抑制LTE系統(tǒng)小區(qū)間干擾的軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案?

萬(wàn)曉榆，劉乙樟，樊自甫（.重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶400065；.重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院，重慶400065；.重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)管理研究所，重慶400065）

抑制LTE系統(tǒng)小區(qū)間干擾的軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案?

萬(wàn)曉榆1，劉乙樟2，樊自甫3
（1.重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶400065；2.重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院，重慶400065；3.重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)管理研究所，重慶400065）

為提高系統(tǒng)性能，LTE系統(tǒng)可通過頻率復(fù)用因子（Frequency Reuse Factor，F(xiàn)RF）為3的軟頻率復(fù)用（Soft Frequency Reuse，SFR）方案來有效抑制小區(qū)間的同頻干擾，但在小區(qū)峰值速率和系統(tǒng)容量方面仍有改善空間，由此介紹一種FRF為7的SFR方案，并結(jié)合與之相適應(yīng)的資源調(diào)度策略，可較大地提高小區(qū)邊緣用戶的峰值速率，使系統(tǒng)容量得以提升。

LTE系統(tǒng)；小區(qū)間干擾；軟頻率復(fù)用；資源調(diào)度；系統(tǒng)容量

1 引言

LTE系統(tǒng)在空中接口物理層技術(shù)上采用先進(jìn)成熟的正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)，其提供嚴(yán)格正交的子載波，保證了同一小區(qū)內(nèi)各符號(hào)間的正交性，從而有效地解決了小區(qū)內(nèi)的碼間同頻干擾［1］，雖然還存在載波頻率和相位的偏移等因素會(huì)造成子信道間的干擾，但是可以在物理層通過采用先進(jìn)的無(wú)線信號(hào)處理算法使這種干擾降到最低［2］，因此LTE系統(tǒng)可以采用同頻組網(wǎng)方式，其頻譜利用率得到極大的提升。

但是，小區(qū)間的同頻干擾依然是無(wú)法避免的，這種小區(qū)間干擾就是LTE系統(tǒng)中最主要的干擾，嚴(yán)重影響了小區(qū)邊緣區(qū)域的服務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率，成為小區(qū)性能特別是小區(qū)邊緣區(qū)域性能下降的主要因素，因此抑制小區(qū)間干擾是提高小區(qū)性能的有效方法。

為抑制小區(qū)間干擾，提升系統(tǒng)容量，LTE系統(tǒng)通常采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（Inter-Cell Interference Coordination，ICIC）技術(shù)，其通過協(xié)調(diào)頻率資源，使小區(qū)間的資源嚴(yán)格正交，減少小區(qū)間干擾，并且使用方法靈活，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果較好，已成為目前抑制小區(qū)間干擾的主流技術(shù)。軟頻率復(fù)用（Soft Frequency Reuse，SFR）就是ICIC技術(shù)的一種常用方案，目前工程上大多采用頻率復(fù)用因子（Frequency Reuse Factor，F(xiàn)RF）為3的SFR方案，其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，但在小區(qū)峰值速率和系統(tǒng)容量等關(guān)鍵性能指標(biāo)上仍然有較大的提升空間。本文介紹一種FRF為7的SFR方案，并通過仿真驗(yàn)證，對(duì)比其與傳統(tǒng)的FRF為3的SFR方案在系統(tǒng)性能上的優(yōu)劣。

2 軟頻率復(fù)用（SFR）方案

在軟頻率復(fù)用方案中，所有的頻段被分成兩組子載波，一組稱為主子載波，另外一組稱為輔子載波。主子載波可以在小區(qū)的任何地方使用，而輔子載波則只能在小區(qū)中心使用。不同小區(qū)之間的主子載波相互正交，從而達(dá)到小區(qū)邊緣區(qū)域能有效抑制干擾的目的，而輔子載波由于只在小區(qū)中心區(qū)域使用，與相鄰小區(qū)距離較大，相互之間干擾較小，可以使用相同的頻率進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)［3］。

2.1 頻率復(fù)用因子（FRF）為3的SFR方案

目前，大多數(shù)通信設(shè)備商在ICIC技術(shù)上都采用了FRF為3的SFR方案，其示意圖如圖1所示。

該方案將小區(qū)分為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域兩部分，其中各小區(qū)中心區(qū)域可使用全段頻率，頻譜利用率達(dá)到最大；邊緣區(qū)域滿足相鄰小區(qū)間頻率交錯(cuò)原則，使小區(qū)間同頻干擾最小，頻譜利用率為1／3［4］。

該方案配置簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，在頻譜利用率和信號(hào)-干擾噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）之間找到了一個(gè)較好的均衡點(diǎn)，系統(tǒng)容量和傳輸速率達(dá)到了一個(gè)較高的水平，因此該方案成為大多數(shù)通信設(shè)備商抑制小區(qū)間干擾的首選方案［5］。

2.2 頻率復(fù)用因子（FRF）為7的SFR方案

頻率復(fù)用因子越小，頻譜利用率就越高，同時(shí)SINR值越小，小區(qū)間干擾越大；相反，頻率復(fù)用因子越大，頻譜利用率就越低，SINR值就越大，小區(qū)間干擾越小［6］?？梢酝ㄟ^合理的頻率資源規(guī)劃對(duì)頻譜利用率和SINR值之間進(jìn)行優(yōu)化，提高小區(qū)邊緣區(qū)域的容量。

FRF為7的SFR方案就是通過增大頻率復(fù)用因子使SINR值增大、小區(qū)間干擾減小、系統(tǒng)性能提高的方法，其示意圖如圖2所示。雖然頻譜利用率也隨之降低，但可以通過合理的頻率資源調(diào)度策略將較低的頻譜利用率再度提高，進(jìn)而使小區(qū)頻譜利用率和SINR方面都優(yōu)于FRF為3的SFR方案。

該方案同樣將小區(qū)分為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域兩部分，并將全段可用頻率等分為7份。小區(qū)中心區(qū)域由于與相鄰小區(qū)間距離較大，干擾較小，因此可以使用全段頻率，頻率復(fù)用因子為1，頻譜利用率達(dá)到最大；小區(qū)邊緣區(qū)域由于與相鄰小區(qū)距離較小，必須要求相鄰小區(qū)間邊緣區(qū)域使用不同的頻率，才能保證邊緣區(qū)域通信的正常進(jìn)行，因此將每個(gè)小區(qū)邊緣區(qū)域再分為3塊，每塊使用7個(gè)頻段中的1個(gè)，這樣就能實(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)間頻率資源的相互交錯(cuò)，抑制小區(qū)間的同頻干擾。

該方案中FRF為7可以使SINR值有較大的提高，但是由于每塊邊緣區(qū)域只能使用7頻段中的1個(gè)，頻譜利用率只有1／7，相對(duì)于FRF為3的SFR方案系統(tǒng)容量減小。

由于不存在小區(qū)內(nèi)干擾，每塊邊緣區(qū)域除了有自身的固定頻率外，還可以對(duì)另外兩塊邊緣區(qū)域的可調(diào)頻率進(jìn)行調(diào)用，通過合理的頻率調(diào)用方法，其頻譜利用率可增大為3／7，相對(duì)于FRF為3的SFR方案系統(tǒng)容量增大。

3 頻率資源調(diào)度策略

要使某個(gè)小區(qū)邊緣區(qū)域的頻譜利用率為3／7，必須保證與該邊緣區(qū)域相鄰的小區(qū)不能再次使用該頻率，否則，小區(qū)間同頻干擾將增大，影響通信質(zhì)量，甚至引起掉話。因此，合理的頻率資源調(diào)度策略是保證小區(qū)邊緣區(qū)域較高頻譜利用率的關(guān)鍵［7］。

3.1 策略思想

某個(gè)小區(qū)的某塊邊緣區(qū)域所屬的頻率資源已經(jīng)達(dá)到滿載，無(wú)法再接入新的業(yè)務(wù)。此時(shí)如出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)接入請(qǐng)求，該小區(qū)所屬的eNodeB根據(jù)資源優(yōu)先級(jí)，將業(yè)務(wù)接入到最優(yōu)的可調(diào)資源上，并通過eN-odeB之間的X2接口，向相鄰eNodeB發(fā)送LOAD INFORMATION消息，告知相鄰eNodeB降低被調(diào)資源的優(yōu)先級(jí)，盡量避免使用該被調(diào)頻率資源。相鄰eNodeB收到此消息后將根據(jù)該頻率資源的使用情況進(jìn)行判斷，如果該頻率資源未被使用則發(fā)出證實(shí)消息，如已被使用則向申請(qǐng)eNodeB發(fā)出拒絕消息。待業(yè)務(wù)結(jié)束后，申請(qǐng)eNodeB釋放該頻率資源，再次發(fā)送LOAD INFORMATION消息告知相鄰eNodeB升高被調(diào)資源的優(yōu)先級(jí)。如果相鄰兩小區(qū)都只能使用同一資源，以滿足業(yè)務(wù)接入的需求，必須使用功率控制技術(shù)降低發(fā)射功率，并向相鄰使用同頻率的eN-odeB發(fā)送LOAD INFORMATION消息要求其也降低發(fā)射功率，防止小區(qū)間干擾過大。當(dāng)誤塊率（BLock Error Ratio，BLER）超過一定門限時(shí)，已無(wú)法達(dá)到最基本的通信要求，將發(fā)生掉話。

3.2 策略流程

頻率資源調(diào)度策略流程如圖3所示。

4 性能仿真

4.1 參數(shù)配置

LTE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可變帶寬配置，可將帶寬配置為5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)情況進(jìn)行選擇，配置靈活。在仿真中采用20 MHz作為系統(tǒng)帶寬，根據(jù)3GPP TR25.814規(guī)定，20 MHz帶寬對(duì)應(yīng)的最大發(fā)射功率為49 dBm，子載波間隔為15 kHz［8］，其余詳細(xì)參數(shù)配置如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果

從圖4可以看出，不使用資源調(diào)度策略，即便增大FRF使SINR得到提高，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致帶寬的減小，反而導(dǎo)致小區(qū)邊緣容量的降低。因此如果不使用資源調(diào)度策略，F(xiàn)RF為7的SFR方案在系統(tǒng)性能上劣于傳統(tǒng)FRF為3的SFR方案。

從圖5可以看出，使用合理的資源調(diào)度策略后，小區(qū)邊緣容量值得到了較大提高。FRF為7的SFR方案只有同與之相適應(yīng)的資源調(diào)度策略結(jié)合后，才能實(shí)現(xiàn)該方案在系統(tǒng)性能上的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本文引入一種FRF為7的SFR方案，并提出與之相適應(yīng)的資源調(diào)度策略，兩者相結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的干擾抑制。相對(duì)常用的FRF為3的SFR方案，該方案在小區(qū)邊緣區(qū)域獲得了更高的用戶峰值速率，使整個(gè)系統(tǒng)容量得到較大提升。雖然在工程實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜，但該方案可應(yīng)用于人員密集場(chǎng)所，以滿足更多用戶的通信需求。

［1］Geng Ziwei.Inter-cell interference cancellation in OFDMA network［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2009. Geng Ziwei.Inter-cell interference cancellation in OFDMA network［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2009.

［2］Xiang Y，Luo J，Hartmann C.Inter-cell Interference Mitigation through Flexible Resource Reuse in OFDMA based Communication Networks［C］／／Proceedings of the 13th European Wireless Conference.Paris，F(xiàn)rance：［s.n.］，2007：1-7.

［3］Bin Fan.A Dynamic Resource Allocation Scheme Based on Soft Frequency Reuse for OFDMA Systems［C］／／Proceedings of 2007 International Symposium on Microwave，Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications.Hangzhou：IEEE，2007：1-4.

［4］3GPP R1-050764，Inter-celll Interference Handing for eUTRA［S］.

［5］李美玲.軟頻率復(fù)用技術(shù)研究及其在LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2007. LI Mei-ling.The Research of Soft Frequency Reuse technology and its application in LTE system［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2007.（in Chinese）

［6］3GPP R1-0560864，Overview of Resource Management Techniques for Interference Mitigation in EUTRA［S］.

［7］Shu Li，Wen Xiangming，Liu Zhongjun.Queue Anlysis of Soft Frequency Reuse Scheme in LTE-Advanced［C］／／Proceedings of the Second International Conference on Computer Modeling and Simulation.Sanya：IEEE，2010：248-252.

［8］3GPP TR25.814 v0.2.1，3GPP Technical Specification Group Radio Access Network，Physical L Layer Aspects for Evolved UTRA［S］.

WAN Xiao-yu was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1963.He received the Ph.D.degree in 2006.He is now a professor and the Dean of School of Economics and Management，Chongqing University of Posts and Telecommunications.

劉乙樟（1987—），男，貴州遵義人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄乱淮W(wǎng)絡(luò)（NGN）技術(shù)；

LIU Yi-zhang was born in Zunyi，Guizhou Province，in 1987. He is now a graduate student.His research direction is next generation network（NGN）technology.

Email：liuyz-6126＠163.com

樊自甫（1977—），男，安徽舒城人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授、重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)管理研究所主任。

FAN Zi-fu was born in Shucheng，Anhui Province，in 1977. He received the M.S.degree in 2004.He is now an associate professor and the Director of Institute of Network Management，Chongqing University of Posts and Telecommunications.

A Soft Frequency Reuse Improvement Scheme for Suppressing Inter-cell Interference in LTE Systems

WAN Xiao-yu1，LIU Yi-zhang2，F(xiàn)AN Zi-fu3
（1.Economy and Management School，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China；2.Communication School，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China；3.Institute of Network Management，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In order to improve system performance，LTE systems usually adopt a Soft Frequency Reuse（SFR）scheme in which the Frequency Reuse Factor（FRF）is three to suppress co-frequency interference among neighbor cells，butitexists stillspace to improve in areas ofpeak rate and system capacity.So this paper introduces a SFR scheme in which FRF is seven.It can raise the peak rate greatly for users in edge areas of a cell and increase system capacity by combining with adaptive resource scheduling strategy.

LTE system；inter-cell interference；soft frequency reuse；resource scheduling；system capacity

TN915

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.005

萬(wàn)曉榆（1963—），男，四川成都人，2006年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院院長(zhǎng)；

1001-893X（2012）02-0147-04

2011-09-30；

2012-01-12