LTE宏微协同组网中的干扰抑制技术研究

1   引言
    在LTE时代，移动数据业务量增长迅速，网络容量需求巨大，而且用户与业务的分布不均匀，采用单纯宏基站组网的方式已难以满足高容量与深度覆盖的网络部署需求，宏微协同组网的方式应运而生。宏站用于提供底层基础覆盖，在局部话务热点或覆盖盲点区域定点投放微站，作为宏站覆盖与容量的补充。与宏站相比，微站发射功率低、覆盖范围小，而且体积小、部署灵活简便，采用宏微协同的组网方式可实现精细、高效率的网络部署，同时降低运营商的组网成本。
    宏微协同组网分为宏微同频、宏微异频两种方式。在异频组网方式下，微站配置的频点与宏站不同，宏微间基本无干扰，然而这种组网方式对频谱资源的需求较大，同时也会造成频谱资源利用率的降低。在运营商频谱资源有限的情况下，宏微同频将成为一种主要的组网方式。同频组网可以使频谱资源的利用率最大化，但同时也会带来严重的干扰，影响网络性能。特别是在热点区域，微站可能位于宏站信号较强的位置，干扰更为严重，微站的业务分流效果受限。因此，如何抑制干扰成为宏微协同组网中亟待解决的问题。
    为了解决宏微同频组网时的干扰问题，首先可通过网络规划手段，找准热点，选择最优的微站布放位置，在吸收更多话务的同时利用空间隔离避免干扰。在此基础上，还需要进一步采用eICIC、FeICIC、CoMP、小区合并等宏微协同干扰抑制技术，有效降低干扰，提升频谱效率及网络边缘的业务性能。

2   宏微协同干扰抑制技术分析
2.1  eICIC/FeICIC
    在宏站的覆盖范围内引入微站后，由于微站的发射功率较低，导致微站覆盖边缘的大部分用户仍选择接入宏站，不利于微站分流宏站的负荷。为了使用户尽可能地接入微站，3GPP提出了小区范围扩展（CRE）方案，具体如图1所示。在小区选择过程中，为微小区设置CRE偏置，使微站的覆盖范围扩大，在微站信号强度低于宏站时用户也可以接入微站，达到分担宏小区负荷的目的。CRE偏置越大，可以接入微站的用户越多，微站的覆盖范围相对越大，但同时其边缘用户也越接近宏站，所受到的来自宏站的干扰就越强，对于干扰抑制技术的需求也更为迫切。

 

图1    eICIC应用场景

    eICIC技术的引入可以很好地应对这种干扰，提升CRE区域的业务性能。eICIC采用几乎空白子帧（ABS）方案，通过在时域上协调宏微小区间的数据传输从而规避干扰。宏站配置一定比例的ABS子帧，其中只承载CRS、PSS/SSS等公共信号，不承载业务数据；而微站在受保护的ABS子帧上调度其边缘用户，可避免受到宏站的干扰。
    需要注意的是，eICIC开启后，宏站和微站之间存在资源竞争关系。一方面，微站可以利用受保护的子帧进行数据传输，提升其边缘用户的吞吐量；但另一方面，由于宏站在ABS子帧上不能调度任何用户数据，会造成宏站的容量损失。ABS子帧的配置比例决定了宏微小区的吞吐量变化比例，ABS子帧的配比越高，微站的边缘用户吞吐量增益越明显，但宏站的吞吐量损失也越严重。
    按照ABS子帧配置方式的不同，eICIC分为静态与动态两种实现方式。在静态方式下，宏站通过网管后台配置部分下行子帧为ABS子帧，并将配置信息传递给微站，在宏微小区负载发生变化时该配置也固定不变。在动态方式下，宏站能根据相邻微站反馈的ABS使用状态信息、宏微小区的负载分布情况动态更新ABS子帧图样。当微站负荷减少、PRB利用率下降时，宏站可及时调低ABS子帧的比例，这在一定程度上减少了宏站的容量损失。因此，在实际应用中一般都优先采用动态eICIC方式以获得更大的性能增益。
    eICIC虽然可以改善宏微边缘区域的用户体验，但仍然存在一定的局限性。如前所述，eICIC会导致宏站容量损失，而且为了保持后向兼容性，ABS子帧保留了CRS等公共信号，导致边缘用户依然会受到残留的公共信号干扰。为了进一步提升干扰抑制性能，3GPP在R11版本对eICIC作了进一步增强，引入了FeICIC技术，主要包含如下几种技术方案：
    （1）CRS干扰消除。微站通过RRC信令将宏站的CRS信息通知给被干扰UE，UE测量并估计最强的CRS干扰信号，然后从接收信号中消除干扰得到有用信号。该方案需要R11终端配合才能达到较好的性能。
    （2）SIB1干扰消除。在已有的SIB1基础上进一步通过RRC连接重配置消息发送承载相同信息的SIB1，提高SIB1的接收性能。
    （3）RP-ABS。eICIC要求宏站在ABS子帧的PDSCH信道上完全静默，这显然会造成宏站的资源浪费，而FeICIC则允许宏站在ABS子帧上降功率发射用户数据，这样既可以降低对微站的干扰，同时还能减少宏站的容量损失。
2.2  CoMP
    多点协作（CoMP）技术是宏微间干扰的解决手段之一，通过宏微多点协助发送和接收，提高高速数据传输时的小区边缘吞吐量及系统吞吐量。CoMP技术方案包含联合发送（JT）、动态点选择（DPS）、协作调度/波束赋形（CS/CB）、联合接收（JR）等，其中JR与CS是目前LTE基站设备所采用的主流技术方案。
    JR是上行CoMP的一种实现方式，具体如图2所示。服务小区与协作小区同时接收处理同一个微站边缘UE的上行业务数据，同时协作小区将接收到的数据传递给服务小区进行合并及解调处理，这样可获得功率增益与分集增益，提高边缘用户的SINR及上行速率。CS方案如图3所示，服务小区与协作小区交互调度信息，通过协同调度避免协作小区与服务小区在相同的RB资源上调度用户，从而规避干扰，提升小区边缘速率。与JR不同，采用CS协作时用户数据流仅存在于服务小区并由服务小区进行传输。

 

图2    JR原理示意图

 

图3    CS原理示意图

    按照部署场景的不同，宏微多点协作分为站内CoMP（同一BBU内）与站间CoMP（不同BBU间）。前者只需要在基站内部交互CoMP处理相关的业务数据和控制信息，易于实现；后者需要在不同的基站间交互相关信息，对X2接口的带宽及时延要求较高，网络部署难度比较大。
2.3  小区合并
    如图4所示，小区合并是将多个宏RRU与微RRU覆盖下的物理小区合并为一个逻辑小区，将原先的物理小区边缘高干扰区域转变为逻辑小区中心区域，消除多小区间的干扰。参与合并的所有RRU需要共BBU，在上行方向，BBU对各RRU接收到的用户信号进行联合检测与合并，获得接收增益；在下行方向，各物理小区在相同的时频资源上发送相同的无线信号。

 

图4    小区合并示意图

    小区合并虽然可以消除干扰，但同时也会牺牲系统容量。在小区合并前，系统可接纳的最大容量为多小区峰值吞吐量之和；合并后，系统的最大容量为单个小区的峰值吞吐量，系统总容量降低，所有用户共享合并小区的容量。图5是宏微小区合并前后的峰值吞吐量测试结果：合并前，系统配置1个宏小区、1个微小区，UE1、UE2分别位于宏、微小区的近点；将两个小区合并后，系统总吞吐量下降为合并前的一半，UE1与UE2共享合并小区的容量；随后断开UE1，UE2吞吐量上升，独享合并小区的容量，合并小区的总吞吐量保持不变。

 

图5    宏微小区合并前后的吞吐量对比（单位：Mbps）

    在宏微协同组网中，若覆盖区内负载不高，宏微边缘干扰严重，则可开启宏微小区合并功能，提升边缘用户的吞吐量。若覆盖区负载较高，小区合并后可能会导致系统容量不足，不建议使用，可采用其他干扰抑制技术。

3   技术应用建议
    在宏微协同部署时，微站设备可采用一体化微站与微RRU两类不同形态的产品。如图6所示，一体化微站集成了基带及射频部分的功能，S1接口支持无线、有线等多种回传方式，部署灵活便捷，与宏站间通过X2接口进行信息交互。微RRU与宏RRU类似，只包含射频部分的功能，可通过CPRI接口连接到宏站的BBU，实现宏微共基带。

 

图6    微站的设备形态

    eICIC、FeICIC、CoMP、小区合并技术均需要在宏微小区间协同交互的基础上实现干扰抑制，但不同的技术对宏微间X2接口的要求不同。CoMP、小区合并技术由于需要实时交互大量调度信息、用户数据，对X2接口的传输带宽、时延要求较高，理想传输条件下的干扰抑制效果更好。因此，在共基带的宏微小区间更容易部署。eICIC、FeICIC技术在X2接口上只交互ABS子帧配置及状态信息，交互数据量较少，对于传输的要求相对宽松，可用于解决异站址的宏微小区间的干扰问题。
由此可见，宏微协同组网应优先采用微RRU与宏站共基带的方式，以便于使用CoMP、小区合并技术，在站内实现干扰控制。但是，微RRU只能通过光纤连接到宏站BBU，当微站站址不具备光纤前传条件时，可选用一体化微站设备。
    从性能及部署条件方面看，上述各类干扰抑制技术也各有利弊。eICIC在提升微站边缘用户速率的同时也会导致宏站的容量受损。FeICIC通过CRS干扰消除等方案解决残留干扰问题，通过RP-ABS方案降低宏站的容量损失，从而在eICIC的基础上进一步提升系统吞吐量，但是需要R11终端的配合才能达到理想的性能增益。小区合并通过牺牲系统容量的方式换取干扰抑制增益，适用于低负载、容量需求不高的场景，同时小区合并要求在宏微共基带的基础上才能实现，应用时存在一定的局限性。CoMP技术对于宏微边缘及系统整体的吞吐量均有较高的增益，但是对X2接口的传输条件要求较高，站内协作易于实现，站间协作难度大。因此，在宏微共基带或具备理想传输的条件下，应优先采用CoMP技术。
    另外，从技术发展的角度看，站内CoMP、小区合并、eICIC技术已经成熟，且基站设备的支持情况良好，在宏微协同组网时可先行部署。相对地，站间CoMP技术成熟度低、网络部署难度较大，FeICIC技术的应用需考虑R11商用终端的渗透情况。因此，后续需结合技术、设备、终端的发展情况再适时引入这两类技术。
    为了说明各类干扰抑制技术的应用方案，图7给出了几种典型的宏微协同组网场景。在不同场景下，可基于微站的设备形态及传输条件因地制宜地选用各类宏微协同技术。

 

图7    宏微协同组网的典型场景

    场景a：采用微RRU为宏站分流且微RRU与宏站共基带时，可应用宏微站内CoMP技术，通过下行协同调度、上行联合接收等技术降低协作小区间的干扰，提升宏微小区边缘及系统整体性能。
    场景b：在采用一体化微站为宏站分流的情况下，宏微协同干扰抑制技术的应用受限于宏微间X2接口的传输条件。若具备理想传输，则可使用站间CoMP技术；若宏微间为非理想传输，则只能采用eICIC或FeICIC技术。微站配置CRE偏置以增加吸纳的流量，同时宏站配置ABS子帧，提供无干扰的传输时隙资源，提升微站的分流效果。
    场景c：在室内外协同组网的场景下，宏站提供室外覆盖、微RRU提供室内覆盖且与宏站共基带时，在窗边、门厅等室内外信号相互干扰比较严重的区域可使用CoMP技术；若该区域业务量不高，则还可采用小区合并技术。

4   结束语
    移动互联网业务的爆发式增长对LTE网络的覆盖、容量与质量都提出了更高的要求，宏微协同组网必然成为LTE网络部署的发展趋势。在同频组网方式下，宏微间的干扰问题成为制约网络性能的关键因素。eICIC、FeICIC、CoMP、小区合并等宏微协同技术可以有效地解决此类干扰问题，提升LTE宏微协同组网性能。
    干扰抑制技术的应用需要分阶段、逐步地推进，需要与LTE网络的发展相同步。在LTE网络发展的初期，容量压力未凸显，微站的部署数量有限，沿用频率选择性调度、干扰抑制合并等基本的小区内干扰抑制技术即可，无需使用宏微协同干扰抑制技术。在LTE网络发展的成熟阶段，网络负荷增加，宏站加密，同频微站大量部署，导致宏微间干扰变得严重，此时引入宏微协同干扰抑制技术可获得显著的性能增益，提高网络资源的利用率。

参考文献：
[1] 申建华,王擎. LTE Small Cell应用和部署解决方案探讨[J]. 现代电信科技, 2014(4): 39-43.
[2] 3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Further advancements for E-UTRA physical layer aspects [S]. 2010.
[3] 3GPP TR 36.872. Small cell enhancement for E-UTRA and E-UTRAN physical layer aspects [S]. 2013.
[4] 3GPP TR 36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC) Pro-tocol specification [S]. 2015.
[5] 隗合建,曹亘,谢龙,等. LTE-A系统时域小区间干扰协调技术标准化研究[J]. 现代电信科技, 2012(2): 33-38.
[6] 曾孟弦,张欣,桑林,等. LTE-A系统异构网络时域小区间干扰协调技术标准化研究[J]. 现代电信科技, 2013(8): 36-41.
[7] 3GPP TR 36.819. Technical Specification Group Radio Access Network; Coordinated multi-point operation for LTE physical layer aspects (Release11) [S]. 2014.
[8] Juho Lee, Younsum Kim, Hyojin Lee, et al. Coordinated Multipoint Transmission and Reception in LTE-Advanced Systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2012(11): 44-52.
[9] 吴梅,黄帆,桑林,等. 协作式多点传输在LTE-Advanced系统中的应用[J]. 移动通信, 2010(10): 43-47.
[10] 万仁辉,李轶群,李福昌. LTE-Advanced CoMP技术的研究[J]. 邮电设计技术, 2012(2): 17-20.
[11] 杜鹏. 协作多点蜂窝系统中的干扰协调方案研究[J]. 电路与系统学报, 2012(2): 49-53.★