蜂窝网络中频谱分配和干扰控制研究

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　　【摘 要】研究了传统蜂窝网络频率复用技术和小区间干扰控制问题。针对不同的5G网络部署场景，结合干扰控制分析，重点研究了5G网络的频谱管理和频谱共享问题。
　　【关键词】频率复用;频谱分配;频谱共享;小区间干扰
　　中图分类号： TN929.5 文献标识码： A 文章编号： 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
　　频谱分配的目标往往是更高频带利用率、更高系统容量、更高传输速率等。传统蜂窝网络采用频率复用技术提高频谱使用效率，从而提升系统容量。在频率复用技术中，频率复用因子决定了无线电频谱的复用增益，频率复用因子越小，频率复用增益越大。但是，频率复用因子的大小在很大程度上取决于网络中小区间干扰的大小。5G网络面临更有限的频谱资源问题，在6GHz以下频谱资源尤其紧张，且5G网络的超密集组网以及和4G网络的非独立组网使得5G网络的频谱分配更加复杂。本文在对传统蜂窝网络研究的基础上，对5G蜂窝网络的频谱分配和干扰控制进行了重点分析。
　　1 传统蜂窝网络频率复用和干扰分析
　　频率复用充分利用了无线电波的传播损耗特性。在满足接收机同频干扰门限时，允许的相距最近的同频小区距离称为同频复用距离。同频复用因子与同频复用距离和小区大小有关，其大小与同频干扰直接相关。传统蜂窝网络中，同频复用因子越小，频谱利用率越高，频谱复用增益越大，但同频干扰越严重。
　　GSM网络采用4*3的频率复用方式，系统频谱资源在4个基站小区的12个扇形小区中进行划分，每个扇形小区使用不同的频谱资源。同频复用距离较大，较好地满足了GSM对同频干扰的指标要求。CDMA网络由于采用扩频方式，用户信号之间采用正交的扩频码区分，并采用了严格的功率控制，从而系统中所有用户可以在相同的时频资源上通信，所有小区可以共用系统带宽资源，实现同频复用。但是，为避免CDMA小区间干扰，功率控制使得小区边缘的数据速率较低，影响了系统的覆盖范围和容量。在4G LTE网络中，上行链路采用SC-FDMA技术，下行链路采用OFDMA技术，都能保证小区内用户之间的正交性，基本可以解决小区内干扰问题。LTE追求更高的频谱效率、更高的系统容量和更高的小区边缘性能。不同于传统的蜂窝网络频率复用技术，LTE采用了更先进的“部分频率复用”（FFR）[1]和“软频率复用”（SFR）[2]很好地解决了LTE小区间干扰问题。
　　FFR技术中，系统频带分为两部分，一部分作为所有基站小区的共用频带，复用因子为1，另一部分进一步划分为正交的多份，分配到不同的邻小区，一般划分为3份，复用因子为3。FFR较为简单，既减轻了小区间干扰，又在一定程度上保證了频谱利用率。SFR技术中，系统频带也是分为两部分，一部分划分为正交的多份，作为主载波分配给相邻小区，相邻小区的主载波不重叠。除了主载波外的其他所有系统频谱（称为“副载波”）只用于小区中心区域使用，主载波可用于整个小区，主载波的功率门限高于副载波。不同于FFR，SFR在每个小区都使用了整个系统带宽，频谱利用率更高。通过调整主载波和副载波的功率门限，可以使LTE小区的频率复用因子在1～3之间平滑变化，且可以自适应业务负载在小区内部和小区边缘的分布，进一步提高频谱效率。
　　2 5G网络频谱管理和干扰控制
　　与传统蜂窝网络不同，小区微型化和超密集组网（UDN）将是5G网络部署的重要形式。UDN能够极大提升频谱效率和系统容量，并支持更大的连接数和更低的接入时延。但UDN方式也带来前所未有的问题，最突出的就是频谱管理和小区间干扰问题[3]。同时，5G非独立组网以及不同系统的共存也需要很好地解决频谱分配和干扰控制问题。另外，优质频谱资源的匮乏使得运营商可能采用共建共享的5G建网方式，这就会进一步带来不同运营商之间的频谱共享和管理问题。
　　2.1 UDN场景下的频谱分配和干扰控制
　　在UDN场景下，微基站部署更加密集，由于不可能做到完全规划，微小区之间的重叠覆盖会比较严重，干扰更加严重，而且干扰小区数目更多。另外，由于小区覆盖变小，服务用户少，微小区动态增删灵活，小区负荷和干扰变化更加剧烈。因此，UDN场景下的相邻小区同频部署会带来较大干扰，严重影响用户服务质量，而且也不合适采用传统静态频谱分配方法，否则会导致较低的频谱利用率。 　　动态异频频谱分配是UDN频谱分配的研究方向，实现在不同小区间不同频谱资源的动态灵活分配和管理，保证小区间干扰水平满足要求的前提下，最大化频谱资源利用率和系统吞吐量。从实现架构上可以分为集中式和分布式两种方式。
　　集中式分配需要有一个主控制节点，可以新增一个集中控制单元，也可以在密集网络的宏基站上增设此功能。微小区基站周期性或基于事件触发的方式向主控制節点上报本小区和邻小区相关信息，包括工作频点、带宽、位置、功率大小、业务负荷、业务量需求等。邻小区相关信息可通过读取广播消息获取，也可以在主控制节点的控制下，向邻小区基站发起频谱测量信息等方式获取。触发事件可以有微小区基站开启/关闭、工作小区业务负荷大或者更多业务量需求，需要更多频谱资源以满足服务。主控制节点根据上报的信息构建基站频谱信息拓扑，计算微小区之间的相互干扰，采用先进的频谱分配算法把异频资源分配到不同的小小区，既要保证小区间干扰较低，又要保证频谱利用率更高，系统吞吐量更大。
　　分布式分配的思想是根据本小区和获取的邻小区基站频谱信息、干扰情况等选择本小区干扰最小、优先级最高的工作频段。这种方法快速灵活，可以实现小区级干扰最小和性能最优，但缺少了集中控制，无法保证系统级的干扰最小和性能最优。
　　2.2 运营商内异构网络频谱分配和干扰控制
　　对于大多数运营商来说，5G初期建设将采用非独立组网（NSA）方式，和4G网络协同工作，且将引入上下行解耦技术来扩大5G网络覆盖。而且，不同的系统往往采用共站址建设。因此，在这种多无线系统共存的情况下，需要很好地解决系统间干扰问题。随着2G/3G网络的逐渐退网，5G网络可以和其他系统频谱共享，频谱利用率高，但系统间干扰也较大，需要进行严格的频谱规划和频谱分配。为了更高效地共享频谱资源，频谱共享和管理机制可以直接管控到同一运营商的不同系统基站，这样可以做到精细化实时管理，更好地做到干扰控制。
　　2.3 多运营商频谱共享和频谱管理
　　传统蜂窝网络中，电信运营商使用专用授权频谱资源，为本系统内用户提供基础电信业务和各种增值业务。随着ICT融合的快速发展，各种定位于提供专项增值业务的虚拟运营商出现，并逐渐发展壮大。虚拟运营商不拥有无线电频谱资源，需要和电信运营商共享频谱资源。一般情况下，虚拟运营商机会主义地使用电信运营商的频谱资源，其优先级较低。电信运营商用户称为“主用户”，虚拟运营商用户称为“次用户”。频谱感知作为发现可用频谱的基本技术，是实现频谱共享的基础，“主用户”和“次用户”竞争使用空闲频谱资源。在频谱感知的基础上，根据“主用户”占用情况、干扰和路径损耗等进行频谱分析，为不同用户分配合适的工作频段。在这种多运营商场景下，“次用户”频谱切换是保证“主用户”服务质量的关键核心技术之一。“次用户”只有在“主用户”没有使用的情况下才被允许使用，一旦“主用户”出现在此信道，“次用户”需要立即进行频谱切换。频谱切换速度是频谱切换的重要性能指标，其快慢直接影响“主用户”QoS。同时，频谱切换策略的好坏也会影响“次用户”QoS，好的频谱切换策略应该尽可能减少“次用户”掉话率和切换次数。
　　另一方面，传统电信运营商之间也呈现出频谱共享的可能。现阶段，国内3大运营商都在积极部署5G基础设施和网络。由于5G网络建设投资将远远超过4G，运营商面临难以承担的巨大投资，这种情况下，5G网络共建共享是运营商共同发展的一个有益方向。2019年9月份中国联通和中国电信正式签署了《5G网络共建共享框架合作协议书》，初期实现双方在5G接入网的共建共享，这就需要解决不同电信运营商之间的频谱共享问题。在这种多运营商场景下，运营商之间是完全平等的关系，可根据预期性能、报价和业务需求等平等竞争接入资源。由于运营商间是平等竞争关系，他们之间不太可能彼此开放接口交互频谱管理等相关信息，需要通过相对独立于运营商的第三方进行更高级的频谱管理。高级频谱管理节点管理一定范围内的运营商层级的频谱资源，通过运营商的OAM系统等管理系统内的站点资源。终端对基站的频谱相关信息进行测量，并以测量汇报的方式发送给基站，基站进一步把站内频谱使用和频谱需求信息发送给OAM，OAM对每个基站的相关信息进行统计，得到本运营商的频谱需求信息，进一步上报给高级频谱管理节点。高级频谱管理节点执行运营商间频谱分配方案并进行决策。
　　【参考文献】
　　[1]王钰炜，葛佳，俞晖.基于部分频率复用的超密集网络覆盖率性能分析[J].上海师范大学学报（自然科学版），2018，47（02）：171-178.
　　[2]高明华，许丽金，杨根红.LTE系统软频率复用技术分析[J].计算机仿真，2018，35（07）：125-129.
　　[3]张海涛.基于分簇的5G超密集组网软频率复用方案研究[A].TD产业联盟、《移动通信》杂志社.5G网络创新研讨会（2019）论文集[C].TD产业联盟、《移动通信》杂志社：中国电子科技集团公司第七研究所《移动通信》杂志社，2019：4.
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