LTE 系統(tǒng)軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案性能評估?

宋燕輝

（1.長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院移動通信系，長沙410015；2.華中科技大學(xué)電信系，武漢430074）

LTE 系統(tǒng)軟頻率復(fù)用改進(jìn)方案性能評估?

宋燕輝1，2

（1.長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院移動通信系，長沙410015；2.華中科技大學(xué)電信系，武漢430074）

軟頻率復(fù)用（SFR）被認(rèn)為是一種有效的頻率復(fù)用方案，可以協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾，同時也可保持頻譜效率。通過考慮各種業(yè)務(wù)負(fù)載及不同功率比的配置，研究在LTE下行傳輸時SFR的性能，除了小區(qū)邊緣用戶的性能，還評估了整個小區(qū)性能和小區(qū)中心用戶性能，通過仿真對SFR的優(yōu)勢和局限性進(jìn)行了較全面的驗(yàn)證，并與經(jīng)典頻率復(fù)用方案進(jìn)行了比較。

LTE；小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)；軟頻率復(fù)用；性能評估

1 引言

蜂窩系統(tǒng)中一個主要問題是由相鄰小區(qū)頻帶重疊引起的小區(qū)間干擾，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)性能下降，特別是對位于小區(qū)邊緣的用戶。小區(qū)間干擾問題早就引起重視，在一些傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)中已經(jīng)有一些解決的方案。例如：在傳統(tǒng)的基于頻分雙工／時分復(fù)用（FDD／TDM）的系統(tǒng)，比如全球移動通信系統(tǒng)（GSM），采用部分頻率復(fù)用技術(shù)來防止相鄰小區(qū)使用同一頻率；另一方面，碼分多址（CDMA）系統(tǒng)，比如通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）和CDMA2000系統(tǒng)，則使用不同的碼來區(qū)分小區(qū)，從而減少小區(qū)間干擾［1］。然而，這些解決方案都不可能應(yīng)用在基于正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)的未來移動通信系統(tǒng)4G中［2］。

LTE是3GPP確定的B3G／4G典型架構(gòu)［3］，在LTE中，頻譜效率被高度重視，目的是在無線資源變少的情況下提供更高的數(shù)據(jù)率。與傳統(tǒng)的2G和3G系統(tǒng)中采用的頻率復(fù)用模式不同，LTE期望在實(shí)踐中達(dá)到頻率復(fù)用效率接近1［4-5］。然而，由于移動終端傳輸功率的限制，在LTE中需要更小的小區(qū)部署來滿足靠近基站和位于小區(qū)邊緣用戶更高的數(shù)據(jù)速率，因此，我們認(rèn)為小區(qū)間干擾問題在影響LTE網(wǎng)絡(luò)性能方面會變得更加嚴(yán)重。

要解決這個問題，已經(jīng)提出許多解決方案，而軟頻率復(fù)用（SFR）被認(rèn)為是在不損失頻譜效率情況下能夠有效進(jìn)行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的最具代表性的方案。作為一種主流的頻率規(guī)劃策略，SFR已經(jīng)在一些主要文獻(xiàn)被提出其改進(jìn)方法［6-8］。盡管如此，SFR的很多特性尚未分析和研究，特別是，過去大多數(shù)工作主要局限于SFR能夠提高小區(qū)邊緣用戶的性能，為彌補(bǔ)這一不足，本文給出一種綜合分析SFR在LTE系統(tǒng)中的干擾協(xié)調(diào)能力的方案。

2 頻率規(guī)劃策略和系統(tǒng)模型

2.1 軟頻率復(fù)用

SFR目前被認(rèn)為是減輕蜂窩系統(tǒng)小區(qū)間干擾最有效的頻率規(guī)劃策略之一，首先是應(yīng)用于GSM系統(tǒng)，然后被3GPP LTE采納，目的是提升小區(qū)邊緣用戶的性能。SFR的基本思想是在小區(qū)中心區(qū)域提供頻率復(fù)用，在小區(qū)邊緣區(qū)域提供更高的頻率復(fù)用因子，而不是固定頻率復(fù)用（HFR，如復(fù)用因子等于3）和部分頻率復(fù)用（FFR），SFR能夠在較低的頻率復(fù)用因子（幾乎接近于1）的情況下，沒有大量頻譜效率損失時減少小區(qū)間干擾。

在SFR中，可用頻譜分為兩個部分：小區(qū)邊緣頻帶和小區(qū)中心頻帶，每一個小區(qū)中的用戶也根據(jù)他們與基站的距離或其他因素分為兩組：小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶。小區(qū)邊緣用戶被限制使用小區(qū)邊緣頻帶，而小區(qū)中心用戶獨(dú)占小區(qū)中心頻帶，也可使用小區(qū)邊緣頻帶，但是優(yōu)先級較低。圖1（a）為一種正六邊形七小區(qū)的頻率規(guī)劃圖，小區(qū)中心用戶可以使用整個頻帶，但小區(qū)邊緣用戶僅僅使用鄰小區(qū)未覆蓋的部分頻帶，小區(qū)邊緣用戶為了提高其數(shù)據(jù)率，需要更高的傳輸功率，而小區(qū)中心用戶可以減少傳輸功率。SFR的功率分配如圖1（b）所示。

圖1 SFR方案的頻率規(guī)劃和功率分配Fig.1 The frequency planning and power allocation of the SFR scheme

2.2 LTE下行鏈路傳輸與吞吐量估算

上面的頻率規(guī)劃策略適用于LTE下行鏈路傳輸，由于LTE下行鏈路是基于OFDMA的，eNodeB（基站）是根據(jù)終端的每個傳輸時間間隔（TTI）調(diào)度無線資源的。在LTE中，最小的無線資源調(diào)度單位被定義為物理資源塊（PRB），包括12個連續(xù)子載波和1個時隙（0.5ms）。

為了提高頻譜效率，LTE采用多輸入多輸出（MIMO）模式，上行鏈路采用MIMO 4×4，下行鏈路采用MIMO 1×4。本文因?yàn)橹攸c(diǎn)在于探討有效的小區(qū)間干擾頻率規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，只考慮單輸入單輸出（SISO）。此外，為了簡單起見，我們考慮七小區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個小區(qū)中心配置1副全向天線，當(dāng)然，這些分析也能推廣應(yīng)用到MIMO模式和多扇區(qū)配置情況。

在實(shí)際中，自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）方案根據(jù)現(xiàn)有信道狀態(tài)信息（CSI）確定吞吐量，為了不失去共性，根據(jù)香農(nóng)公式的信道容量，特定用戶可達(dá)到的吞吐量為

式中，B為信道帶寬，SNR是給定的信噪比，本文將B定義為PRB的帶寬。公式（1）是未考慮小區(qū)間干擾因子香農(nóng)理論公式，因此，香農(nóng)公式的SNR可以替換成信號干擾噪聲比（SINR），用戶m的PRB n可以表示為

式中，Pm，n表示用戶m從服務(wù)eNodeB n經(jīng)過路徑損耗后得到的有用功率，Pj，n表示鄰小區(qū)eNodeB j的干擾功率，gm，n和gj，n是用戶m從服務(wù)eNodeB n和鄰小區(qū)eNodeB j獲得的增益，N0為熱噪聲。公式（1）可以表示為

當(dāng)發(fā)射信號為PRB n，用戶m的吞吐量（單位為bit／s）可以表示為

式中，M為用戶數(shù)，N為干擾小區(qū)的可用PRB總數(shù)。

3 性能分析和假設(shè)

本文的重點(diǎn)在于探討小區(qū)間干擾性能，我們假設(shè)小區(qū)間干擾能成功消除。另外，同一個PRB在一個小區(qū)內(nèi)不會分配給多個用戶使用，可以避免小區(qū)內(nèi)干擾。我們關(guān)注特定小區(qū)的性能評價，而不是最大化整個系統(tǒng)的性能，參考小區(qū)的性能取決于它的服務(wù)eNodeB及其他相鄰eNodeB的資源配置決策，小區(qū)邊緣吞吐量和小區(qū)中心吞吐量是評價參考小區(qū)分析平均吞吐量的主要參數(shù)，我們只考慮單頻復(fù)用（FRone）與SFR相比較，而忽略HFR和FFR的影響，這也許無法得到高頻譜利用效率，但在LTE網(wǎng)絡(luò)中是可取的。

如前所述，F(xiàn)Rone和SFR能使頻率復(fù)用系數(shù)等于或接近于1，這意味著每一個小區(qū)都可以使用所有可用的無線資源而沒有任何帶寬的限制，通過這種方式，頻譜利用率有望得到改善，然而，頻率復(fù)用系數(shù)為1將不可避免地帶來了嚴(yán)重的小區(qū)間干擾問題，從而降低系統(tǒng)性能。對于FRone，我們假設(shè)小區(qū)間干擾發(fā)生于用戶最近的鄰小區(qū)（分配相同的PRB），對于SFR，我們假設(shè)小區(qū)間干擾不會造成本小區(qū)中心用戶影響鄰小區(qū)中心用戶，換句話說，即使小區(qū)中心用戶使用同一個PRB，相互間也不干擾，原因在于SFR限制了中心用戶的發(fā)射功率，小區(qū)中心用戶和鄰小區(qū)通常有足夠的距離，確保比較大的路徑損耗，從而接收到的干擾功率降低了，因此，SFR只考慮小區(qū)邊緣用戶和來自不同小區(qū)的中心用戶使用相同PRB的干擾。

為了減少小區(qū)間干擾，SFR指定使用PRBs的小區(qū)邊緣用戶采用較高的發(fā)射功率，而小區(qū)中心用戶采用較低的發(fā)射功率，我們假設(shè)FRone和SFR的總傳輸功率是一樣的，都均勻分布在PRBs上。對于FRone，每個PRB的功率P=Ptotal／N，其中Ptotal是總傳輸功率，N為小區(qū)可用PRBs數(shù)量。對于SFR，每個邊緣頻帶的PRB功率為Pedge，每個中心頻帶的PRB功率為αPedge，其中0＜α＜1作為功率比，Pedge可表示為

從而得到

通常，功率比α的值是個范圍，而不是一個固定的數(shù)字?；旧?，較高的功率比代表小區(qū)中心用戶獲得性能較好，小區(qū)邊緣用戶獲得性能較差。

對于FRone，可以用兩個簡單的調(diào)度方法：機(jī)會公平和最佳信道調(diào)度，在機(jī)會公平方法中，在整個頻帶內(nèi)每個用戶訪問PRB的機(jī)會是均等的，而在最佳信道調(diào)度方法中，PRB只分配給有最佳信道質(zhì)量信息（CQI）的用戶。對于SFR，只簡單服從基本調(diào)度規(guī)則，本文目的是分析最傳統(tǒng)的SFR在減少小區(qū)間干擾的能力，所以沒有提出其他自適應(yīng)調(diào)度方法。

4 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文采用系統(tǒng)級仿真來評估SFR的性能，本仿真模型采用7個小區(qū)構(gòu)成系統(tǒng)的中心小區(qū)為參考小區(qū)進(jìn)行評估，每個小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)相同，小區(qū)內(nèi)用戶隨機(jī)移動，每一個小區(qū)內(nèi)邊緣用戶數(shù)與中心用戶數(shù)都是不均勻分布的。為了避免沒有邊緣用戶或中心用戶的個別小區(qū)，假設(shè)至少每個小區(qū)有一個小區(qū)邊緣用戶和一個小區(qū)中心用戶，此外，F(xiàn)Rone作為與SFR性能比較的參考對象。仿真遵循典型的下行傳輸模式，主要的仿真參數(shù)見表1。

表1 主要仿真參數(shù)Table 1 Main simulation parameters

首先，我們提出了參考小區(qū)比較全面吞吐量，注意在這種情況下，假設(shè)滿負(fù)載，功率比為1／3。從圖2可以看出，SFR通過有效的干擾消除可以使小區(qū)邊緣用戶吞吐量最大化，性能得到改善。然而，有比FRone更低吞吐量的小區(qū)中心用戶，再看整個小區(qū)的吞吐量，SFR的吞吐量與采用最佳信道調(diào)度的FRone吞吐量相同，甚至略低。根據(jù)這些結(jié)果，我們有理由懷疑SFR是否能保證提高整個系統(tǒng)的吞吐量性能。

圖2 基于滿負(fù)載的小區(qū)整體吞吐量比較Fig.2 Overall throughput comparison under full traffic load

為了解決上述疑問，我們在不同的業(yè)務(wù)負(fù)載下評估3個方案的性能（FRone、理想SFR和SFR），所謂理想SFR是指小區(qū)間干擾可以等效為SINR來計(jì)算吞吐量。正如我們前面提到的，需要解決某種程度的小區(qū)間SFR干擾，達(dá)到完全沒有小區(qū)間干擾只會發(fā)生在一個極端的例子，因此，其性能可以看成是SFR能逼近理想SFR上界，但是從來沒有達(dá)到。除此之外，我們還仿真3種SFR方案，功率比分別為1／3、1／5、1／10，通過調(diào)整SFR功率比，可以進(jìn)一步檢查影響系統(tǒng)性能的功率分配問題。

小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶在不同功率比和業(yè)務(wù)負(fù)載情況下的平均吞吐量如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，SFR在低業(yè)務(wù)負(fù)載時無法達(dá)到FRone的性能增益，這是因?yàn)樵诘蜆I(yè)務(wù)負(fù)載情況下，PRB碰撞概率低，小區(qū)間干擾是有限的，因此帶寬受限的SFR并不助于改善小區(qū)間干擾，然而，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載增加，SFR明顯優(yōu)于RFone，從而保證有限帶寬下的小區(qū)邊緣用戶的高吞吐量（在SFR中只有1／3帶寬用于小區(qū)邊緣用戶），此外，采用功率比為1／10時明顯比其他功率比情況效果更好。

圖3 小區(qū)邊緣用戶不同業(yè)務(wù)負(fù)載的平均吞吐量比較Fig.3 Average throughput comparison for cell-edge users as a function of traffic load

圖4 小區(qū)中心用戶不同業(yè)務(wù)負(fù)載的平均吞吐量比較Fig.4 Average throughput comparison for cell-center users as a function of traffic load

從圖4可以看出，SFR在中等業(yè)務(wù)負(fù)載以下時，小區(qū)中心用戶性能較好，而當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較高時，性能甚至比FRone更差，在這種情況下，對于小區(qū)中心用戶，在功率比為1／3時，SFR性能最佳；不難看出，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載達(dá)到0.6，吞吐量開始下降，功率比越小，吞吐量下降得越快。

根據(jù)圖3和圖4的結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：首先，在以小區(qū)中心用戶性能為代價情況下，SFR使得小區(qū)邊緣用戶性能得到顯著改善；其次，與理想情況相比，SFR在增加小區(qū)邊緣和小區(qū)中心用戶吞吐量方面仍然有很大的空間，這些改善可以達(dá)到使用優(yōu)化調(diào)度或自適應(yīng)方法的效果；最后，SFR的小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶性能受功率比影響大，因此，實(shí)現(xiàn)小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶性能平衡的關(guān)鍵是采用適當(dāng)?shù)墓β时取?/p>

SFR的性能評估在圖5中得到進(jìn)一步展示。圖5顯示在不同業(yè)務(wù)負(fù)載時參考小區(qū)吞吐量情況，可以看出，與FRone相比，一般SFR在吞吐量方面更優(yōu)，尤其在中等負(fù)載情況下，采用1／3功率比的SFR性能較好。然而，在滿負(fù)荷時，SFR性能較差，基于圖2和圖4得到的類似結(jié)果，我們可以得出結(jié)論：當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)載時，SFR對于小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)沒有多大貢獻(xiàn)。

圖5 參考小區(qū)不同業(yè)務(wù)負(fù)載的平均吞吐量比較Fig.5 Average throughput comparison for the reference cell as a function of traffic load

5 結(jié)束語

本文提出了一種在LTE網(wǎng)絡(luò)中采用SFR的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)方案的綜合性能分析方法，通過假設(shè)不同業(yè)務(wù)負(fù)載和動態(tài)功率比，分別對小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶在不同吞吐量情況下的SFR性能進(jìn)行了評估，通過詳細(xì)的性能評估仿真，將SFR方案與傳統(tǒng)的FRone方案進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明，在吞吐量顯著改善的中等負(fù)載情況下，SFR可有效降低小區(qū)間干擾；當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較高時，小區(qū)邊緣吞吐量的改善是以犧牲小區(qū)中心用戶性能為代價得到的，從而導(dǎo)致限制了小區(qū)平均吞吐量的改善；此外，SFR性能受小區(qū)邊緣和小區(qū)中心用戶的功率比影響?？傊琒FR可以使小區(qū)邊緣吞吐量最優(yōu)，但不能保護(hù)受小區(qū)間干擾的整個小區(qū)性能，未來的研究重點(diǎn)將是提出先進(jìn)的方法使SFR減少小區(qū)間干擾，從而使小區(qū)邊緣和小區(qū)中心用戶性能都取得更好的效果。

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Performance Estimation of Im proved Soft Frequency Reuse for Inter-cell Interference Coordination in LTE Networks

SONGYan-hui1，2
（1.Department of Mobile Communication，Changsha Telecommunications and Technology Vocational College，Changsha 410015，China；2.Department of Telecommunication，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Soft frequency reuse（SFR）is considered as an effective frequency reuse scheme for inter-cell interference coordination aswell asmaintaining spectrum efficiency.In this paper，the performance of SFR for LTE downlink transmission is investigated by considering issues of various traffic loads and different power ratio configurations.In addition to the cell-edge user performance，the overall cell performance and the cell-center user performance are both evaluated in terms of throughput estimation.Through simulation，the advantages and limitations of SFR are comprehensively examined and compared against the classical frequency reuse scheme.

LTE；inter-cell interference coordination（ICIC）；soft frequency reuse（SFR）；performance estimation

Colleges and University Teachers Domestic Visitor Project of Ministry of Educationa in 2011；Scientific Research Project of Hunan Province（11C0100）

the M.S.degree in 2008.She is now a senior engineer.Her research concernsmobile communication system.

1001-893X（2012）04-0503-05

2011-11-23；

2012-02-27

教育部2011年高等學(xué)校教師國內(nèi)訪問學(xué)者資助項(xiàng)目；湖南省教育廳基金項(xiàng)目（11C0100）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.016

宋燕輝（1978—），女，湖南瀏陽人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)橐苿油ㄐ畔到y(tǒng)。

Email：song.yanhui＠139.com

SONG Yan-hui was born in Liuyang，Hunan Province，in 1978.She