Как LTE справляется с межсотовой интерференцией

Почему-то все русскоязычные посты, посвященные LTE, обсуждают лишь принципы базовых технологий физического уровня — OFDMA [1] ^[1], SC-FDMA [2] ^[2], чуть-чуть MIMO[3] ^[3], [4] ^[4], некоторые аспекты архитектуры [5] ^[5] и VoLTE [6] ^[6]. Все это, безусловно, очень интересно и полезно, но это же не Всё! Ведь LTE помимо всего вышеперечисленного нашпигован очень интересными решениями, связанными с распределением частотно-временных ресурсов в восходящем и нисходящем канале (различные алгоритмы для Scheduler), с адаптацией модуляции, кодирования и ширины полосы к радиоусловиям, с процедурами доступа к среде, новыми типами хэндоверов и пр. — там использованы отнюдь нетривиальные подходы… Но есть еще один любопытный вопрос, который почему-то игнорируется сообществом Хабра — как вообще работает LTE сеть в условиях полного отсутствия частотно-территориального планирования (Frequency Reuse Factor=1!)? Рассмотрим сети постарше, допустим GSM (см. ниже):


Весь частотный диапазон делился на поддиапазоны, и главное правило планирования заключалось в том, чтобы в соседних сотах использовались разные частотные полосы, в противном случае, сигналы соседних сот были бы интерферирующими, мешали бы счастливой жизни друг друга. В UMTS (WCDMA) все было несколько сложнее — все базовые станции (NodeB) использовали один и тот же частотно-временной ресурс и для разделения сигналов от разных сот, или сигналов от разных абонентов внутри одной соты применялось скремблирование разного типа ортогональными или псевдоортогональными последовательностями.

Так или иначе — проблема межсотовой интерференции (ICI-Inter-cell Interference) в сетях GSM и UMTS стояла неостро… Что же мы видим в LTE? Мало того, что во всех сотах используется одна и та же полоса частот, так и скремблирование сигналов ортогональными последовательностями (в общем случае) отсутствует. Что это значит? Если две соседние БСки (eNB) выделяют своим абонентам под передачу данных ресурсные блоки в одной и той же полосе частот и в одно и то же время, то можно с определенной долей вероятности утверждать, что эти абоненты будут мешать друг другу, будут интерферировать. Самая неприятная ситуация будет наблюдаться на краях сот:

На вероятность коллизии в данном случае (вероятность искажения пакета из-за одновременного выделения двумя или более базовыми станциями одного и того же ресурса пользователям), очевидно, будут влиять два фактора: 1) удаленность абонентов друг от друга, иначе — их близость к БС (если абоненты находятся близко к БС, то включается механизм управления мощностью (Power Control), который скорее всего вынудит телефон понизить уровень передаваемой мощности, как следсвие, снизится общий уровень интерференции между сотами). 2) нагрузка в соте (тоже достаточно очевидный фактор — чем выше нагрузка, тем больше вероятность одновременного выделения абонентам на краях соты одного и того же ресурсного блока). Если сымитировать работу такого примитивного планировщика, неосведомленного о нагрузке на соседнии соты и пр., и вывести вероятность коллизии между пакетами в разных сотах (по сути, это косвенное отражение уровня межсотовой интерференции), то получится такая зависимость:

За единицу или максимум нагрузки принимается ситуация, когда все блоки частотно-временного ресурса распределены. Сказать, что такие значения вероятности искажений пакетов огромны — это ничего не сказать. Это вопиюще плохая интерференционная картина. И, разумеется, вряд ли бы кто-то выпустил LTE с такими характеристиками в свет.

Итак, что сделано в LTE, чтобы избежать этой катастрофической интерференции между сотами и не прибегнуть при этом к повторному переиспользованию частот.

Во-первых, в LTE работает механизм под названием ICIC (Inter-Cell Interference Coordination — Координация межсотовой интерференции)… Интересная штука, надо сказать. Ее детальное описание со всеми выкладками можно найти в замечательной книжке, приведенной в конце этой статьи, в разделе 12.5, кому интересно. Смысл фитчи в том, что соседние eNB (БСки) передают по X2 интерфейсу информацию о своей загрузке в виде Overload Indicator (OI). Таким образом, они фактически имеют возможность договориться между собой кто из них какой поддиапазон (subband) в какой момент времени будет использовать. Выглядеть частотно-территориальное распределение в этом случае будет примерно так:

То есть, абонентам, находящимся ближе к антенне, eNB может отдавать любые ресурсные блоки, а тем кто подальше — в зависимости от OI-индикатора. Это ни в коем случае не классическое переиспользование частот. Это адаптивное распределение ресурсов, подстраивающееся под нагрузку на соседние соты и это основной способ уменьшения интерференции между сотами (уменьшения — но не полного устранения, разумеется).

Помимо таких механизмов направленного действия, в LTE предусмотренны косвенные методы снижения интерференции. Например, Fractional Power Control. Если классический контроль мощности был нацелен на полную компенсацию потерь сигнала во время распространения (PathLoss compensation), то частичный контроль мощности означает частичную компенсацию таковых потерь.

Параметр, задающий значение коэффициента для компенсации Path Loss, называется в стандарте Альфа (принимает значения от 0 до 1). Как это работает: значение альфа, равное 0,8 (80 %- компенсация потерь сигнала), позволяет снизить уровень межсотовой интерференции на 10-20%! При этом абоненты на краях соты не испытывают заметных проблем, вызванных неполной компенсацией Path Loss.

Существует еще множество параметров, которые можно подстраивать, чтобы соты меньше интерферировали, но ICIC и Fractional Power Control — это, пожалуй, два самых мощных механизма.

Очень полезная книжка по LTE:
Stefania Sesia (ST-Ericsson, France),Issam Toufik (ETSI, France), Matthew Baker (Alcatel-Lucent), The UMTS Long Term Evolution.From Theory to Practice

Автор: Zombie_hy

Источник ^[7]