基于异构网络的增强型小区间干扰协调技术研究

金雨超+李强+吕震+郭景赞

【摘 要】为了解决异构网络中的干扰问题，在介绍异构网络产生的背景、网络中节点类型及其特性的基础上，分析了应对层间干扰的各项技术，主要研究了增强型小区间干扰协调技术，并解析了几乎空白子帧的技术方案和低功率几乎空白子帧的实现方式。通过比较各种实施方案的优缺点，说明了低功率几乎空白子帧技术方案的灵活扩展性。

【关键词】异构网络 eICIC 区域扩展 ABS LP-ABS

Research on Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Technique

in Heterogeneous Networks

[Abstract] In order to deal with the interference in heterogeneous networks， the technical background of heterogeneous networks， types and characteristics of network nodes were introduced. Then， different techniques to deal with the inter-layer interference were analyzed. Enhanced inter-cell interference coordination techniques were mainly investigated， including the implementations of ABS and LP-ABS. Advantages and disadvantages of different implementations were compared to validate the flexibility and expandability of LP-ABS.

[Key words]heterogeneous network eICIC range expansion ABS LP-ABS

1 异构网络产生背景

随着通信技术的发展成熟，移动用户数量稳步上升，用户的需求也由简单的日常语音通信向更多更广泛的数据业务上迁移。终端类型的智能化和多样化助力了移动互联网发展，同时也催生了越来越多的无线应用，数据服务呈现爆发式增长。为了适应市场对移动网络系统带宽、传输速率和系统稳定性方面不断增长的需求，运营商在网络中逐步引入了异构网络机制。

传统的蜂窝网络架构为同构单层组网，结构如图1所示。所有的宏基站都有类似的特性，覆盖范围相近，以宏蜂窝的覆盖方式为用户提供业务。目前技术背景下，同构网络的频谱效率已经接近了香农信息论的容量极限值。为了应对日益增长的业务需求，3GPP提出了异构网络的概念。

异构网络在传统的蜂窝网络中引入区别于宏基站的LPN（Low Power Node，低功率节点）形成双层网络覆盖。不同类型的节点混合组网，分别实现不同的功能。宏基站功率大、可移动性差，负责覆盖的广度；低功率节点发射功率小，部署灵活可以弥补覆盖空洞。由于低功率节点的引入可以降低运营成本，提升网络规划的灵活度，分担热点区域的负载流量，因此越来越受到运营商的重视和欢迎。

2 异构网络的应用场景

异构网络中的低功率节点可以在宏蜂窝的基础上，对其范围内的网络进行进一步优化。其重要的应用场景如下：

（1）低功率节点因其可以提供小范围网络覆盖，所以可以补充宏蜂窝的室外覆盖盲区。在城市中，会出现四周被高楼环绕的广场或平台等宏基站无法覆盖的场景，可以使用低功率节点对弱覆盖区域补盲。

（2）对于墙体较厚的场馆和没有室分系统的写字楼的覆盖场景，可以利用低功率节点灵活的配置方式和便携性弥补室内覆盖空洞。

（3）对于人员密度较大的热点区域，宏蜂窝负载较重，可以利用低功率节点与其共同提供覆盖，缓解覆盖压力，由宏蜂窝负责广覆盖、低功率节点负责吸收热点区域的用户流量来分担过重的负载。

不同应用场景的异构网络中，低功率节点的作用存在一定的差别，主要的低功率节点包括：微微蜂窝（Pico Cell）、家庭基站（Femto Cell）、中继（Relay）和射频拉远单元（RRH）。表1列出了宏基站和不同类型低功率节点的特性及用途。

异构网络在诸多场景中可以作为增强性能的首选方法，但是同时也带来了一些挑战，低功率节点的引入增加了网络结构的复杂度，小区数量、小区类型以及边缘用户数量都会随之增加，网络需要应对更多的优化协调类问题。

3 异构网络中的干扰问题

本文主要研究Pico与宏基站混合组网的异构网络场景。Pico基站提供Pico Cell覆盖，分担宏基站流量负载，完成业务均衡功能。如表1所示，宏基站的发射功率与Pico节点差异较大。用户根据小区选择的S准则，会选择接收信号最强的小区进行接入。然而，处于宏蜂窝与Pico Cell边缘的用户会趋向于接入宏基站而不是网络预期的、路损最小的Pico基站，这种现象会造成业务分布不均、宏基站过载、低功率节点吸热效果不明显等弊端。针对上述情况，研究并提出了RE（Range Expansion，区域扩展）技术，在Pico小区的参考信号强度上增加偏置值来人工扩大Pico基站的覆盖区域，如图2所示：

在LTE系統中，用户通过RSRP测量和比较来选择接入的小区，根据小区接入准则可知，用户i的接入小区为：

其中，ci是用户i的接入小区；是用户i接收到的小区j的功率；是小区j的发射功率；是小区j到用户i的大中尺度损耗，其中包括大尺度衰落、阴影衰落和穿透损耗等。通常Pico基站的发射功率小于宏基站的发射功率，因此能够接入Pico节点的用户数量十分有限，Pico节点部署的作用就会明显降低。

在应用RE技术的异构网络中，宏基站与Pico基站之间可以通过handover bias信元来引入偏移量，人为提高Pico的接入成功率。用户在使用接入准则比较宏基站和Pico基站的参考信号强度时，会直接使用添加偏置值的RSRPp+bias与RSRPm进行比较，并选择接入的小区。其中，RSRPp是用户测量的Pico小区的参考信号强度；RSRPm是用户测量的宏小区的参考信号强度；bias即为是偏置值。

采用人工扩大Pico覆盖范围的方式会导致用户体验下降，位于扩展区域内的用户必然会受到宏基站的严重干扰。扩展区域内的用户能够接入Pico基站，其参考信号接收功率满足条件：RSRPp+bias>RSRPm>RSRPp，扩展区域内用户的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比）为-bias

由此可见，随着bias绝对值的增加，扩展区域用户的SINR逐渐降低，小区边缘的信道环境会越发恶劣。为了缓解小区边缘用户的通信质量，必须使用小区间干扰协调技术改善扩展区域用户的SINR。

4 增强型小区间干扰协调

由上可知，为了提高Pico Cell用户接入的成功率，异构网络引入了RE技术。但是，处于扩展区域的用户由于接入过程受到了人为干预，业务进行过程受到邻小区干扰会增强，导致通信质量下降、用户感知差等情况。

为了解决同频组网，小区边缘同频干扰突出的问题，3GPP在R8/9版本中引入了ICIC（Inter Cell Interference Coordination，小区间干扰协调）机制，包括动态频率复用、静态频率复用、半静态频率复用、基于X2接口的干扰协调技术等。这些技术主要是针对同构网络的小区间干扰，对于异构网络中引入低功率节点后带来的层间干扰收益甚微。

异构网络中宏基站与低功率传输节点混合组网，引入新节点增加了系统拓扑结构的复杂度，多种类型节点同时竞争时频资源，形成了新的干扰环境。基于此，针对异构网络部署方式，eICIC（enhanced Inter Cell Interference Coordination，增强型小区间干扰协调）技术在LTE-A系统中提出并标准化。

eICIC技术在ICIC的基础上加入了时间维度的调度机制。为宏微蜂窝小区边缘的用户分配时频资源时，将不同小区的用户信息调度在时域正交的资源块上。相比ICIC技术，eICIC不仅针对业务信道，而且还能在一定程度上降低不同小区的控制信道之间的干扰。ICIC技术通过小区间频域调度方式对业务信道的小区间干扰进行协调，而eICIC技术则是通过小区间时域、频域联合调度以及功率控制完成对业务信道和控制信道的小区间干扰协调。

4.1 几乎空白子帧（ABS）技术方案

如图2所示，位于扩展区域的小区边缘用户会受到宏基站的下行干扰，宏基站与Pico基站使用相同的时频资源为用户传递信息，当其子帧重叠时，用户的控制信道和数据信道相互重叠。因此，为了提高Pico边缘用户SINR，减小层间干扰，宏基站需要执行eICIC技术，使用ABS（Almost Blank Subframe，几乎空白子帧）。

包含ABS子帧的无线帧结构示意图如图3所示，协作的宏基站与Pico节点通过X2接口共享子帧配置图谱，宏基站根据配置图谱将无线帧中的某几个子帧设置为ABS子帧。ABS子帧中的所有RE除参考信号外，发射功率均为0，不传输信息，从而对使用相同时频资源的Pico用户无干扰。

Pico基站將与宏基站ABS子帧对齐的时频资源分配给小区边缘用户，此时来自宏基站的干扰强度趋近于0，则Pico小区边缘用户的SINR为：

其中，为Pico基站的接收功率不变；为宏基站的接收功率大幅降低，干扰减小，信道环境显著改善。上述机制使得Pico基站既实现了宏基站的分流功能，又保证了Pico用户的通信质量。

4.2 低功率几乎空白子帧（LP-ABS）技术方案

由于使用ABS子帧人为降低了宏基站用户的调度次数，影响了宏蜂窝边缘用户的数据传输时间，导致边缘用户的通信质量下降，降低了整体网络的利用率。为了平衡折衷网络整体吞吐量和边缘用户通信质量之间的关系，3GPP在R11版本中引入了低功率ABS子帧（LP-ABS）的干扰协调机制，如图4所示。

LP-ABS调度方案是在ABS子帧基础上改变了宏基站的发射功率，即在保持ABS子帧图谱不变的前提下修改ABS子帧的发射功率。将原ABS子帧中RE的发射功率由0修改为低功率，并将信道质量较好的宏蜂窝中心用户调度在LP-ABS子帧上传输信息。小区中心用户距离宏基站较近，信号传输的路径损耗小且信道质量较好，虽然发射功率降低，但是用户的SINR在可接受范围内，仍然可以保证通信质量。同时，由于发射功率低，并不会对使用相同时频资源的Pico小区边缘用户的通信质量造成多大的影响。

采用LP-ABS调度方案是在一定程度上牺牲了Pico小区边缘用户通信量的基础上，提高了整个异构网络的资源利用率。同时，可根据场景特点和功能需求来合理配置LP-ABS子帧的发射功率，以获得通信质量和资源利用率的灵活折衷。

5 结束语

本文介绍了异构网络产生的背景、网络中节点类型及其特性，并根据节点不同的特点分析了异构网络的应用场景。低功率节点的引入优化了传统同构网络问题，同时又带来了新的挑战。网络结构复杂度提高，用户流向不均衡、层间干扰强度大等问题制约着异构网络技术前进的脚步。针对上述弊端，本文分别介绍了区域扩展、增强型小区间干扰协调等技术方案。在异构场景下，通过范围扩展技术增大了接入低功率节点的用户数，能够更好地分担热点区域宏基站的负载。但是区域扩展的偏置因子较大时，扩展区域的用户受到宏基站很强的干扰。ABS技术方案能够缓解小区边缘的强干扰，降低RE技术带来的负面影响，但此技术方案会造成宏小区用户调度次数的减少。进一步地改进，LP-ABS技术方案既能够适当提高宏小区用户的吞吐量，也能够适当降低对低功率节点边缘用户的干扰。研究表明，灵活地使用LP-ABS技术方案可以取得网络整体吞吐量和小区边缘通信质量的折衷。增强型小区间干扰协调技术的应用可以显著减少异构网络的层间干扰，充分发挥低功率节点的预期价值。

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