協作通信系統網絡演進與干擾分析

[摘要] 頻分設計方法犧牲了3G系統中固有的宏分集增益而使得長期演進(LTE)技術不能發揮最大優勢，因此在LTE的演進LTE-A中提出了協作通信技術。系統級協作通信把性能提高到極致。為了獲得系統級增益，取得更高的頻譜效率、更可靠的性能，需要采用協作通信技術。在LTE-A中引入了多點收發、智能中繼、協作天線等多種技術，增大了系統的覆蓋能力，并且使得用戶終端平穩切換，在切換區域的流量增大及服務質量更好。

[關鍵詞]長期演進技術;多點協同傳輸;小區間干擾協調;軟頻率復用

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) in Long Term Evolution (LTE) system is fulfilled at the expenses of the inherent macrodiversity gain in 3G systems. In order to improve the network performance of LTE system， Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception technology is proposed in LTE Advanced (LTE-A) as a compensation of system gain to get more Spectrum Efficiency (SE). LTE-A introduces multiple technologies like CoMP， smart relay and coordinating multiple antenna to enlarge system coverage， ensure stable handover of user terminals and allow more throughput and fulfill better Quality of Service (QoS) in the handover zone.

long term evolution; coordinated multi-point; ICIC; SFR

1 協作通信技術背景與原理

長期演進(LTE)技術是設計良好的高級技術。在無線接入網部分，首先，利用下行和上行的正交頻分復用/離散傅立葉變換-擴頻正交頻分復用(OFDM/DFT-SOFDM)技術實現了小區內完全正交的信道，極大消除了同小區干擾;其次，多天線技術的收發分集、空分復用、波束賦形等使用方式的靈活轉換，靈活利用了空間信道的特性，增大流量，克服干擾;此外，多小區干擾協調(ICIC)機制，第一次突破了單個小區獨立控制的思路，將多小區看做一個大系統，引入聯合協調干擾的思想。因此，LTE系統的鏈路流量已經接近香農極限，在LTE系統的后續演進中，對于更高的頻譜效率要求[1]，鏈路級技術改進所能做的工作已經有限，而為了達到提升鏈路級性能(SINR)的目的，必須轉而尋求系統級的解決手段。協作通信技術就是在這種背景下被引入到LTE系統中的。

協作通信是指系統中多個基站(eNodeB)或者多個基站和天線站遠程射頻單元(RRU)同時進行多點發送/接收的技術，用戶終端(UE)將與多個基站和天線站之間建立上下行鏈接進行通信。基站與多個天線站、多個基站之間可以用光纖進行網狀互聯，如圖1所示。具體地說，網絡中插入天線站，或者基于現有站點形成分布式天線系統[2]，進行與UE間的多發多收，稱為協同多點傳輸技術(CoMP);當直接利用現有網絡，在各個基站之間用光纖互聯，多個基站直接與UE進行通信，稱為基站間協同技術。這兩種形式都是協作通信在實際中的應用。圖1是基站間協同技術的示例，在這種情況下，其中一個基站是與UE通信的主基站，其他基站則退化為RRU天線站。

協作通信主要利用了系統處理的增益，為了帶來多站協作的增益，需要在具體技術中考慮多站協作問題。目前還在研究中的最主要的幾項關鍵技術有:

(1)智能關聯。UE能夠自動搜尋路損最小的發送站點進行接入。

(2)站間負荷均衡技術。多個站點共同分擔覆蓋區域內的業務負荷，需要站間通信協調業務分擔和資源使用情況。

(3)多天線協作MIMO技術。多個覆蓋站點每個都可以采用不同的多輸入多輸出(MIMO)使用形式，例如多站點覆蓋的區域，不同用戶可以占用相同的時頻資源，但由多個站點分別對不同用戶進行波束賦形，區分用戶，提高頻譜效率。

(4)協作站點選取技術。選擇恰當的站點個數、分布位置進行多站協作，以期達到最優的合作效果。

(5)動態ICIC技術[3]。在多站協作通信中，采用光纖連接的多個基站能夠進行快速的數據通信，因此能夠實現真正的動態ICIC技術，協調小區間的干擾。

2 網絡演進

2.1 應用協作通信網技術后的網絡 演進

經典的宏蜂窩組網常用宏站、微蜂窩組成分層混合網絡，宏站進行連續覆蓋，微蜂窩用于熱點覆蓋、盲區覆蓋，對宏蜂窩的業務熱點進行吸收，同時補充宏蜂窩連續覆蓋產生的覆蓋漏洞和盲區。以LTE系統為例，在R8中，宏蜂窩和微蜂窩組成分層網絡覆蓋的形式，采用軟頻率復用(SFR)方式進行多個小區之間、宏微蜂窩之間的頻率規劃，那么組網形式如圖2所示。

現有系統為了解決小區交接區域的同頻干擾、宏微小區之間的同頻干擾問題，多采用SFR的方式，保證不同校區在重疊覆蓋的邊緣區域采用不同的頻段，采用頻分復用來對抗同頻干擾。但這引起的問題是:

●頻譜利用率降低。頻分復用的方式是通過犧牲頻譜利用率的方式來降低干擾的。

●降低通信質量。在UE向小區邊緣的移動過程中，將進行頻繁的工作頻段的被動改變，這種改變會破壞頻選調度過程中的鏈路適配的性能，從而降低通信質量。

●過于依賴內外圈劃分的方案。不同的劃分方案將對系統性能產生影響，如果要得到一個適于高速、低速、輕載、重載各種場景的小區干擾協調方案，系統ICIC算法復雜度高，這增加了每個eNodeB的負擔。

當引入多站協作通信技術后，基站之間用光纖相連，其中一個基站作為主基站，用于業務通信，其他基站退化為RRU，多點同時發送和接收。在這種情況下，增大了主基站的覆蓋范圍，縮小了切換區域，變傳統的宏微小區分層網覆蓋為多NodeB節點分擔負荷的大區覆蓋，如圖3所示。在這種大區覆蓋中，多點收發不僅令上下行覆蓋距離增大了，而且，由于UE可以選擇與路損最小的站點進行接入，同時多點收發帶來了類似3G系統中軟切換的宏分集增益，因而在覆蓋能力上也更強了，覆蓋質量更好了，覆蓋概率更高了。此外，利用協作通信中對調度算法和多站協調算法的設計，對大區內的業務負荷多站動態分擔，同時支持大區內所有的業務，不同UE可以隨意選擇信號質量最好的基站進行接入，UE在主站和從站覆蓋的范圍內移動時，相當于在同一主基站的覆蓋區內，可以平穩快速的切換，業務服務質量(QoS)感受更好。由此，對于頻譜效率、業務性能有所提升，而ICICl算法復雜度也會相應降低一些。

2.2 干擾分析

多站協作通信系統中，協作的多個站點中一個基站作為主基站，其他基站退化為RRU，這樣，主機站控制覆蓋范圍內的與其相連接的UE通信，同時與其他退化為RRU的基站協調資源使用情況。這樣，在覆蓋范圍內，原本多個小區間的上下行同頻干擾被極大的降低了，甚至能夠達到近似正交的情況，那么，系統的干擾來源將是遠端的其他的協同工作的基站組產生的干擾。

下面將使用一個簡單的LTE系統模型和協作通信系統的網絡模型進行干擾分析的研究。如圖4所示，圖4(a)為R8 LTE系統的網絡，每個小區會受到來自其他相鄰小區的同頻干擾;圖(b)為多站協作通信網絡，3個基站一組，組內進行多點協作通信，每個組會受到其他組的同頻干擾，本節將比較兩種情況下NodeB的覆蓋范圍內的上下行干擾變化情況。

表1是干擾分析的基本參數表，在不采用任何額外技術的情況下(例如智能天線抗干擾技術、干擾協調技術等等)，分析結果如圖5和圖6所示。圖5是下行鏈路覆蓋范圍內的干擾抬升的分析，圖6是上行鏈路覆蓋范圍內的干擾抬升分析，可以看到，單獨由多站點協作通信帶來的干擾有所降低，從下行鏈路來說，干擾級別整體降低約為2 dB左右，上行鏈路的干擾降低約為2～4 dB。

本節采用了一個簡單的場景對協作通信系統帶來的干擾的降低進行了分析，實際中，由于宏蜂窩、微蜂窩分層組網結構，恰當的選取宏、微蜂窩節點進行協作，帶來的干擾降低的效果將會更好，考慮到天線下傾、ICIC、多天線技術的使用，協作通信網絡將成為一個小區內、小區間干擾都近似正交的系統，使得干擾對系統吞吐量的影響大大降低，頻譜效率得到提升。

雖然協作通信技術帶來了明顯的系統增益，但使這項技術的技術優勢全部發揮出來，還有許多問題需要研究，例如:

(1)信令信道的覆蓋問題，多個站點協作發送擴大了單站的覆蓋范圍，但是首先需要控制信道在整個覆蓋范圍內達到良好覆蓋性能，這是一個有待詳細研究的問題。

(2)在大的覆蓋范圍內的所有的系統負荷，在多個NodeB之間如何進行分擔，這部分工作會增加NodeB之間的信令流量。

(3)動態ICIC。基站之間真正的動態ICIC需要大量的站間通信，這將隨著協作基站規模的增加而不斷增加，后續要進行研究。

上面這些問題是協作通信技術應用中遇到的關鍵問題，解決好這些問題，必將使得系統性能有著更高的提升。

3 結束語

本文分析了協作通信系統的原理、現有R8 LTE系統網絡向協作通信網絡的升級，同時對于一個協作通信網絡的干擾情況與現有系統進行了簡單的對比分析。可以看到，協作通信概念是對于單站通信技術的系統性提升，無論覆蓋、干擾、流量都能得到更高的性能[4-8]。它的引入將真正使得LTE這項技術成為通信技術的一個巔峰，滿足當前以及未來一段時期內業務發展的需求，并會引導新型業務的不斷興起，開啟移動數據通信的新時代。

4 參考文獻

[1] 3GPP TR36.913 V8.0.1. 3rd Generation partnership project; Technical specification group radio access network; Requirements for further advancements for evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA) (LTE-advanced) (Release 8)[S]. 2009.

[2] 朱近康. 無線Mesh技術和網絡[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2):1-4.

[3] 沈嘉， 索士強， 全海洋， 等. 3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M]. 北京:人民郵電出版社， 2008.

[4] 陳琳琳. 無線Mesh網絡與IEEE802系列標準[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2):8-11.

[5] 田輝， 陶小峰. IP化基站無線Mesh組網構架及其關鍵技術[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2):16-20.

[6] 蔣小奎. 無線網狀網與協作中繼技術[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2):21-25.

[7] 吳凡， 毛玉明， 張科. 無線Mesh網絡關鍵技術[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2): 25-29.

[8] 劉天喜， 唐孝通， 焦秉立. 無線Mesh網中的Quorum節能機制[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2): 34-38.

收稿日期:2009-11-05

孫慧霞，哈爾濱工程大學畢業，中興通訊股份有限公司產品規劃主任工程師，從事CDMA、TD-SCDMA以及TD-LTE等產品開發工作，涉及多個通信系統的系統仿真、算法設計、產品規劃。