TD-LTE异构网覆盖以及干扰的研究

朱南皓，张涛

（1.广州杰赛通信规划设计院，广东 广州 510310；2.中国联合网络通信有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

TD-LTE异构网覆盖以及干扰的研究

朱南皓1，张涛2

（1.广州杰赛通信规划设计院，广东 广州 510310；2.中国联合网络通信有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

基于LTE异构网组网特性进行分析，论述了LTE异构网络的架构基础、组网优势和组网过程中的挑战。从如何充分利用网络性能的角度出发，详细阐述了LTE异构网络应对组网问题的最新技术方案。最后，总结并展望了LTE异构网在未来组网中发挥的作用。

异构网 小区范围扩展 小区间干扰协调 增强型小区间干扰协调 载波聚合

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.024

1 引言

4G LTE的推广不仅是作为3G网络的补充，同时也使得运营商获得了更新更高的频谱资源来提供高速、低时延的网络，且LTE扁平化和全IP的系统构架也为日后的升级及扩展提供了便利。考虑到3G和LTE无线通信的性能指标已经快要接近理论极限，因此对于无线网络性能的提升将会是基于逐步演进的网络拓扑构架。基于4G LTE-Advanced异构网络（HetNet）的理念就是提升单位范围内的频谱利用率。对于LTE异构网络，提倡各种功能性基站的混合使用，即通过宏基站（Macro）、微基站（Micro）、微微基站（Pico）、家庭基站（Femto）的混合布局形成异构网络。这种LTE异构网络实现了灵活低成本的布局可能，并且为网络用户提供了统一的宽带使用体验。

本文首先通过对传统同构网（Homogeneous Networks）和新型异构网（HetNet）的论述来说明LTE异构网络的架构基础、组网优势以及遇到的挑战；然后从充分利用网络性能的角度出发，详细地阐述了LTE异构网络应对负载分流不均衡和干扰控制等问题的最新组网技术方案；最后总结并展望了LTE异构网在未来组网过程中的必然趋势和优势。

2 LTE异构网组网分析

2.1 传统LTE组网限制

当前的无线蜂窝网络作为典型的同构网络，是通过以Macro基站为中心的规划布局而实现的，如图1所示。同构网络的核心是有详尽规划和部署的基站以及一系列用户终端。所有这些精心规划的基站都有着相近的发送功耗、天线模型、接收灵敏度、覆盖范围、拓扑结构以及相同的数据网络回路连接，并且所有基站都可以为用户提供平等非受限的网络接入，服务数量相同的用户终端，承载相同的数据流量和保证对等的QoS（Quality of Service，服务质量）性能。

图1 LTE同构网示例

对于Macro站点的选择而言是通过严谨的网络规划实现的，这些基站的设置都需要合适的调试，以达到尽可能大的覆盖范围和控制好站点之间的干扰。当负载需求增加和网络环境发生改变时，同构网络通常是依靠小区分裂或者额外的载波来克服网络容量和连接限制，并且保持用户的统一体验品质。但是，这种形式的部署不但复杂反复而且耗时耗力，再者就是Macro塔站点的部署和选择在密集的城区变得越来越困难。因此，一种灵活便捷且以优化的成本获得用户最优体验的站点部署模式已成为运营商急需解决的问题。

2.2 LTE异构网组网优势

根据信息理论原理，对于当前无线通信网中的单一站点的使用已可逐步达到最优理论性能。所以，无线网络将来更进一步的性能增益会取决于先进的网络拓扑架构，即意味着把网络更拉近用户。LTE异构网（HetNet）正是在传统的同构网络中增加部署了一系列功能性多样的小微型基站提升了频率效率，从而发挥了网络的最大利用价值。

如图2所示，LTE异构网通常以较高发送功率的Macro基站（5～40W）为基础，辅以一些简单部署在Macro基站范围内的低功耗站点（100mW～2W），如Micro基站、Pico基站、Femto基站和少量的Relay中继基站。

图2 LTE异构网示例

这些低功耗基站的分布可以有效地消除纯Macro系统范围内的覆盖盲点，并且也能同时提高热点覆盖区域的网络容量。对于部署策略上来说，Macro主基站通常需要专业合理的网络规划，而小微附属基站（Micro/Pico/Femto/Relay）其部署特点是组成相对随意的Ad Hoc方式的临时网络，过程中不需要具备太多的专业知识，只要了解大体需要覆盖的热点区域即可完成部署。此外，小微基站的低功耗、低成本和设备微型化又进一步方便了站点布局的堪选。

对比同构网和异构网，同构网的特点是每个站点范围下的对应用户终端都有相近的信号强度，当其他站点发来的非目标信号到达手机时，这些信号会被认为是干扰信号而被滤除。相反，在异构网络中，这种情况却能在很大程度上促发次优化性能。在这样一种异构的网络架构中，合理地使用一些技术方案和优化策略如站点间智能化资源协调、最优服务器选择策略、先进的干扰协调管理方案，都能提升潜在的网络吞吐率和用户体验，而且比传统的同构网络更有优势。

2.3 LTE异构网组网挑战

通过引入混合型多节点的组网方案，LTE异构网为数据量不断增加的无线通信业务提供了有效的解决办法。但是，就其组网过程中所面临的挑战而言，主要来自以下2个方面：

（1）由于作为辅助功能的小微站点是低功率、弱覆盖的，当其位于宏基站覆盖范围内时，很难保证移动终端的驻留，从而达不到负载分流的作用。

（2）异构网中多类型节点在重叠区域的共用会带来频谱资源使用的问题，且彼此之间的通信质量会受到相互的干扰。

因此，LTE异构网的进一步发展和推广普及需要有适合的技术手段来保证更有针对性的问题解决方案。下面将对当前主要的4种技术方案进行论述。

3 TD-LTE异构网组网技术方案

截至2013年，已经约有90个国家的超250个运营商部署了或者正在部署4G LTE网络，其中超40个LTE网络已经开始商用。

随着LTE网络的逐步普及，其相关的技术方案也在不断进行演进，理论和实践的结合都证明了其可行性。当前主要的异构网络组网技术方案有4种：CRE（Cell Range Expansion，小区范围扩展）技术用以保障网络在切换和重选时更多地驻留辅助的小微站点，从而实现负载的分流；ICIC（Inter-Cell Interference Coordination，小区间干扰协调）、eICIC（enhanced Inter-Cell Interference Coordination，增强型小区间干扰协调）以及CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术则用以控制干扰和协调优化频谱资源。

3.1 小区范围扩展（CRE）

移动终端在进行小区选择、重选时，一般是根据信号的强度（RSRP/RSRQ）来决定所在小区的驻留。而对于异构网，低功率站点的发射功率较低，因此移动终端对这种节点的参考信号接收功率（RSRP）也会相应的偏低。故只有非常接近低功率站点的用户才会偏向选择低功率的小微站点，否则选择宏基站的用户数将远大于小微站点用户数，结果导致小微站点资源没有获得充分利用，而宏小区却负载过重，资源竞争激烈。所以，在LTE异构网中有必要改变小区切换和重选策略，让更多移动终端选择驻留低功率小微节点为服务小区，保证小区分裂增益的最大化，以提升全网总体性能。

基于以上的情景，小区范围扩展（CRE）技术方案的核心就是以差别补偿值的手段进行小区选择。其思路是给低功率小微节点的RSRP加上一个大于0的正值，而对宏小区的RSRP进行数值为0的补偿，从而降低小微节点的接入门槛，增大移动终端选择其作为服务小区的概率。其简单的概念如图3所示：

图3 小区范围扩展（CRE）

3.2 小区间干扰协调（ICIC）

为了使用户在信号较强的宏小区内获得低功率小微节点的接入服务，小微站点如Pico需要实现与主要的Macro宏基站在数据信道和控制信道的干扰协调，因此ICIC对LTE异构网络就有很实际的意义。ICIC的基本理念是有关一些在相互干扰小区内的资源协调处理方式，所涉及的主要是在频域范围、时域范围和空间域范围。其中频域和时域使用得较多，也是本文研究讨论的重点，对于空间域的特性可以参考3GPP R11的CoMP相关内容。

频域范围的干扰控制方式分为3种：HFR（Hard Frequency Reuse，硬频率复用）、FFR（Fractional Frequency Reuse，部分频率复用）和SFR（Soft Frequency Reuse，软频率复用）。

（1）硬频率复用

如图4（a）所示，此复用方法是将整个频域带宽分为几个相互之间没有交叠的部分，其使用原则是每小区只占用其中某一部分，同时相邻小区使用不同部分，以抑制相邻小区之间的干扰，提高边缘用户的SINR和系统的吞吐量。不足的是该方法降低了频谱利用率。

（2）部分频率复用

如图4（b）所示，频谱资源分为两大部分：第一部分用于所有小区的中心区域，该区域的移动终端受干扰少、信噪比较高，因此其所需的与服务小区通信的功率也会相应变小，整个频段都可以被用户使用，从而有较高的频谱利用率；第二部分再将剩余的频谱分为若干子集用于小区边缘，由于边缘用户的路损较大，通常需要满功率发送数据，所以只能对整个可用频带的一部分进行使用。为减少小区间干扰，还需要保证邻近小区边缘所使用的频带不交叠。

（3）软频率复用

如图4（c）所示，在整个频带资源都可以使用的基础上，该复用会对每小区分配出一部分频谱，采用高发射功率为中心用户提供高速的数据传输。而其余的频谱资源则采用较低的发射功率，保证边缘用户获得服务的同时减小对其他小区边缘用户的干扰。

相对于频域而言，时域层面上的干扰控制核心就是Macro宏站和小微站使用不同子帧资源进行干扰协调，虽然这种方法降低了可用资源，但是其实现方式简单直接。下文中eICIC技术方案就是在时域上控制干扰的典型应用。

3.3 增强型小区间干扰协调（eICIC）

作为ICIC的增强版本，eICIC在3GPP LTE-Advanced R10中正式发布。eICIC的主要核心也是对资源的分割利用，并且也继承了ICIC的所有特点并进一步增强其性能。这里以时域的资源分割为例，如图5所示。首先Macro宏基站在下行信道发送一系列子帧，其中一部分是ABS（Almost Blank Subframe，几乎空白子帧）。Pico趋向于在空白子帧的时隙上调度小区边缘的UE，而其他的时隙用于调度小区内的UE。同时，Macro宏小区和其嵌入的Pico小区需要在子帧的时隙上同步。

图4 ICIC频域控制方式

图5 eICIC时域控制方式

3.4 载波聚合（CA）

作为LTE异构组网中的另一关键技术方案，载波聚合（CA）主要用于解决频谱利用率的问题。该技术能将多个载波（连续或非连续）聚合成更大的带宽，同时移动终端可以接入多个载波，并在多载波上进行高速的下行数据传输，从而获得更好的用户感知。图6简要地描述了CA的工作方式：

图6 载波聚合（CA）工作方式

该方案的优点如下：

（1）帮助运营商对离散的频谱资源进行有效地整合利用。

（2）移动终端可以对载波上空闲的多个RB（Resource Block，资源块）进行利用，保证了最大化的资源利用率。

（3）对于应对干扰问题，CA可以把控制信息放在信道质量好的载波上进行发送，以增强控制信道的鲁棒性传输。

4 结束语

总体来说，LTE异构网络（HetNet）为当前不断增长的无线数据需要提供了一种切实有效的解决办法。通过简易规划和快速布局的模式加入廉价且可以自我配置的如Micro、Picos、Femto和Relay这样的小型基站，使得LTE异构网以高效且易扩展的组网特性有力地增强了当前无线移动蜂窝网络的系统容量。

与此同时，LTE异构网络也会遇到很多挑战。例如，由于小微型基站的有限覆盖力，导致了移动终端在宏基站和小微型基站环境下的非均衡服务。不过该问题已经可以通过CRE方案获得较好的解决，其通过引入覆盖偏移量的方式提升了小微基站的使用率，从而降低宏基站的负担，使得服务均衡化。另外，对于解决异构网中的干扰问题，ICIC、eICIC以及CA方案都提供了有效的解决办法。

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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,张涛. TD-LTE异构网覆盖以及干扰的研究[J]. 移动通信, 2015,39(3/4): 107-111.

2014-12-15

袁婷 yuanting@mbcom.cn

朱南皓：工程师，工学博士毕业于法国里昂中央理工大学，研究方向为无线传感器网络与物联网，现任职于广州杰赛通信规划设计院，主要从事通信网络规划设计研究工作。

张涛：工程师，管理学学士毕业于新疆财经大学，研究方向为通信网络建设管理，现任职于中国联合网络通信有限公司新疆分公司，主要从事网络建设管理工作。