LTE系统小区间干扰协调技术研究.pdf

-1- LTE系统小区间干扰协调技术研究1 张楠 北京邮电大学电子工程学院，北京 (100876) 摘 要：在 LTE 系统中，小区间的干扰成为系统主要的干扰源，如何提高频谱利用率并且 抑制小区间干扰成为了 LTE 系统的研究热点。本文介绍了主流的几种干扰协调方案，研究 了其实现原理，分析了它们的优缺点以及存在的问题。之后介绍了干扰协调技术中涉及的一 个关键问题——小区边缘用户和小区中心用户的划分方式。对干扰协调技术的未来研究方向 进行了一些讨论。 关键词：LTE，小区间干扰，干扰协调，软频率复用，RSRP 中图分类号： 1. 引言 在 LTE系统中，频谱利用率和业务 QoS保证是无线接入系统的两个重要指标[1]。为了 达到较高的频用利用率，规划网络的时候一般将频率复用因子设置为 1，即各小区之间使用 相同的频率。同时也要满足业务QoS要求，特别是小区边缘用户的QoS。LTE系统采用OFDM 技术，其不同于 CDMA系统，理论上小区内用户使用正交的子载波进行传输，不存在小区 内部的干扰，而小区间干扰成为 LTE 系统的主要干扰[2]。为了达到较高的频谱利用率，通 常使小区的频率复用因子设为 1，此时会导致较强的小区间干扰（ICI），特别是小区边缘 的用户将受到更大的干扰，严重影响小区边缘用户的 QoS。 为了降低 LTE系统小区间干扰，在 LTE的早期研究中，考虑了多种的小区间干扰抑制 技术，主要有：小区间干扰随机化；小区间干扰消除；小区间干扰协调/回避技术。另外在 基站采用波束赋形天线技术也可以看做是一种下行干扰抑制技术。干扰协调技术(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC）具有使用灵活，实现简单，效果良好（小区边缘用户吞吐量 提高 2~3倍），成为小区间干扰抑制技术的主流技术，因此本文以小区间干扰协调技术为研 究重点。本文第 2部分主要介绍小区间干扰协调技术的研究现状以及存在的问题。第 3部分 介绍小区边缘用户和小区中心用户的划分方法。第 4部分对全文做了总结并对未来的研究方 向提出一些建议。 2. 小区间干扰协调技术 小区间干扰协调技术（ICIC）的基本原理是在小区间通过协调使用无线资源，避免产生 严重的小区间干扰，提高这些资源上的 SNR，小区边缘用户的数据率和覆盖。理论上这些 无线资源可以是频率，功率也可以是时隙。在 LTE 系统中，对频率进行限制，即避免使用 可能造成对其他小区干扰的子载波，可以被看做是一种“软频率复用”；对子载波的功率进 行限制，即控制可能造成干扰的子载波的发射功率以避免造成对其他小区的干扰，可以看作 是“部分功率控制”；在时隙上对无线资源进行限制，即在不同的时隙内使用资源，避免小 区间的干扰。但在实际系统中，基于时隙的小区间干扰协调技术要求基站间严格同步，所以 在 LTE 中难以实现。所以，LTE 系统 ICIC 方案通常是对频率和功率进行限制，以达到抑 制小区间干扰的目的。 1本课题得到国家自然科学基金项目（60672131）资助 中国科技论文在线 -2- 根据资源分配的方式，小区间干扰协调技术可以分为静态干扰协调、半静态干扰协调、 动态干扰协调。各个小区完全按照预先定义的规则使用无线资源的方案为静态干扰协调。根 据小区以及用户的不同情况，在预定义的使用规则基础上做调整以满足系统的要求的方案为 半静态干扰协调。没有预定义的方案，只根据实际情况完成小区间干扰协调的方案为动态干 扰协调。 静态干扰协调技术 最为典型的静态小区间干扰协调方案是华为、爱立信等公司提出的软频率复用方案[3][4] （如图 1,图 2所示）。在该方案中，小区中心可以占用全部的频段（相应频带上的 eNodeB 发射功率较小）；小区边缘用户（相应频带上的 eNodeB发射功率较大）只使用整个频带的 三分之一。小区 1的边缘用户只使用绿色频率，小区 2、4、6边缘用户只使用蓝色的频率， 小区 3、5、7的边缘用户只使用红色的频率。绿色、蓝色、红色频率相互正交，所以可以避 免了各小区边缘之间的小区间干扰，因此使用该方案可以显著降低小区间干扰。这样就相当 于小区中心采用复用为 1的频率复用，而小区边缘采用复用为 3的频率复用。 该方案简单明了，信令开销小，效果较好。但该方案有两个明显的缺点。一是小区边缘 频率利用率不高，通常只有 1/3可用。二是不合适用户分布不均匀的情况，不能随负载情况 的变化而变化。 图 1 频率分配方案 图 2 功率分配方案 中国科技论文在线 -3- 另一种较为典型的软频率复用方案，则是基于边缘细分的阿尔卡特方案[5]（如图3所示）。 该方案将小区分为 7部分：小区中心部分和细分后的边缘六部分；与之对应，小区可用频段 也被分为 7组，但在 7个频率分组中有一组频率为限制使用频率。小区中心部分用户可使用 全部频率，但对于限制频率只在没有其他频率可用时使用，且必须降功率使用，以避免对相 邻小区边缘造成干扰。而小区边缘六部分则分别对应六组非限制频率。该方案的核心是对小 区边缘进行了细分, 这使得在确保小区间干扰减少的前提下, 小区边缘可用频率大为提高， 从华为爱立信方案的边缘频带利用率 1/3 提高到 6/7。 Target cell Node-B 2 _ 1 _ 8 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6 _ 7 _ 9 _ 1 5 1 11 1 1 6 2 7 3 4 T1 图 3 阿尔卡特方案 半动态干扰协调技术 在实际的系统中，小区内部用户的分布和负载通常是变化的，如果采用静态的方案，有 可能出现在小区内部某些区域内用户密集得不到足够资源 ，有的区域却存在较多剩余资源的 情况发生，给系统性能带来损失。在 3GPP的提案中，半静态的提案因其自身的优点占据了 较大的比例，是各个公司和标准化组织研究的重点。 Siemens 方案[6]在华为方案的基础上提出了半动态干扰协调方案，拓扑图与图 1 相似， 不同在于中心用户和边缘用户能够使用的子载波数量上。此方案将整个频带划分为 N 个子 频带，其中 X 个用于小区边缘，那么将有 N-3X 个用于小区中心。小区边缘所使用的 X 个 子频带，要求与相邻小区使用 X 个子频带保持正交，从而避免产生干扰。X 的数目根据边 缘用户的数量或是负载而变化。通过调整 X，可以实现不同的软频率复用，当 X增加 1时， 小区中心用户子频带减少 3X。 与华为方案相比，该方案更灵活，对负载变化不敏感，缺点是对频谱资源利用率不高， 只有当相邻小区边缘具有相同的负载时，共同改变 X 的数目才会带来最大的利用率，如果 紧一个小区边缘负载很大，分 X分配较多的资源，对于分配了相同 X的其他小区边缘来说 存在大量的资源浪费，同时小区中心用户可用资源较少。 动态干扰协调方案 目前动态干扰协调方案主要集中在利用 X2接口传输基站之间的信息，通过高干扰指示 （HII）和过载指示（OI）信息实现小区间干扰抑制[7]。 一个 eNodeB 在将一个 PRB 分配给一个小区边缘用户时，由于预测到这个用户可能干 扰相邻小区（因其将使用较大功率发射），同时也容易受到相邻小区 UE的干扰（因距离小 中国科技论文在线 -4- 区边缘较近），便通过 HII将这个敏感 PRB通报给相邻小区。eNodeB可以通过 UE切换过 程中正常测量的参考信号接收功率（RSRP）值来判断该 UE 是否处于小区边缘，当然也可 以通过进一步测量使这种判断更为精确。相邻小区 eNodeB收到 HII后，就应该避免将自己 的小区边缘 UE也调度到这个 PRB上，或尽量减小对这个 PRB的干扰。当 eNodeB监测到 某个 PRB 已经收到上行干扰时，向干扰小区发出 OI，指示该 PRB 已经受到干扰。相邻小 区就可以通过上行功率抑制干扰。 3．边缘用户与中心用户的划分 在以上所研究的多种 ICIC方案中，都提到了边缘用户和中心用户。中心用户和边缘用 户分配不同的频率资源，不同类型的用户的发射功率也是不同的，所以用户的类型的准确判 断，成为用户分配频率资源和功率的依据，如果判断错误，使用了不合适的频率资源或是功 率，就有可能对其他小区小区产生较大的干扰。因此，小区边缘中心以及小区中心用户的划 分非常重要。在 3GPP 的 LTE 讨论中，确定使用 RSRP 来确定小区边缘用户和小区中心用 户。 RSRP 为下行参考信号接收功率，通过 UE 接收到的下行导频信号强度判断用户是属于 小区边缘用户还是小区中心用户。RSRP也用作切换的触发信号，为了避免过多的切换报告， 避免过多用户在 ICIC时被判定为小区边缘用户而进行资源分配，因此 RSRP对切换和 ICIC 采用了不同的触发报告门限。Ericsson提出切换触发切换报告的门限为 0db,ICIC触发报告门 限为 6db(保证 65%的用户被划分为边缘用户)[8]。此时，65%的用户需要报告 RSRP，考虑到 UE的功耗、信令的开销以及信道的时变性，ZTE提出了用两个门限判断 RSRP的触发方式 [9]，来划分小区边缘用户还是小区中心用户，如图 4所示， 图 4 双门限 RSRP触发机制 UE 的初始位置由 RSRP 确定，当 RSRP<TH1 时，用户被确定为小区中心用户，当 RSRP>TH2 时，用户被确定为小区边缘用户。当一个中心用户从小区中心向边缘移动时， RSRP将变小，在 A时刻，尽管 RSRP低于 TH2，在 B，C时刻，RSRP信号发生波动，但 是RSRP信号始终未小于 TH1，因此用户不需要触发RSRP报告。在D时刻，此时RSRP<TH1, 用户触发 RSRP报告，并且将该中心用户更改为边缘用户，为其分配新的资源。作为边缘用 户，只要 RSRP不大于 TH2，就不触发 RSRP报告。通过此种方法可以有效的减少 RSRP报 告触发次数，从而节约 UE功耗，节省信令开销。 此外，在某些仿真中为了简化计算，对边缘用户和中心的划分采用了简化的方式，当小 区半径为 R，设小区中心区域半径为 [10]。 TH1 TH2 C/(I+N) TimeA FECB D 中国科技论文在线 -5- 4．总结 本文介绍了 LTE 系统小区间干扰协调技术的主流的几种方案，分析了它们的优缺点和 存在的问题。可以发现小区边缘频谱利用低、不能适应于负载的变化是现有 ICIC存在的最 主要的问题，例如：在华为方案中，小区边缘的频谱利用率为 1/3,采用静态的方式不能够适 应于负载的变化；在 Siemens方案中，虽然能够根据负载的变化调整子频带的划分，但是具 有很大的局限性，即只有当相邻小区边缘具有相同的负载时才能够通过调整 X 的数目的方 式来适应负载的变化，否则有可能导致更低小区边缘频谱利用率。此为，Siemens方案小区 边缘频谱利用率更低，其值小于 1/3;在 Alcatel 方案中，虽然小区边缘整体频谱利用率最高 可以达到 6/7, 但是对于某个具体子区域，频谱利用率仅为 1/7,限制了子区域的最大负载,当 小区内的负载不均匀分布时，某些子区域资源将不足，而有些子区域有可能剩余，小区边缘 整体频谱利用率也难以到达 6/7。基于 HII和 OI的动态协调方案，需要在基站之间发送大量 的信令信息，如何高效的发送 HII和 OI信息是今后的主要研究方向。 因此，在以后的 ICIC研究中，提高小区边缘频谱利用率和适应小区负载变化成为主要 的研究方向。用户位置的准确确定，特别是在划分子区域的 ICIC方案中，也具有重要的作 用，错误的判决将严重影响方案的性能。在动态协调方案的研究中，HII 和 OI 信息的发送 方式是重点研究内容，需要研究如何以最少的基站间信息交互而达到有效的基站间协同。 参考文献 [1] 3GPP TR . 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Keywords: LTE, Inter-Cell Interference, Frequency reuse，Interference Mitigation, RSRP 中国科技论文在线 LTE系统小区间干扰协调技术研究 引言 小区间干扰协调技术 静态干扰协调技术 半动态干扰协调技术 动态干扰协调方案