1、一種LTE小區間干擾協調/避免技術鄭昕 陳怡 李廣軍 楊海芬（電子科技大學 無線通信與嵌入式系統實驗室 成都 611731）摘要：針對LTE中的小區間干擾問題，提出了基于SRS探測和自適應調制與編碼技術的信道調度技術來實現小區間干擾的協調/避免，并對該技術進行了仿真和分析。關鍵詞： 3G/B3G LTE OFDM 小區間干擾抑制A Method of Inter-cell Interference Mitigation in LTEZheng Xin, Cheng Yi, Li Guangjun, Yang Haifen(Laboratory of Wireless Communication

2、 and Embedded System, UESTC, Chengu, 611731, China)Abstract: Analyzed the problem of Inter-cell interference of LTE, put forward a method based on SRS sounding and Adaptive Modulation and Coding Technology to achieve coordination/avoidance of Inter-cell interference. In the end, simulated and analyz

3、ed the technology.Keywords: 3G/B3G LTE OFDM Inter-cell interference基金項目: 中央高校基本科研業務費專項資金資助（編號：ZYGX2009J003）；電子科技大學-飛思卡爾半導體合作項目1 引言隨著移動通信技術的發展，用戶對通信帶寬和通信質量的需求進一步提高，為了適應無線通信的寬帶化和IP化的需求，并且和IEEE802.16j標準下的WiMAX技術相競爭，3GPP在HSDPA、HSUPA、HSPA+123等技術的基礎上，提出了3G的長期演進(Long Term Evolution, LTE) 26技術來給用戶提供更高的數據率、更

4、大的系統容量以及更低的時延。為提高頻譜利用率，在部署網絡的時候，頻率復用因子都盡可能逼近于17，這就將給小區邊緣的用戶帶來極大的相互干擾，大大降低小區邊緣用戶的QoS89。而LTE協議本身并不包含對小區間干擾的處理，因此亟待研究出一種適合LTE系統的有效的小區間干擾抑制技術。小區間干擾抑制技術分為小區間干擾協調/避免技術、小區間干擾隨機化和小區間干擾刪除技術三大類別1011。三種技術中，小區間干擾隨機化技術主要包括小區專屬加擾技術和小區專屬交織技術1214，這些技術實現都比較簡單，但性能相對較差；小區間干擾刪除技術1518實現則最困難，但性能則較好；小區間干擾協調/避免技術1921則分為動態干

5、擾協調和靜態干擾協調兩種類型。本文提出了一種基于跳頻SRS探測的信道調度技術，該技術屬于動態干擾協調的范疇可以規避小區間干擾，提高小區邊緣用戶的性能。2 LTE簡介LTE的標準于2008年12月凍結，包括OFDM2223、MIMO、AMC、HARQ、分組交換等核心技術，在其協議的規范下，LTE無線通信系統可以在20MHz的頻譜帶寬下實現下行100Mbps和上行50Mbps的峰值速率，吞吐量和頻譜效率實現HSDPA的34倍，HSUPA的23倍。為了實現網絡扁平化的目標，LTE將無線網絡控制器(Radio Network Controller, RNC)的功能整合到基站(evolved Node

6、Base, eNodeB)之中2428，這一舉措使很多研究人員誤以為LTE取消了RNC的功能從而放棄了對于需要RNC才能實現的干擾刪除技術和動態小區間干擾協調技術的研究。LTE在空中接口上支持兩種幀結構2629：幀格式1和幀格式2，和與之相對應的FDD和TDD兩種雙工方式。在FDD中，3GPP把一個長度為10ms的無線幀分為10個完全相同的子幀(subframe)，每個子幀則由兩個長度為0.5ms的時隙(slot)組成；TD-LTE的無線幀則由兩個長度為5ms的半幀(Half Frame)組成，每個半幀由5個長度為1ms的子幀組成，其中有前半幀由4個普通子幀和1個特殊子幀組成，后半幀可能與前半

7、幀相同，也可能僅包括5個普通子幀而沒有特殊子幀。普通子幀由兩個0.5ms的時隙組成，特殊子幀分成3個特殊時隙：上行導頻時隙(Uplink Pilot Time Slot, UpPTS)、保護時隙(Guard Period, GP)和下行導頻時隙(Downlink Pilot Time Slot, DwPTS）2630。TDD的幀結構如圖1所示：圖1 TDD-LTE的幀結構LTE在進行數據傳輸時，將上、下行時頻域物理資源組成物理資源塊(Physical Resource Block, PRB)242630，作為物理資源單位進行調度與分配。一個PRB在頻域上包含12個連續的子載波，在時域上包含7個

8、 (Normal CP情況下)或6個(Extended CP情況下)連續的OFDM符號，每個PRB的頻域寬度為180kHz，時間長度為0.5ms，如圖2所示：圖2 PRB的結構圖LTE采用了信道探測技術和自適應調制與編碼技術24 (Adaptive Modulation and Coding, AMC)，前者采用探測參考信號(Sounding Reference Signal, SRS) 2630和對信道進行探測，后者根據前者探測到的信道質量來改變調制與編碼方式，從而達到提高QoS的目的。SRS信號對信道探測可以分為寬帶探測模式和窄帶探測模式兩種：寬帶探測模式可以進行全頻帶的信道探測，不用跳頻

9、，適合質量較好，較平穩的信道；窄帶探測模式又稱為跳頻模式，每次探測頻帶較窄的信道，完成探測后的下一時隙將根據當前信道質量信息來調整傳輸數據所需要的資源。自適應調制與編碼技術在保證系統性能的前提下，根據通信環境和具體的業務要求，動態的改變發送端的調制與編碼機制，以提高系統資源的利用率，獲得較高的系統吞吐量和容量。AMC的實現方法是，在接收端接收到發送端發送的信息后(可以使用探測參考信號)，對信道完成信道估計，并根據信道估計結果完成信道質量分析，計算出信道質量指示符(Channel Quality Indicator, CQI，針對上行信道)或信道狀態信息(CSI, Channel State I

10、nformation，針對下行信道)，并向發送端反饋CQI或CSI等級值，而發送端在下一次發送數據時，將根據CQI或CSI等級來動態地改變調制和編碼方案。AMC的實現框圖由圖3給出：圖3 AMC的實現框圖3基于跳頻SRS探測的干擾協調/避免方案LTE的協議本身并沒有給出小區間干擾抑制的技術，但我們可以利用LTE協議中的SRS探測技術和AMC技術中的反饋信道來完成小區間干擾的協調/避免。在實際情況中，由于大多數情況下信道變化較小，因此為了節省資源，可以采取非持續的探測與頻率半選擇性的調度相結合的方法。實現的詳細方法如下(以上行信道的探測和調度為例)：(1) UE開機后首先完成對信道進行一次寬帶S

11、RS探測；(2) eNodeB對整個信道進行信道估計，找出最優的頻域資源及其CQI信息，通過反饋信道發送給UE；(3) UE使用eNodeB選擇的資源進行數據傳輸(4) UE等待一定時間后對該資源再次進行窄帶探測，而在同一子幀的下一時隙隨機跳頻到另一個頻域資源進行探測(5) eNodeB對UE新探測的兩個資源所對應的信道進行信道估計和CQI信息分析，選擇較好的一個信道，并使用反饋信道將該信道及其CQI信息發送給UE由于LTE所采用的時頻資源被分割為物理資源塊(PRB)，因此上述資源調度可以通過指定PRB資源來實現，整個調度方法稱為非持續的探測與頻率半選擇性的調度(Non-Persist Sou

12、nding and Frequency Semi-Selective Scheduling)。NPS+FSS調度的示意圖由圖4給出：圖4 NPS+FSS調度的示意圖由于SRS探測信號采用了ZC序列(Zadoff-Chu序列)3134作為基序列，因此ZC序列良好的隨機性也在一定程度上使各UE之間，特別是各小區之間的SRS探測之間形成了干擾的隨機化，加上ZC序列良好的抗干擾性能，小區間干擾進一步降低。4 干擾協調/退避算法仿真本文選擇LTE上行鏈路進行NPS+FSS調度技術算法的設計和仿真。LTE上行鏈路中，eNodeB對信道的調度算法為：1. eNodeB收到UE發送的SRS探測信號后，首先判斷

13、UE所在小區，然后根據該小區的小區ID生成eNodeB的本地SRS信號；2. 對比eNodeB生成的本地SRS信號和接收到的SRS探測信號，對收到的SRS探測信號的探測點進行信道估計；3. 依據探測點的信道估計結果，完成整個信道帶寬內的信道估計，本文中，采用了最小均方誤差估計法對整個信道進行估計；4. 由全信道的信道估計值可以得到CQI測量結果；5. 根據CQI測量結果對上行資源進行NPS+FSS調度。以上調度的算法可由圖5表示：圖5 NPS+FSS調度過程框圖其中，對于最后一步NPS+FSS調度，有如下以下兩種基于NPS+FSS調度算法可供選擇：1) 探測信道估計分配算法：為了使調度的結果更

14、可靠，將只比較用于探測上行鏈路資源的兩個SRS參考信號所在頻域位置的CQI測量結果，而將忽略整個信道的情況，在兩個探測點中選擇更好的頻域資源作為下一次的信道分配給UE作為下一次發送數據使用的PRB資源，以保證每次調度都能選擇到不比前一時隙差的鏈路；2) 全信道估計分配算法：根據整個信道帶寬信道估計結果進行全信道的CQI測量，根據CQI測量結果進行全信道的比較，選擇信道條件最好的PRB資源分配給UE。本文采用了探測信道估計分配算法來對信道資源進行調度。相比之下，本文所采用的探測信道估計分配算法從復雜度上看，比全信道估計分配算法簡單很多，并且由于eNodeB在做信道估計時，對SRS探測點的信道估計

15、顯然要比其他點的估計更加精確，因此，從理論上講，探測信道估計分配算法的性能應該比全信道估計分配算法更好。本文在對信道進行調度的同時，也對調度后選用的信道進行了信道估計和CQI分析，比較調度前后所選用的信道質量的變化，從而得出NPS+FSS調度結果對信道的影響。被干擾后的信號可由下式表示：式中，為受到干擾后eNodeB接收到的本小區UE的SRS探測信號，為目標小區UE發送給本小區eNodeB的SRS探測信號，為干擾小區邊緣的UE向其所在小區eNodeB發送的SRS探測信號。可以認為干擾小區發送的SRS探測信號與目標小區發送的SRS時間差為N個OFDM符號的時間，即，到達目標小區eNodeB時的功

16、率與目標小區有用信號功率的比值為。在本文的研究中，取0.2，N取200。在本文對NPS+FSS調度技術的算法進行仿真時，選擇的信道估計方法為最小均方誤差估計，信道模型為LTE多徑衰落模型，NPS+FSS調度周期為25ms。此外，LTE中，每個小區使用不同的小區ID來區分，并且各小區采用不同的SRS循環移位參數，在仿真中，目標小區和干擾小區的SRS信號的主要參數由表1給出：表1 SRS仿真參數仿真參數目標小區干擾小區SRS循環移位參數n_cs_SRS31小區ID N_cell_ID3432圖6給出了加入NPS+FSS調度算法前后eNodeB對信道轉移函數的最小均方誤差估計結果；圖7則是基于圖6的

17、信道估計結果計算出的加入NPS+FSS調度算法前后信道質量的CQI測量值。圖6 信道轉移函數的估計圖7 LTE多徑信道條件下信道估計性能比較其中，圖6的橫軸為時間序號，單位為1ms，也即一個子幀的長度，縱軸為最小均方誤差估計法得到的信道轉移函數估計的值，圖7中，橫軸為時間序號其單位也為單位也為一個子幀的長度，縱軸為信道的CQI分級結果，用0，1，2，3，4表示。對仿真結果圖進行分析可以得出以下結論：1. 從圖6中可以看出，經過信道調度后，eNodeB為UE分配的信道的轉移函數比未經調度的信道轉移函數更加平穩，更適合上行信道的單載波的DFT-S-OFDM信號的傳輸；2. 從圖7中可以看出，小區邊

18、緣的用戶使用的信道的CQI測量值都不超過4，信道質量較差(非常好的信道的CQI的測量值應該在1015之間)，但是經過eNodeB調度后的信道的CQI測量值明顯優于未經NPS+FSS調度的CQI測量值，由此可以得出結論，NPS+FSS調度能夠改善小區邊緣UE的性能，也即抑制了小區間干擾；3. 由于本文的仿真中的NPS+FSS調度的周期為25ms，在圖7中可以看出,信道質量有顯著提高的點的周期也正好為25ms，這說明經過eNodeB的調度能夠在對信道進行調度后一段時間內改善UE傳輸上行數據時所用信道的質量；4. 經過eNodeB調度后的信道的CQI測量值也在每次調度之后的5ms內優于未使用NPS+

19、FSS調度時一直采用的信道，這說明調度結果能夠在一定時間范圍內改善UE傳輸數據時所用信道的質量。仿真結果與仿真前預期的NPS+FSS調度的性能基本一致。但是由于信道條件的變化，調度后的信道只在調度后5個子幀有明顯改善，但是如果降低調度周期，則會大大增加eNodeB和UE的負荷，因此，如何平衡這兩點則需要進行進一步的研究。5 結論本文研究了小區間干擾抑制技術，針對當前廣泛應用的小區間干擾隨機化技術、小區間干擾刪除技術和小區間干擾協調/避免技術進行了論述，分析了其中的優缺點并且對這些技術是否適合LTE系統進行了討論。在此基礎上，詳細研究了LTE通信系統，給出了NPS+FSS調度技術的算法來改善LT

20、E抑制小區間干擾的性能。詳細闡述了NPS+FSS調度技術中所用到的信道探測技術、信道估計技術、信道分級技術。根據LTE自身的特點，完成了NPS+FSS調度技術的相關算法并給出了NPS+FSS調度技術的性能仿真結果。通過對LTE技術的研究，可以得出以下幾點結論：1. 由于LTE通信系統為了與WiMAX技術相抗衡而采用了OFDM/OFDMA技術，并且在CDMA系統中廣泛采用、性能也很優良的小區間干擾刪除技術和半靜態小區間干擾協調技術均不再適用在LTE通信系統中采用。2. 小區專屬加擾技術、小區間專屬交織技術能使各小區的信號“隨機化”而軟頻率復用技術可以協調小區間干擾，這些技術都可以在一定程度上抑制

21、小區間干擾，但無法從根本上改善小區間干擾對通信的影響。3. 在LTE通信系統中的信道估計技術主要有線性內插估計、IFFT估計、最小二乘估計和最小均方誤差估計。在LTE多徑衰落信道和AWGN信道中，最小均方誤差估計的性能最好，但實現也最為復雜，線性內插估計和IFFT估計的實現最簡單，而IFFT估計的信道估計則是在四種常用信道估計算法中性能最差的一個。4. 采用了NPS+FSS調度技術的系統可以讓系統選擇性能更好的信道傳輸數據，該技術在小區邊緣的應用也同時實現了對小區間干擾的協調/避免。此外，ZC序列良好的隨機性也可以同時部分的實現小區間干擾的隨機化。仿真結果證明，采用了基于NPS+FSS調度的小

22、區間干擾的協調/避免技術能夠提高所選擇信道的質量。參考文獻1 趙紹剛等.HSDPA技術及其演進HSUPA與HSPA+.北京:人民郵電出版社.20072 E.Dahlman, S.Parkvall, J.Skold, and P.Beming. 3G Evolution-HSPA and LTE for Mobile Broadband. Academic Press. 20073 E.Dahlman, S.Parkvall, J.Skold, and P.Beming. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband 2nd Edition Aca

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