【摘要】? ? 隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大幅推進(jìn)，5G網(wǎng)絡(luò)分場景覆蓋極大的改善了用戶體驗及新業(yè)務(wù)的發(fā)展，5G已經(jīng)完成城區(qū)縣城基本覆蓋，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點也將放在微基站、小基站及室內(nèi)覆蓋基站上。在5G超密集組網(wǎng)環(huán)境中室外宏基站、微基站、小基站與室內(nèi)基站組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中干擾是影響整個系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。如何通過干擾管理技術(shù)對超密集網(wǎng)絡(luò)中的干擾進(jìn)行避免和消除，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容量，是本文討論的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G通信? ? 超密集組網(wǎng)? ? 干擾管理

引言：

2019年作為我國5G商用元年距今已過去2年，目前我國5G已在地市的重點地區(qū)完成了室外覆蓋，從2021年開始5G建設(shè)將在室外進(jìn)行連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)上，將重點放在微基站和室內(nèi)分布式基站的建設(shè)。5G要達(dá)到全面覆蓋，基站數(shù)量將超越現(xiàn)有4G基站數(shù)量，重點區(qū)域基站甚至是4G站點的數(shù)倍。密集的基站建設(shè)會使得無線環(huán)境更加復(fù)雜，帶來更多的干擾。解決5G超密集組網(wǎng)環(huán)境下的干擾將是我們下一步將要面臨的問題。

一、5G超密集組網(wǎng)技術(shù)

（一）超密集組網(wǎng)背景

5G網(wǎng)絡(luò)提供不同應(yīng)用場景下的差異化服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，以及5G無線網(wǎng)的高速率、低時延、海量連接、高可靠性等特點都需要系統(tǒng)容量的支撐。在通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量決定了用戶接入數(shù)量以及用戶接入速率，因此提高系統(tǒng)容量是通信技術(shù)發(fā)展中重點解決的問題之一。

超密集組網(wǎng)技術(shù)（Ultra-Dense Network，UDN）是指高密度部署與宏基站相比功率更低的小基站，從而增加單位覆蓋面積內(nèi)站點密度的組網(wǎng)方式。小型基站之間的站間距根據(jù)用戶密集程度，縮減至十幾米到幾十米，密集分布的站點可以提高單位面積內(nèi)頻譜復(fù)用率、網(wǎng)絡(luò)容量及用戶體驗速率。

5G融合了多種關(guān)鍵技術(shù)，與其他5G通信技術(shù)相比，超密集組網(wǎng)技術(shù)帶來的網(wǎng)絡(luò)容量增益位于各技術(shù)前列。表1為各種5G關(guān)鍵技術(shù)所帶來的增益對比。

（二）超密集組網(wǎng)特點分析

1.超密集組網(wǎng)應(yīng)用場景

5G網(wǎng)絡(luò)由于使用頻率較高，與4G相比信號在傳播過程中的路徑損耗更大，使得單位面積內(nèi)5G基站數(shù)量肯定比4G基站更多。但這并不意味著5G超密集組網(wǎng)技術(shù)要應(yīng)用于任何場景之下。除了信號強度的考慮之外，超密集組網(wǎng)主要應(yīng)用于人口密集，用戶并發(fā)數(shù)高，網(wǎng)絡(luò)流量密度高和數(shù)據(jù)速率要求高的區(qū)域。對應(yīng)上述要求，可以看出UDN典型應(yīng)用場景主要包括：密集商業(yè)區(qū)、商務(wù)樓宇、高層住宅、密集住宅、醫(yī)院、高校、交通樞紐、體育場館等。

2.超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

在4G時代，針對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network， HetNet）的概念。無線網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與廣義的異構(gòu)網(wǎng)相比，采用的是其狹義的概念。

廣義異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指運行在不同的協(xié)議上，支持不同的功能或應(yīng)用協(xié)議的設(shè)備或系統(tǒng)所組成的網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）主要是針對無線接入網(wǎng)絡(luò)的差異性，是一種面向未來的創(chuàng)新移動寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由不同大小、類型小區(qū)構(gòu)成，包括宏小區(qū)Macro cell、微小區(qū)Micro cell、微微小區(qū)Pico cell、毫微微小區(qū)Femto cell，通過無線基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵部件進(jìn)行協(xié)調(diào)部署并協(xié)同工作，從而提供高系統(tǒng)容量，為用戶帶來更好使用體驗。

5G時代的超密集組網(wǎng)是在HetNet基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴展。傳統(tǒng)宏蜂窩提供的單一同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然易于規(guī)劃，能給用戶提供無差異化的服務(wù)，但是現(xiàn)在用戶需求已經(jīng)發(fā)生根本性的改變，從語音業(yè)務(wù)為主過渡到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，從單一需求變?yōu)槎嘣枨螅煌瑘鼍跋碌挠脩魳I(yè)務(wù)需求差異明顯，因此超密集組網(wǎng)提供宏基站層用于網(wǎng)絡(luò)整體覆蓋，微基站層用于局部補盲及熱點覆蓋，小基站層用于室內(nèi)或重點區(qū)域密集覆蓋及業(yè)務(wù)吸收，從而在整體上達(dá)到覆蓋效果的同時，為分場景、切片網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)，為用戶提供真正意義上的差異化服務(wù)。超密集異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（三）面臨的問題與挑戰(zhàn)

雖然超密集組網(wǎng)有效地提升了系統(tǒng)容量，但是高密度的小基站也會帶來新的問題，其中最主要的兩個問題是上行回傳和干擾問題。

1.上行回傳

由于超密集組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)用戶量大、業(yè)務(wù)集中，才采取了密集建設(shè)基站的方式作為應(yīng)對策略。5G基站本身對上行傳輸資源要求極高，隨著基站的增加，傳輸需求也會成倍增加。對于基站大量的上行回傳需求單純依靠光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載建設(shè)成本過高，因此5G網(wǎng)絡(luò)自回傳方案的提出，可以有效解決回傳問題。通過對頻率資源的復(fù)用，用5G空口同時承載接入數(shù)據(jù)與回傳數(shù)據(jù)，不僅能提高基站選點的靈活性，節(jié)約光網(wǎng)資源，還能對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行更高效靈活地分配。

2.干擾應(yīng)對與管理

密集小基站的建設(shè)可以滿5G用戶在不同場景下的各種需求，同時也因為基站間距縮小使得小區(qū)之間重疊覆蓋區(qū)域大幅增加。雖然小基站功率已降低，也具有更加靈活的功率控制手段，但重疊區(qū)內(nèi)用戶通常位于小區(qū)邊緣，主導(dǎo)小區(qū)的缺失使得信號干擾嚴(yán)重，用戶體驗也會急劇下降。密集小區(qū)在帶來容量提升的同時也帶來了嚴(yán)重的干擾問題，并且干擾會成為限制超密集組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)無線性能的主要因素。因此超密集組網(wǎng)環(huán)境下干擾管理技術(shù)將是本文重點討論的內(nèi)容。

二、干擾應(yīng)對策略

（一）干擾類型

無線通信中的干擾種類繁多，但最主要的干擾還是來至于同頻干擾。由于頻譜資源的有限性，無線傳輸帶寬需求日益增大，為了滿足傳輸需要，各個無線技術(shù)在組網(wǎng)時都采用了頻率復(fù)用的方式來提高頻譜效率。頻率復(fù)用帶來的問題就是不同小區(qū)同頻段信號被同時接收時會產(chǎn)生同頻干擾。

根據(jù)超密集組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及干擾來源的不同，可以將干擾分為以下兩種類型：

1.層內(nèi)干擾：層內(nèi)干擾是指來至同一覆蓋層，如宏基站與宏基站之間、微基站與微基站之間的干擾。在超密集組網(wǎng)中，蜂窩網(wǎng)網(wǎng)格縮小、基站密度的增大以及不規(guī)則的部署，都會使層內(nèi)同頻干擾變得更為嚴(yán)重。

2.層間干擾：在超密集組網(wǎng)中采用了多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，覆蓋范圍更大的宏基站層與微基站層及小基站層相互重疊，5G頻段帶寬有限，無法給每一層網(wǎng)絡(luò)分配獨立頻段，層與層之間的同頻干擾十分明顯。

（二）干擾應(yīng)對策略

5G超密集組網(wǎng)中的干擾雖然是終端接收信號受影響，但干擾來源卻是存在于通信中的各個環(huán)節(jié)，因此在應(yīng)對這些干擾時我們需要從信號源、傳播途徑及接收端多個方面考慮，最大化的減少或消除干擾。

從對干擾的處理方式上，可以分為三類策略：

1.干擾消除：干擾消除是指針對干擾產(chǎn)生原因，采取措施避免干擾的產(chǎn)生。通常可采用多址技術(shù)、跳頻技術(shù)、功率控制技術(shù)等消除干擾。

2.干擾抑制：干擾抑制是已經(jīng)產(chǎn)生干擾后，在接收端對期望信號和干擾信號進(jìn)行區(qū)分并對干擾信號進(jìn)行抑制以提取更多有用信號。對于干擾的抑制，一是盡量分離有用信號與干擾，使得分離出的有用信號中干擾量更少。另外一種則是解構(gòu)重構(gòu)干擾信號，再從接收信號中去除對應(yīng)干擾，從而獲得更純凈的有用信號。干擾對齊技術(shù)利用信道矩陣將干擾空間重疊后降低干擾信號占比，也是一種干擾抑制策略。

3.干擾利用：從傳播信道進(jìn)行考慮，將干擾信號轉(zhuǎn)化為分集或多徑增益。5G系統(tǒng)采用了大規(guī)模天線技術(shù)，因此在超密集網(wǎng)絡(luò)中可以利用空間分集和波束賦型技術(shù)加強信噪比。

從考慮的環(huán)節(jié)不同，也可以分為三類策略：

1.信號源側(cè)：在信號源側(cè)考慮采用多址技術(shù)對用戶進(jìn)行區(qū)分，降低干擾。多址技術(shù)包括時分多址TDMA、頻分多址FDMA、碼分多址CDMA。這些信道技術(shù)主要利用正交特性對干擾進(jìn)行抑制。

2.傳播途徑中：在傳播途徑中則主要考慮波束賦型及功率控制技術(shù)。采用波束賦型進(jìn)行空間濾波，同時協(xié)調(diào)小區(qū)間進(jìn)行聯(lián)合傳輸。通過調(diào)整每個小區(qū)的傳輸功率來改善干擾影響，包括智能關(guān)斷技術(shù)。智能關(guān)斷技術(shù)根據(jù)超密集網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、用戶使用情況等變量動態(tài)地調(diào)整區(qū)域內(nèi)基站開關(guān)狀態(tài)。關(guān)閉無服務(wù)需求的基站可以降低對鄰近小區(qū)的干擾。

3.接收端：在接收端主要考慮干擾抑制策略：通過合并算法抑制干擾或者通過干擾對齊矩陣使干擾空間重疊以減少干擾。

在超密集組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來容量的提升，也使得干擾變得復(fù)雜化和異構(gòu)化。分析干擾形成的原因、帶來的影響并采取相應(yīng)措施對于網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提升很有必要。

三、干擾管理方案分析

干擾管理是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行情況及干擾類型的不同，在信號傳播的不同環(huán)節(jié)采取相應(yīng)消除或抑制策略減少干擾的過程。由于超密集組網(wǎng)的異構(gòu)性和復(fù)雜性，單一的干擾策略無法應(yīng)對諸如小區(qū)業(yè)務(wù)及覆蓋不均衡、異構(gòu)網(wǎng)分層覆蓋限制策略使干擾更加嚴(yán)重等問題。因此干擾管理方案是一系列干擾管理策略的集合。

超密集組網(wǎng)環(huán)境下不同網(wǎng)絡(luò)層的干擾更需要有效地協(xié)調(diào)機制，這使得集中式的管理模式下，對網(wǎng)絡(luò)資源占用會相當(dāng)高，因此在超密集組網(wǎng)時考慮可以分布式管理來減輕系統(tǒng)負(fù)荷。

目前超密集組網(wǎng)中有效的干擾管理手段和策略多集中于以下幾種：

（一）資源分配策略

5G通信系統(tǒng)中的資源主要是頻率和功率，同時也是干擾形成最重要的因素，合理地分配資源不僅是提高資源利用率，也能有效地控制干擾。

在超密集組網(wǎng)環(huán)境中，可以根據(jù)場景的差異選取正交分配、全復(fù)用及部分復(fù)用等頻率分配策略。同時依據(jù)組網(wǎng)環(huán)境的差異，可以采用不同資源分配的算法。例如注水算法、博弈算法、自適應(yīng)頻率分配算法、增強學(xué)習(xí)算法等，不同的算法有不同的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點。注水算法需要依賴高質(zhì)量的信道，適合信道質(zhì)量差別不大的情況。信道質(zhì)量差異過大會導(dǎo)致注水算法失效，無法降低干擾水平。博弈算法則具有適用性、反饋開銷低的特點，缺點則是信息的不全面會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能有所損失。

（二）多點協(xié)同策略

多點協(xié)同傳輸（Coordinated Multiple Points， CoMP）策略是指通過物理存在的多個小區(qū)共享數(shù)據(jù)、信道狀態(tài)、調(diào)度等控制信息，采用協(xié)同傳輸、接收的方式到達(dá)多個小區(qū)間協(xié)作。終端會同時接收到多個小區(qū)的信號，進(jìn)行相干合并后能夠消除干擾，提升系統(tǒng)整體性能。同時參與協(xié)作的小區(qū)越多，協(xié)作效果越明顯，但是對系統(tǒng)的要求也越高。

在實際的超密集組網(wǎng)環(huán)境中，基站數(shù)量及小區(qū)數(shù)量較多，使得對所有小區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)變得極其復(fù)雜。包括小區(qū)間協(xié)調(diào)的一致性、額外信號處理過程、復(fù)雜的波束成形設(shè)計以及調(diào)度過程會產(chǎn)生大量回傳鏈路等眾多問題。即使有諸多問題，CoMP仍然是5G超密集網(wǎng)絡(luò)減少小區(qū)間干擾的有效手段。

（三）分簇策略

通信系統(tǒng)中為了使系統(tǒng)增益最大化，通常會采用集中控制模式。在超密集組網(wǎng)場景下由于基站數(shù)量眾多提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，集中控制模式也將面臨極其大量的交互信息，需要耗費系統(tǒng)開銷進(jìn)行處理。分簇策略則是將網(wǎng)絡(luò)化繁為簡，將大網(wǎng)降級為小網(wǎng)，也就是簇進(jìn)行控制管理，簇內(nèi)的干擾管理則會更加有效。

分簇策略根據(jù)終端所在協(xié)作簇是否調(diào)整可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種策略。

1）靜態(tài)分簇：系統(tǒng)初始指定協(xié)調(diào)簇，終端所在簇相對固定，不會隨網(wǎng)絡(luò)實時變化。其優(yōu)勢在于復(fù)雜度較低，可以實現(xiàn)快速部署。靜態(tài)分簇的問題在于當(dāng)小區(qū)內(nèi)的基站部署和用戶位置發(fā)生移動時，協(xié)作簇并不會作相應(yīng)變化，也就使協(xié)作效率下降而無法最大化消除干擾。

2）動態(tài)分簇：系統(tǒng)動態(tài)分配協(xié)作簇，同時根據(jù)用戶終端反饋的信息進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在動態(tài)分簇策略下，同一小區(qū)內(nèi)的終端所在簇可能不一樣，因此針對每個用戶的集群大小可以動態(tài)優(yōu)化，從而得到最佳的平衡方案，最大化消除簇內(nèi)干擾。與靜態(tài)分簇不同，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，系統(tǒng)也會做相應(yīng)協(xié)作簇調(diào)整以持續(xù)保持最優(yōu)狀態(tài)。缺點則在于動態(tài)的用戶反饋信息會增大分簇方案的復(fù)雜性，尤其是當(dāng)用戶密集時，因此需要對調(diào)整范圍進(jìn)行合理的控制。從動態(tài)分簇的特點可以看出，協(xié)作簇劃分算法的優(yōu)化設(shè)計是分簇策略的關(guān)鍵問題。

（四）干擾對齊

干擾對齊技術(shù)是一種信道編碼技術(shù)，通過設(shè)計合理的編碼譯碼矩陣，使得信號接收端能夠更有效地解碼出有用信息，其本質(zhì)也是干擾抑制技術(shù)。干擾對齊技術(shù)的核心思想是將信號矩陣劃分為兩部分：一部分為期望信號，一部分為干擾信號，同時設(shè)計出相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，使得接收端收到的干擾信號重疊，從而壓縮干擾信號占用的系統(tǒng)容量，降低其對期望信號的影響。

干擾對齊雖然可以作為一種有效的干擾管理機制，但還處于研究階段，仍有很多問題需解決。

四、結(jié)束語

從前面的分析可以看出，5G超密集組網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致無線網(wǎng)內(nèi)干擾嚴(yán)重，僅靠單一的技術(shù)難以解決網(wǎng)絡(luò)中的層內(nèi)干擾和層間干擾問題。同時各種干擾應(yīng)對技術(shù)和策略僅在某些方面具有較強優(yōu)勢，但是難以全面的解決干擾問題。因此，我們需要通過分析主要干擾來源，通過干擾管理技術(shù)，最大化的減少或者消除5G超密集組網(wǎng)環(huán)境下的干擾，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能，讓處于不同場景下的用戶都能得到極致的5G網(wǎng)絡(luò)體驗。

作者單位：秦奇? ? 四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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