LTE系统的小区间干扰协调技术

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作者：北京邮电大学无线理论与技术中心 白炜 张欣 杨大成      LTE系统中采用频率复用方式对小区间的干扰进行协调，可以适用于各种带宽的业务，实现简单，并且对抑制小区间的干扰、改善小区边缘用户传输质量有很好的效果。
    LTE采用正交频分多址接入技术（OFDMA，orthogonalfrequencydividedmultiple access），OFDMA技术利用频率之间的正交性作为区分用户的方式，将用户的信息承载在相互正交的不同的载波上，可以有效对抗频率选择性衰落。另外，由于小区内用户使用的频率相互正交，所有的干扰全部来自于其他小区，这样也可以大大提高小区中心用户的信号干扰噪声比（SINR），从而可以提供更高的数据速率和更好的服务质量。而对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其SINR相对就较小，导致虽然整个小区的吞吐量较高、但小区边缘用户服务质量较差、吞吐量较低的情况。

    为了解决这个LTE系统在小区边缘干扰严重的问题，3GPP提出了多种解决方案，包括干扰随机化、干扰删除以及干扰协调技术。其中干扰随机化利用干扰的统计特性对干扰进行抑制，误差较大。干扰删除技术可以显著改善小区边缘的系统性能，获得较高的频谱效率，但是对于带宽较小的业务（如VoIP）则不太适用，在OFDMA系统中实现也比较复杂，后续对它的研究不多。干扰协调/避免则是目前研究的一项热门技术，其实现简单，可以应用于各种带宽的业务，并且对于干扰抑制有很好的效果。
    LTE小区间干扰分析
    正交频分复用（OFDM）由于具有高频谱利用率，并且能够有效解决宽带无线通信中的码间干扰问题，已经被广泛接收为未来无线宽带通信的关键技术。LTE采用的以OFDMA为多址接入方式而构建的蜂窝移动通信网络中，可以做到频率复用因子为1,即整个系统覆盖范围内的所有小区使用相同的频带为本小区内的用户提供服务。在OFDM系统中,各子信道之间的正交性有严格的要求。虽然由于载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰,但是可以在物理层通过采用先进的无线信号处理算法使这种干扰降到最低。因此,LTE系统中的小区内干扰很小, 而影响系统性能的主要干扰来自小区间干扰。
    LTE的干扰协调技术
    为了解决LTE由于采用OFDMA而导致的小区边缘用户干扰严重的问题，各大公司纷纷提出了OFDMA的干扰协调/避免技术。LTE的系统的干扰协调技术的核心思想在于采用频率复用技术，它使得相邻小区之间的干扰信号源的距离尽可能远，从而抑制相邻小区的干扰，达到改善传输质量、提高吞吐量的效果。

    部分频率复用
    对于LTE系统而言，其采用的独特的OFDMA的接入方式，使得本小区内的用户之间互不干扰，而对于小区边缘的用户则收到来自于其他小区的比较强的干扰。部分频率复用的核心思想在于将处于小区中心和小区边缘的用户区别对待，对于小区中心的用户，由于其距离基站距离比较近，信道条件较好，且本身对其他小区的干扰不大，所以可以将其分配在频率复用因子为1的复用集上。而对于小区边缘的用户，其距离自身的服务基站距离较远，信道条件较差，但其对于其他小区处于相同频率的信号的干扰又较大，所以将其分配在频率复用因子为3的频率复用集上。
    软频率复用
    软频率复用继承了部分频率复用的优点，同时采用动态的频率复用因子，比较明显地提高了频率的利用效率。在软频率复用中，所有的频段被分成了两组子载波，一组称为主子载波，另外一组称为辅子载波。主子载波可以在小区的任何地方使用，而辅子载波则只能在小区中心被使用。不同小区之间的主子载波相互正交，在小区边缘有效地抑制了干扰，而辅子载波由于只在小区中心使用，相互之间干扰较小，则可以使用相同的频率。
    增强的软频率复用
    虽然软频率复用对于小区边缘干扰情况的抑制，以及子载波的灵活分配都已有了一定的考虑，但是其分配给不同小区的相互正交的主子载波仍然会带来一定程度的资源浪费，尤其是当小区边缘的业务量较大时，会带来小区之间的频率复用因子增高、频谱利用率下降等后果。增强的软频率复用方案继承了传统的软频率复用的思想，又在其基础上进行了改进，主要在于改进了在业务量变化时可能带来的资源浪费的问题。
    不同干扰协调/避免技术的比较
    前面提到的三种干扰协调/避免的技术均可以有效抑制小区边缘用户之间的同频干扰，并且具有简单、可行的优点。可以说，上述三种技术是采用频率复用方式进行小区间干扰抑制的不断发展与演进，部分频率复用最简单易操作，对子载波的使用限制严格，虽然对于干扰起到了很好的抑制却牺牲了灵活性和频谱效率。软频率复用可以适应不同的业务密度，在保证对干扰的控制的前提下，提高了频谱效率，但是却对基站调度器提出了更高的要求，要求基站调度器可以快速地对小区内的业务密度进行测量并计算当前合适的功率比。增强的软频率复用是软频率复用的改进模式，进一步提高频谱利用效率的同时更加增加了基站天线的复杂度以及调度器的计算量。可以说，部分频率复用、软频率复用，以及增强的软频率复用，依次是用基站的硬件处理复杂度换取了无线传输中的频谱效率。
    干扰协调/避免目前普遍采用了不同的频率复用的方式来进行，在小区边缘用户之间的同频干扰的抑制问题上起到了明显的效果。通过仿真可以看到，采用了不同的频率复用方案，处在小区边缘的用户的吞吐量都可以得到比较明显的提高，然而由于频率复用是对整个小区的频率进行了一定的限制，所以整个小区的吞吐量会有一定程度的下降。使用干扰协调/避免相当于是对整个系统的吞吐量和小区边缘用户吞吐量的一个折中，在大大改善了公平性的同时牺牲了小部分的整体性能。