LTE-A中繼系統(tǒng)基于OFDMA的干擾解決算法*

趙季紅， 孫 彬， 曲 樺

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061;2.西安交通大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710049)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，為了滿(mǎn)足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)縫覆蓋及高速率傳輸?shù)囊螅?GPP LTE-A通過(guò)引入無(wú)線(xiàn)中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)的無(wú)縫覆蓋，提高小區(qū)邊緣用戶(hù)的吞吐量[1]，3GPP TR36.814和 IEEE802.16j給出了中繼的標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。由于中繼的引入，雖然擴(kuò)大了基站的覆蓋范圍，提升了系統(tǒng)的容量，但是給系統(tǒng)帶來(lái)了新的干擾源，這就需要重新安排資源來(lái)實(shí)現(xiàn)基站與中繼間的頻率資源分配。

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)正交頻分多址技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，是將不同用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息承載在正交的子載波上，以實(shí)現(xiàn)小區(qū)間不同用戶(hù)之間占用不同的資源塊來(lái)降低干擾，是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。OFDMA技術(shù)作為3GPP LTE系統(tǒng)解決多徑衰落和頻率利用率的標(biāo)準(zhǔn)，也逐漸應(yīng)用到LTE-A系統(tǒng)中作為解決小區(qū)間干擾的重要技術(shù)指標(biāo)之一。為了解決LTE-A系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，LTE-A系統(tǒng)還引入了定向天線(xiàn)技術(shù)來(lái)使用戶(hù)獲得更好的信干噪比。

對(duì)于傳統(tǒng)的LTE-A系統(tǒng),中繼均勻分布在小區(qū)半徑2/3處，基站和中繼都采用全向天線(xiàn)[4]。位于基站覆蓋范圍內(nèi)的用戶(hù)可以直接與基站進(jìn)行通信，稱(chēng)其為一跳用戶(hù)(即基站用戶(hù))；位于小區(qū)邊緣的用戶(hù)可以通過(guò)中繼和基站進(jìn)行通信，稱(chēng)其為兩跳用戶(hù)(即中繼用戶(hù)),以達(dá)到擴(kuò)展小區(qū)覆蓋范圍的目的。然而由于中繼的引入，LTE-A系統(tǒng)出現(xiàn)基站到用戶(hù)和基站到中繼再到用戶(hù)兩種通信方式，破壞了原有小區(qū)內(nèi)OFDMA資源正交的特性，因此小區(qū)內(nèi)存在三種干擾類(lèi)型：基站對(duì)中繼服務(wù)用戶(hù)的干擾；中繼對(duì)基站服務(wù)用戶(hù)的干擾；中繼對(duì)相鄰中繼服務(wù)用戶(hù)的干擾[5]。

如何降低LTE-A中繼系統(tǒng)小區(qū)間的干擾成為研究的重點(diǎn)。鑒于此，參考文獻(xiàn)[6]中引入頻率復(fù)用單元FPU(Frequency Planning Unit)的概念，提出了兩種頻率劃分方案，頻率復(fù)用單元為1的FPU-1(Frequency Planning U-nit-1)算法和頻率復(fù)用單元為7的FPU-7(Frequency Planning Unit-7)算法，兩種算法的主要思想都是將蜂窩系統(tǒng)的OFDM頻率劃分成不同的正交子載波集分別分配給基站的頻率資源和中繼的頻率資源。相對(duì)比于傳統(tǒng)的LTE-A中繼系統(tǒng)而言，兩種固定中繼頻率劃分方案不僅有效地降低了小區(qū)間的干擾，而且使邊緣用戶(hù)得到了很好的服務(wù)。然而，F(xiàn)PU-1和FPU-7兩種頻率劃分算法在最大限度地降低小區(qū)干擾問(wèn)題方面還有很大的空間，一方面存在著基站用戶(hù)的干擾還比較大，另一方面中繼用戶(hù)的干擾有比較大的不足。基于以上分析，結(jié)合OFDMA技術(shù)將不同用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息承載在正交子載波上進(jìn)行通信來(lái)避免干擾的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合參考文獻(xiàn)[6]提出的通過(guò)給基站的頻率資源和中繼的頻率資源分配不同的正交子載波集來(lái)降低小區(qū)間干擾的方法，提出了基于層二中繼的LTE-A中繼系統(tǒng)和OFDMA干擾解決算法[7]。本算法與FPU-1和FPU-7不同在于，對(duì)于基站而言，基站使用定向天線(xiàn)，同時(shí)不同的基站扇區(qū)使用正交的頻率資源來(lái)降低基站用戶(hù)的干擾；對(duì)于中繼而言，使用60°定向天線(xiàn)，將中繼劃分為6個(gè)扇區(qū)，不同的扇區(qū)使用正交的頻率資源來(lái)降低相鄰中繼用戶(hù)的干擾。本算法不僅擴(kuò)大了小區(qū)的覆蓋范圍，降低了小區(qū)間的干擾，提高了系統(tǒng)的吞吐量，同時(shí)提升了小區(qū)的服務(wù)質(zhì)量。

1 LTE-A中繼系統(tǒng)基于OFDMA的干擾解決算法

本文提出的LTE-A中繼系統(tǒng)基于OFDMA的干擾解決算法，利用OFDMA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即將不同的用戶(hù)數(shù)據(jù)信息承載在正交的子載波集上進(jìn)行通信，可以有效地降低干擾，為基站的頻率資源和中繼的頻率資源分配正交的子載波集來(lái)降低由于引入中繼后產(chǎn)生的同頻道干擾，同時(shí)每個(gè)小區(qū)都使用所有的頻率資源，使得小區(qū)內(nèi)的資源可以得到充分的利用。

1.1 算法系統(tǒng)場(chǎng)景圖

本文提出的具體場(chǎng)景部署方式如圖1所示，具體包括：每個(gè)小區(qū)部署6個(gè)中繼，中繼部署在相鄰3個(gè)小區(qū)交界處，供3個(gè)小區(qū)共同使用?；尽⒅欣^分別使用120°、60°定向天線(xiàn)?？紤]到 LTE-A系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)資源是以物理資源塊為單位進(jìn)行分配的[8]，同時(shí)本文采用的正交頻率劃分算法將不采用之前LTE系統(tǒng)中的整段式頻率劃分方法，而是采用分布式的劃分方法。

本文提出的算法同樣基于頻率復(fù)用單元FPU(Frequency Planning Unit)的概念，將系統(tǒng)頻率劃分為15部分，將其中的3部分頻率分配給基站頻率資源，其他的12部分頻率分配給中繼的頻率資源，頻率復(fù)用單元為15，本文定義該算法為BFPU-15(Best Frequency Planning Unit-15)。

圖1 系統(tǒng)場(chǎng)景圖

1.2 BFPU-15劃分方法

圖2 BFPU-15

BFPU-15算法中基站使用120°定向天線(xiàn)，將基站的覆蓋范圍劃分成3個(gè)扇區(qū)，基站覆蓋區(qū)域?yàn)樯罨疑珔^(qū)域，中繼使用60°定向天線(xiàn)，將中繼的覆蓋范圍劃分成6個(gè)扇區(qū)，中繼覆蓋區(qū)域?yàn)闇\灰色區(qū)域。具體的劃分方法如圖2所示，先把整段頻率分成兩部分，一部分為主子載波，主子載波為淺灰色，另一部分為輔子載波，輔子載波為深灰色；再將主子載波分成12部分，主要提供給中繼覆蓋范圍內(nèi)的某個(gè)扇區(qū)用戶(hù)使用，各部分占用的頻率均正交, 按照 F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12的順序依次劃分，保證相鄰小區(qū)中繼站扇區(qū)使用的頻率正交。將頻率標(biāo)號(hào)為F1的資源塊分配到中繼覆蓋范圍的1號(hào)區(qū)域使用；將頻率標(biāo)號(hào)為F2的資源塊分配到中繼覆蓋范圍的2號(hào)區(qū)域使用；將頻率標(biāo)號(hào)為F3的資源塊分配到中繼覆蓋范圍的3號(hào)區(qū)域使用；以此類(lèi)推， 將頻率標(biāo)號(hào)為 F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12的資源塊依次分配到中繼覆蓋范圍的 4、5、6、7、8、9、10、11、12號(hào)區(qū)域,其他各個(gè)小區(qū)中中繼站扇區(qū)使用的頻率依照上面給出的頻率劃分方法依次進(jìn)行分配；將輔子載波分成3部分，主要提供給基站覆蓋范圍內(nèi)的3個(gè)不同扇區(qū)的用戶(hù)使用，同時(shí)各部分占用的頻率正交，按照F13、F14、F15的順序依次劃分。將頻率標(biāo)號(hào)為F13的資源塊分配到基站覆蓋范圍的1號(hào)扇區(qū)使用；將頻率標(biāo)號(hào)為F14的資源塊分配到基站覆蓋范圍的2號(hào)扇區(qū)使用；將頻率標(biāo)號(hào)為F14的資源塊分配到基站覆蓋范圍的3號(hào)扇區(qū)使用。其他各個(gè)小區(qū)基站的各個(gè)扇區(qū)使用的頻率依照上面給出的頻率劃分方法依次進(jìn)行分配。

1.3 干擾分析

(1)一跳用戶(hù)的信干噪比計(jì)算

對(duì)于FPU-1、FPU-7和 BFPU-15三種算法，假設(shè)用戶(hù)m從所在的小區(qū)接收到的信號(hào)功率為：

其中,PB是基站的發(fā)送功率，GB是基站的天線(xiàn)增益，PL1是基站到用戶(hù)的路徑損耗。

用戶(hù)m接收到的干擾信號(hào)功率來(lái)自周?chē)褂猛l段的基站，接收到的每一個(gè)干擾信號(hào)功率為：

其中，PB是干擾基站的發(fā)送功率，GB是干擾基站的天線(xiàn)增益，PL2是干擾基站到用戶(hù)的路徑損耗，PL2的值是一個(gè)不固定的值，隨著干擾基站和用戶(hù)位置的變化而變化。

因此，一跳用戶(hù)的信干噪比SINR為：

其中j為用戶(hù)所受到的干擾源的數(shù)量。

(2)兩跳用戶(hù)的信干噪比計(jì)算

對(duì)于三種算法FPU-1、FPU-7、BFPU-15，假設(shè)用戶(hù)m從所在中繼接收到的信號(hào)功率為：

其中,PR為中繼的發(fā)送功率，GR為中繼的天線(xiàn)增益，PL3是中繼到用戶(hù)的路徑損耗。

用戶(hù)m接收到的干擾信號(hào)功率來(lái)自周?chē)褂猛l段的基站或者是使用同頻段的中繼，接收的每一個(gè)同頻段基站干擾信號(hào)功率和同頻段中繼干擾信號(hào)功率分別為：

其中,PB是干擾基站的發(fā)送功率，GB是干擾基站的天線(xiàn)增益，PL2是干擾基站到用戶(hù)的路徑損耗，PR是干擾中繼的發(fā)送功率，GR是干擾中繼的天線(xiàn)增益，PL4是干擾中繼到用戶(hù)的路徑損耗，PL2和PL4的值都是一個(gè)不固定的值，隨著干擾基站和干擾中繼與用戶(hù)位置的變化而變化。

因此，兩跳用戶(hù)的信干噪比SINR為：

其中，n和k分別為所受到的基站干擾源和中繼干擾源的數(shù)量。

1.4 系統(tǒng)吞吐量的計(jì)算

系統(tǒng)吞吐量的計(jì)算公式來(lái)源于參考文獻(xiàn)[9]：

根據(jù)用戶(hù)的SINR值，系統(tǒng)的吞吐量的計(jì)算：

其中，N為用戶(hù)數(shù)目，B1為每個(gè)用戶(hù)的帶寬，Bu為帶寬有效因子。SINRU為信干噪比有效因子。

2 仿真及結(jié)果分析

2.1 仿真模型及參數(shù)

主要對(duì)BFPU-15算法和參考文獻(xiàn)[6]中提到FPU-1算法和FPU-7算法進(jìn)行了仿真對(duì)比，仿真包括一跳用戶(hù)(即基站用戶(hù))的信干噪比、兩跳用戶(hù)(即中繼用戶(hù))的信干噪比和系統(tǒng)吞吐量三部分，仿真是針對(duì)LTE-A系統(tǒng)的下行通信進(jìn)行的。仿真中使用19個(gè)小區(qū)結(jié)構(gòu)，使用的頻帶帶寬為10 MHz，總的資源塊有55個(gè)，仿真過(guò)程中基站的覆蓋范圍為0.4r，中繼的覆蓋范圍為0.1r,r為小區(qū)的半徑0.5 km，其中將35個(gè)資源塊分給F13-F15使用，三段頻段動(dòng)態(tài)地使用分配給的資源塊；將剩下的20個(gè)資源塊分配給F1-F12使用，12段頻段動(dòng)態(tài)地使用分配給的資源塊。載頻是2 GHz，具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真中使用的參數(shù)

2.2 信干噪比仿真分析

圖3和圖4分別顯示了基站用戶(hù)(即一跳用戶(hù))和中繼用戶(hù)(即兩跳用戶(hù))的信干噪比對(duì)比圖。由圖3可以看出，對(duì)于基站用戶(hù)而言，BFPU-15算法和傳統(tǒng)的FPU-7算法的信干噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的FPU-1算法；將BFPU-15算法與傳統(tǒng)的FPU-7算法進(jìn)行比較可以看出，當(dāng)用戶(hù)到基站的距離小于200 m時(shí)，傳統(tǒng)的FPU-7方算法要略?xún)?yōu)于BFPU-15算法，當(dāng)用戶(hù)距離基站的距離大于200 m時(shí)，BFPU-15算法要優(yōu)于傳統(tǒng)的FPU-7算法。由圖4可以看出，對(duì)于中繼用戶(hù)而言，BFPU-15算法要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的FPU-1算法和FPU-7算法。

圖3 基站用戶(hù)的信干噪比對(duì)比圖

圖4 中繼用戶(hù)的信干噪比對(duì)比圖

2.3 系統(tǒng)吞吐量仿真分析

圖5顯示了系統(tǒng)吞吐量的比較圖。由圖可以看出，BFPU-15算法的系統(tǒng)吞吐量明顯好于傳統(tǒng)的FPU-1算法和FPU-7算法的系統(tǒng)吞吐量。因此，BFPU-15算法雖然在基站用戶(hù)信干噪比上略好于傳統(tǒng)方法，但是在中繼用戶(hù)信干噪比方面和系統(tǒng)吞吐量方面好于傳統(tǒng)的中繼場(chǎng)景下使用的頻率劃分方案。

本文提出了一種LTE-A中繼系統(tǒng)基于OFDMA的干擾解決算法，該算法主要利用OFDMA技術(shù)將不同用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息承載在正交的子載波上進(jìn)行通信來(lái)避免干擾的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合定向天線(xiàn)的抗干擾性能，以達(dá)到用戶(hù)對(duì)高質(zhì)量通信服務(wù)的要求。通過(guò)進(jìn)一步仿真得知,該算法較傳統(tǒng)的算法更好地提高了用戶(hù)的信干噪比，尤其明顯地降低了小區(qū)間的干擾，提高了系統(tǒng)的吞吐量。

圖5 系統(tǒng)吞吐量對(duì)比圖

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