异构网络增强型小区间
【摘要】文章先简要介绍了异构网络，并分析其面临的干扰问题，然后在总结3GPP 中增强型小区间干扰协调技术（eICIC ）标准化工作的基础上，设计并评估了当前热点的时域增强型小区间干扰协调技术方案的性能。【关键词】异构网络 增强型小区间干扰协调 几乎空白子帧
收稿日期：2011-12-21
1 引言
为了满足当今无线通信迅速增长的数据速率和更高覆盖质量的需求，并显著提升网络性能，3G P P 在LT E -Advanced 的标准化中提出了异构网络（Heterogeneous Network ）技术。异构网络混合部署宏蜂窝、射频拉远以及低功率小型基站节点（包括微微蜂窝、家庭基站和中继），大大缩短了无线网络中基站与终端用户之间的距离，无线信号的接收质量随着发射机和接收机之间距离的减小而得到了增强。异构网络技术可以大大提高覆盖区域内的频谱空间复用率，从而为用户提供更高的数据传输速率。因此，3GPP 将异构网络列为LTE-Advanced 标准中一种重要的增强型候选技术。
2 异构网络
异构网络由不同类型基站节点组成（如表1所示），每种节点有不同的特性。特别地，在LTE-Advanced 中，考虑在现有的宏蜂窝内部署包括射频拉远、微微蜂窝、家庭基站或中继等基站节点来构建下一代多层网络。这些小型基站可以由运营商部署或者用户自行部署，与宏基站共享同一段频谱。目的在于减轻宏蜂窝的负载，改善室内覆盖和小区边缘用户的性能，通过空间复用来提高单位区域内的频谱效率。异构网络部署方案具有相对较低的网络额外开销，并且有可能大大减少未来无线网络的功率损耗。
此外，小型基站只需要非常少或几乎不需要规划和租赁成
表1 异构网络中基站节点特性
宏基站（Macrocell ）微微蜂窝（Picocell ）家庭基站（Femtocell ）
中继（Relay ）
射频拉远（RRH ）
发射功率（dBm ）
46 23～30 < 23
30 46 覆盖范围
Few km
<300m
<50m
300m
Few km
用途为较大范围内用户提供开放式接入服务提高热点地区的室内/室外信号覆盖质量服务家庭或企业里规定的某些激活用户 扩大覆盖范围以及改善盲区内的信号接收质量建立分布式基站，增强运营商网络部
署的灵活性
本，因此能够大幅降低运营商的网络运营成本。
异构网络从传统的集中式宏基站或微基站方式转移到更加自主的、不对等的智能方式，可作为增强性能的一种极好方法，但同时也带来了一些挑战，跨层之间的干扰以及传输负载的时变性将妨碍异构网络的成功部署。
3 异构网络中干扰问题
运营商或用户准备在宏小区上叠加部署小型基站，并且期望达到频带的全部复用。在此种方案中，边缘用户将受到较强的小区间干扰，降低蜂窝网络的整体性能。下面将介绍异构网络主要的干扰场景。
异构网络中的家庭基站一般由用户以Ad Hoc方式部署，甚至可以移动和随意开关，见图1中的家庭基站。同时家庭基站可以工作在封闭用户组（CSG）接入模式，当非法用户（宏用户1）进入家庭基站覆盖区域时，将受到家庭基站严重的下行干扰[1]；同时，宏用户1对使用相同资源的家庭基站用户也会造成较强的上行干扰。
根据最强接收信号的用户接入准则，可以最小化下行干扰。在图1中，宏基站和Pico基站发射功率有较大差异，某些用户趋于接入宏基站而不是路损最小的附近Pico基站，如此将造成业务负载分布不均匀，宏基站过载。宏用户2可能阻塞附近Pico用户1的上行链路。当前研究提出区域扩展策略（RE，Range Expansion），在Pico的参考信号强度加上某偏移值来增加其下行覆盖区域（如图1中的区域扩展）。区域扩展显著抑制了上行链路的层间干扰，但这是以降低扩展区域内的下行信号质量为代价。由于Pico区域扩展用户不是连接到下行最强接收信号的基站节点，受到附近宏基站的强干扰，用户的下行信干比将低于0dB。
图1 异构网络干扰场景
以上总结的干扰问题会严重影响异构网络性能，这就推动了3GPP LTE-Advanced标准制定过程中，参会方深入研究小区间干扰协调方案。
4 异构网络中eICIC标准化
为了有效解决特定的异构场景下小区间干扰问题，最近3GPP会议讨论提出了增强型小区间干扰协调技术（eICIC，enhanced Inter-Cell Interference Coordination），大概可以分为功率控制、频域增强型小区间干扰协调、时域增强型小区间干扰协调三类技术方法。
4.1 功率控制[2]
以宏基站和Pico基站组建异构网络为例，在某些子帧传输时间内适当降低宏基站的信号功率，虽然减小了宏基站吞吐量，但是可以提高受干扰的小型基站用户的性能。同时，也得考虑到采用功率控制会影响下行链路CQI测量的准确性，由于功率控制改变下行业务信道的发射功率，用户根据参考符号的测量结果无法获得准确的下行信道质量信息。
4.2 频域方法[2]
通过将不同小区控制信道和物理信号（如同步信号、参考信号）在频带上进行调度，从而实现这些信号的正交传输。根据受干扰用户的检测实现动态的频域正交，如Pico基站利用Pico用户的测量报告确定受干扰用户，再将这些信息通过回传传递给宏基站，或者由宏基站自行检测受干扰的Pico用户。这种方法显然增加了回传信令的开销或宏基站的检测复杂度[3]。
4.3 时域方法[4]
在时域增强型小区间干扰协调技术中，可以对受干扰用户在某些时域资源（如子帧或OFDM符号）上进行调度，而这些时域资源上已通过各种途径减轻了来自其他节点的干扰。
从图1中可知，Pico区域扩展用户受到来自宏基站的下行干扰。在图2（a）中，当宏基站和Pico基站的子帧对齐时，它们的控制信道和数据信道相互重叠。因此，为了减小Pico用户控制信道和数据信道受到的干扰，宏基站需
要执行时域增强型小区间干扰协调技术，如几乎空白子
站对Pico 区域扩展用户产生的干扰，时域增强型小区间干
扰协调方案考虑将某些宏基站的某几个子帧设置为ABS 子帧，不传输数据符号，如图2所示。本文仿真规定宏基站配置静态的固定ABS Pattern [7]，宏基站在5、7或10号子帧处触发ABS ，如此ABS 子帧在下行子帧中所占的比例可以为1/6、2/6或3/6，详见图3所示：
图3 Macro 和Pico 子帧资源分配图
帧（ABS ，Almost Blank Sub-Frame ）。如图2（b ），在ABS 子帧内，控制信号和数据信号不被传输，仅传输参考信号。当Pico 用户处于宏基站的覆盖范围内时，可以通过资源调度算法将Pico 用户子帧与宏基站的ABS 子帧重叠，能明显减轻不同基站之间的干扰。
ABS 技术也可以应用在家庭基站中。与图2类似，家庭基站通过使用ABS ，宏基站调度宏用户子帧与家庭基站的ABS 子帧重叠，可以减轻宏用户所受的干扰。
图2 ABS 子帧结构示意图
5 时域eICIC 仿真方案
5.1 仿真场景
仿真中可使用LTE-TDD 的无线帧结构[5]，10ms 的无线帧由10个1ms 的子帧组成，每个下行子帧包括14个OFDM 符号。其中，前3个OFDM 符号为控制信道符号，其余11个OFDM 符号为数据符号，如图2所示。
本文仿真考虑时域增强型小区间干扰协调结合RE 技术，评估时域干扰协调方案对系统性能的影响。用户采用最强接收信号功率准则进行接入，当使用RE ，UE 接入低功率节点（Pico 基站）时将附加一个Bias 正值，显然接入Pico 的用户数将随着Bias 值的增大而增加，也导致某些Pico 边缘用户接收信干比将低于0dB ，如图1中区域扩展内的用户。
系统级仿真的主要参数[6]详见表2所示。
5.2 ABS 子帧构造
如图3所示，为本文仿真使用的无线帧资源分配图。10ms 无线帧内子帧标号由1至10，其中3、4、8、9号子帧为上行子帧，剩余的子帧将用于下行传输。宏基站和Pico 基站之间频率复用因子为1
，为了在某些子帧处减小宏基
表2 系统级仿真参数
参数备注
小区类型7小区Wrap-Around ，3个六边形扇区/小区
系统频带2GHz 载波，10MHz 带宽，TDD 基站节点间距
Macro-Macro ：
500m ；Pico-Macro ：≥75m ；
Pico-Pico ：≥40m ；Pico Coverage ：40m
Pico 部署4picos/macro ，随机部署UE 部署10UEs/macro ，5UEs/pico UE 与节点间距
UE-Macro ：≥35m ；UE-Pico ：≥10m 基站节点总发射功率Macro ：46dBm ；Pico ：30dBm 基站节点天线增益Macro ：17dBi ；Pico ：5dBi 基站节点天线高度Macro ：25m ；Pico ：10m
UE 天线高度 1.5m UE 噪声系数9dB UE 移动速度3km/h
天线数目Macro ：2发射；Pico ：2发射；UE ：2接收
调度算法正比公平调度，公平因子：0.7快衰模型
Macro-UE ：ITU UMa ；Pico-UE ：ITU UMi
CQI 反馈时延
5ms
仿真过程中，首先根据仿真需求确定并统一设置宏基站的静态ABS Pattern，如ABS子帧比例为1/6的场景，之后宏基站在每个无线帧的1、2、5、6、7号子帧内正常发送数据符号，并构造资源调度信息为宏用户分配资源，宏用户在这些子帧内根据分配的资源正常接收解调数据符号；而在10号子帧内宏基站不再发送数据符号，不为宏用户分配资源，宏用户也无需接收解调数据符号。同理，Pico基站和Pico用户在每个无线帧的1、2、5、6、7号子帧内也正常接收数据；而在10号子帧内，由于宏基站没有发送数据符号，Pico用户接收数据时就不用考虑宏基站的数据信号干扰。
5.3 CQI反馈方案
基站根据用户的CQI反馈信息构造资源调度信息，而基站接收来自用户反馈的CQI信息具有一定的时延。正常CQI反馈时，1号子帧测量得出的CQI反馈信息将用于6、7和10号子帧的符号接收，如图4所示。当宏基站配置静态的固定ABS Pattern，如1/6比例的ABS子帧，由于Pico用户在1号子帧反馈的CQI信息包括了宏基站的干扰，反馈的MCS等级比较低，这样就不能有效地使用10号子帧内的良好数据传输信道。因此，本文设计Pico用户在1号子帧处产生两组不同的CQI反馈信息反馈给服务基站，一种为正常CQI反馈用于6、7号子帧的符号接收；另一种是与ABS有关的CQI反馈，测量时需要考虑将要进行ABS的宏基站不再发送数据符号，从而反馈的MCS等级将得到提高，此组CQI反馈信息将用于10号子帧的符号接收。
图4 Pico用户CQI反馈信息指示图6 仿真结果
本文仿真主要统计研究基站吞吐量、边缘用户速率以及用户速率公平性等性能[8]。
如图5～7所示，分别为宏基站、Pico基站以及扇区吞吐量的性能变化。其中，扇区吞吐量包括1个宏基站和4个Pico基站的吞吐量总和。进行时域eICIC，宏基站在某些子帧处不发送数据符号，可用资源相对减少；同时对Pico 用户的干扰减小。从图中可知，同一Bias值场景下，宏基站进行时域增强型小区间干扰协调后吞吐量减少，并且ABS
子帧比例越高，宏基站的吞吐量损失越大。当宏基站图5 宏基站平均吞吐量性能比较
图6 Pico基站平均吞吐量性能比较
会非常低，在Bias 值较大时（>12dB ）甚至会下降至0。若进行时域增强型小区间干扰协调，宏基站在ABS 子帧不发送数据符号，明显减小对Pico 区域扩展用户的干扰，接收信干噪比将得到显著提高，根据调度算法将在对应的Pico 子帧处为区域扩展用户分配资源，从而提升用户速率。在Bias 值较小的场景（0dB ～3dB ），由于区域扩展用户较少，而宏基站损失可用资源，因此总体边缘用户速率有所下降；但对于较大Bias 场景（>3dB ），使用ABS 可以显著有效地提高Pico 区域扩展用户速率，从而总体边缘用户速率上升明显。
图9考虑了用户速率的公平性[8]。由于进行时域增强型小区间干扰协调后，Pico 的区域扩展用户得到一定程度的干扰消除，边缘用户速率得到提升，因此保证了所有用户速率公平性得到提高。
图9 用户速率的公平性
7 总结
由于缩短了基站发射机和终端用户接收机之间的距离，并能高效地复用频率资源，异构网络被列为LTE-Advanced 标准中十分有潜力的性能增强候选技术。本文介绍了异构网络主要优点、所带来的技术挑战以及关键问题。主要关注在实施多层网络时至关重要的层间干扰如何避免问题，介绍了增强型小区间干扰协调方案，并且通过
系统级动态仿真，评估了当前热点的时域增强型小区间干
处在ABS 子帧时，Pico 用户受到的干扰明显减小，则Pico 平均吞吐量增加，且ABS 子帧比例越大，Pico 的吞吐量增加越多。结合图7可知，进行时域增强型小区间干扰协调，是以牺牲宏基站的小部分吞吐量为代价，获取Pico 基站的较大吞吐量提升，从而获得扇区总吞吐量的增加。
图7 扇区平均吞吐量性能比较
图8研究5%边缘用户速率随着Bias 值的变化，并清楚地体现出进行时域增强型小区间干扰协调后，边缘用户的速率得到明显地提升。对Pico 进行区域扩展，必然导致某些用户不能接入到接收信号最强的基站节点，这些区域扩展用户的接收信干噪比将低于0dB
，如此边缘用户速率将
图8 5%边缘用户速率比较
作者简介
谢龙：北京邮电大学无线理论与技术研究实验室硕士研究生，主要研究方向为无线通信系统间干扰共存的理论分析和系统仿真、异构网络干扰协调技术研究。
张欣：副教授，博士毕业于北京邮电大学通信与信息系统专业，现任职于北京邮电大学，主要研究方向为移动通信系统的理论与技术。
曹亘：北京邮电大学无线理论与技术研究实验室博士研究生，主要研究方向为移动通信系统中无线资源
管理、无线通信系统关键技术。
扰协调技术方案性能。时域增强型小区间干扰协调技术（ABS 方案）结合Pico 区域扩展方案，能够有效地提高异构网络的系统性能，在较大的Bias 值场景，ABS 方案在保证扇区总体吞吐量不减少的前提下，能够显著地提升扇区边缘用户的速率性能，提高整体用户速率的公平性。
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