Femtocell网络干扰抑制技术综述*

鲁蔚锋，祁彦川 ，何利文，陈思光

（1.南京邮电大学计算机学院 南京 210003；2.南京邮电大学物联网学院 南京 210003；3.江苏省无线传感网高技术研究重点实验室 南京 210003；4.宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室 南京 210003）

1 引言

随着最近几年信息化社会的飞速发展，通信行业不断革新，智能手机功能越来越全面，导致通信数据量不断提升，用户对通信信号覆盖以及通信速度和质量的要求越来越高。据相关研究表明，50%的语音业务和70%的数据业务都发生在室内环境下[1]。但是城市内高楼林立，市区内宏基站（macrocell）信号受阴影效应、多径效应、干扰以及接收机位置敏感等诸多不利因素影响，尤其是房屋墙壁对高频段的无线信号的穿透损耗影响较大，用户设备直接依靠室外macrocell的信号穿透覆盖效果较差，远远无法满足用户的需求。家庭基站（femtocell）的出现则可以有效解决室内覆盖等问题。

femtocell又称HeNB，是一种室内部署的低功率、覆盖范围较小、系统容量大、传输速率高、价格低廉、设置简单的基站，其主要部署在办公室、家庭、室内娱乐场所等。femtocell可以看成迷你版的macrocell，macrocell的覆盖半径可达几十千米甚至上百千米，而femtocell的覆盖范围只有几十米，但是它们的工作频段、空中接口协议、帧结构等都无差异。femtocell可以通过住宅在建设之初就部署好的DSL等有线设备通过互联网与运营商核心网连接，降低部署成本，同时由于发射机与接收机之间的距离大大缩短，传输质量和速度将会有极大的提高。然而通信设备之间的干扰问题同样也影响着femtocell的性能发挥，如何处理femtocell干扰问题也是现今的热门讨论问题之一[2]。

干扰管理类型根据对干扰问题的处理方式可以分为:干扰消除、干扰协调以及干扰抑制[3]。

干扰消除是指通信信号到达接收端后通过解调或者解码信息将接收到的信号中的干扰直接消除的技术。干扰消除技术需要预先知道通信信号的特性以及接收端天线的阵列布置才能达到消除干扰的目的，对接收端设备的要求较高，用户设备一般无法满足条件，通常用于对基站的通信，如上行线路中用户设备对基站的通信。干扰协调，又称干扰回避技术，是指通过对下行资源例如频率的分配或者发射功率的设置来协调。

多个小区间的通信覆盖，回避小区间的干扰，代表技术有功率控制、频域时域等资源划分[4]。而干扰抑制技术则是采用波束成形、干扰随机化、预编码等方法对已知的干扰问题进行干扰信号中和或者多用户共同分担来达到抑制干扰的目的。

2 femtocell的部署以及网络结构

femtocell典型的部署场景如图1所示，femtocell连接到局域网等宽带上，由专用网实现从IP网络到运营商核心网的连接，将家庭宽带业务与移动电话业务进行有效融合，同时还将macrocell的部分负载分流到相对便宜的IP网络中，有利于运营商的网络优化[5]。而从参考文献[6]中了解到家庭基站的网络根据相应的协议规定必须满足如下要求。

·支持 CSG（closed subscriber group，封闭用户组）和allowed CSG（已授权的封闭用户组）列表处理:用户设备需要维护一张allowed CSG列表，该列表一般存储在 HSS（home subscriber server，家庭用户服务器）中，列表初始为空，即该用户设备不存在于任何CSG中。连接到同一个femtocell的用户设备则属于同一个CSG，每个用户设备可以同时属于不同的CSG，allowed CSG列表的信息则作为用户的签署信息，因此每个用户设备对应有不同的CSG ID。当用户离开某个CSG时，则在该列表中删除对应的CSG ID，反之当用户成功加入某个CSG时，将其在该CSG对应的CSG ID加入列表。

·接入控制:核心网的MME（mobility management entity,移动管理实体）网元可以对用户设备执行接入控制，用户设备根据allowed CSG列表选择某一个CSG ID连接对应的CSG的时候需要触发TAU（tracking area update，跟踪域更新）来允许 MME执行接入控制。

·移动性管理:非CSG小区以及各不同CSG ID的CSG小区都可以使用相同或者不同的TAI（tracking area indicator，跟踪域标识），TAI的分配不应该有任何限制，以方便用户设备在多小区之间的切换。

图1 femtocell典型的部署场景

[7]中可以得知femtocell的网络架构如图2所示，满足以上3点要求并且每个设备之间都有按照3GPP规定的标准接口连接。femtocell与HeGW之间的安全性网管可提供S1接口信令和用户数据的聚合服务。C1接口可使用OTA（over the air）方式更新UE的allowed CSG列表。UE和femtocell之间的标准接口是LTE-Uu，与UE和macrocell之间的接口完全一样。MME以及SGW （服务网关）网元之间的标准接口是S11，而S6a则为MME网元与HSS之间的标准接口。

图2 femtocell网络架构

3 femtocell网络干扰抑制技术

从参考文献[8]可以了解到，3GPP对 femtocell网络中的干扰场景定义通常有6种，如图3中标号所示。

（1）femtocell用户上行干扰 macrocell:macrocell用 户在上行信道传输数据到macrocell时受到来自femtocell用户的干扰。

（2）femtocell下行干扰 macrocell:macrocell在下行信道传输数据到macrocell用户时受到来自femtocell的干扰。

图3 femtocell网络中的干扰场景

（3）macrocell用户上行干扰 femtocell:femtocell在上行信道接收来自其用户的通信信号时受到macrocell的用户干扰。

（4）macrocell下行干扰 femtocell用户:femtocell用户在下行信道接收来自femtocell的通信信号时受到macrocell的干扰。

（5）femtocell用户上行干扰其他 femtocell:femtocell用户在上行信道传输数据到femtocell时受到隶属于不同femtocell的用户的干扰。

（6）femtocell下行干扰其他 femtocell用户:femtocell用户在下行信道接收femtocell通信信号时受到来自其他femtocell的干扰。

图3中无标号的线条是正常通信信道，而（1）～（4）皆属于跨层干扰，是femtocell网络与macrocell网络不同层次之间的干扰，（5）、（6）是同层干扰，指的是各 femtocell相互之间网络覆盖所产生的相同网络层的干扰。

上述干扰问题通常是基于用户与各基站之间的距离问题以及网络覆盖面所导致的远近效应产生的。例如离macrocell较近的femtocell用户会受到macrocell大功率的信号干扰，造成严重的跨层干扰。而离macrocell较远的macrocell用户（如边缘地区）容易受到附近的femtocell的信号功率过高，覆盖macrocell的信号，而造成的跨层干扰。一定区域内femtocell密度较大，如公寓等地，则femtocell之间由于功率和距离等问题也会产生相同严重程度的同层干扰问题[9]。

3.1 常用干扰管理技术

参考文献[10]介绍常用的干扰管理方案如下。

（1）功率控制方案

采用基于路径损耗的算法自行调整femtocell的功率，以减少对附近femtocell用户的干扰；或基于macrocell与femtocell的距离控制功率减少对macrocell用户的干扰。

（2）上层调度方案

设置中心控制器对多个femtocell集中调度，以减少femtocell之间的干扰，对macrocell进行交互干扰和资源分配信息以降低干扰。

（3）频率复用方案

主要用于解决在信道不够用的情况下，多小区之间共用信道或采用邻近信道所导致的边缘区域用户受到相邻小区干扰的问题。传统频率复用的主要目的是划分频率领域，与周边的femtocell采用不同的频率以避免互相干扰，或采用正交频率以减少macrocell与femtocell之间的干扰。在传统频率复用技术的基础上诞生了SFR（soft frequency reuse，软频率复用）和 FFR（fractional frequency reuse，部分频率复用）两种特殊的频率复用技术。在传统频率复用里，一个频率在小区中定义为可用或不可用，以避免与邻近小区产生干扰，而SFR则是通过调整发射功率来定义不同频率在该小区中的使用程度，在解决干扰问题的同时节约了信道资源，提高了频率利用率[11]。而FFR的核心思想则更为简单，把频率分为两个部分，一部分做同频复用，另一部分则采用复用因子复用，频率复用因子表示一个频率复用簇中频点的数量，因子越大则表示复用的距离越大，部分频率复用的复用因子一般选择为3。从参考文献[12]了解到，FFR分为静态和动态两种模式，静态模式是假定网络中的负载和通信流量情况来进行频率划分复用，动态模式则根据实际的运行状况通过调度算法实时的调整频率来划分。

在一般的通信网络环境中，运营商可以通过上述干扰管理方案消除同层或者跨层干扰提高信号质量，但在不同的网络环境中以及复杂的干扰情况下，这些传统干扰抑制方法需要进一步的发展和深入，有必要结合femtocell的网络特性以及干扰环境对干扰抑制方案进行分析，下面将基于MIMO、OFDM以及OFDMA系统中femtocell的网络特性综述干扰抑制方法。

3.2 基于MIMO的干扰抑制技术

MIMO（multiple-input multiple-output，多输入多输出）技术是指在发射端和接收端同时采用多根天线，每根天线对应一个通道，每个信号采用不同的发射天线进行传输，同时接收端也采用相关技术进行信号收集和分离，使得在一定的信道频段上通信容量将随着天线数量的增加而成比例地增加。MIMO通过散射来标识信道的特点使得其能显著地克服多径衰落，非常适合在市区高楼等地部署。根据MIMO在基站和用户之间对应关系的不同，可以分为SU-MIMO和MU-MIMO两类。从参考文献[13]了解到，基于MIMO的相关干扰技术有以下几种，并且在femtocell网络中有良好的实用价值。

3.2.1 SU-MIMO干扰抑制技术

SU-MIMO干扰抑制技术有以下3种。

（1）动态波束成形技术

动态波束成形技术是最重要的MIMO技术之一。普通的扇区天线形成的波束覆盖整个扇区，因此必定会和相邻小区的扇区波束重叠造成小区间干扰，而波束成形则可以指向用户设备，发射窄波束，因此只有在相邻小区的波束发生碰撞的时候才会有小区间干扰。动态波束成形技术可以动态地通过对信号发射权值的调整，使得所有信号同时到达接收端，形成一次强力脉冲信号的效果，可以提高频谱利用率和空间利用率。在femtocell和macrocell的发射端，每根天线发射相同的信息，根据MRT（maximum ratio transmission，最大比输出）调整权值。在接收端根据MRC（maximum ratio combination，最大比合并）设置天线权值，对每根天线接收到的信号进行相关线性组合来得到最佳接收信号。参考文献[14]给出了一种自适应性的波束成形技术，主要针对femtocell对MUE （macrocell user equipment，宏基站的用户设备）产生的干扰问题。HeNB与受到干扰的MUE之间有相关连接，HeNB可以通过MUE反馈的干扰信息调整自身数值，利用波束成形的强力脉冲与HeNB的用户连接，避免信号的散射对MUE用户产生干扰。

（2）正交空时编码技术

正交空时编码是比较成熟的MIMO分集技术之一。其特点是在空间域和时间域两维上对信号进行编码，将编码技术和阵列技术有机结合起来实现空分多址，从而有效地提高了系统的抗衰落性能，同时利用分集技术来提高数据传输速率和质量，在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益。正交空时编码所带来的网络性能收益主要集中于符号重传对多径衰落的改善，但是由于干扰同样也被重传，从而增加了网络中的同频干扰问题，使得正交空时编码技术在femtocell网络中的干扰抑制效果不够理想。

（3）天线选择技术

天线选择技术比上述技术都要简单，它是指空间的路径损耗和阵列结构的多样性等问题使得各个MIMO的天线收到的信号强度是不同的，从中选择出信号强度最大同时路径损耗最小的天线来进行数据传输，往往能更有效率，同时降低了干扰，这种方法费用低廉而且算法复杂度较低。参考文献[15]中介绍了接收天线选择技术的计算方式，通过对接收端多个天线的权值进行调整，可以有效提高系统整体的信噪比。

3.2.2 MU-MIMO干扰抑制技术

在MU-MIMO系统中使用较多的干扰抑制方案是预编码技术，主要包括以下3种。

（1）脏纸预编码

脏纸预编码是一种能在发射端预先消除多用户干扰的非线性处理技术，主要思想如同于在一张充满各个用户信息的脏纸上再写上信息，如何让各个用户能够看清所需要的信息。基站发射信号前，已通过网络信息的收集和分析，知道用户间存在的干扰，在发射端输出信号前将干扰的影响通过预编码技术处理，使得接收端收到无干扰的信号，从而提高了信道容量。多用户的预编码十分复杂，实际操作过程中需要全网络范围内所有收发端的瞬时信道条件信息，设计过程难度较大。

（2）迫零预编码

迫零预编码是一种复杂度相比脏纸编码较低的线性的预编码。线性预编码是指通过线性变换将信息数据流映射为更适合当前信道传输的数据流，然后通过天线发送出去。通常迫零预编码矩阵要求MIMO信道矩阵是行满秩的，但实际信道中不一定满足条件。在参考文献[16]中，有一种新的迫零预编码可以通过对信道矩阵进行合适的分块，把迫零预编码矩阵的计算转化为对两个线性方程组求解，根据求解过程中的理论推导的方法，可以实现对不满足可逆或行满秩的信道矩阵实施迫零预编码。

（3）块对角化预编码

块对角化预编码同样是常用的线性预编码方法之一。通过寻找一种可以和信道矩阵相乘而转化为块对角矩阵的预编码矩阵，达到使多用户信道等效成为独立并行的单用户MIMO信道的目的，使用户间的信号空间正交从而有效地消除多用户之间的干扰。从参考文献[17]了解到，还有多种原理相似的预编码方法，如基于干扰对齐的预编码以及基于信噪比最大化的预编码方法。基于干扰对齐的预编码方法的主要思想是通过预编码将多个发射机的干扰信号在目标用户接收机叠加时，处于同一个信号子空间，这样接收机可以通过简单的迫零处理将其干扰消除。与块对角化以及干扰对齐方法不同，基于信噪比最大化的预编码方法的目标是通过预编码矩阵的设计将信噪比最大化，从而在保证有效信号功率的同时，降低对其他用户的干扰。

3.3 基于OFDM的干扰抑制

OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正 交频分复用）技术常被用于多载波通信。从参考文献[18]得知OFDM的中心思想是将信道分解成多个正交子信道，把高速的数据流分解成并行的多个低速数据流，调制到每个正交子信道上来传输。这样可以通过运用相关技术的接收端来分开正交信号，以达到减少信道间干扰的目的。该技术凭借着频谱利用率高、适合高速数据传输以及减少码间干扰等优点在无线通信中得到了广泛的运用，成为当今通信中干扰控制技术的关键技术之一。

传统的干扰抑制方案都是建立在OFDM系统对femtocell和macrocell的频率分配机制上做调整来进行干扰抑制，共有3种分配方案:同频频率分配干扰抑制（co-channel frequency allocation，CFA）、异频频率分配干扰抑制（dedicated frequency allocation，DFA）以及部分频率复用干扰抑制（partial frequency allocation，PFA）3种。CFA 是指分配给femtocell和macrocell共享频带，该方案频带利用率最高但是跨层干扰却很严重。DFA是指分配给femtocell和macrocell两段不同的专属频带，该方案没有跨层干扰但是频率利用率却很低。PFA则是根据上述两种方案形成的折中的方案，其频带分配是指macrocell使用全部的频带而femtocell复用其中一段频带，该方案拥有比CFA较低的跨层干扰和比DFA较高的频带利用率。但是当macrocell覆盖范围内的femtocell较多时，会产生严重的同层干扰。

参考文献[19]根据频率分配方式的优缺点，总结出了混合频率分配（hybrid frequency allocation，HFA）方案，即将频带划分成macrocell专属频带、macrocell-femtocell共享频带以及femtocell专属频带3段。在该分配方案下提出了伪随机子信道选择干扰抑制，该方法可以有效解决femtocell与macrocell以及femtocell之间的干扰问题。

在HFA模式下，当femtocell与macrocell距离较近时，都会有较大的跨层干扰问题，此时femtocell或macrocell只能采用其专属频带来避免干扰。而在共享的频带上，当macrocell用户处于femtocell覆盖范围内时，由于macrocell用户不属于femtocell用户的封闭用户组，所以不能切换到femtocell，从而有着严重的跨层干扰问题。传统解决办法一般是让femtocell在设置的时候就固定放弃或选择一些共享频段上的子信道，但这样会明显降低信道利用率并且干扰抑制效果并不明显。针对此问题femtocell可以采用伪随机序列在不同的子帧随机选择子信道来传输数据。如图4所示，总共有多条子信道，femtocell在所有帧上固定占用一条信道5，而macrocell用户设备一旦采用到该信道，就一定会受到跨层干扰 （如2、4、7、10帧上），但如果femtocell根据一定算法随机分配每一帧所占用的信道则会把此类跨层干扰问题分散到每一条信道上，削弱了跨层干扰对整体信道的影响又没有损失信道利用率。

图4 femtocell的信道选择

当一定区域内femtocell大量布置时，相邻基站间的距离不断缩小则会产生同层干扰问题，降低系统性能。femtocell可以通过验证周围其他femtocell的参考信号接收功率来确立距离较近的femtocell，并把其ID存入邻区列表中，在使用伪随机子信道选择方案计算选取的子信道时，排除掉邻区列表中femtocell已选择的子信道方案来避免同层干扰问题，而不在邻区列表内的femtocell则可以复用相同的子信道序列。使用伪随机子信道选择方案在避免同层干扰的同时又降低了跨层间干扰，有效地提高了femtocell系统整体的效率。

3.4 基于OFDMA的干扰抑制

OFDMA （orthogonal frequency division multiple access，正交频分多址）是OFDM的技术演进，是指在OFDM对信道进行子载波化后，再在部分子载波上加载传输数据的传输技术。OFDM系统是为克服多径效应而产生的，但是OFDM仅可在上行方向上进行子信道化，而OFDMA可在上下行都支持子信道化，能够在解决干扰问题的同时使得LTE上下行最大一致性，简化终端设计。

参考文献[20]介绍了一种基于OFDMA系统的无线电感知的技术，可以用于处理femtocell的同层干扰问题。在基于OFDMA系统的femtocell的整个网络中，路径损耗信息可以在多个相邻HeNB中共享。每一个HeNB通过LTE CC（component carrier，组件媒介），基于载波聚合技术的子信道连接网络，相邻的HeNB之间通过HeNB网关或者无线技术，分享该连接方式的路径损耗信息。在该网络结构中，每当一个HeNB被启用时，它将会识别周围的邻居并且从相邻的HeNB获得网络中每个CC的使用信息。每一个HeNB根据获得的路径损耗信息聪明地选择CC，从而降低干扰。每一个HeNB总是优先选择没有被邻居使用或者被更远的邻居使用的CC，这样每一个HeNB选择的CC使用者中总是有着最少数量的相邻HeNB，避免了同层干扰问题。如图5所示，HeNB1选择CC1和CC2，而HeNB2则通过与HeNB1的交流，为了降低同层干扰而选择了与之不同的CC3与CC4，同理HeNB3与HeNB1相邻又与HeNB2较远所以选择了CC3与CC4。

图5 CC选择示意

4 干扰抑制技术的比较和分析

表1描述了各种femtocell干扰抑制技术的不同特点。从表1可以看出，基于SU-MIMO的干扰抑制技术主要用于处理城市中处处存在的信道多径衰落的干扰现象，动态波束成形技术由于需要对每根天线设置MRT，实际操作复杂运算量较大，实用率较低；而正交时空编码技术是基于网络信号重传，同时也重传了干扰，干扰抑制效果收益不大。相比于上述两者，天线选择技术只需要基于一定算法来选择最优天线的使用，实际操作起来则相对简单、成本低廉、效率高、实用性很高。基于MU-MIMO的干扰抑制技术主要用于处理多用户之间的同层干扰问题，脏纸编码需要计算全网络大量的瞬时信息，复杂度很高且难度很大，所以并不实用。而迫零预编码以及块对角化预编码的计算量较低，算法相对简单，实用率较高。在基于OFDM的技术中，干扰抑制的方法主要基于不同的频率分配方式，HFA算法结合了传统的频率分配方式可用于上下链路的用户与用户以及用户与基站之间的干扰问题，算法实用性较高。在基于OFDMA系统的技术中，无线电感知技术的干扰处理是针对CC信道的选择，新的femtocell的启用需要得到相邻节点的信息支持，数据量较大但自适应性较强，可以有效地降低同层干扰。

表1 femtocell干扰抑制技术比较

5 结束语

femtocell是一种有着广阔前景的新兴室内覆盖技术，在未来的室内通信产业中有着重要的地位，但由于femtocell本身的部署特性是由用户自主购买和安装，所以femtocell位置和数量不确定，这就造成了femtocell各自网络覆盖面交叉产生同层干扰，与macrocell网络之间产生跨层干扰，严重影响着整体通信系统的性能。为此本文介绍了基于 MIMO、OFDM、OFDMA模式下 femtocell的干扰抑制技术，并且对每种干扰抑制技术进行了比较和分析，希望通过总结，可以有效地解决femtocell网络中出现的干扰问题，从而推动femtocell的发展。

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