蜂窩網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配和干擾控制研究

付秀花

【摘 要】研究了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用技術(shù)和小區(qū)間干擾控制問題。針對(duì)不同的5G網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景，結(jié)合干擾控制分析，重點(diǎn)研究了5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理和頻譜共享問題。

【關(guān)鍵詞】頻率復(fù)用;頻譜分配;頻譜共享;小區(qū)間干擾

中圖分類號(hào)： TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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(biāo)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(luò)采用頻率復(fù)用技術(shù)提高頻譜使用效率，從而提升系統(tǒng)容量。在頻率復(fù)用技術(shù)中，頻率復(fù)用因子決定了無線電頻譜的復(fù)用增益，頻率復(fù)用因子越小，頻率復(fù)用增益越大。但是，頻率復(fù)用因子的大小在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間干擾的大小。5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)的超密集組網(wǎng)以及和4G網(wǎng)絡(luò)的非獨(dú)立組網(wǎng)使得5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配更加復(fù)雜。本文在對(duì)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配和干擾控制進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

1 傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用和干擾分析

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

GSM網(wǎng)絡(luò)采用4*3的頻率復(fù)用方式，系統(tǒng)頻譜資源在4個(gè)基站小區(qū)的12個(gè)扇形小區(qū)中進(jìn)行劃分，每個(gè)扇形小區(qū)使用不同的頻譜資源。同頻復(fù)用距離較大，較好地滿足了GSM對(duì)同頻干擾的指標(biāo)要求。CDMA網(wǎng)絡(luò)由于采用擴(kuò)頻方式，用戶信號(hào)之間采用正交的擴(kuò)頻碼區(qū)分，并采用了嚴(yán)格的功率控制，從而系統(tǒng)中所有用戶可以在相同的時(shí)頻資源上通信，所有小區(qū)可以共用系統(tǒng)帶寬資源，實(shí)現(xiàn)同頻復(fù)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(luò)中，上行鏈路采用SC-FDMA技術(shù)，下行鏈路采用OFDMA技術(shù)，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(luò)頻率復(fù)用技術(shù)，LTE采用了更先進(jìn)的“部分頻率復(fù)用”（FFR）[1]和“軟頻率復(fù)用”（SFR）[2]很好地解決了LTE小區(qū)間干擾問題。

FFR技術(shù)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(fù)用因子為1，另一部分進(jìn)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(fù)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(shù)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(gè)小區(qū)，主載波的功率門限高于副載波。不同于FFR，SFR在每個(gè)小區(qū)都使用了整個(gè)系統(tǒng)帶寬，頻譜利用率更高。通過調(diào)整主載波和副載波的功率門限，可以使LTE小區(qū)的頻率復(fù)用因子在1～3之間平滑變化，且可以自適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載在小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)邊緣的分布，進(jìn)一步提高頻譜效率。

2 5G網(wǎng)絡(luò)頻譜管理和干擾控制

與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，小區(qū)微型化和超密集組網(wǎng)（UDN）將是5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shí)，5G非獨(dú)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(zhì)頻譜資源的匱乏使得運(yùn)營商可能采用共建共享的5G建網(wǎng)方式，這就會(huì)進(jìn)一步帶來不同運(yùn)營商之間的頻譜共享和管理問題。

2.1 UDN場(chǎng)景下的頻譜分配和干擾控制

在UDN場(chǎng)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(huì)比較嚴(yán)重，干擾更加嚴(yán)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(wù)用戶少，微小區(qū)動(dòng)態(tài)增刪靈活，小區(qū)負(fù)荷和干擾變化更加劇烈。因此，UDN場(chǎng)景下的相鄰小區(qū)同頻部署會(huì)帶來較大干擾，嚴(yán)重影響用戶服務(wù)質(zhì)量，而且也不合適采用傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法，否則會(huì)導(dǎo)致較低的頻譜利用率。

動(dòng)態(tài)異頻頻譜分配是UDN頻譜分配的研究方向，實(shí)現(xiàn)在不同小區(qū)間不同頻譜資源的動(dòng)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(shí)現(xiàn)架構(gòu)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(gè)主控制節(jié)點(diǎn)，可以新增一個(gè)集中控制單元，也可以在密集網(wǎng)絡(luò)的宏基站上增設(shè)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(diǎn)上報(bào)本小區(qū)和鄰小區(qū)相關(guān)信息，包括工作頻點(diǎn)、帶寬、位置、功率大小、業(yè)務(wù)負(fù)荷、業(yè)務(wù)量需求等。鄰小區(qū)相關(guān)信息可通過讀取廣播消息獲取，也可以在主控制節(jié)點(diǎn)的控制下，向鄰小區(qū)基站發(fā)起頻譜測(cè)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(guān)閉、工作小區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)荷大或者更多業(yè)務(wù)量需求，需要更多頻譜資源以滿足服務(wù)。主控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)上報(bào)的信息構(gòu)建基站頻譜信息拓?fù)洌?jì)算微小區(qū)之間的相互干擾，采用先進(jìn)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(jí)最高的工作頻段。這種方法快速靈活，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)級(jí)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(jí)的干擾最小和性能最優(yōu)。

2.2 運(yùn)營商內(nèi)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜分配和干擾控制

對(duì)于大多數(shù)運(yùn)營商來說，5G初期建設(shè)將采用非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）方式，和4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，且將引入上下行解耦技術(shù)來擴(kuò)大5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而且，不同的系統(tǒng)往往采用共站址建設(shè)。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(luò)的逐漸退網(wǎng)，5G網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行嚴(yán)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(jī)制可以直接管控到同一運(yùn)營商的不同系統(tǒng)基站，這樣可以做到精細(xì)化實(shí)時(shí)管理，更好地做到干擾控制。

2.3 多運(yùn)營商頻譜共享和頻譜管理

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，電信運(yùn)營商使用專用授權(quán)頻譜資源，為本系統(tǒng)內(nèi)用戶提供基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)和各種增值業(yè)務(wù)。隨著ICT融合的快速發(fā)展，各種定位于提供專項(xiàng)增值業(yè)務(wù)的虛擬運(yùn)營商出現(xiàn)，并逐漸發(fā)展壯大。虛擬運(yùn)營商不擁有無線電頻譜資源，需要和電信運(yùn)營商共享頻譜資源。一般情況下，虛擬運(yùn)營商機(jī)會(huì)主義地使用電信運(yùn)營商的頻譜資源，其優(yōu)先級(jí)較低。電信運(yùn)營商用戶稱為“主用戶”，虛擬運(yùn)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(shù)，是實(shí)現(xiàn)頻譜共享的基礎(chǔ)，“主用戶”和“次用戶”競(jìng)爭(zhēng)使用空閑頻譜資源。在頻譜感知的基礎(chǔ)上，根據(jù)“主用戶”占用情況、干擾和路徑損耗等進(jìn)行頻譜分析，為不同用戶分配合適的工作頻段。在這種多運(yùn)營商場(chǎng)景下，“次用戶”頻譜切換是保證“主用戶”服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵核心技術(shù)之一?！按斡脩簟敝挥性凇爸饔脩簟睕]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(jìn)行頻譜切換。頻譜切換速度是頻譜切換的重要性能指標(biāo)，其快慢直接影響“主用戶”QoS。同時(shí)，頻譜切換策略的好壞也會(huì)影響“次用戶”QoS，好的頻譜切換策略應(yīng)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(yùn)營商之間也呈現(xiàn)出頻譜共享的可能?，F(xiàn)階段，國內(nèi)3大運(yùn)營商都在積極部署5G基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。由于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G，運(yùn)營商面臨難以承擔(dān)的巨大投資，這種情況下，5G網(wǎng)絡(luò)共建共享是運(yùn)營商共同發(fā)展的一個(gè)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(luò)共建共享框架合作協(xié)議書》，初期實(shí)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(yùn)營商之間的頻譜共享問題。在這種多運(yùn)營商場(chǎng)景下，運(yùn)營商之間是完全平等的關(guān)系，可根據(jù)預(yù)期性能、報(bào)價(jià)和業(yè)務(wù)需求等平等競(jìng)爭(zhēng)接入資源。由于運(yùn)營商間是平等競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，他們之間不太可能彼此開放接口交互頻譜管理等相關(guān)信息，需要通過相對(duì)獨(dú)立于運(yùn)營商的第三方進(jìn)行更高級(jí)的頻譜管理。高級(jí)頻譜管理節(jié)點(diǎn)管理一定范圍內(nèi)的運(yùn)營商層級(jí)的頻譜資源，通過運(yùn)營商的OAM系統(tǒng)等管理系統(tǒng)內(nèi)的站點(diǎn)資源。終端對(duì)基站的頻譜相關(guān)信息進(jìn)行測(cè)量，并以測(cè)量匯報(bào)的方式發(fā)送給基站，基站進(jìn)一步把站內(nèi)頻譜使用和頻譜需求信息發(fā)送給OAM，OAM對(duì)每個(gè)基站的相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到本運(yùn)營商的頻譜需求信息，進(jìn)一步上報(bào)給高級(jí)頻譜管理節(jié)點(diǎn)。高級(jí)頻譜管理節(jié)點(diǎn)執(zhí)行運(yùn)營商間頻譜分配方案并進(jìn)行決策。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王鈺煒，葛佳，俞暉.基于部分頻率復(fù)用的超密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋率性能分析[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，47（02）：171-178.

[2]高明華，許麗金，楊根紅.LTE系統(tǒng)軟頻率復(fù)用技術(shù)分析[J].計(jì)算機(jī)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(fù)用方案研究[A].TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、《移動(dòng)通信》雜志社.5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)（2019）論文集[C].TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、《移動(dòng)通信》雜志社：中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所《移動(dòng)通信》雜志社，2019：4.