付秀花

【摘 要】研究了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡頻率復用技術和小區(qū)間干擾控制問題。針對不同的5G網(wǎng)絡部署場景，結合干擾控制分析，重點研究了5G網(wǎng)絡的頻譜管理和頻譜共享問題。

【關鍵詞】頻率復用;頻譜分配;頻譜共享;小區(qū)間干擾

中圖分類號： TN929.5 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）31-0067-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.030

Study on Spectrum Allocation and Interference Control in Cellular Networks

FU Xiu-hua

（School of Computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255000， China）

【Abstract】The frequency multiplexing technologies and inter-cell interference control of the traditional cellular networks are studied. According to different scenarios of 5G network deployment， combined with the analysis of interference control， this paper focuses on the spectrum management and spectrum sharing of 5G network.

【Key words】Frequency Multiplexing; Frequency Allocation; Frequency Sharing; Inter-cell Interference

頻譜分配的目標往往是更高頻帶利用率、更高系統(tǒng)容量、更高傳輸速率等。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡采用頻率復用技術提高頻譜使用效率，從而提升系統(tǒng)容量。在頻率復用技術中，頻率復用因子決定了無線電頻譜的復用增益，頻率復用因子越小，頻率復用增益越大。但是，頻率復用因子的大小在很大程度上取決于網(wǎng)絡中小區(qū)間干擾的大小。5G網(wǎng)絡面臨更有限的頻譜資源問題，在6GHz以下頻譜資源尤其緊張，且5G網(wǎng)絡的超密集組網(wǎng)以及和4G網(wǎng)絡的非獨立組網(wǎng)使得5G網(wǎng)絡的頻譜分配更加復雜。本文在對傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡研究的基礎上，對5G蜂窩網(wǎng)絡的頻譜分配和干擾控制進行了重點分析。

1 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡頻率復用和干擾分析

頻率復用充分利用了無線電波的傳播損耗特性。在滿足接收機同頻干擾門限時，允許的相距最近的同頻小區(qū)距離稱為同頻復用距離。同頻復用因子與同頻復用距離和小區(qū)大小有關，其大小與同頻干擾直接相關。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中，同頻復用因子越小，頻譜利用率越高，頻譜復用增益越大，但同頻干擾越嚴重。

GSM網(wǎng)絡采用4*3的頻率復用方式，系統(tǒng)頻譜資源在4個基站小區(qū)的12個扇形小區(qū)中進行劃分，每個扇形小區(qū)使用不同的頻譜資源。同頻復用距離較大，較好地滿足了GSM對同頻干擾的指標要求。CDMA網(wǎng)絡由于采用擴頻方式，用戶信號之間采用正交的擴頻碼區(qū)分，并采用了嚴格的功率控制，從而系統(tǒng)中所有用戶可以在相同的時頻資源上通信，所有小區(qū)可以共用系統(tǒng)帶寬資源，實現(xiàn)同頻復用。但是，為避免CDMA小區(qū)間干擾，功率控制使得小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率較低，影響了系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量。在4G LTE網(wǎng)絡中，上行鏈路采用SC-FDMA技術，下行鏈路采用OFDMA技術，都能保證小區(qū)內(nèi)用戶之間的正交性，基本可以解決小區(qū)內(nèi)干擾問題。LTE追求更高的頻譜效率、更高的系統(tǒng)容量和更高的小區(qū)邊緣性能。不同于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡頻率復用技術，LTE采用了更先進的“部分頻率復用”（FFR）[1]和“軟頻率復用”（SFR）[2]很好地解決了LTE小區(qū)間干擾問題。

FFR技術中，系統(tǒng)頻帶分為兩部分，一部分作為所有基站小區(qū)的共用頻帶，復用因子為1，另一部分進一步劃分為正交的多份，分配到不同的鄰小區(qū)，一般劃分為3份，復用因子為3。FFR較為簡單，既減輕了小區(qū)間干擾，又在一定程度上保證了頻譜利用率。SFR技術中，系統(tǒng)頻帶也是分為兩部分，一部分劃分為正交的多份，作為主載波分配給相鄰小區(qū)，相鄰小區(qū)的主載波不重疊。除了主載波外的其他所有系統(tǒng)頻譜（稱為“副載波”）只用于小區(qū)中心區(qū)域使用，主載波可用于整個小區(qū)，主載波的功率門限高于副載波。不同于FFR，SFR在每個小區(qū)都使用了整個系統(tǒng)帶寬，頻譜利用率更高。通過調整主載波和副載波的功率門限，可以使LTE小區(qū)的頻率復用因子在1～3之間平滑變化，且可以自適應業(yè)務負載在小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)邊緣的分布，進一步提高頻譜效率。

2 5G網(wǎng)絡頻譜管理和干擾控制

與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡不同，小區(qū)微型化和超密集組網(wǎng)（UDN）將是5G網(wǎng)絡部署的重要形式。UDN能夠極大提升頻譜效率和系統(tǒng)容量，并支持更大的連接數(shù)和更低的接入時延。但UDN方式也帶來前所未有的問題，最突出的就是頻譜管理和小區(qū)間干擾問題[3]。同時，5G非獨立組網(wǎng)以及不同系統(tǒng)的共存也需要很好地解決頻譜分配和干擾控制問題。另外，優(yōu)質頻譜資源的匱乏使得運營商可能采用共建共享的5G建網(wǎng)方式，這就會進一步帶來不同運營商之間的頻譜共享和管理問題。

2.1 UDN場景下的頻譜分配和干擾控制

在UDN場景下，微基站部署更加密集，由于不可能做到完全規(guī)劃，微小區(qū)之間的重疊覆蓋會比較嚴重，干擾更加嚴重，而且干擾小區(qū)數(shù)目更多。另外，由于小區(qū)覆蓋變小，服務用戶少，微小區(qū)動態(tài)增刪靈活，小區(qū)負荷和干擾變化更加劇烈。因此，UDN場景下的相鄰小區(qū)同頻部署會帶來較大干擾，嚴重影響用戶服務質量，而且也不合適采用傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法，否則會導致較低的頻譜利用率。

動態(tài)異頻頻譜分配是UDN頻譜分配的研究方向，實現(xiàn)在不同小區(qū)間不同頻譜資源的動態(tài)靈活分配和管理，保證小區(qū)間干擾水平滿足要求的前提下，最大化頻譜資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。從實現(xiàn)架構上可以分為集中式和分布式兩種方式。

集中式分配需要有一個主控制節(jié)點，可以新增一個集中控制單元，也可以在密集網(wǎng)絡的宏基站上增設此功能。微小區(qū)基站周期性或基于事件觸發(fā)的方式向主控制節(jié)點上報本小區(qū)和鄰小區(qū)相關信息，包括工作頻點、帶寬、位置、功率大小、業(yè)務負荷、業(yè)務量需求等。鄰小區(qū)相關信息可通過讀取廣播消息獲取，也可以在主控制節(jié)點的控制下，向鄰小區(qū)基站發(fā)起頻譜測量信息等方式獲取。觸發(fā)事件可以有微小區(qū)基站開啟/關閉、工作小區(qū)業(yè)務負荷大或者更多業(yè)務量需求，需要更多頻譜資源以滿足服務。主控制節(jié)點根據(jù)上報的信息構建基站頻譜信息拓撲，計算微小區(qū)之間的相互干擾，采用先進的頻譜分配算法把異頻資源分配到不同的小小區(qū)，既要保證小區(qū)間干擾較低，又要保證頻譜利用率更高，系統(tǒng)吞吐量更大。

分布式分配的思想是根據(jù)本小區(qū)和獲取的鄰小區(qū)基站頻譜信息、干擾情況等選擇本小區(qū)干擾最小、優(yōu)先級最高的工作頻段。這種方法快速靈活，可以實現(xiàn)小區(qū)級干擾最小和性能最優(yōu)，但缺少了集中控制，無法保證系統(tǒng)級的干擾最小和性能最優(yōu)。

2.2 運營商內(nèi)異構網(wǎng)絡頻譜分配和干擾控制

對于大多數(shù)運營商來說，5G初期建設將采用非獨立組網(wǎng)（NSA）方式，和4G網(wǎng)絡協(xié)同工作，且將引入上下行解耦技術來擴大5G網(wǎng)絡覆蓋。而且，不同的系統(tǒng)往往采用共站址建設。因此，在這種多無線系統(tǒng)共存的情況下，需要很好地解決系統(tǒng)間干擾問題。隨著2G/3G網(wǎng)絡的逐漸退網(wǎng)，5G網(wǎng)絡可以和其他系統(tǒng)頻譜共享，頻譜利用率高，但系統(tǒng)間干擾也較大，需要進行嚴格的頻譜規(guī)劃和頻譜分配。為了更高效地共享頻譜資源，頻譜共享和管理機制可以直接管控到同一運營商的不同系統(tǒng)基站，這樣可以做到精細化實時管理，更好地做到干擾控制。

2.3 多運營商頻譜共享和頻譜管理

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中，電信運營商使用專用授權頻譜資源，為本系統(tǒng)內(nèi)用戶提供基礎電信業(yè)務和各種增值業(yè)務。隨著ICT融合的快速發(fā)展，各種定位于提供專項增值業(yè)務的虛擬運營商出現(xiàn)，并逐漸發(fā)展壯大。虛擬運營商不擁有無線電頻譜資源，需要和電信運營商共享頻譜資源。一般情況下，虛擬運營商機會主義地使用電信運營商的頻譜資源，其優(yōu)先級較低。電信運營商用戶稱為“主用戶”，虛擬運營商用戶稱為“次用戶”。頻譜感知作為發(fā)現(xiàn)可用頻譜的基本技術，是實現(xiàn)頻譜共享的基礎，“主用戶”和“次用戶”競爭使用空閑頻譜資源。在頻譜感知的基礎上，根據(jù)“主用戶”占用情況、干擾和路徑損耗等進行頻譜分析，為不同用戶分配合適的工作頻段。在這種多運營商場景下，“次用戶”頻譜切換是保證“主用戶”服務質量的關鍵核心技術之一。“次用戶”只有在“主用戶”沒有使用的情況下才被允許使用，一旦“主用戶”出現(xiàn)在此信道，“次用戶”需要立即進行頻譜切換。頻譜切換速度是頻譜切換的重要性能指標，其快慢直接影響“主用戶”QoS。同時，頻譜切換策略的好壞也會影響“次用戶”QoS，好的頻譜切換策略應該盡可能減少“次用戶”掉話率和切換次數(shù)。

另一方面，傳統(tǒng)電信運營商之間也呈現(xiàn)出頻譜共享的可能。現(xiàn)階段，國內(nèi)3大運營商都在積極部署5G基礎設施和網(wǎng)絡。由于5G網(wǎng)絡建設投資將遠遠超過4G，運營商面臨難以承擔的巨大投資，這種情況下，5G網(wǎng)絡共建共享是運營商共同發(fā)展的一個有益方向。2019年9月份中國聯(lián)通和中國電信正式簽署了《5G網(wǎng)絡共建共享框架合作協(xié)議書》，初期實現(xiàn)雙方在5G接入網(wǎng)的共建共享，這就需要解決不同電信運營商之間的頻譜共享問題。在這種多運營商場景下，運營商之間是完全平等的關系，可根據(jù)預期性能、報價和業(yè)務需求等平等競爭接入資源。由于運營商間是平等競爭關系，他們之間不太可能彼此開放接口交互頻譜管理等相關信息，需要通過相對獨立于運營商的第三方進行更高級的頻譜管理。高級頻譜管理節(jié)點管理一定范圍內(nèi)的運營商層級的頻譜資源，通過運營商的OAM系統(tǒng)等管理系統(tǒng)內(nèi)的站點資源。終端對基站的頻譜相關信息進行測量，并以測量匯報的方式發(fā)送給基站，基站進一步把站內(nèi)頻譜使用和頻譜需求信息發(fā)送給OAM，OAM對每個基站的相關信息進行統(tǒng)計，得到本運營商的頻譜需求信息，進一步上報給高級頻譜管理節(jié)點。高級頻譜管理節(jié)點執(zhí)行運營商間頻譜分配方案并進行決策。

【參考文獻】

[1]王鈺煒，葛佳，俞暉.基于部分頻率復用的超密集網(wǎng)絡覆蓋率性能分析[J].上海師范大學學報（自然科學版），2018，47（02）：171-178.

[2]高明華，許麗金，楊根紅.LTE系統(tǒng)軟頻率復用技術分析[J].計算機仿真，2018，35（07）：125-129.

[3]張海濤.基于分簇的5G超密集組網(wǎng)軟頻率復用方案研究[A].TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、《移動通信》雜志社.5G網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會（2019）論文集[C].TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、《移動通信》雜志社：中國電子科技集團公司第七研究所《移動通信》雜志社，2019：4.