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1、承上启下的移动宽带网络 TD-LTE网络演进和组网策略责任编辑：周 霞 362010年第5期TD-LTE频率复用与干扰协调朱 强 胡恒杰 中国移动通信集团设计院有限公司杨梦涵 卫 娜 中国移动通信集团河南有限公司【摘 要】文章主要分析LTE系统所采用的技术，分析了OFDM的技术特点，说明频率复用对于LTE系统的重要性。从干扰协调的角度对干扰与容量损失的关系、干扰余量的取定等做了定量的分析和计算，给出了干扰协调设计要点的总结。给出了针对于不同频率复用系数下SINR的计算方法。【关键词】LTE 频率复用 干扰协调收稿日期：2010年3月1日1 前言子载波之间的正交特性是OFDM技术一个非常重要的特
2、性，因为这会抵消小区内部的干扰。然而移动网络实际的部署都是多小区环境，在这种情况下，小区之间的干扰（ICI）始终存在，而且对网络性能产生了严重的负面影响。更加准确的讲，当相同的频率资源被相邻的小区复用时，基于OFDM技术的LTE系统就会产生干扰。为了解决这个问题，3GPP在LTE技术研究过程中分析了各种小区之间的干扰消除技术。目前有三种干扰消除技术曾被广泛地讨论：小区间干扰随机化算法、小区间干扰消除算法和小区间干扰协调算法。由于小区间干扰随机化算法并没有真正地减少了干扰，小区间干扰消除算法只能消除主要的特定干扰源，所以本节中将主要分析小区间干扰协调算法。频域上的干扰来自不同的小区之间，由于小区
3、间的子载波资源在频域上是重复使用的，而小区内部是频分正交的，因此消除小区间干扰是LTE的主要问题。小区间干扰消除的方法主要有：干扰随机化、干扰协调、干扰消除接收算法、功控等。各种方法的特点如下：干扰随机化：比如加扰、交织、跳频；干扰对消：通过UE的多个天线对空间有色干扰进行抑制，或者利用交织多址IDMA进行对消；干扰协调：对小区边缘可用的时频资源做一定限制；波束成形：通过空间隔离的干扰抑制方法；2 干扰协调与频率复用在LTE中，网络结构变得扁平化，在原有3G网络中去掉了RNC，原来RNC中的RRM功能也部分下移至eNode B中了，因此对于小区间干扰调（ICIC）功能将在eNode B中考虑并
4、得以实现。ICIC的任务是通过管理无线资源（主要是无线资源块）来控制小区间的干扰，从而提高小区及其边缘的吞吐量。ICIC是多小区无线资源管理功能的一部分，多小区无线资源管理功能需要考虑多小区的如下信息：资源使用状态、业务负荷状况和用户数等。ICIC的调度和实现是与网络规划中的频率复用因子紧密相连的。优化的设计过程是在小区内部全部频谱资源都可用，但发射功率在不同的频段是不同的，相邻小区会用到的频段，在本小区内部对应的发射功率就比较小；而在小区边缘，只会用到部分频谱资源，相邻小区用到的部分带宽，本小区边缘就不会再用。eNodeB可以通过UE发送的CQI得到下行信道干扰情承上启下的移动宽带网络 TD
5、-LTE网络演进和组网策略责任编辑：周 霞 2010年第5期37尤为重要。因此，eNodeB调度策略，应该包括对小区间的干扰协调，即为了提高可以提供给小区边缘用户的数据速率，eNodeB调度算法中将包括对相邻小区间的干扰的考虑。举例来说，对于特定时间和频率资源分配，何时应予以资源限制，或者是何时给予更高的传输功率，将作为调度算法考虑的因素。干扰对于一个特定用户获得期望速率的影响是可以被分析出来的。如果一个用户 k没有受到干扰，那么他在子帧 f 中的RB m所获得的数据传输速率可以表示为：是 服 务 小 区 对 用 户k的 信 道 增 益 ，是小区 s 的传输功率，N0是噪声功率。如果临区用相同
6、的时隙和频率进行传输，那么，用户 k 能达到的速率减少为：这里的指数 i 指的是干扰小区。用户 k 损失的速率可以表达为：下面公式描述了用户k作为所有小区间干扰的函数的情况下的速率损失比例关系，式中SNR=0dB。从式中可以很容易地看到，对于一个干扰等于特定的信号电平级(例如0dB)的情况下用户 k大约损失的速率，在0dB时用户大概损失40%的速率。2.3 干扰余量的取定下行干扰余量下行干扰余量是通过利用干扰余量作为临小区负荷函数的分析方法获得的，SINR的数值和最大的C/I可以通过对小区边缘用户的分析数据获得。干扰余量定义为：-10 log(1-Load)，负载的定义为：况，也可以通过测量S
7、RS或是DM-RS的SINR，还有IOT测算得到上行信道干扰的综合情况。eNodeB通过X2接口互相合作完成小区间资源分配和调度以及相应的功控，最终的目的是提升了LTE的系统性能。ICIC分类如下：（1）静态ICIC边缘频带和中心频带分配固定，频带划分好后不需要调整边缘频带。（2）半静态ICIC有边缘频带和中心频带初始划分，后续可以根据服务小区和邻区实际的边缘负荷动态调整边缘频带。（3）动态ICIC没有边缘频带和中心频带初始划分，完全根据服务小区和邻区实际的边缘负荷动态调整边缘频带。在3GPP规范的R10版本中，增加了COMP的功能，这样小区间的干扰协调机制将会大大地得到加强。其特点如下：（1
8、）相邻的几个基站对小区边缘的用户同时提供服务，可以大大提高小区边缘用户的性能，提高其吞吐量；（2）变临区干扰为有用信号，消除小区中心和边缘的差别。2.1 邻小区干扰来自不同基站和用户的信号的子载波间没有正交性。在频率复用系数为1的组网情况下，位于小区边缘的终端用户会明显的受到来自于相邻小区的干扰。因此，小区间的干扰余量必须基于链路预算的计算确定。对于TD-LTE系统而言，在交叉时隙以及帧信号不同步时，会出现一个小区使用一个时隙传输上行链路信息，而另一个小区使用该时隙传输下行链路信息，会出现干扰；TD-LTE严格同步以及同时隙配比时，在下行时隙会出现基站对另一个基站边缘终端的干扰，在上行时隙会出
9、现边缘终端对另一个基站的干扰。2.2 干扰与容量损失小区间干扰是影响蜂窝网络用户特别是小区边缘用户吞吐量性能的一个限制因素。对于LTE这种频率复用系数为1的蜂窝系统来说，对小区间干扰的管理和控制显得承上启下的移动宽带网络 TD-LTE网络演进和组网策略责任编辑：周 霞 382010年第5期从上述公式可以看到，干扰余量是期望的SINR、临区负载和小区边缘C/I关系的函数。上行干扰余量上行干扰余量值通过对不确定性用户分布的模拟仿真确定。目前，可以做到系统级仿真，由于上行干扰的不确定性，确定数学模型非常困难（比如在下行链路）。上行干扰余量是小区负载的函数。2.4 干扰协调设计要点当前的ICIC理论是
10、以每个UE的RSRP报告为基础的，这样就导致UE和eNodeB之间有大量的信息交换。减少信令开销是主要关注点，主要有：周期报告中的事件触发：ICIC算法开始和结束时的事件触发；通过周期上报来修改ICIC算法中的参数。设置合理的门限值：通过切换门限来辅助确定ICIC算法的终止；根据不同的QoS需求调整门限值。在系统设计时，扩大ICIC区域可以得到良好的性能，缩小ICIC区域可以降低系统负荷。ICIC网络设计的主要基础如下：（1）当频率复用系数为1时，会在小区边缘产生较大的小区间干扰；（2）通过加扰和跳频手段使干扰随机化；（3）由于OFDMA系统的正交性，小区内部干扰是可以避免的。例如对于PUCC
11、H信道而言，在频域上同一个小区不同UE之间还要采用码分的方式进行复用，UE以不同循环移位的Zadoff-Chu序列来传送。理论上相同Zadoff-Chu序列的不同循环移位之间是相互正交的，但是实际环境中由于延时扩展和传输带宽的限制，它们在接收端并不是严格的正交。有时还会因为上行功率控制和同步错误而将小区内部干扰被放大。还有一种小区内部的干扰，来自于高速运动导致的多普勒效应中产生的非完全正交性所带来的小区内部干扰；（4）过载指示通过X2接口进行交互(承载上行RB级别的干扰信息)；eNode B间通过X2接口来实现ICIC是一种快速干扰协调机制，实际网络中为节省中继传输也可以通过S1接口来得以实现
12、。2.5 不同的频率复用系数SINR的计算子载波按照高功率和低功率块进行分配，相邻小区采用不同的配置，是干扰协调机制的主要原则之一。FFR的频率复用方式就是基于该方式提出的。小区中心用户使用低功率块，小区边缘用户使用高功率块的方式如图1所示：图1 相邻小区子载波按照高、低功率块进行分配 FFR方法是通过将系统带宽分为若干个子集。小区中心用户的频率复用系数设置为1，即小区中心的用户占用整个系统带宽，而位于相邻小区边缘的用户被分配在不同的频率子集中。其中对于小区中心频率子集和小区边缘频率子集的调整可通过高层半静态配置进行。在小区内部区域，复用系数为1，小区边缘用户复用系数大于1。小区边缘用户配置的
13、子载波上使用了相对较高的功率谱密度。小区中心区域拥有良好信道条件的用户所配置的子载波则使用相对较低的功率谱密度。通常情况下，小区中心区域用户一般上都是带宽受限，而小区边缘用户是功率受限。下面分上下行链路分别介绍：（1）下行链路假设一个路径损耗指数=3.76，在不考虑背景热噪承上启下的移动宽带网络 TD-LTE网络演进和组网策略责任编辑：周 霞 2010年第5期39声的影响以及干扰受限情况下，理论上在小区边缘，相对于复用系数为1情况，复用系数为3时可以带来2倍的性能提高（1.07 vs. 0.51 b/s/Hz），计算公式如下：从而得出：参考3GPP TR25.814 v7.1.0，其仿真算法采
14、用3GPP中按CASE 1仿真的设定条件。主要仿真环境因子包括：非理想信道估计、引入实际情况的各种损耗、多普勒频移引起的干扰、考虑控制信道性能指标的影响。频率复用系数N=1和N=1/3的C/I分布如图2所示。可以看出，在静态条件下，复用系数为3比复用系数为1的C/I可提供810dB的增益水平。从图2可以看出：1/1复用时，90覆盖地区载干比在-4.6dB以上，控制信道可实现1/1复用，业务信道不能实现1/1复用（在QPSK1/3 MCS格式下，PDSCH解调在最大吞吐率70条件下的信噪比要求为-2.3dB左右，接近达到1/1复用-4.6dB的要求）；1/3复用时，90覆盖地区载干比在5dB以上
15、，业务信道的解调性能大大提升；应用ICIC技术，小区边缘的CINR将得到较大的提高，可以实现1/1复用。（2）上行链路计算模型如图3所示：图3 上行链路计算模型C/I计算过程：PUSCH解调信噪比需求表如表1所示：从表1可以看出：对于2T2R基站，PUSCH解调信噪比最低为-4dB左右，接近达到1/1复用-6.08dB的要求。图2 N=1和N=1/3的3GPP仿真（CASE 1）结果承上启下的移动宽带网络 TD-LTE网络演进和组网策略责任编辑：周 霞 402010年第5期参考文献1魏克敏,王好营,胡恒杰,等.LTE系统频率复用方式的探讨J. 电信工程技术与标准化,2009(2). 2沈嘉,索
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