协作通信系统网络演进与干扰分析

1 协作通信技术背景与原理
    长期演进(LTE)技术是设计良好的高级技术。在无线接入网部分，首先，利用下行和上行的正交频分复用/离散傅立叶变换-扩频正交频分复用(OFDM/DFT-SOFDM)技术实现了小区内完全正交的信道，极大消除了同小区干扰；其次，多天线技术的收发分集、空分复用、波束赋形等使用方式的灵活转换，灵活利用了空间信道的特性，增大流量，克服干扰；此外，多小区干扰协调(ICIC)机制，第一次突破了单个小区独立控制的思路，将多小区看做一个大系统，引入联合协调干扰的思想。因此，LTE系统的链路流量已经接近香农极限，在LTE系统的后续演进中，对于更高的频谱效率要求[1]，链路级技术改进所能做的工作已经有限，而为了达到提升链路级性能(SINR)的目的，必须转而寻求系统级的解决手段。协作通信技术就是在这种背景下被引入到LTE系统中的。

    协作通信是指系统中多个基站(eNodeB)或者多个基站和天线站远程射频单元(RRU)同时进行多点发送/接收的技术，用户终端(UE)将与多个基站和天线站之间建立上下行链接进行通信。基站与多个天线站、多个基站之间可以用光纤进行网状互联，如图1所示。具体地说，网络中插入天线站，或者基于现有站点形成分布式天线系统[2]，进行与UE间的多发多收，称为协同多点传输技术(CoMP)；当直接利用现有网络，在各个基站之间用光纤互联，多个基站直接与UE进行通信，称为基站间协同技术。这两种形式都是协作通信在实际中的应用。图1是基站间协同技术的示例，在这种情况下，其中一个基站是与UE通信的主基站，其他基站则退化为RRU天线站。

    协作通信主要利用了系统处理的增益，为了带来多站协作的增益，需要在具体技术中考虑多站协作问题。目前还在研究中的最主要的几项关键技术有：

    (1)智能关联。UE能够自动搜寻路损最小的发送站点进行接入。

    (2)站间负荷均衡技术。多个站点共同分担覆盖区域内的业务负荷，需要站间通信协调业务分担和资源使用情况。

    (3)多天线协作MIMO技术。多个覆盖站点每个都可以采用不同的多输入多输出(MIMO)使用形式，例如多站点覆盖的区域，不同用户可以占用相同的时频资源，但由多个站点分别对不同用户进行波束赋形，区分用户，提高频谱效率。

    (4)协作站点选取技术。选择恰当的站点个数、分布位置进行多站协作，以期达到最优的合作效果。

    (5)动态ICIC技术[3]。在多站协作通信中，采用光纤连接的多个基站能够进行快速的数据通信，因此能够实现真正的动态ICIC技术，协调小区间的干扰。

2 网络演进

2.1 应用协作通信网技术后的网络演进
    经典的宏蜂窝组网常用宏站、微蜂窝组成分层混合网络，宏站进行连续覆盖，微蜂窝用于热点覆盖、盲区覆盖，对宏蜂窝的业务热点进行吸收，同时补充宏蜂窝连续覆盖产生的覆盖漏洞和盲区。以LTE系统为例，在R8中，宏蜂窝和微蜂窝组成分层网络覆盖的形式，采用软频率复用(SFR)方式进行多个小区之间、宏微蜂窝之间的频率规划，那么组网形式如图2所示。

    现有系统为了解决小区交接区域的同频干扰、宏微小区之间的同频干扰问题，多采用SFR的方式，保证不同校区在重叠覆盖的边缘区域采用不同的频段，采用频分复用来对抗同频干扰。但这引起的问题是：

• 频谱利用率降低。频分复用的方式是通过牺牲频谱利用率的方式来降低干扰的。
• 降低通信质量。在UE向小区边缘的移动过程中，将进行频繁的工作频段的被动改变，这种改变会破坏频选调度过程中的链路适配的性能，从而降低通信质量。
• 过于依赖内外圈划分的方案。不同的划分方案将对系统性能产生影响，如果要得到一个适于高速、低速、轻载、重载各种场景的小区干扰协调方案，系统ICIC算法复杂度高，这增加了每个eNodeB的负担。

    当引入多站协作通信技术后，基站之间用光纤相连，其中一个基站作为主基站，用于业务通信，其他基站退化为RRU，多点同时发送和接收。在这种情况下，增大了主基站的覆盖范围，缩小了切换区域，变传统的宏微小区分层网覆盖为多NodeB节点分担负荷的大区覆盖，如图3所示。在这种大区覆盖中，多点收发不仅令上下行覆盖距离增大了，而且，由于UE可以选择与路损最小的站点进行接入，同时多点收发带来了类似3G系统中软切换的宏分集增益，因而在覆盖能力上也更强了，覆盖质量更好了，覆盖概率更高了。此外，利用协作通信中对调度算法和多站协调算法的设计，对大区内的业务负荷多站动态分担，同时支持大区内所有的业务，不同UE可以随意选择信号质量最好的基站进行接入，UE在主站和从站覆盖的范围内移动时，相当于在同一主基站的覆盖区内，可以平稳快速的切换，业务服务质量(QoS)感受更好。由此，对于频谱效率、业务性能有所提升，而ICICl算法复杂度也会相应降低一些。

2.2 干扰分析
    多站协作通信系统中，协作的多个站点中一个基站作为主基站，其他基站退化为RRU，这样，主机站控制覆盖范围内的与其相连接的UE通信，同时与其他退化为RRU的基站协调资源使用情况。这样，在覆盖范围内，原本多个小区间的上下行同频干扰被极大的降低了，甚至能够达到近似正交的情况，那么，系统的干扰来源将是远端的其他的协同工作的基站组产生的干扰。

    下面将使用一个简单的LTE系统模型和协作通信系统的网络模型进行干扰分析的研究。如图4所示，图4(a)为R8 LTE系统的网络，每个小区会受到来自其他相邻小区的同频干扰；图(b)为多站协作通信网络，3个基站一组，组内进行多点协作通信，每个组会受到其他组的同频干扰，本节将比较两种情况下NodeB的覆盖范围内的上下行干扰变化情况。

    表1是干扰分析的基本参数表，在不采用任何额外技术的情况下(例如智能天线抗干扰技术、干扰协调技术等等)，分析结果如图5和图6所示。图5是下行链路覆盖范围内的干扰抬升的分析，图6是上行链路覆盖范围内的干扰抬升分析，可以看到，单独由多站点协作通信带来的干扰有所降低，从下行链路来说，干扰级别整体降低约为2 dB左右，上行链路的干扰降低约为2～4 dB。

    本节采用了一个简单的场景对协作通信系统带来的干扰的降低进行了分析，实际中，由于宏蜂窝、微蜂窝分层组网结构，恰当的选取宏、微蜂窝节点进行协作，带来的干扰降低的效果将会更好，考虑到天线下倾、ICIC、多天线技术的使用，协作通信网络将成为一个小区内、小区间干扰都近似正交的系统，使得干扰对系统吞吐量的影响大大降低，频谱效率得到提升。

    虽然协作通信技术带来了明显的系统增益，但使这项技术的技术优势全部发挥出来，还有许多问题需要研究，例如：

    (1)信令信道的覆盖问题，多个站点协作发送扩大了单站的覆盖范围，但是首先需要控制信道在整个覆盖范围内达到良好覆盖性能，这是一个有待详细研究的问题。

    (2)在大的覆盖范围内的所有的系统负荷，在多个NodeB之间如何进行分担，这部分工作会增加NodeB之间的信令流量。

    (3)动态ICIC。基站之间真正的动态ICIC需要大量的站间通信，这将随着协作基站规模的增加而不断增加，后续要进行研究。

    上面这些问题是协作通信技术应用中遇到的关键问题，解决好这些问题，必将使得系统性能有着更高的提升。

3 结束语
    本文分析了协作通信系统的原理、现有R8 LTE系统网络向协作通信网络的升级，同时对于一个协作通信网络的干扰情况与现有系统进行了简单的对比分析。可以看到，协作通信概念是对于单站通信技术的系统性提升，无论覆盖、干扰、流量都能得到更高的性能[4-8]。它的引入将真正使得LTE这项技术成为通信技术的一个巅峰，满足当前以及未来一段时期内业务发展的需求，并会引导新型业务的不断兴起，开启移动数据通信的新时代。

4 参考文献
[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. 无线Mesh技术和网络[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2):1-4.
[3] 沈嘉, 索士强, 全海洋, 等. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008.
[4] 陈琳琳. 无线Mesh网络与IEEE802系列标准[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2):8-11.
[5] 田辉, 陶小峰. IP化基站无线Mesh组网构架及其关键技术[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2):16-20.
[6] 蒋小奎. 无线网状网与协作中继技术[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2):21-25.
[7] 吴凡, 毛玉明, 张科. 无线Mesh网络关键技术[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2): 25-29.
[8] 刘天喜, 唐孝通, 焦秉立. 无线Mesh网中的Quorum节能机制[J]. 中兴通讯技术, 2008,14(2): 34-38.

收稿日期：2009-11-05

[摘要] 频分设计方法牺牲了3G系统中固有的宏分集增益而使得长期演进(LTE)技术不能发挥最大优势，因此在LTE的演进LTE-A中提出了协作通信技术。系统级协作通信把性能提高到极致。为了获得系统级增益，取得更高的频谱效率、更可靠的性能，需要采用协作通信技术。在LTE-A中引入了多点收发、智能中继、协作天线等多种技术，增大了系统的覆盖能力，并且使得用户终端平稳切换，在切换区域的流量增大及服务质量更好。

[关键词] 长期演进技术；多点协同传输；小区间干扰协调；软频率复用

[Abstract] 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.

[Keywords] long term evolution; coordinated multi-point; ICIC; SFR