协作通信系统网络演进与干扰分析

    

    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{zd0}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{jz}。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。

    关键字:长期演进技术;多点协同传输;小区间干扰协调;软频率复用

一、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xx正交的信道,极大xx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,{dy}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{zy}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。

二、网络演进

    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。

    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。所以{zh0}的最适合方案应经得起时间和专家的挑剔的。
 
   
而通过多站协作通信技术,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{zh0}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 、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。

 

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