū)的中心區(qū)域，該區(qū)域的移動(dòng)終端受干擾少、信噪比較高，因此其所需的與服務(wù)小區(qū)通信的功率也會(huì)相應(yīng)變小，整個(gè)頻段都可以被用戶(hù)使用，從而有較高的頻譜利用率；第二部分再將剩余的頻譜分為若干子集用于小區(qū)邊緣，由于邊緣用戶(hù)的路損較大，通常需要滿(mǎn)功率發(fā)送數(shù)據(jù)，所以只能對(duì)整個(gè)可用頻帶的一部分進(jìn)行使用。為減少小區(qū)間干擾，還需要保證鄰近小區(qū)邊緣所使用的頻帶不交疊。

（3）軟頻率復(fù)用

如圖4（c）所示，在整個(gè)頻帶資源都可以使用的基礎(chǔ)上，該復(fù)用會(huì)對(duì)每小區(qū)分配出一部分頻譜，采用高發(fā)射功率為中心用戶(hù)提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。而其余的頻譜資源則采用較低的發(fā)射功率，保證邊緣用戶(hù)獲得服務(wù)的同時(shí)減小對(duì)其他小區(qū)邊緣用戶(hù)的干擾。

相對(duì)于頻域而言，時(shí)域?qū)用嫔系母蓴_控制核心就是Macro宏站和小微站使用不同子幀資源進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，雖然這種方法降低了可用資源，但是其實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單直接。下文中eICIC技術(shù)方案就是在時(shí)域上控制干擾的典型應(yīng)用。

3.3 增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（eICIC）

作為ICIC的增強(qiáng)版本，eICIC在3GPP LTE-Advanced R10中正式發(fā)布。eICIC的主要核心也是對(duì)資源的分割利用，并且也繼承了ICIC的所有特點(diǎn)并進(jìn)一步增強(qiáng)其性能。這里以時(shí)域的資源分割為例，如圖5所示。首先Macro宏基站在下行信道發(fā)送一系列子幀，其中一部分是ABS（Almost Blank Subframe，幾乎空白子幀）。Pico趨向于在空白子幀的時(shí)隙上調(diào)度小區(qū)邊緣的UE，而其他的時(shí)隙用于調(diào)度小區(qū)內(nèi)的UE。同時(shí)，Macro宏小區(qū)和其嵌入的Pico小區(qū)需要在子幀的時(shí)隙上同步。

圖4 ICIC頻域控制方式

圖5 eICIC時(shí)域控制方式

3.4 載波聚合（CA）

作為L(zhǎng)TE異構(gòu)組網(wǎng)中的另一關(guān)鍵技術(shù)方案，載波聚合（CA）主要用于解決頻譜利用率的問(wèn)題。該技術(shù)能將多個(gè)載波（連續(xù)或非連續(xù)）聚合成更大的帶寬，同時(shí)移動(dòng)終端可以接入多個(gè)載波，并在多載波上進(jìn)行高速的下行數(shù)據(jù)傳輸，從而獲得更好的用戶(hù)感知。圖6簡(jiǎn)要地描述了CA的工作方式：

圖6 載波聚合（CA）工作方式

該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）幫助運(yùn)營(yíng)商對(duì)離散的頻譜資源進(jìn)行有效地整合利用。

（2）移動(dòng)終端可以對(duì)載波上空閑的多個(gè)RB（Resource Block，資源塊）進(jìn)行利用，保證了最大化的資源利用率。

（3）對(duì)于應(yīng)對(duì)干擾問(wèn)題，CA可以把控制信息放在信道質(zhì)量好的載波上進(jìn)行發(fā)送，以增強(qiáng)控制信道的魯棒性傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)需要提供了一種切實(shí)有效的解決辦法。通過(guò)簡(jiǎn)易規(guī)劃和快速布局的模式加入廉價(jià)且可以自我配置的如Micro、Picos、Femto和Relay這樣的小型基站，使得LTE異構(gòu)網(wǎng)以高效且易擴(kuò)展的組網(wǎng)特性有力地增強(qiáng)了當(dāng)前無(wú)線(xiàn)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

與此同時(shí)，LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)。例如，由于小微型基站的有限覆蓋力，導(dǎo)致了移動(dòng)終端在宏基站和小微型基站環(huán)境下的非均衡服務(wù)。不過(guò)該問(wèn)題已經(jīng)可以通過(guò)CRE方案獲得較好的解決，其通過(guò)引入覆蓋偏移量的方式提升了小微基站的使用率，從而降低宏基站的負(fù)擔(dān)，使得服務(wù)均衡化。另外，對(duì)于解決異構(gòu)網(wǎng)中的干擾問(wèn)題，ICIC、eICIC以及CA方案都提供了有效的解決辦法。

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Research on Coverage and Interference for TD-LTE Heterogeneous Network

ZHU Nan-hao1, ZHANG Tao2

(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Planning and Design Institute, Guangzhou 510310, China;2. China United Network Communications Co., Ltd., Xinjiang Branch, Urumqi 830000, China)

Based on the analysis of networking feature of LTE heterogeneous network (HetNet), the fundamental architecture,networking advantages and corresponding challenges of LTE HetNet are described in this paper. From the perspective of network performance, the latest technical solutions to networking of LTE HetNet are elaborated.Finally, the significance of LTE HetNet in future networking is concluded and looked forward.

heterogeneous network cell range expansion inter-cell interference coordination enhanced inter-cell interference coordination carrier aggregation

TN929.5

A

1006-1010(2015)03-0107-05

朱南皓,張濤. TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)覆蓋以及干擾的研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(3/4): 107-111.

2014-12-15

袁婷 yuanting@mbcom.cn

朱南皓：工程師，工學(xué)博士畢業(yè)于法國(guó)里昂中央理工大學(xué)，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)任職于廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作。

張濤：工程師，管理學(xué)學(xué)士畢業(yè)于新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)建設(shè)管理，現(xiàn)任職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司新疆分公司，主要從事網(wǎng)絡(luò)建設(shè)管理工作。