Femtocell網絡干擾抑制技術綜述*

魯蔚鋒，祁彥川 ，何利文，陳思光

（1.南京郵電大學計算機學院 南京 210003；2.南京郵電大學物聯網學院 南京 210003；3.江蘇省無線傳感網高技術研究重點實驗室 南京 210003；4.寬帶無線通信與傳感網技術教育部重點實驗室 南京 210003）

1 引言

隨著最近幾年信息化社會的飛速發展，通信行業不斷革新，智能手機功能越來越全面，導致通信數據量不斷提升，用戶對通信信號覆蓋以及通信速度和質量的要求越來越高。據相關研究表明，50%的語音業務和70%的數據業務都發生在室內環境下[1]。但是城市內高樓林立，市區內宏基站（macrocell）信號受陰影效應、多徑效應、干擾以及接收機位置敏感等諸多不利因素影響，尤其是房屋墻壁對高頻段的無線信號的穿透損耗影響較大，用戶設備直接依靠室外macrocell的信號穿透覆蓋效果較差，遠遠無法滿足用戶的需求。家庭基站（femtocell）的出現則可以有效解決室內覆蓋等問題。

femtocell又稱HeNB，是一種室內部署的低功率、覆蓋范圍較小、系統容量大、傳輸速率高、價格低廉、設置簡單的基站，其主要部署在辦公室、家庭、室內娛樂場所等。femtocell可以看成迷你版的macrocell，macrocell的覆蓋半徑可達幾十千米甚至上百千米，而femtocell的覆蓋范圍只有幾十米，但是它們的工作頻段、空中接口協議、幀結構等都無差異。femtocell可以通過住宅在建設之初就部署好的DSL等有線設備通過互聯網與運營商核心網連接，降低部署成本，同時由于發射機與接收機之間的距離大大縮短，傳輸質量和速度將會有極大的提高。然而通信設備之間的干擾問題同樣也影響著femtocell的性能發揮，如何處理femtocell干擾問題也是現今的熱門討論問題之一[2]。

干擾管理類型根據對干擾問題的處理方式可以分為:干擾消除、干擾協調以及干擾抑制[3]。

干擾消除是指通信信號到達接收端后通過解調或者解碼信息將接收到的信號中的干擾直接消除的技術。干擾消除技術需要預先知道通信信號的特性以及接收端天線的陣列布置才能達到消除干擾的目的，對接收端設備的要求較高，用戶設備一般無法滿足條件，通常用于對基站的通信，如上行線路中用戶設備對基站的通信。干擾協調，又稱干擾回避技術，是指通過對下行資源例如頻率的分配或者發射功率的設置來協調。

多個小區間的通信覆蓋，回避小區間的干擾，代表技術有功率控制、頻域時域等資源劃分[4]。而干擾抑制技術則是采用波束成形、干擾隨機化、預編碼等方法對已知的干擾問題進行干擾信號中和或者多用戶共同分擔來達到抑制干擾的目的。

2 femtocell的部署以及網絡結構

femtocell典型的部署場景如圖1所示，femtocell連接到局域網等寬帶上，由專用網實現從IP網絡到運營商核心網的連接，將家庭寬帶業務與移動電話業務進行有效融合，同時還將macrocell的部分負載分流到相對便宜的IP網絡中，有利于運營商的網絡優化[5]。而從參考文獻[6]中了解到家庭基站的網絡根據相應的協議規定必須滿足如下要求。

·支持 CSG（closed subscriber group，封閉用戶組）和allowed CSG（已授權的封閉用戶組）列表處理:用戶設備需要維護一張allowed CSG列表，該列表一般存儲在 HSS（home subscriber server，家庭用戶服務器）中，列表初始為空，即該用戶設備不存在于任何CSG中。連接到同一個femtocell的用戶設備則屬于同一個CSG，每個用戶設備可以同時屬于不同的CSG，allowed CSG列表的信息則作為用戶的簽署信息，因此每個用戶設備對應有不同的CSG ID。當用戶離開某個CSG時，則在該列表中刪除對應的CSG ID，反之當用戶成功加入某個CSG時，將其在該CSG對應的CSG ID加入列表。

·接入控制:核心網的MME（mobility management entity,移動管理實體）網元可以對用戶設備執行接入控制，用戶設備根據allowed CSG列表選擇某一個CSG ID連接對應的CSG的時候需要觸發TAU（tracking area update，跟蹤域更新）來允許 MME執行接入控制。

·移動性管理:非CSG小區以及各不同CSG ID的CSG小區都可以使用相同或者不同的TAI（tracking area indicator，跟蹤域標識），TAI的分配不應該有任何限制，以方便用戶設備在多小區之間的切換。

圖1 femtocell典型的部署場景

[7]中可以得知femtocell的網絡架構如圖2所示，滿足以上3點要求并且每個設備之間都有按照3GPP規定的標準接口連接。femtocell與HeGW之間的安全性網管可提供S1接口信令和用戶數據的聚合服務。C1接口可使用OTA（over the air）方式更新UE的allowed CSG列表。UE和femtocell之間的標準接口是LTE-Uu，與UE和macrocell之間的接口完全一樣。MME以及SGW （服務網關）網元之間的標準接口是S11，而S6a則為MME網元與HSS之間的標準接口。

圖2 femtocell網絡架構

3 femtocell網絡干擾抑制技術

從參考文獻[8]可以了解到，3GPP對 femtocell網絡中的干擾場景定義通常有6種，如圖3中標號所示。

（1）femtocell用戶上行干擾 macrocell:macrocell用 戶在上行信道傳輸數據到macrocell時受到來自femtocell用戶的干擾。

（2）femtocell下行干擾 macrocell:macrocell在下行信道傳輸數據到macrocell用戶時受到來自femtocell的干擾。

圖3 femtocell網絡中的干擾場景

（3）macrocell用戶上行干擾 femtocell:femtocell在上行信道接收來自其用戶的通信信號時受到macrocell的用戶干擾。

（4）macrocell下行干擾 femtocell用戶:femtocell用戶在下行信道接收來自femtocell的通信信號時受到macrocell的干擾。

（5）femtocell用戶上行干擾其他 femtocell:femtocell用戶在上行信道傳輸數據到femtocell時受到隸屬于不同femtocell的用戶的干擾。

（6）femtocell下行干擾其他 femtocell用戶:femtocell用戶在下行信道接收femtocell通信信號時受到來自其他femtocell的干擾。

圖3中無標號的線條是正常通信信道，而（1）～（4）皆屬于跨層干擾，是femtocell網絡與macrocell網絡不同層次之間的干擾，（5）、（6）是同層干擾，指的是各 femtocell相互之間網絡覆蓋所產生的相同網絡層的干擾。

上述干擾問題通常是基于用戶與各基站之間的距離問題以及網絡覆蓋面所導致的遠近效應產生的。例如離macrocell較近的femtocell用戶會受到macrocell大功率的信號干擾，造成嚴重的跨層干擾。而離macrocell較遠的macrocell用戶（如邊緣地區）容易受到附近的femtocell的信號功率過高，覆蓋macrocell的信號，而造成的跨層干擾。一定區域內femtocell密度較大，如公寓等地，則femtocell之間由于功率和距離等問題也會產生相同嚴重程度的同層干擾問題[9]。

3.1 常用干擾管理技術

參考文獻[10]介紹常用的干擾管理方案如下。

（1）功率控制方案

采用基于路徑損耗的算法自行調整femtocell的功率，以減少對附近femtocell用戶的干擾；或基于macrocell與femtocell的距離控制功率減少對macrocell用戶的干擾。

（2）上層調度方案

設置中心控制器對多個femtocell集中調度，以減少femtocell之間的干擾，對macrocell進行交互干擾和資源分配信息以降低干擾。

（3）頻率復用方案

主要用于解決在信道不夠用的情況下，多小區之間共用信道或采用鄰近信道所導致的邊緣區域用戶受到相鄰小區干擾的問題。傳統頻率復用的主要目的是劃分頻率領域，與周邊的femtocell采用不同的頻率以避免互相干擾，或采用正交頻率以減少macrocell與femtocell之間的干擾。在傳統頻率復用技術的基礎上誕生了SFR（soft frequency reuse，軟頻率復用）和 FFR（fractional frequency reuse，部分頻率復用）兩種特殊的頻率復用技術。在傳統頻率復用里，一個頻率在小區中定義為可用或不可用，以避免與鄰近小區產生干擾，而SFR則是通過調整發射功率來定義不同頻率在該小區中的使用程度，在解決干擾問題的同時節約了信道資源，提高了頻率利用率[11]。而FFR的核心思想則更為簡單，把頻率分為兩個部分，一部分做同頻復用，另一部分則采用復用因子復用，頻率復用因子表示一個頻率復用簇中頻點的數量，因子越大則表示復用的距離越大，部分頻率復用的復用因子一般選擇為3。從參考文獻[12]了解到，FFR分為靜態和動態兩種模式，靜態模式是假定網絡中的負載和通信流量情況來進行頻率劃分復用，動態模式則根據實際的運行狀況通過調度算法實時的調整頻率來劃分。

在一般的通信網絡環境中，運營商可以通過上述干擾管理方案消除同層或者跨層干擾提高信號質量，但在不同的網絡環境中以及復雜的干擾情況下，這些傳統干擾抑制方法需要進一步的發展和深入，有必要結合femtocell的網絡特性以及干擾環境對干擾抑制方案進行分析，下面將基于MIMO、OFDM以及OFDMA系統中femtocell的網絡特性綜述干擾抑制方法。

3.2 基于MIMO的干擾抑制技術

MIMO（multiple-input multiple-output，多輸入多輸出）技術是指在發射端和接收端同時采用多根天線，每根天線對應一個通道，每個信號采用不同的發射天線進行傳輸，同時接收端也采用相關技術進行信號收集和分離，使得在一定的信道頻段上通信容量將隨著天線數量的增加而成比例地增加。MIMO通過散射來標識信道的特點使得其能顯著地克服多徑衰落，非常適合在市區高樓等地部署。根據MIMO在基站和用戶之間對應關系的不同，可以分為SU-MIMO和MU-MIMO兩類。從參考文獻[13]了解到，基于MIMO的相關干擾技術有以下幾種，并且在femtocell網絡中有良好的實用價值。

3.2.1 SU-MIMO干擾抑制技術

SU-MIMO干擾抑制技術有以下3種。

（1）動態波束成形技術

動態波束成形技術是最重要的MIMO技術之一。普通的扇區天線形成的波束覆蓋整個扇區，因此必定會和相鄰小區的扇區波束重疊造成小區間干擾，而波束成形則可以指向用戶設備，發射窄波束，因此只有在相鄰小區的波束發生碰撞的時候才會有小區間干擾。動態波束成形技術可以動態地通過對信號發射權值的調整，使得所有信號同時到達接收端，形成一次強力脈沖信號的效果，可以提高頻譜利用率和空間利用率。在femtocell和macrocell的發射端，每根天線發射相同的信息，根據MRT（maximum ratio transmission，最大比輸出）調整權值。在接收端根據MRC（maximum ratio combination，最大比合并）設置天線權值，對每根天線接收到的信號進行相關線性組合來得到最佳接收信號。參考文獻[14]給出了一種自適應性的波束成形技術，主要針對femtocell對MUE （macrocell user equipment，宏基站的用戶設備）產生的干擾問題。HeNB與受到干擾的MUE之間有相關連接，HeNB可以通過MUE反饋的干擾信息調整自身數值，利用波束成形的強力脈沖與HeNB的用戶連接，避免信號的散射對MUE用戶產生干擾。

（2）正交空時編碼技術

正交空時編碼是比較成熟的MIMO分集技術之一。其特點是在空間域和時間域兩維上對信號進行編碼，將編碼技術和陣列技術有機結合起來實現空分多址，從而有效地提高了系統的抗衰落性能，同時利用分集技術來提高數據傳輸速率和質量，在不犧牲帶寬的情況下獲得更高的編碼增益。正交空時編碼所帶來的網絡性能收益主要集中于符號重傳對多徑衰落的改善，但是由于干擾同樣也被重傳，從而增加了網絡中的同頻干擾問題，使得正交空時編碼技術在femtocell網絡中的干擾抑制效果不夠理想。

（3）天線選擇技術

天線選擇技術比上述技術都要簡單，它是指空間的路徑損耗和陣列結構的多樣性等問題使得各個MIMO的天線收到的信號強度是不同的，從中選擇出信號強度最大同時路徑損耗最小的天線來進行數據傳輸，往往能更有效率，同時降低了干擾，這種方法費用低廉而且算法復雜度較低。參考文獻[15]中介紹了接收天線選擇技術的計算方式，通過對接收端多個天線的權值進行調整，可以有效提高系統整體的信噪比。

3.2.2 MU-MIMO干擾抑制技術

在MU-MIMO系統中使用較多的干擾抑制方案是預編碼技術，主要包括以下3種。

（1）臟紙預編碼

臟紙預編碼是一種能在發射端預先消除多用戶干擾的非線性處理技術，主要思想如同于在一張充滿各個用戶信息的臟紙上再寫上信息，如何讓各個用戶能夠看清所需要的信息。基站發射信號前，已通過網絡信息的收集和分析，知道用戶間存在的干擾，在發射端輸出信號前將干擾的影響通過預編碼技術處理，使得接收端收到無干擾的信號，從而提高了信道容量。多用戶的預編碼十分復雜，實際操作過程中需要全網絡范圍內所有收發端的瞬時信道條件信息，設計過程難度較大。

（2）迫零預編碼

迫零預編碼是一種復雜度相比臟紙編碼較低的線性的預編碼。線性預編碼是指通過線性變換將信息數據流映射為更適合當前信道傳輸的數據流，然后通過天線發送出去。通常迫零預編碼矩陣要求MIMO信道矩陣是行滿秩的，但實際信道中不一定滿足條件。在參考文獻[16]中，有一種新的迫零預編碼可以通過對信道矩陣進行合適的分塊，把迫零預編碼矩陣的計算轉化為對兩個線性方程組求解，根據求解過程中的理論推導的方法，可以實現對不滿足可逆或行滿秩的信道矩陣實施迫零預編碼。

（3）塊對角化預編碼

塊對角化預編碼同樣是常用的線性預編碼方法之一。通過尋找一種可以和信道矩陣相乘而轉化為塊對角矩陣的預編碼矩陣，達到使多用戶信道等效成為獨立并行的單用戶MIMO信道的目的，使用戶間的信號空間正交從而有效地消除多用戶之間的干擾。從參考文獻[17]了解到，還有多種原理相似的預編碼方法，如基于干擾對齊的預編碼以及基于信噪比最大化的預編碼方法。基于干擾對齊的預編碼方法的主要思想是通過預編碼將多個發射機的干擾信號在目標用戶接收機疊加時，處于同一個信號子空間，這樣接收機可以通過簡單的迫零處理將其干擾消除。與塊對角化以及干擾對齊方法不同，基于信噪比最大化的預編碼方法的目標是通過預編碼矩陣的設計將信噪比最大化，從而在保證有效信號功率的同時，降低對其他用戶的干擾。

3.3 基于OFDM的干擾抑制

OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正 交頻分復用）技術常被用于多載波通信。從參考文獻[18]得知OFDM的中心思想是將信道分解成多個正交子信道，把高速的數據流分解成并行的多個低速數據流，調制到每個正交子信道上來傳輸。這樣可以通過運用相關技術的接收端來分開正交信號，以達到減少信道間干擾的目的。該技術憑借著頻譜利用率高、適合高速數據傳輸以及減少碼間干擾等優點在無線通信中得到了廣泛的運用，成為當今通信中干擾控制技術的關鍵技術之一。

傳統的干擾抑制方案都是建立在OFDM系統對femtocell和macrocell的頻率分配機制上做調整來進行干擾抑制，共有3種分配方案:同頻頻率分配干擾抑制（co-channel frequency allocation，CFA）、異頻頻率分配干擾抑制（dedicated frequency allocation，DFA）以及部分頻率復用干擾抑制（partial frequency allocation，PFA）3種。CFA 是指分配給femtocell和macrocell共享頻帶，該方案頻帶利用率最高但是跨層干擾卻很嚴重。DFA是指分配給femtocell和macrocell兩段不同的專屬頻帶，該方案沒有跨層干擾但是頻率利用率卻很低。PFA則是根據上述兩種方案形成的折中的方案，其頻帶分配是指macrocell使用全部的頻帶而femtocell復用其中一段頻帶，該方案擁有比CFA較低的跨層干擾和比DFA較高的頻帶利用率。但是當macrocell覆蓋范圍內的femtocell較多時，會產生嚴重的同層干擾。

參考文獻[19]根據頻率分配方式的優缺點，總結出了混合頻率分配（hybrid frequency allocation，HFA）方案，即將頻帶劃分成macrocell專屬頻帶、macrocell-femtocell共享頻帶以及femtocell專屬頻帶3段。在該分配方案下提出了偽隨機子信道選擇干擾抑制，該方法可以有效解決femtocell與macrocell以及femtocell之間的干擾問題。

在HFA模式下，當femtocell與macrocell距離較近時，都會有較大的跨層干擾問題，此時femtocell或macrocell只能采用其專屬頻帶來避免干擾。而在共享的頻帶上，當macrocell用戶處于femtocell覆蓋范圍內時，由于macrocell用戶不屬于femtocell用戶的封閉用戶組，所以不能切換到femtocell，從而有著嚴重的跨層干擾問題。傳統解決辦法一般是讓femtocell在設置的時候就固定放棄或選擇一些共享頻段上的子信道，但這樣會明顯降低信道利用率并且干擾抑制效果并不明顯。針對此問題femtocell可以采用偽隨機序列在不同的子幀隨機選擇子信道來傳輸數據。如圖4所示，總共有多條子信道，femtocell在所有幀上固定占用一條信道5，而macrocell用戶設備一旦采用到該信道，就一定會受到跨層干擾 （如2、4、7、10幀上），但如果femtocell根據一定算法隨機分配每一幀所占用的信道則會把此類跨層干擾問題分散到每一條信道上，削弱了跨層干擾對整體信道的影響又沒有損失信道利用率。

圖4 femtocell的信道選擇

當一定區域內femtocell大量布置時，相鄰基站間的距離不斷縮小則會產生同層干擾問題，降低系統性能。femtocell可以通過驗證周圍其他femtocell的參考信號接收功率來確立距離較近的femtocell，并把其ID存入鄰區列表中，在使用偽隨機子信道選擇方案計算選取的子信道時，排除掉鄰區列表中femtocell已選擇的子信道方案來避免同層干擾問題，而不在鄰區列表內的femtocell則可以復用相同的子信道序列。使用偽隨機子信道選擇方案在避免同層干擾的同時又降低了跨層間干擾，有效地提高了femtocell系統整體的效率。

3.4 基于OFDMA的干擾抑制

OFDMA （orthogonal frequency division multiple access，正交頻分多址）是OFDM的技術演進，是指在OFDM對信道進行子載波化后，再在部分子載波上加載傳輸數據的傳輸技術。OFDM系統是為克服多徑效應而產生的，但是OFDM僅可在上行方向上進行子信道化，而OFDMA可在上下行都支持子信道化，能夠在解決干擾問題的同時使得LTE上下行最大一致性，簡化終端設計。

參考文獻[20]介紹了一種基于OFDMA系統的無線電感知的技術，可以用于處理femtocell的同層干擾問題。在基于OFDMA系統的femtocell的整個網絡中，路徑損耗信息可以在多個相鄰HeNB中共享。每一個HeNB通過LTE CC（component carrier，組件媒介），基于載波聚合技術的子信道連接網絡，相鄰的HeNB之間通過HeNB網關或者無線技術，分享該連接方式的路徑損耗信息。在該網絡結構中，每當一個HeNB被啟用時，它將會識別周圍的鄰居并且從相鄰的HeNB獲得網絡中每個CC的使用信息。每一個HeNB根據獲得的路徑損耗信息聰明地選擇CC，從而降低干擾。每一個HeNB總是優先選擇沒有被鄰居使用或者被更遠的鄰居使用的CC，這樣每一個HeNB選擇的CC使用者中總是有著最少數量的相鄰HeNB，避免了同層干擾問題。如圖5所示，HeNB1選擇CC1和CC2，而HeNB2則通過與HeNB1的交流，為了降低同層干擾而選擇了與之不同的CC3與CC4，同理HeNB3與HeNB1相鄰又與HeNB2較遠所以選擇了CC3與CC4。

圖5 CC選擇示意

4 干擾抑制技術的比較和分析

表1描述了各種femtocell干擾抑制技術的不同特點。從表1可以看出，基于SU-MIMO的干擾抑制技術主要用于處理城市中處處存在的信道多徑衰落的干擾現象，動態波束成形技術由于需要對每根天線設置MRT，實際操作復雜運算量較大，實用率較低；而正交時空編碼技術是基于網絡信號重傳，同時也重傳了干擾，干擾抑制效果收益不大。相比于上述兩者，天線選擇技術只需要基于一定算法來選擇最優天線的使用，實際操作起來則相對簡單、成本低廉、效率高、實用性很高。基于MU-MIMO的干擾抑制技術主要用于處理多用戶之間的同層干擾問題，臟紙編碼需要計算全網絡大量的瞬時信息，復雜度很高且難度很大，所以并不實用。而迫零預編碼以及塊對角化預編碼的計算量較低，算法相對簡單，實用率較高。在基于OFDM的技術中，干擾抑制的方法主要基于不同的頻率分配方式，HFA算法結合了傳統的頻率分配方式可用于上下鏈路的用戶與用戶以及用戶與基站之間的干擾問題，算法實用性較高。在基于OFDMA系統的技術中，無線電感知技術的干擾處理是針對CC信道的選擇，新的femtocell的啟用需要得到相鄰節點的信息支持，數據量較大但自適應性較強，可以有效地降低同層干擾。

表1 femtocell干擾抑制技術比較

5 結束語

femtocell是一種有著廣闊前景的新興室內覆蓋技術，在未來的室內通信產業中有著重要的地位，但由于femtocell本身的部署特性是由用戶自主購買和安裝，所以femtocell位置和數量不確定，這就造成了femtocell各自網絡覆蓋面交叉產生同層干擾，與macrocell網絡之間產生跨層干擾，嚴重影響著整體通信系統的性能。為此本文介紹了基于 MIMO、OFDM、OFDMA模式下 femtocell的干擾抑制技術，并且對每種干擾抑制技術進行了比較和分析，希望通過總結，可以有效地解決femtocell網絡中出現的干擾問題，從而推動femtocell的發展。

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