3GPP LTE小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)方案研究

1 引 言

隨著HSDPA和HSUPA等技術(shù)的發(fā)展，3GPP無線接人技術(shù)在今后幾年內(nèi)將會具有非常高的競爭力。但是為了保證3GPP在今后很長的一段時間內(nèi)，比如今后10年以上具有競爭性，則必須考慮3GPP無線接入技術(shù)的長期演進(Long Term Evolution，LTE)。在3GPP TR25.814中指出，3GPP長期演進的主要內(nèi)容包括縮短傳輸延遲，提高用戶數(shù)據(jù)率，提高系統(tǒng)容量和覆蓋，減少運營商的成本等。

對于運營商來說，無線接入技術(shù)和接入網(wǎng)絡(luò)最重要的性能指標(biāo)是頻譜利用率和業(yè)務(wù)QoS保障。為了達到高的頻譜效率，在部署網(wǎng)絡(luò)時要盡可能使頻率復(fù)用因子接近1。為了提供令人滿意的服務(wù)，需要保證用戶，特別是小區(qū)邊緣用戶的QoS。對于采用OFDM技術(shù)的LTE系統(tǒng)，由于其物理層技術(shù)自身沒有小區(qū)間干擾抑制的機制，如果采用頻率復(fù)用因子為1，會導(dǎo)致小區(qū)間的干擾水平增大，特別是位于小區(qū)邊緣用戶的性能會受到極大損失。為提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率，提高系統(tǒng)的頻譜利用率，必須有效減輕小區(qū)間干擾。

目前，3GPP內(nèi)討論的減輕小區(qū)間干擾的方式分為3類：小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)／躲避；小區(qū)間干擾隨機化；小區(qū)間干擾刪除。除此之外，在基站使用波束成型天線是一個通用的減輕小區(qū)間干擾的方式。本文重點討論小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)／躲避方式。

2 干擾協(xié)調(diào)／躲避方案

總體來說，干擾協(xié)調(diào)／躲避是通過小區(qū)間的協(xié)調(diào)對一個小區(qū)的可用資源進行某種限制，以提高鄰小區(qū)在這些資源上的SIR、小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率和覆蓋。資源包括時域和頻域資源以及發(fā)射功率。在頻域上限制資源的使用，使得頻率復(fù)用系數(shù)大于1。

小區(qū)間的協(xié)調(diào)包括靜態(tài)／準(zhǔn)靜態(tài)協(xié)調(diào)和動態(tài)協(xié)調(diào)。靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式指資源限制的協(xié)商和實施在部署網(wǎng)絡(luò)時完成，在網(wǎng)絡(luò)運營的時期可以調(diào)整，但調(diào)整的頻率較慢，大于一個業(yè)務(wù)會話的持續(xù)時間。比較典型的靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式是華為、西門子等公司提出的軟頻率復(fù)用方案。在靜態(tài)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負荷、UE測量情況等因素調(diào)整資源限制的模式，形成準(zhǔn)靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式，如LGE，TI，Alcatel，Qualcomm等公司的提案。

動態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式指資源限制的協(xié)商在網(wǎng)絡(luò)運營時期動態(tài)調(diào)整，調(diào)整的時間尺度為幾個到幾十個TTI，遠小于一個業(yè)務(wù)會話的持續(xù)時間。比較典型的動態(tài)干擾協(xié)調(diào)方式是Nortel、Lucent公司的方案，LGE、Alcatel、TI、Qualcomm等公司也都有相應(yīng)的動態(tài)協(xié)調(diào)提案。

2.1 靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)

靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方案使用軟頻率復(fù)用因子，即頻率復(fù)用因子是可變的。小區(qū)中心的頻率復(fù)用因子為1，小區(qū)邊緣的頻率復(fù)用因子為3。如圖1所示。

小區(qū)中心所用的子頻帶用較小的發(fā)射功率，設(shè)為Pintra。小區(qū)邊緣所用的子頻帶用較大的發(fā)射功率，設(shè)為Pedge。定義Power Radio=Pintra／Pedge。當(dāng)Power Radio=0時，相當(dāng)于頻率復(fù)用因子為3的小區(qū)復(fù)用；當(dāng)Power Radio=1時，相當(dāng)于頻率復(fù)用因子為1的小區(qū)復(fù)用；Power Radio的大小可以基于業(yè)務(wù)分布的變化進行動態(tài)調(diào)整，隨著Power Radio的減少，CEU的數(shù)量增多，CCU的數(shù)量減少。

這種干擾協(xié)調(diào)方式還可以進一步演化為半靜態(tài)的。首先為每個小區(qū)的所有扇區(qū)預(yù)留相同的子頻帶，然后根據(jù)業(yè)務(wù)分布，動態(tài)調(diào)整頻率的分配，使邊緣的子頻帶比例隨業(yè)務(wù)分布的變化而變化。半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)需要Node B與RNC之間的信令交互，交互步驟如下：

(1) 每個Node B通過信令告訴RNC其小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)量。

(2) RNC根據(jù)各小區(qū)的業(yè)務(wù)量大小按比例分配相應(yīng)的頻帶給各小區(qū)。

(3) 若結(jié)合時域調(diào)度使用，則RNC同時通知各小區(qū)預(yù)留時隙的分配。

若要采用時域調(diào)度，需要ETUR支持各Node B之間的同步機制。在此前提下，RNC將不同的時隙分配給各Node B，供其與小區(qū)邊緣用戶通信使用。

LGE提出的抑制干擾方案也屬于準(zhǔn)靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)。第一種方法是將總的可用帶寬分為若干個塊，相鄰小區(qū)相同區(qū)域使用相同的頻率塊(同一小區(qū)不同區(qū)域使用不同的頻率塊)，從而減小Node B間發(fā)生同頻干擾的概率，這種方案比較容易實現(xiàn)。在用戶分布均勻時，可以很好地抑制干擾，提高系統(tǒng)性能。但當(dāng)用戶不均勻分布，存在一些頻率塊不夠用，而另一些頻率塊沒有被使用，嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。LGE的第二種方法是基于優(yōu)先級的資源分配。在相鄰小區(qū)中，對于不同的頻率塊賦予不同的優(yōu)先級，如圖1軟頻率復(fù)用為了在3個相鄰小區(qū)內(nèi)抑制小區(qū)間干擾，整個帶寬被分為3個頻帶塊來抑制小區(qū)間干擾，如圖2所示。

Qualcomm從圖論中著色集合復(fù)用的角度來考慮干擾抑制問題，通過使用著色可以盡可能降低各個小區(qū)間的同頻干擾，從而獲得最大的容量和小區(qū)邊緣速率的提升。對于每個UE，系統(tǒng)分配給他一個頻率復(fù)用策略，且每種策略對應(yīng)一個頻率復(fù)用集合，頻率復(fù)用集合是由對當(dāng)前小區(qū)干擾最嚴(yán)重的若干小區(qū)組成的集合。為了實現(xiàn)通過動態(tài)調(diào)整頻率復(fù)用來減小小區(qū)間干擾，可以使用不斷改變UE的頻率復(fù)用集合來表示。若發(fā)現(xiàn)來自某個小區(qū)某些頻點的干擾很大則將其加入頻率復(fù)用集合并相應(yīng)調(diào)整所分配的頻點。

2.2 動態(tài)干擾協(xié)調(diào)

動態(tài)干擾協(xié)調(diào)主要通過Node B的實時調(diào)度，在相鄰小區(qū)間協(xié)涮無線資源的使用，以達到干擾抑制的作用。由于OFDM技術(shù)的使用，資源凋度可以分別在時域和頻域兩個維度上實現(xiàn)。

Nortel的方案通過時頻分配來抑制小區(qū)間干擾，其基本的時頻資源單位為{1符號×1子信道}。實現(xiàn)過程為首先將一個時隙中的所有符號進行分割，某些符號作為LICI(低干擾區(qū)域)，某些符號作為NICI(普通干擾區(qū)域)，根據(jù)小區(qū)編號為每小區(qū)選擇資源分配模式，而用戶根據(jù)其路徑損耗的大小米劃分到這兩種區(qū)域，并繼續(xù)進行該區(qū)域內(nèi)的(符號×子信道)分配。該方案在小區(qū)的層面上將時隙劃分以下兩種十?dāng)_域：

(1) LICI(低干擾區(qū)域)：在時域中定義，頻率復(fù)用因子<1，TTI中的第一個符號默認(rèn)為LICI，以進行導(dǎo)頻信令的傳輸；

(2) NTCI(一般干擾區(qū)域)：在時域中定義，頻率復(fù)用因子=1。

LICI和NICI可以根據(jù)系統(tǒng)的需求靈活地進行調(diào)整，在時域中可以為動態(tài)映射，即可動態(tài)地進行LICI和NICI數(shù)目的調(diào)整，在期域中可以為在LICI干擾域使用不同的復(fù)用比例進行部分頻率復(fù)用。用戶被分配到LICI或是NICI干擾域，完全是根據(jù)兩干擾域的可用資源數(shù)目、用戶的路徑損耗以及速率要求。若用戶在兩個干擾域中都有數(shù)據(jù)傳輸時，則用戶在不同的干擾域中可有不同的資源分布，即可以采用不同的頻率資源進行傳輸。

Lucent公司的干擾抑制方案采用了分布式的時域調(diào)度方法。在分布式干擾抑制中基站問在相同的資源調(diào)度準(zhǔn)則下獨立地進行子載波分配，基站間的信令交互少，同時達到一定的干擾抑制。在該方案中將小區(qū)中處于不同地理位置的用戶劃分到不同時隙進行調(diào)度，調(diào)度距離小區(qū)中心近的用戶時可以占用大部分或全部子載波，調(diào)度距離小區(qū)中心遠的用戶時只占用部分子載波，各個相鄰扇區(qū)的每個子幀都采用相同的用戶劃分規(guī)則，采用不同的子載波調(diào)度優(yōu)先級規(guī)則，在相同的時隙內(nèi)，相鄰扇區(qū)同時服務(wù)距離小區(qū)近的用戶或距離小區(qū)遠的用戶，不同扇區(qū)內(nèi)地理位置相似的用戶被同時調(diào)度。這樣就將距離小區(qū)遠近不同的用戶在時間上和頻率上區(qū)分開，降低同頻干擾。

3 仿真研究

我們對上述干擾協(xié)調(diào)方案做了系統(tǒng)級仿真和分析。假設(shè)業(yè)務(wù)的BLER要求為10-2，根據(jù)文獻[9]的附錄A中4.5的BLER曲線，得出的鏈路級參數(shù)如表1所示，用于系統(tǒng)級仿真當(dāng)中。仿真中使用的系統(tǒng)參數(shù)取自LTE的建議。設(shè)置27個小區(qū)，區(qū)域邊緣采用wraparound。每個小區(qū)25個用戶，在初始化階段均勻分布在仿真區(qū)域中，在主循環(huán)階段，用戶以設(shè)定的移動速度在仿真區(qū)域內(nèi)隨機移動。

為了公平比較各方案的性能，我們采取下述的簡化業(yè)務(wù)模型：數(shù)據(jù)源以恒定的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)，基站緩存無限大，未傳完的數(shù)據(jù)可以存放在緩存中，在后續(xù)的時隙繼續(xù)發(fā)送。業(yè)務(wù)源的速率分別取值為：200 kb／s，400 kb／s，600 kb／s，800 kb／s，1 000 kb／s。一個子幀內(nèi)的一組子載波(8個子載波)構(gòu)成一個基本資源單位，基本資源單位只為一個用戶提供服務(wù)。根據(jù)接收信干比(SIR)確定調(diào)制編碼方式，同組內(nèi)的子載波使用同樣的調(diào)制編碼方式。用戶調(diào)度采取比例公平(PF)調(diào)度算法。仿真中每隔100幀(0.5 s)計算并記錄用戶在其間獲得的平均數(shù)據(jù)傳輸速率。我們根據(jù)路徑損耗將一個小區(qū)分為兩部分：小區(qū)邊緣和小區(qū)中心(或稱內(nèi)部)。小區(qū)中心的半徑為小區(qū)半徑的0.8倍，中心以外的部分為小區(qū)邊緣，中心用戶速率和邊緣用戶速率分別統(tǒng)計。以此評價干擾抑制方案對小區(qū)邊緣用戶性能的影響。

我們對下行傳輸?shù)男阅茏隽朔抡嫜芯�。系統(tǒng)在不同負載時的吞吐量可以作為衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。圖3給出了系統(tǒng)吞吐量隨著小區(qū)負載變化的曲線。

從圖3可以看到，在吞吐量上，Nortel和LGE 2最高，LGE 1居中，華為和Qualcomm較差。這是由于華為和Qualcomm方案都是部分頻率復(fù)用，在中等負載和高負載時可用資源較少，因此吞吐量較低。而其他幾種在高負載時可以復(fù)用資源，盡管吞吐量很高，但其中大部分是離基站較近的用戶在傳輸數(shù)據(jù)，邊緣用戶的性能仍然很差，這可以從后面的結(jié)果中看到。

下面給出平均用戶速率的性能。圖4為中心用戶的平均速率，圖5為邊緣用戶的平均速率。由圖可見，盡管華為和Qualcomm方案的平均用戶速率較低，中心用戶數(shù)據(jù)速率也較低，但邊緣用戶可保持相對較高的速率，中心和邊緣用戶的平均速率基本相等(350～400 kb／s)。Nortel的方案在提供與Qualcomm相近的邊緣速率的同時，可以獲得較高的中心用戶速率，LGE 1的性能則很差。

最后給出不同負載下，小區(qū)邊緣用戶的速率CDF曲線，見圖6～圖8。該曲線可以反映數(shù)據(jù)用戶的QoS性能。從CDF曲線可以看出，在5％以下邊緣用戶速率分布均低于200 kb／s。盡管當(dāng)系統(tǒng)負載高于15 Mb／s時某些方案具有較大的吞吐量和較高的中心速率，但是邊緣用戶速率始終在200 kb／s以下。因此，比較業(yè)務(wù)速率為200 kb／s，即系統(tǒng)負載為5 Mb／s時的系統(tǒng)性能是有意義的。在200 kb／s對應(yīng)的系統(tǒng)負載5 Mb／s處，各方案的吞吐量性能和邊緣用戶性能相差不大�；仡檲D3～圖5，Nortel和Qualcomm的性能較好，LGE 2的吞吐量比華為的高，但邊緣用戶性能則比華為差。

通過上述仿真結(jié)果分析，我們可以從兩個方面評價各方案的優(yōu)劣。LGE1的各項性能都很差，因此下面用LGE代表LGE 2方案。

3.1 資源利用率

資源利用率主要反映在系統(tǒng)的吞吐量上。吞吐量越高，說明有更多的無線資源被用于數(shù)據(jù)傳輸。在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)負載時(5～10 Mb／s之間)，LGE、Qualcomm和Nortel的資源利用率基本相同。華為的資源利用率較差。但Nortel和LGE可以提供比Qualcomm更多的資源供數(shù)據(jù)用戶使用。

3.2 邊緣用戶性能

邊緣用戶性能主要體現(xiàn)在邊緣用戶的平均速率和CDF分布上。在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)負載時(5～10 Mb／s)，LGE，Qualcomm和Nortel具有基本相同的資源利用率，但邊緣用戶的性能則Qualcomm略優(yōu)于Nortel，而LGE較差。資源利用率較低的華為方案，其邊緣用戶性能和Nortel基本相同。Qualcomm和華為的方案可以使中心用戶和邊緣用戶的性能相近，但負載高時中心用戶雖然信道條件較好但仍得不到更高的傳輸速率。

通過比較，可以看到各方案在達到干擾抑制目的的同時，都有自身優(yōu)勢和特點。

4 結(jié) 語

本文介紹了目前3GPP LTE研究中的一個熱點問題——小區(qū)間干擾的協(xié)調(diào)和躲避方式。對目前比較主流的方案做了總結(jié)和比較，并對各方案進行了系統(tǒng)級動態(tài)仿真研究，比較了他們對小區(qū)邊緣用戶的性能的影響。可以看到，干擾協(xié)調(diào)／躲避是一個新的概念和技術(shù)，目前還不成熟，需要改進。