LTE系統(tǒng)小區(qū)上行干擾分析及對(duì)策研究

【摘 要】LTE小區(qū)間干擾逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，目前一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題就是小區(qū)間相互干擾抑制方法探索。筆者結(jié)合自身實(shí)踐，詳細(xì)介紹了目前LTE采用的幾種主要抑制干擾的方法，提出了抑制干擾的有效建議，以期對(duì)其他研究者有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】LTE；LTE系統(tǒng)小區(qū)上行干擾；對(duì)策

一、引言

移動(dòng)通信技術(shù)在不斷向前發(fā)展的過(guò)程中，移動(dòng)用戶對(duì)其質(zhì)量和內(nèi)容都提出了很高的要求。為適應(yīng)全球移動(dòng)通信表現(xiàn)出的寬帶化、IP化和移動(dòng)化的走勢(shì)，也為了應(yīng)對(duì)與WiFi、WiMAX等新興移動(dòng)通信技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，3GPP在繼HSUPA、HSDPA等技術(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，于2004年底發(fā)展出3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)，即3GLTE，目標(biāo)是為了獲得更高的移動(dòng)寬帶傳輸速率，更廣的覆蓋范圍和較低的成本、改進(jìn)的系統(tǒng)容量及更低的時(shí)延。與此同時(shí)，在應(yīng)用中由于LTE采用“OFDMA”式接入技術(shù)，用戶的信息承載存在于正交且相互不同的載波之上，因此移動(dòng)用戶端的干擾主要來(lái)源于其他的相鄰小區(qū)，這就是所謂的小區(qū)間相互干擾。

二、LTE上行干擾簡(jiǎn)介

第三代通信技術(shù)與第四代通信技術(shù)之間的巨大差距，以及為了獲得更低時(shí)延、更大覆蓋面、更高傳輸速率以及更穩(wěn)定信號(hào)接收的效果，才開(kāi)發(fā)出了3GLTE。這一LTE系統(tǒng)希望在20MHz帶寬基礎(chǔ)之上達(dá)到50Mbit/s上行移動(dòng)通信傳輸速率，100Mbit/s下行移動(dòng)通信傳輸速率，其頻譜效率大概為HSPA的2～4倍左右。該技術(shù)會(huì)使系統(tǒng)覆蓋面變大，帶寬配置更加靈活，信號(hào)更加穩(wěn)定，并且支持全分組包交換以及多媒體技術(shù)廣播組播通信業(yè)務(wù)的進(jìn)一步增強(qiáng)。為達(dá)成上述目標(biāo)，LTE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）采用了多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)、正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）技術(shù)、自行適應(yīng)調(diào)制編碼（HARQ）技術(shù)以及接近于典型全I(xiàn)P寬帶網(wǎng)扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)。LTE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）下行采用了“OFDMA”的接入模式，上行采用了根據(jù)OFDM傳輸通信技術(shù)“SC-FDMA”的接入模式。OFDMA的這一接入模式與“CDMA”并不相同，小區(qū)間干擾無(wú)法從根本上通過(guò)擴(kuò)頻方式來(lái)進(jìn)行消除，又因?yàn)長(zhǎng)TE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）對(duì)頻譜效率有非常高的要求，更不能利用較高信息復(fù)用系數(shù)的比較傳統(tǒng)信息頻率復(fù)用方法來(lái)減弱小區(qū)間干擾，所以在應(yīng)用LTE的進(jìn)程中，小區(qū)間干擾抑制技術(shù)就受到了相當(dāng)高的關(guān)注。

三、LTE系統(tǒng)中的小區(qū)間干擾分析

在LTE通信技術(shù)中，上行采用了SC-FDMA移動(dòng)通信技術(shù)，而下行采用OFDMA移動(dòng)通信技術(shù)，在保證小區(qū)內(nèi)部通信信號(hào)符號(hào)間正交性的同時(shí)，還大大降低了小區(qū)內(nèi)部間信號(hào)源的相互間干擾?，F(xiàn)在小區(qū)間，或在通信信息系統(tǒng)應(yīng)用中，復(fù)用因子是“1”的這一蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到普遍，即相同的頻段被用在相鄰的兩個(gè)小區(qū)間來(lái)工作時(shí)，這種方式帶來(lái)了同頻干擾問(wèn)題，小區(qū)結(jié)合邊緣處的這種干擾尤其嚴(yán)重。在信號(hào)傳輸?shù)木唧w過(guò)程中，這種現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重干擾邊緣數(shù)據(jù)傳輸效率，怎樣有效避免小區(qū)間的干擾就成為L(zhǎng)TE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。站址共享這一原因的存在，使得我們必須正視FDD-LTE與TD-LTE共站的這一問(wèn)題，兩者發(fā)送信息都對(duì)對(duì)方的信息接收帶來(lái)一些干擾。運(yùn)行商基站因?yàn)椴荒芡瑫r(shí)進(jìn)行接發(fā)關(guān)系，這就使得小區(qū)干擾問(wèn)題因著共享成為一個(gè)必然的現(xiàn)象存在。利用對(duì)基站的接收信號(hào)靈敏度的惡化度來(lái)衡量小區(qū)干擾。小區(qū)這種干擾，可接受的靈敏標(biāo)準(zhǔn)為-6dB，接收信號(hào)靈敏度惡化為0.97dB。在LTE中（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)），可接受的信號(hào)傳輸數(shù)值為0.8dB，其對(duì)應(yīng)小區(qū)間干擾為I/N=-7dB。

（一）上行干擾信號(hào)加擾分析（單載波）

在LTE系統(tǒng)中，干擾抑制技術(shù)在小區(qū)間的運(yùn)用顯得非常重要。對(duì)于OFDMA這樣一種的接入模式，外小區(qū)對(duì)其干擾的數(shù)目非常有限，不但干擾強(qiáng)度較大，而且干擾源的變化也比較快，且不好估計(jì)，于是一種比較簡(jiǎn)單可行的方法就是采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)對(duì)干擾進(jìn)行估計(jì)。在LTE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）中，獨(dú)特的“OFDMA”信號(hào)接入模式，對(duì)于小區(qū)中心的移動(dòng)客戶端用戶來(lái)講，其本身距離基站的距離相對(duì)較近，外校區(qū)干擾信號(hào)距離較遠(yuǎn)，其信干噪比就相對(duì)較大；但對(duì)于小區(qū)邊緣的移動(dòng)客戶端用戶，因?yàn)檎加猛瑯虞d波資源的用戶就在相鄰小區(qū)，所以對(duì)其干擾相對(duì)比較大，且本身距離基站較遠(yuǎn)，造成信干噪比相對(duì)就較小，雖然整個(gè)小區(qū)的吞吐量較高，但小區(qū)邊緣移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端客戶服務(wù)質(zhì)量較差，信息吞吐量較低。于是，干擾隨機(jī)化就不能降低干擾的能量，但能通過(guò)給干擾信號(hào)加擾的方式將干擾隨機(jī)化為“白噪聲”，從而抑制小區(qū)間干擾，因此又稱為“干擾白化”。干擾隨機(jī)化的方法主要包括小區(qū)專(zhuān)屬交織和小區(qū)專(zhuān)屬加擾。

（二）多載波干擾分析

小區(qū)中心的移動(dòng)客戶端用戶，其本身距離基站相對(duì)較近，且收到來(lái)源于外小區(qū)的信號(hào)干擾相對(duì)較小，可以采用比較低的傳輸功率進(jìn)行信號(hào)傳輸，小區(qū)邊緣用戶則恰好相反。雖然LTE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）在每個(gè)子載波上的干擾服從近似對(duì)數(shù)正態(tài)的分布，但實(shí)際的干擾值卻與當(dāng)前子載波碰撞的次數(shù)有關(guān)，載波碰撞次數(shù)不相同，每個(gè)載波上的實(shí)際干擾值也就不同。在一般情況下，主子載波允許的最大發(fā)射功率比輔子載波允許的最大發(fā)射功率高。在功率譜密度一定的前提下，給主子載波分配更多的傳輸功率就意味著為主子載波分配了更寬的信號(hào)帶寬，輔子載波與主子載波的發(fā)射功率比可在0到1之間進(jìn)行調(diào)整，對(duì)應(yīng)的有效頻率復(fù)用系數(shù)則在3到1之間變化。為使軟頻率復(fù)用可以適應(yīng)每個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù)分布變化，可以通過(guò)調(diào)整輔子載波和主子載波的功率比。當(dāng)小區(qū)邊緣的帶寬業(yè)務(wù)量非常高時(shí)，為獲得較高的小區(qū)邊緣吞吐量將信號(hào)傳輸功率比設(shè)定為相對(duì)較小的值；相反，當(dāng)小區(qū)內(nèi)部業(yè)務(wù)量非常大時(shí)，可以設(shè)置較大的信號(hào)傳輸功率比。由于LTE系統(tǒng)中沒(méi)有類(lèi)似于“TDS”中的“RNC”，小區(qū)之間相互不能互通調(diào)度信息資源，也就不清楚相鄰小區(qū)子載波的使用情況，且業(yè)務(wù)不同，每個(gè)小區(qū)的調(diào)度策略也不近相同，導(dǎo)致每個(gè)子載波被調(diào)度的次數(shù)不同，相鄰子載波的碰撞次數(shù)也不同，導(dǎo)致小區(qū)間的干擾不一致，使干擾在子載波上出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)的現(xiàn)象。在此方案中，每個(gè)小區(qū)中的子載波被分為兩組，一組稱為主子載波，另一組被稱為輔子載波。主子載波可以在全部小區(qū)范圍內(nèi)使用，而輔子載波只可以使用在小區(qū)的中心區(qū)域。子載波的這一分配方式使得相鄰小區(qū)邊界使用的子載波均相互正交，使用相同頻率子載波的用戶距離足夠遠(yuǎn)，從而有效地避免或減小相鄰小區(qū)在邊緣的用戶的同頻干擾。

四、抑制干擾的對(duì)策分析

基于“IDMA”的干擾消除和基站協(xié)作通信為小區(qū)間干擾抑制帶來(lái)全新的思路，在信息傳輸理論上，多小區(qū)載波、功率聯(lián)合分配可以實(shí)現(xiàn)比軟頻率復(fù)用更優(yōu)秀的信號(hào)傳輸性能，并且可以和其他技術(shù)同時(shí)使用，目前應(yīng)用上述的小區(qū)間干擾抑制技術(shù)中，波束協(xié)作調(diào)度和軟頻率復(fù)用有較高的實(shí)際操作性，也是業(yè)界目前可能會(huì)首先得到的抑制技術(shù)。軟頻率復(fù)用基本不需要在基站間交換信息，其計(jì)算復(fù)雜程度低，有著較高的可操作性。但是集中式分配方案由于需要大量計(jì)算資源并且不匹配未來(lái)網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，其實(shí)際操作性較差。當(dāng)前，3GPP干擾抑制提案中很大部分基于軟頻率復(fù)用技術(shù)，研究技術(shù)相對(duì)較成熟，但軟頻率復(fù)用使得小區(qū)邊緣只能使用部分頻譜資源，信息吞吐量就會(huì)受到影響，這就是軟頻率復(fù)用技術(shù)的根本缺陷?，F(xiàn)有3GPP提案以分布式分配為主要模式，但如何在復(fù)雜度和性能之間取得較好的折中，仍是有待解決的問(wèn)題。另外，現(xiàn)有分布式分配方法普遍缺乏性能分析，因此，性能穩(wěn)定性在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下仍有待研究。波束協(xié)作調(diào)度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度低，僅需在相鄰干擾小區(qū)之間交換用戶信息，實(shí)際操作性較好，現(xiàn)有波束協(xié)作調(diào)度沒(méi)有考慮波束功率的協(xié)作控制，預(yù)計(jì)引入波束功率協(xié)作控制后，波束協(xié)作調(diào)度可彌補(bǔ)軟頻率復(fù)用的缺陷。更為重要的是，波束協(xié)作調(diào)度與其他干擾抑制技術(shù)可以同時(shí)使用。修改后的軟頻率復(fù)用方案進(jìn)一步提升了小區(qū)邊緣用戶的信息吞吐量，基本思路是通過(guò)引入資源使用優(yōu)先級(jí)的概念調(diào)整軟頻率復(fù)用的資源使用規(guī)則，同時(shí)結(jié)合基于用戶位置的功率調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的干擾協(xié)調(diào)效果。目前通常采用兩種新的方法進(jìn)行消除干擾，即基于干擾檢測(cè)/刪除和多天線的空間抑制法的干擾消除方法。沿用CDMA系統(tǒng)成熟的加擾技術(shù)，比較簡(jiǎn)單可行，但面對(duì)的問(wèn)題是將干擾視為白噪聲處理，可能會(huì)造成由于統(tǒng)計(jì)特性的不同會(huì)帶來(lái)的測(cè)量誤差。對(duì)LTE系統(tǒng)的干擾抑制的幾種方案進(jìn)行比較后，可以看到，可以顯著改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能的技術(shù)是干擾隨機(jī)化繼續(xù)干擾刪除技術(shù)，可以獲得較高的頻譜效率，但對(duì)“VoIP”等此類(lèi)業(yè)務(wù)則不太適用，在“OFDMA”系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，后來(lái)對(duì)它的研究并不多。目前研究的一項(xiàng)熱門(mén)技術(shù)是干擾協(xié)調(diào)/避免，其實(shí)現(xiàn)程度較為簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于各種帶寬的業(yè)務(wù)需求，并且對(duì)于干擾抑制有很好的效果，適合于“OFDMA”這種特定的接入方式，在提高小區(qū)邊緣用戶信息傳輸性能的同時(shí)損失了小區(qū)整體吞吐量。以上3種小區(qū)間的干擾抑制方法可以相互結(jié)合、優(yōu)劣互補(bǔ)，以獲得更高的系統(tǒng)增益。

五、結(jié)語(yǔ)

LTE系統(tǒng)（3G長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）對(duì)傳輸頻譜效率的要求很高，由此帶來(lái)的小區(qū)間干擾問(wèn)題是影響系統(tǒng)性能的重要因素。干擾消除、干擾協(xié)調(diào)/避免和干擾隨機(jī)化作為三種有效的小區(qū)間干擾抑制方案，會(huì)在很大程度上提高3GLTE系統(tǒng)的應(yīng)用性能，特別是提高小區(qū)邊緣用戶的信息傳輸性能。

作者簡(jiǎn)介：

張臻（1976—），男，漢族，福建省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，高級(jí)工程師，從事無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)。