范文一:LTE小区间干扰抑制技术
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4.10 LTE的小区间干扰抑制技术
传统的蜂窝移动通信技术在小区中心和小区边缘有着差距很大的数据率。以UMTS为例,小区中心的数据率和小区边缘的数据率,影响了系统的覆盖范围和容量,同时小区边缘的用户体验质量亟待提高。
LTE已经后LTE技术都把提高小区边缘数据速率作为一个重要的目标。
在第一代移动通信系统中,就存在了小区间频干扰的问题,于是第一代移动通信系统采用了频率规划,在不同的小区间复用频率来实现频率资源的有效利用。
一般来说,频率复用指数有几个固定的选择,比如传统的三扇区小区划分用的就是频率复用指数因子为3。除此之外,频率复用因子还有1、7等。
当复用因子为1的时候,则网内的所有小区用的频率都是一样的,随之而来的是严重的小区间干扰。
选择较大的复用因子造成的负面影响是频谱效率变小,比如复用因子为3的时候,频谱效率是1/3,复用因子为7的时候,频谱效率是1/7,依此类推。
类比:
说不同语言的互相之间不打扰,
由于3.9G、4G对频谱效率要求很高,因此LTE和LTE-Advanced都希望频谱效率接近1是最好的。
与3G相比,LTE和LTE-Advanced的小区内干扰得到了很好的解决,但是小区间干扰却非常的严重。
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如何解决这个难题,这就需要本章学习的干扰抑制技术来解决。
4.10.1 干扰抑制候选技术
在LTE的干扰抑制技术中,有三种主要的候选技术。
(1)干扰随机化
(2)干扰消除
(3)干扰协调/回避
(4)波束赋形
值得一提的是第四种干扰抑制技术——下行波束赋形也被认为是一种下行干扰抑制技术。
如图所示,扇区天线和波束赋形的天线的区别。
注意:上述四个技术可以相互配合使用。
1.小区间干扰随机化
干扰随机化就是使干扰信号随机化,这种方法虽然不能降低干扰信号的能量,但是能干扰信号接近白噪声。然后用处理白噪声的方法在UE处理。
可鞥的干扰随机化方法:
(1)小区特定的加扰
对各小区的信号在信道编码和信道交织后采用不同的伪随机扰码进行加扰,以获得干扰白噪声化的效果。
(2)小区特定的交织
这种交织叫做多址交织——IDMA,就是对各个小区的信号进行信道编码后采用不同德交织图案进行信道交织,以期获得干扰白噪声化的效果。
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从性能上来说,加扰和交织的效果很类似。
(3)小区特定的跳频
。。。。
交织多址方法中,交织图案与cell ID绑定,小区搜索过程中确定小区ID,就可以确定交织图案。
注意:离得比较远的小区可以用相同的交织图案~因为相距较远小区之间几乎不存在干扰。
LTE最终采用的小区扰码来进行干扰随机化的,504个小区ID对应于504个扰码。
2.小区间干扰消除
干扰消除就是对干扰信号进行某种程度的解调或者解码。然后利用接收机的处理增益,从接受信号中消除干扰信号分量。
两种干扰消除方法:
(1)基于多天线终端的空间干扰抑制技术
又称为干扰抑制合并接受(IRC)技术,仅需要空分手段。。效果不好说
(2)基于干扰重构的干扰消除技术
基于IDMA的迭代干扰消除技术。
LTE最终采用的是不需要标准化的IRC接受的干扰消除技术。并未采用更加先进的干扰消除技术。
2.小区间干扰协调
限制资源调度、限制发射功率。
(1)软频率复用(soft frequency reuse)
与传统频率复用对比,软频率复用又叫“分数频率复用(Fractional Frequency Reuse)”。
小区中心频率复用因子为1,小区边缘复用因子为3,整个小区的副复用因子介于1和3之间。通常是个分数,所以叫分数频率复用,也叫软频率复用。
(2)部分功率控制
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(3)干扰协调的测量和上报频率
1) 采用已有的CQI上报机制(用于频域调度与链路自适应)
2) UE测量,向本小区和相邻小区上报平均路损(包括阴影效应),上报周期100ms。
3) 除了测量、上报平均路损外,还要测量、上报平均干扰情况。上报周期100毫秒。
根据小区间干扰协调信息交互频率,将干扰协调分为
4) 静态干扰协调,资源分配限制的配置与重配周期为数天。
5) 半静态干扰协调,资源分配限制的配置与重配周期为数秒或者更长。信息交互可
能包括负载分布、干扰分布等等。
由于LTE下行没有功控,上行有功控,因此UE得发射功率与UE在小区中的位置有关,因此效果比较明显。
小区间主要交互的信息包括:流量负载指示/高干扰指示(HII)、过载指示(OI)。
HII用来指示小区当前的负载量以及哪些最容易受到干扰的“敏感用户”(小区边缘用户)使用的资源情况(即:使用了那些频带资源)。
eNB将本小区的HII传送给相邻小区,相邻小区根据这些信息避免将这些资源分给他的边缘用户,以避免相邻小区在边缘使用相同的资源(频带)而引发小区间干扰。
过载指示(OI)用来指示本小区在某些频带受到严重干扰(可以看做是在这些频带上的负载过度)的时候,将这些情况传递给相邻小区,建议相邻小区降低在这些频带的发射功率(通过功控),从而减轻小区的干扰。
4.10.2 基于HII和OI的上行ICIC技术
3GPP决定在上行使用基于高干扰指示和过载指示的干扰协调技术。
范文二:LTE小区间干扰抑制技术分析
专题 :CDMA 发展与演进
1引言
3G LTE (longterm evolution) 提出的初衷是为了弥补
3G 和 4G 之间的巨大性能落差 , 由 3GPP 组织技术论证 [1]。
从 2004年 12月开始可行性论证到 2008年 12月标准冻结 发布 3GPP Release 8, LTE 系统在经过严谨的技术论证后 , 已不能简单地看成是 3G 系统的演进 , 更像是一个全新的 通信系统 。 LTE 系统的设计框架与 3G 系统有着本质区别 ,
LTE 系统采用更灵活的频率复用策略 , 任何一个小区都有可能使用所有的频谱资源 , 因此小区间的
干扰不可避免 。 本文从干扰协调和干扰消除两方面介绍了 LTE 小区间干扰抑制的最新研究成果 , 对学术界及 3GPP 标准提案中的主流算法进行了综合评述 。 最后 , 结合 LTE 标准的演进 , 分析了
LTE 系统小区间干扰抑制技术的发展趋势 。
关键词
小区间干扰 ; 干扰抑制 ; 协作调度
LTE 小区间干扰抑制技术分析
陈晓冬 , 熊尚坤 , 王庆扬
(中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630)
摘 要
专题 :CDMA
发展与演进
加对等 、 更加可信 ” 的精神 , 运营商需要积极去面对这种转 变 , IPv6不仅解决了地址匮乏问题 , 还对新业务的开发具 有促进作用 , 对运营管理和商务模式都将带来影响 。 另外 ,
IPv6的发展并不一定会导致 IPv4消失 , 如何在发展 IPv6
网络的同时充分经营好现有的 IPv4网络 , 是值得运营商 深入思考的问题 。
Evolution Strategy of Supporting IPv6in
cdma2000Mobile Network
Zhang Linfeng, Zhang Lan, Li Mingxue
(Guangdong Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China )
Abstract This paper introduces key technologies of IPv6evolution, discusses the strategy of how to support IPv6in cdma2000mobile network from different part, including radio network, core network and service platform.
Key words cdma2000, IPv6, evolution
(收稿日期 :2010-04-26)
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电信科学 2010年第 5期
如 LTE 彻底抛弃码分多址 , 采用正交频分复用 (OFDM ) 作 为多址技术 。 同时 , LTE 采用全新的空中接口设计和全 IP 网络架构 。 LTE 的系统架构更接近人们对下一代移动通信 系统 的 展 望 , 被 当 做 移 动 通 信 系 统 未 来 演 进 的 基 础 , 如 3GPP 的 Release 9、 Release 10版 本 都 是 基 于 LTE 的 系 统 架构 。
在 传 输 速 率 方 面 , LTE 最 初 设 定 的 指 标 是 下 行 峰 值 速率 100Mbit/s, 上行 50Mbit/s。 最新 LTE 设备可以达到 下 行 300Mbit/s, 上 行 80Mbit/s。 LTE 的 演 进 版 本 : LTE -Advanced (3GPP Release 10) 提 出 的 指 标 是 下 行 峰 值 速率 1Gbit/s, 上行峰值速率 100Mbit/s。 可以 说 , LTE 使 得 移 动 通 信 系 统 首 次 具 有 与 有 线 接 入 相 同 数 量 级 的 传 输速率 , 对移动通信数据业务的开展具有重大意义 。 LTE 系 统如此高的传输速率首先有赖于无线通信技术的发展 , 采 用最新技术可以使得调制效率达到 10~20bit/(s ·Hz )。 其 次 , LTE 采 用 “ 全 频 率 复 用 ” 的 新 技 术 。 在 传 统 移 动 通 信 系 统 中 , 相 邻 小 区 采 用 不 同 频 段 以 抑 制 小 区 间 干 扰 。 在 LTE 系统中 , 为了实现高速率 , 用 户 有 可 能 使 用 所 有 频 谱 , 即 每 个 小 区 都 有 可 能 使 用 所 有 频 谱 资 源 , 这 种 方 式 称 为 “ 全 频 率 复 用 ”。 因 此 , LTE 、 LTE -Advanced 系 统 中 相 邻 小 区 可 能 存 在 重 叠 频 段 , 小 区 间 干 扰 抑 制 是 一 个 关 键 问 题 。 在 LTE 的 相 关 标 准 文 档 中 , 没 有 定 义 具 体 的 小 区 间 干 扰 抑 制 技 术 , 而 是 由 设 备 商 自 己 定 义 。 为 了 避 免 知 识 产 权 问 题 , 很 多 设 备 商 提 出 自 己 的 干 扰 抑 制 方 案 , 学 术 界 也 进 入 了 这 一 领 域 的 研 究 , 使 得 LTE 小 区 间 干 扰 抑 制 成 为 当 前 的 研 究 热 点 , 本 文 的 目 的 是 对 不 同 干 扰 抑 制 方 案 进 行 分 类 , 并 对 不 同 方 案 从 复 杂 度 、 实 用 性 等 方 面 进行综合评述 。
2基于软频率复用的小区间干扰协调
软频率复用的核心思想是把小区覆盖范围分为小 区 中心和小区边缘两种不重叠的区域 , 在小区边缘采用和传 统 2G 系统类似的频率复用策略以降低小区间干扰 , 在小 区中心采用全频率复用以提高速率 。 图 1给出了一种典型 的实现方案 [2~3], 小区中心用户可使用整个频谱 , 但使用较 小的功率以降低对邻近小区的干扰 。 由于其路径损耗较 小 , 所以降低功率并不影响其正常使用 。 对小区的边缘用 户 , 先将整个频带分成 3个互不重叠的子频段 , 一个小区 只使用一个子频段并且相邻小区使用不同的子频段 。 由于 相邻小区边缘用户使用互不重叠的频段 , 边缘用户可以使 用较大的功率 。
该提案简单易行 , 通过在系统初始化阶段进行一次频 率资源规划再辅以一定的资源分配算法即可以实现对小 区间干扰的抑制 , 且软频率复用效率比较高 。 但它也存在 明显的缺点 , 一是小区边缘频谱效率不高 , 通常只能使用 1/3的频谱资源 ; 二是当 OFDM 系统内各小区的负载随着 时间的变化而剧烈变化时 , 该方法显得很不灵活 。 阿尔卡 特提出一种改进方案 [4], 该方案的核心是对小区边缘进行 了细分 , 将整个可用频段分为 7组 。 将小区边缘分成 6个 部分 , 每个部分可用频率为这 7组中间的其中一组 , 不同 小区间的相邻小区边缘采用的频带互不重叠 。 这使得在确 保小区间干扰减小的前提下 , 小区边缘可用频率相较于华 为的提案显著提高 (从 1/3提高到 6/7)。
上述方案使用固定的频段划分 , 称为静态干扰协调 , 其主要缺陷是不能灵活应对负载随时间的变化 。 改进的方 向是采用动态调整 , Siemens [5]提出的改进方案将整个可用 频段分为 N 个子带 , 其中 X 个子带用于小区边缘 , N -3X 用于小区内部 。 数字 “ X ” 可根据小区边缘用户负载情况而 变化 。 通过调整 X 的大小 , 可实现不同的频率复用度 。 该 方案对小区间的负载变化未予以考虑 。 另外一种改进方案 是在小区边缘不采用固定的 1/3频带 , 而是根据邻近小区 间边缘负载的不同进行调整 [6]。 当某个小区边缘用户较少 时 , 其可用 频 率 将 少 于 1/3,而 同 时 其 邻 近 的 小 区 边 缘 负 载较重时 , 则邻近小区的边缘可用频率将超过 1/3。 如所 有小区边缘用户负载都较重时 , 则各个小区边缘可用频率 都为 1/3。
总而言之 , 基于软频率复用的干扰协调方法 , 复杂度 低 , 信令开销也很低 , 具有较好的实用性 ,
但频谱利用效率
专题 :CDMA
发展与演进
仍有提升的空间 , 如小区边缘用户始终只能在部分频段中 分配频谱资源 , 难以实现高速率传输 。
3基于多小区载波 、 功率联合分配的干扰 协调技术
软频率复用可以认为是将 OFDM 系统整个频带分 为 多个子频段 , 确定各子频段功率 , 然后为每个用户指定所 使用的频段 , 在频段中为用户分配子载波 。 因此 , 针对软频 率复用缺陷的改进方法是直接为用户分配载波和功率 。 在 多小区载波 、 功率联合分配中 , 一般假设各用户的信道状 况已知 , 并且当一个子载波分配之后 , 对其他小区同一载 波形成的干扰可以计算得到 。 多小区载波 、 功率联合分配 一般可以用约束优化问题建模 , 根据优化目标的不同 , 目 前的研究可大概分为两类 , 第一类的目标是在最大发送功 率受限和满足用户公平性条件下 , 通过子载波和功率的最 优分配使系统吞吐量达到最大 [7~8]; 第二类的目标是在满足 用户传输速率的条件下 , 通过子载波的最优分配使总的传 输功率最小 [9~10]。
载波和功率的联合分配在具体实施上可以 分 为 集 中 式和分布式两种形式 。 集中式资源分配方案假设网络中存 在包含全局网络信息的设备 (如 RNC ), 该设备根据所有 用户的信道信息和相互干扰统筹载波和功率的分配 。 集中 式资源分配方案的缺陷是所有计算都集中到了一个网元 设备上 , 计算量大 , 复杂度高 。 为了使方案更具实用性 , 一 般需要对问题模型进行简化 , 参考文献 [11]对载波分配进 行了简化 , 假设每个用户分配的载波数相同 。 简化方案以 一定性能下降为代价显著降低了复杂度 。
分布式资源分配方案是指载波分配发生在 只 有 网 络 局部信息的网元设备 , 如基站 。 基站独立操作 , 同时通过基 站之间交换信息实现全局的优化 。 参考文献 [12]提出了一 种基于最大化吞吐量准则的分布式功率分配算法 。 首先针 对单载波在每个小区计算关闭该载波对整体系统吞吐量 的影响 , 以此决定该载波在本小区是否分配 , 然后并行应 用于多载波的情形 。 但该算法没有考虑到用户的公平性问 题 。 参考文献 [13]同样通过子载波对整体吞吐量的贡献来 判断是否在小区内选择该载波 。 算法同时还加入了用户权 重 , 使用户的公平性在一定程度上得到了保证 , 收敛速度 也较快 。 总体而言 , 分布式资源分配的收敛性分析是个很 困难的问题 。 很难保证算法能收敛到全局最优解 , 并且分 布式方案的分配结果会存在波动现象 , 收敛速度较慢 [7~8]。
4基于交织多址的干扰随机化和干扰消除
交织多址 (interleave -division multiple access , IDMA ) 技
术是码分多址技术的一种特例 (可以认为是扩频因子为 1时的码分多址 ) [14~15], 因此 IDMA 继承了码分多址技术抗多 径衰落 、 抗多用户干扰等诸多特性 。 IDMA 系统的实现如 图 2所示 。 IDMA 技术的核心是在不同小区使用不同的伪 随机交织器 , 通过伪随机交织器产生不同的交织图案 , 并 分配给不同的小区 , 接收机采用不同的交织图案解交织 , 即可将目标信号和干扰信号分别解出 , 然后在总的接收信 号中减去干扰信号 , 进而有效地提高接收信号的信干比 。
IDMA 技 术 在 LTE 系 统 的 应 用 体 现 在 两 方 面 :一 方
面 , IDMA 技术对每个基站发送信号应用不同的交织码 , 可 作为干扰随机化的手段 , 其效果与传统 3G 系统的加扰并 无明显差异 ; 另一方面 , IDMA 可以采用类似于码分多址系 统多用户联合检测的干扰消除技术 , 这种技术是通过将干 扰 信 号 解 调 /解 码 后 , 对 该 干 扰 信 号 进 行 重 构 (reconstruction ), 然后从接收信号中减去 。 如果能将干扰信 号分量准确减去 , 剩下的就 是 有 用 信 号 和 噪 声 , 是 一 种 更 为有效的干扰消除技术 。 小区间干扰删除的优势在于 , 对 小区边缘的频率资源没有限制 , 相邻小区即使在小区边缘 也可以使用相同的频率资源 , 可以获得更高的小区边缘频 谱效率和总频谱效率 。 有研究表明 , 基于 IDMA 的迭代干 扰消除技术可以使小区边缘吞吐量 (即 5%CDF 吞吐量 ) 获得 50%的性能增益 ; 在小区平均吞吐量方面 , 也有 5%的 性能增益 [16]。
由于需要完全解调甚至解码干扰信号 , IDMA 对系统 的设计如资源块分配 、 信道估计 、 同步 、 信令等提出了更高 要求或带来了更多限制 。 因此 ,LTE Release 8
中没有采用
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电信科学 2010年第 5期
IDMA 的干扰消除 , 而仅作为一种干扰随机化技术 , 但是 , IDMA 干扰消除技术的优越性能仍然吸引了很多研究者的 注意 , 在 LTE 的演进版本中有持续的论证 [17~19]。
5基于协作调度的干扰抑制技术
LTE -Advanced 系 统 提 出 了 多 点 协 作 传 输 技 术 [20, 21] (coordinated multipoint transmission/reception, CoMP ), 因 其 能有效改善小区边缘用户性能 , 提高系统吞吐量 , 在近年 来引起了业界的广泛关注和研究 , 成为 LTE 小区间干扰抑 制技术的新研究方向 。
多点协作传输技术是 对 传 统 单 基 站 MIMO 技 术 的 一 个补充和扩展 , 若干小区的基站使用光纤或电缆连接 , 通 过基站间协作传输来达到减少小区间干扰 、 提高系统容 量 、 改善小区边缘覆盖的目的 。 目前 , 多点协作传输技术分 为多点联合处理和多点协调调度两大类 , 分别适用于不同 的应用场景 , 互相之间不能完全取代 。
(1) 多点联合处理技术
多 点 联 合 处 理 , 即 多 个 协 作 节 点 (基 站 ) 之 间 通 过 共 享 数 据 及 信 道 信 息 、 调 度 信 息 等 , 联 合 为 目 标 用 户 提 供 服 务 。 其 基 本 原 理 如 图 3所 示 , 位 于 小 区 边 缘 的 用 户 同 时被小区 1、 小区 2服务 。 在采用多小区联合处理的系统 中 , 每个基站都可以看作是虚拟天线 , 与用户形成虚拟 MIMO 系统 , 使用多个基站为一个或多个用户服务 。 此技 术可以把相邻小区干扰信号转换为有用信号 , 从而消除相 邻小区干扰 , 提高小区边缘用户的信号质量 [22~24]。
多小区联合发送虽然可以得到较大的增益 , 但是要在 实际系统中实现仍然具有一定的难度 :首先参与联合发送 的各个基站都需要获得所有用户的数据包 , 在用户速率较 高时会要求基站之间的支撑网络具有较大的容量 ; 另外 , 在用户端对来自于多个基站的信号进行时间和频率的同 步也比较困难 。
(2) 多点协调调度技术
多点协调调度 , 即用户数据通过用户所在的服务小区 传输 , 在相邻节点 (基站 ) 之间交互调度信息 、 协同调度 , 用 以避免小区间干扰 。 此技术类似于干扰协调 、 干 扰 随 机 化 的 思 想 , 通 常 集 中 在 和 多 天 线 波 束 成 形 相 结 合 的 解 决 方案上 。
在多天线蜂窝通信系统中 , 波束成形是一种实现复杂 度较低的发送方案 , 通过使用与用户信道相匹配的发送波 束 , 可以优化信号功率的利用 , 提高服务质量 , 但由于发送 波束具有手电筒特性 , 可能会对相邻小区所服务的用户造 成较大的干扰 。 因此 , 将多点协调调度技术与波束成形结 合起来 , 即通过相邻小区间的 X2接口交换调度信息 , 使每 个小区选择使小区吞吐量总和最大或小区间干扰最小的波 束 , 而不是仅仅考虑本小区的吞吐量 , 这样即可有效避免波 束成形可能带来的干扰 [25, 26]。 其实现方式如图 4所示 [27], 当 相邻基站同时选择波束 RS1或 RS2时 , 可最大限度地降低 干扰 。 由于波束成形调度技术需根据小区实时用户分布情况 来确定波束类型 , 设备昂贵且计算复杂 , 目前许多提案 [27~29]对 此进行简化 , 普遍做法是假设小区内波束的类型 (如发射 方向 、 覆盖范围等 ) 是事先确定的 , 小区间协作调度只需考 虑某个时隙使用哪个波束 , 而不用考虑波束的类型 。
6小区间干扰抑制的应用和研究趋势
上述的小区间干扰抑制技术中 , 软频率复用和波束协 作调度有较高的实用性 , 也是目前在业界可能会首先得到 应用的技术 。 软频率复用基本不需要在基站间交换信息 , 计算复杂度低 , 具有较高的可行性 。 目前 , 3GPP 干扰抑制 提案中很大部分基于软频率复用技术 , 研究较成熟 , 但软 频率复用使得小区边缘只能使用部分频谱资源 , 吞吐量受 影响 , 这是软频率复用技术的根本缺陷 。 波束协作调度实 现复杂度低 , 只需在相邻干扰小区间交换用户信息 , 实用 性较好 , 更重要的是 , 波束协作调度与其他干扰抑制技术 可以同时使用 , 现有波束协作调度没有考虑波束功率的协 作控制 , 预计引入波束功率协作控制后 , 波束协作调度可 弥补软频率复用的缺陷 。
理论上多小区载波 、
功率联合分配可以实现比软频率
专题 :CDMA
发展与演进
复用更优秀的性能 , 但集中式分配由于需要大量计算资源 并且不符合未来网络扁平化架构的发展趋势 , 实用性较 差 。 现有 3GPP 提案以分布式分配为主 , 但如何在性能和 复杂度之间取得较好的折中 , 仍是有待解决的问题 , 另外 , 现有分布式分配方法普遍缺乏性能分析 , 因此 , 在不同网 络状态下的性能稳定性仍有待研究 。
基于 IDMA 的干 扰 消 除 和 基 站 协 作 通 信 为 小 区 间 干 扰抑制带来全新思路 , 并且可以和其他技术 , 如多小区载 波 、 功率联合分配同时使用 , 但是现有的方法尚未成熟 。 如 现有 IDMA 干扰消除技术使用迭代求解 , 要求用户端有强 大的计算资源 , 并且知道附近多个基站的交织码 , 这在实 际中往往是不可能得到的 。 我们预计低复杂度干扰消除技 术 , 如线性干扰消除是未来小区间干扰消除的研究热点 。
7结束语
小区间干扰是制约 LTE 系统性能的重要因素 , 干扰协
调和干扰消除是两种实现干扰抑制最主要的方式 , 未来的 系统极有可能是两者同时使用 , 但目前仍没有公认的 、 成 熟的技术 , 即使在 LTE -Advanced 系统中 , 也很难有确定的 实施方案 , 我们预计 LTE 小区间干扰在未来几年将仍是 业界关注的重点 。
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20
电信科学 2010年第 5期
Inter -Cell Interference Mitigation for LTE Systems
Chen Xiaodong , Xiong Shangkun , Wang Qingyang
(Guangdong Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China )
Abstract LTE systems applied more flexible frequency re -use strategies. All cells in LTE systems are possible to use the whole
spectrum resource, which makes inter -cell interference unavoidable. In this paper we review the major 3GPP proposals and academic research of inter -cell interference mitigation, mainly in two categories of interference coordination and interference cancellation. New techniques for inter -cell interference mitigation in LTE evolutions are also investigated. Key words inter -cell interference , interference mitigation , cooperative scheduling
(收稿日期 :2010-04-20)
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TSG RAN WG1#57bis,Los Angles, USA, June/July2009
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”
范文三:从3G~5G小区间干扰抑制技术综述
3G-5G 小区间干扰抑制技术综述
一、概述: 干扰, 泛指一切进入信道或通信系统对合法信号的正常工作造成了影响非期望信号。移动通信系统的干扰是影响无线网络掉话率、接通率等系统指标的重要因素之一。它严重影响了网络的正常运行和用户的通话质量。
1.1、干扰的分类: (1)、从频段上可分为上行干扰与下行干扰。上行干扰定义为干扰信号在移动网络上行段, 基站受外界射频干扰源干扰。上行干扰的后果是造成基站覆盖率的降低。物理上看, 在无上行干扰的情况下, 基站能够接收较远处手机信号。当上行干扰出现时, 期望的手机信号需强于干扰信号, 基站才能与手机联络, 因此手机必须离基站更近, 因此造成了基站覆盖率的降低。下行干扰是指干扰源所发干扰信号在移动网络下行频段, 手机接收到干扰信号, 无法区分正常基站信号, 使手机与基站联络中断, 造成掉话或无法登记。由于基站下行信号通常较强, 对GSM 来说, 当某一下行频点被干扰时, 手机能够选择次强频点, 与其他基站联络。而CDMA 本身即自扰系统, 因此上行干扰的危害比下行干扰更严重。
(2)、从频点上可分为同频干扰与非同频干扰。同频干扰广义上是指干扰源占用的频率恰好与正常信号频率相同, 上行下行都存在。但在移动通信网络中, 同频干扰特指GSM 制式中不同基站同一频点的下行信号在同一小区出现, 使手机无法区分不同的基站, 形成干扰。由于GSM 制式采用多频点复用, 相邻小区不会用同一频点。但远处小区功率控制出现问题时, 远处小区同频点信号可能千扰到本小区。
(3)、从干扰源可分为固定频率干扰、随机宽带干扰、强信号对弱信号的干扰以及互调干扰等。固定频率干扰是指具有固定频率的干扰源工作于移动通信频段。这种干扰频率几乎不变, 或小范围抖动, 上下行都可能存在; 随机宽带干扰, 是指具有宽频带或频率随机变化的干扰源工作于移动通信频段, 这种干扰幅度起伏不定, 频率随机飘动, 主要存在于上行; 强信号对弱信号的干扰, 是指合法的信号占用合法的频率, 由于功率过强, 造成邻近频段接收设备阻塞。或由于强信号杂散辐射过宽, 造成对邻接频段的干扰; 互调干扰, 是由于外部一个或多个无线信号源由馈缆进入接收装置的非线性放大器产生的。
(4)、从通信系统来分可以分为移动通信系统内部干扰和移动通信系统外部干扰。
1.2、移动通信系统中干扰的分类 (1)、移动通信系统内部频率的干扰:
在2G 系统中为提高频率利用率采用了频率复用方式。这虽然增加了系统的容量, 但同时也增加了系统的干扰程度。这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和互调干扰。
(a )、同频干扰:
所谓同频干扰, 即指无用信号的载频与有用信号的载频相同, 并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。现在一般采用频率复用的技术以提高频谱效率。当小区不断分裂使基站服务区不断缩小, 同频复用系数增加时, 大量的同频干扰将取代人为噪声和其它干扰, 成为对小区制的主要约束。这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比C/I小于某个特 定值时, 就会直接影响到手机的通话质量, 严重的就会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。
(b)、邻频干扰:
所谓邻频干扰, 即指干扰台邻频道功率落入接收机通带内造成的干扰。由于频率规划原因造成的邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道或由于某种原因致使基站小区的覆盖范围比设计要求范围大, 均会引起邻频道干扰。当
邻频信道的载波干扰比C/I小于某个特定值时, 就会直接影响到手机的通话质量, 严重的就会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。
(c )、互调干扰:
当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时, 将互相调制, 产生新频率信号输出, 如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内, 则构成对该接收机的干扰, 我们称这种干扰为互调干扰。互调干扰主要是指数模共站的基站, 由于模拟基站发射机的影响, 而对数字基站产生的干扰。这种干扰的直接后果是时隙不能使用, 造成基站资源的浪费, 也会产生掉话。
(2)、外来电波的强烈干扰:
由于移动通信是靠空中电波传播的, 当空中某些电波对正在使用的电波产生的干扰达到一定程度时, 会使信号噪声比下降到标准值以下(影响通话质量), 这
时手机将自动关闭, 便出现掉话。这些干扰电波来源非常复杂, 是多方面的, 例如工业干扰、电源火花干扰和其它的邻近电波干扰等, 这些干扰是很难完全避免的。移动通信系统中无线电波传播的特性, 决定了其在通信过程中必然受到外界多种因素的影响, 因此,
外来电波的干扰是造成移动通信系统干扰的主要原因之一。
二、技术现状:
2.1、传统干扰抑制技术
在传统移动通信系统中,相邻小区采用不同频段以抑制小区间干扰
2.1.1、基于软频率复用的小区间干扰协调
软频率复用的核心思想是把小区覆盖范围分为小区中心和小区边缘两种不重叠的区域,在小区边缘采用和传统2G 系统类似的频率复用策略以降低小区间干扰,在小区中心采用全频率复用以提高速率。
图1 给出了一种典型的实现方案,小区中心用户可使用整个频谱,但使用较小的功率以降低对邻近小区的干扰。由于其路径损耗较小, 所以降低功率并不影响其正常使用。对小区的边缘用户,先将整个频带分成3 个互不重叠的子频段,一个小区只使用一个子频段并且相邻小区使用不同的子频段。由于邻小区边缘用户使用互不重叠的频段,边缘用户可以使用较大的功率。
该提案简单易行,通过在系统初始化阶段进行一次频率资源规划再辅以一定的资源分配算法即可以实现对小区间干扰的抑制,且软频率复用效率比较高。
但它也存在明显的缺点, 一是小区边缘频谱效率不高, 通常只能使用1/3 的频谱资源; 二是当OFDM 系统内各小区的负载随着时间的变化而剧烈变化时,该方法显得很不灵活。阿尔卡特提出一种改进方案,该方案的核心是对小区边缘进行了细分,将整个可用频段分为7 组。将小区边缘分成6 个部分,每个部分可用频率为这7 组中间的其中一组,不同小区间的相邻小区边缘采用的频带互不重叠。这使得在确保小区间干扰减小的前提下, 小区边缘可用频率相较于华为的提案显著提高(从1/3 提高到6/7)。
具体实现如下:
在该方案中,每个小区的中心区域使用全段频率以使中心区域容量最大,而边缘区域被分为3 部分,每部分又使用不同的频段。再将整个频段7 等分,分别与小区中各数字区域部分相对应,如图。这样就实现了各相邻数字区域之间频率的交错,避免了相邻小区间的同频干扰。
该方案虽然大大提高了SINR 值,但这是以频谱利用率作为代价,系统容量并未得到提高反而下降,如图3。
由于 OFDM 系统小区内子载波严格正交,很好地避免了小区内的同频干扰,因此,在某小区边缘区域可以采取由该小区3 个数字区域部分的频率之和。A 小区的数字2 区域可以采用频段为4 和5 的频率,因为小区内的同频干扰已经被正交子载波消除,因此,A 小区边80 缘区域就可以共用 2、4、5 频段的频率资源,占整个频率带宽的3/7,频谱利用率得以提高,系统容量也必然提高,如图4。
这种方案虽然可行,但是必须使用有效的资源调度方法进行控制。当A 小区的数字2部分调用频段为4 的频率资源,而E 小区的数字6 部分也调用频段为4 的频率资源,这样,由于两数字区域距离相距太小,小区间的同频干扰较大,误码率会急剧上升,严重影响系统性能,甚至无法保证最低通信质量要求。
资源调度方法就是用来杜绝相邻两数字区域使用同一频率造成干扰过大的情况发生。由于用户数和业务量往往都是随机的,很少会出现多个相邻小区同时达到资源短缺的情况,因此可以通过一定的资源调度方法让资源紧张的小区边缘区域调用同小区的其他频率资源,而与该小区较近的邻小区不允许再调用该频率资源。A 小区的数字2 区域已调用频段4 的频率,那么小区 E的数字 6、7 区域就不能再调用频段为4 的频率,从而避免小区间同频干扰过大。同样,如果A 小区数字4 区域已调用频段5 的频率资源,那么小区G 的数字3、6 区域就不能调用5 频段频率。这样,A 小区的数字4 边缘区域就可占用整个频段的3/7,系统容量得以提升,满足更多用户的需求;而G 小区的数字3 和6 边缘区域不能再调用频段5,但仍可互相调用,所占频率也能达到整个频段的2/7,不会导致系统容量下降过大。如果不采用资源调度算法,频率复用因子为7 的软频率复用方案中各小区中每个数字区域的可用频率为整个频段的1/7,虽然其SINR 值相对于频率复用因子为3 的软频率复用方案有较明显提高,但是对于小区边缘区域容量却有较大的降低。
采用合理的资源调度算法,不仅可以明显增大SINR 值,也可使各小区边缘
部分的可用频率达到3/7,这样小区边缘区域的容量相对频率复用因子为3 的软频率复用方案就有较大105 提升,如图4 所示。
2.1.2、 结论
本文给出了一种频率复用因子为7 的软频率复用方案来抑制小区间干扰,相对较常用的频率复用因子为3 的软频率复用方案,该方案在小区边缘区域部分获得了更高的用户峰值速率,使整个系统容量得到提升。
软频率复用基本不需要在基站间交换信息,优点是计算复杂度低,信令开销也很低,具有较高的可行性。但软频率复用使得小区边缘只能使用部分频谱资源,吞吐量受影响,难以实现高速率传输,这是软频率复用技术的根本缺陷。
2.2、CDMA 系统中常用的干扰抑制技术
2.2.1、功率控制
在CDMA 系统中,功率控制是无线资源管理的核心技术之一,它对于克服“远近效应”、减小小区间干扰、增加系统容量和提高系统性能具有重要作用。
在移动通信的上行链路中,如果小区内的所有用户均以相同功率发射,则靠近基站移动台到达的信号强,远离基站移动台到达的信号弱,导致强信号掩盖弱信号的“远近效应”。CDMA 是同一小区内多个用户同一时刻共同使用同一频率的系统,因此“远近效应”更加突出。为了克服CDMA 系统的“远近效应”,应对移动台进行功率控制。在下行链路中,位于小区边缘的移动台受其它相邻小区的干扰,导致接收信号恶化,产生“边缘效应”,为了克服这种效应, 也需要对基站实行功率控制。功率控制技术可补偿传输损耗、解决“远近效应”和“边缘效应”问题、增加系统容量和提高系统性能,从而更好地发挥第三代移动通信系统的优势。按照不同的分类标准,功率控制技术可分为不同的类型。
(1)、按通信的上下行链路方向,功率控制可分为:
(a )、上行链路功率控制:
它又称反向功率控制,用于控制移动台的发射功率,保证基站收到各个移动台发射的信号功率或信噪比(SNR )基本相等,这样既能有效克服“远近效应”,又能使移动台在满足自身服务质量(Qos )要求的情况下,尽可能降低发射功率,从而延长移动台的电池寿命。
(b )、下行链路功率控制:
它又称前向功率控制,用于控制基站的发射功率,使所有移动台收到的基站发射信号功率或信噪比基本相等,从而克服“角效应”,并可使基站的平均发射功率减小,有效降低小区间干扰。
(2)、集中式和分布式功率控制
(a )、集中式功率控制
它是指在网络端进行功率控制,根据接收端接收的信号功率和各条链路的增益整体,调整发射端的发射功率。在已发表的论文中,对集中式功控作过分析研究,证明它能通过几次迭代,快速收敛到一个最佳的发射功率向量。由于集中式功控需知道所有链路的信息,会造成很大的时延,而且计算复杂度很高,在实际系统中很难实现,但它可提供功率控制的性能范围。
(b )、分布式功率控制
它是在接收端进行的功率控制,根据接收端的接收信号功率及其链路增益,单独调整自身发射功率。这种方式只需了解接收端自身的局部信息,算法比较简单,在实际系统中易于采用。
(3)、开环功率控制、外环功率控制和内环功率控制
(a )、开环功率控制
主要用于随机接入过程中。在移动台准备发起呼叫时,先接收基站发射的广播信号,估计下行链路的衰落情况,然后把下行链路衰落近似等价为上行链路损耗进行补偿,再加上一定的安全裕度,作为初始发射功率。
(b )、外环功率控制
主要功能是适应无线信道的变化情况。由于服务质量要求是根据误码率或误块率衡量,外环通过检测接收端的误块率,动态调整内环功控中的目标信噪比,把功率控制与为用户提供的服务质量直接相关联。
(c )、内环功率控制
又称快速功率控制,把实时测量的SIR 与目标信噪比相比较,产生传输功率控制(T[C)命令,发射端根据收到的TPC 进行功率调整。
2.2.2、扩频技术:
扩频是一种信息处理传输技术。扩频技术是利用同欲传输数据(信息)无关的码对被传输信号扩展频谱,使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频信号具有抗干扰,抗多径衰落,低截获概率,码分多址能力,高距离分辨率和精确定时特性等。
扩频的基本方法有,直接序列(DS )、跳频(FH )、跳时(TH )和线性调频(Chirp )等4种,其目前人们所熟知的新一代手机标准CDMA 就是直接序列扩频技术的一个应用。而跳频、跳时等技术则主要应用于军事领域,以避免己方通信信号被敌方截获或者干扰。
2.2.2.1、工作原理:
在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。 在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。
由此可见,—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。
2.2.2.2、分类:
按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可以分为:
(a )、直扩方式:
直接序列扩频工作方式,简称直扩(DS)方式所谓直接序列扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器,则调制后的输出为二相相移键控信号,它相当于载波抑制的调幅双边带信号。 (b )、跳频方式:
另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频所谓跳频,比较确切的意思是:用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频。
简单的频移键控如2FSK ,只有两个频率,分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制,不断跳变。
(c )、跳时方式:
跳变时间工作方式,简称跳时(TH)方式。与跳频相似,跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为:用一定码序列进行选择的多时片的时移
键控。
由于采用了窄得很多的时片去发送信号,相对说来,信号的频谱也就展宽了。在发端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。
(d )、Chirp 方式:
宽带线性调频工作方式,简称Chirp 方式。
这种扩频调制方式主要用在雷达中,但在通信中也有应用。发端有一锯齿波去调制压控振荡器,从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。在收端,线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩,把能量集中在一个很短的时间内输出,从而提高了信噪比,获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线,它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出,则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般,线性调频在通信中很少应用。
2.2.2.3、优势:
(1)、抗干扰能力
强扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。简单地说,如果信号频谱展宽10倍,那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰,分散了干扰功率,从而在总功率不变的条件下,其干扰强度只有原来的1/10。
另外,由于接收端采用扩频码序列进行相关检测,
空中即使有同类信号进行
干扰,如果不能检测出有用信号的码序列,干扰也起不了太大作用,因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。
(2)、码分多址能力强
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户不同码型的情况下,系统可以区分不同用户的信号,这样在同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
(3)、高速可扩展能力强
由于独占信道且码分多址,所以速率很高。由于在IEEE802.11标准中,11位随机码元中只有1位用来传输数据,因此吞吐量的扩展能力强。相对于通用标准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术,增强型采用了直序/脉冲位置调制(DS/PPM)技术。PPM 技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据,这就使传输率产生了飞跃。
2.2.2.4、应用前景:
扩频信号是用扩展随机序列——伪随机码调制射频信号或不断跳跃的载波信号频率而得到的,这样,扩频系统不同于传统通信系统,它可以极大限度地共享相同的频道资源。每套系统都具有与众不同的扩展序列来减少来自其他设备的干扰,只有具有与发射者相同扩展序列的接收者才可以重组或压缩扩频传输信号来获得其中加载的有效信息。即使是多套扩频设备使用同一个频道在同一地区进行信号传输,只要采用不同的扩频序列,就不会相互干扰。扩频系统这一频道复用的优势,使其成为在大城市频谱资源十分拥挤的环境下最理想的选择。
扩频通信作为一种成熟的高科技技术,可应用于:(1)地僻人稀的农村及通信不发达地区; (2)有线基建已饱和的繁华市区; (3)因业务要求骤增而有线基建滞后的新建社区;(4)用户主干/备份通信网络,以弥补邮电公众网络的不足。
2.3基于多小区载波、功率联合分配的干扰协调技术
软频率复用可以认为是将OFDM 系统整个频带分为多个子频段,确定各子频段功率,然后为每个用户指定所使用的频段,在频段中为用户分配子载波。因此,针对软频率复用缺陷的改进方法是直接为用户分配载波和功率。在多小区载波、功率联合分配中,一般假设各用户的信道状况已知,并且当一个子载波分配之后,对其他小区同一载波形成的干扰可以计算得到。多小区载波、功率联合分配一般
可以用约束优化问题建模, 根据优化目标的不同,目前的研究可大概分为两类,第一类的目标是在最大发送功率受限和满足用户公平性条件下,通过子载波和功率的最优分配使系统吞吐量达到最大[7~8];第二类的目标是在满足用户传输速率的条件下,通过子载波的最优分配使总的传输功率最小。
载波和功率的联合分配在具体实施上可以分为集中式和分布式两种形式。集中式资源分配方案假设网络中存在包含全局网络信息的设备(如RNC ), 该设备根据所有用户的信道信息和相互干扰统筹载波和功率的分配。集中式资源分配方案的缺陷是所有计算都集中到了一个网元设备上,计算量大,复杂度高。为了使方案更具实用性,一般需要对问题模型进行简化,参考文献[11]对载波分配进行了简化,假设每个用户分配的载波数相同。简化方案以
一定性能下降为代价显著降低了复杂度。
分布式资源分配方案是指载波分配发生在只有网络局部信息的网元设备,如基站。基站独立操作,同时通过基站之间交换信息实现全局的优化。参考文献
[12]提出了一种基于最大化吞吐量准则的分布式功率分配算法。首先针对单载波在每个小区计算关闭该载波对整体系统吞吐量的影响,以此决定该载波在本小区是否分配,然后并行应用于多载波的情形。但该算法没有考虑到用户的公平性问题。参考文献[13]同样通过子载波对整体吞吐量的贡献来
判断是否在小区内选择该载波。算法同时还加入了用户权重,使用户的公平性在一定程度上得到了保证,收敛速度也较快。总体而言,分布式资源分配的收敛性分析是个很困难的问题。很难保证算法能收敛到全局最优解,并且分布式方案的分配结果会存在波动现象,收敛速度较慢。
2.4、基于交织多址的干扰随机化和干扰消除
交织多址(interleave-division multiple access ,IDMA )技术是码分多址技术的一种特例(可以认为是扩频因子为1时的码分多址)[14~15],因此IDMA 继承了码分多址技术抗多径衰落、抗多用户干扰等诸多特性。IDMA 系统的实现如图2 所示。IDMA 技术的核心是在不同小区使用不同的伪随机交织器, 通过伪随机交织器产生不同的交织图案,并分配给不同的小区, 接收机采用不同的交织图案解交织,即可将目标信号和干扰信号分别解出,然后在总的接收信号中减去干扰信号,进而有效地提高接收信号的信干比。
IDMA 技术在LTE 系统的应用体现在两方面: 一方面,IDMA 技术对每个基站发送信号应用不同的交织码,可作为干扰随机化的手段, 其效果与传统3G 系统的加扰并无明显差异;另一方面,IDMA 可以采用类似于码分多址系统多用户联合检测的干扰消除技术,这种技术是通过将干扰信号解调/解码后, 对该干扰信号进行重构(reconstruction ),然后从接收信号中减去。如果能将干扰信号分量准确减去,剩下的就是有用信号和噪声, 是一种更为有效的干扰消除技术。小区间干扰删除的优势在于,对小区边缘的频率资源没有限制,相邻小区即使在小区边缘也可以使用相同的频率资源,可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效率。有研究表明,基于IDMA 的迭代干扰消除技术可以使小区边缘吞吐量(即5% CDF 吞吐量)获得50%的性能增益;在小区平均吞吐量方面,也有5%的性能增益。
由于需要完全解调甚至解码干扰信号,IDMA 对系统的设计如资源块分配、信道估计、同步、信令等提出了更高要求或带来了更多限制。因此,LTE Release 8 中没有采用IDMA 的干扰消除,而仅作为一种干扰随机化技术,但是,IDMA 干扰消除技术的优越性能仍然吸引了很多研究者的注意,在LTE 的演进版本中有持续的论。
2.5、基于协作调度的干扰抑制技术
LTE-Advanced 系统提出了多点协作传输技术(coordinated multipoint
transmission/reception,CoMP ), 因其能有效改善小区边缘用户性能,提高系统吞吐量,在近年来引起了业界的广泛关注和研究,成为LTE 小区间干扰抑制技术的新研究方向。
多点协作传输技术是对传统单基站MIMO 技术的一个补充和扩展, 若干小区的基站使用光纤或电缆连接,通过基站间协作传输来达到减少小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘覆盖的目的。目前,多点协作传输技术分为多点联合处理和多点协调调度两大类,分别适用于不同的应用场景,互相之间不能完全取代。
(1)多点联合处理技术
多点联合处理,即多个协作节点(基站)之间通过共享数据及信道信息、调度信息等, 联合为目标用户提供服务。其基本原理如图3 所示,位于小区边缘的用户同时被小区1、小区2 服务。在采用多小区联合处理的系统中, 每个基站都可以看作是虚拟天线, 与用户形成虚拟MIMO 系统,使用多个基站为一个或多个用户服务。此技术可以把相邻小区干扰信号转换为有用信号,从而消除相邻小区干扰,提高小区边缘用户的信号质量。
多小区联合发送虽然可以得到较大的增益,但是要在实际系统中实现仍然具有一定的难度:首先参与联合发送的各个基站都需要获得所有用户的数据包,在用户速率较高时会要求基站之间的支撑网络具有较大的容量; 另外,在用户端对来自于多个基站的信号进行时间和频率的同步也比较困难。
(2)多点协调调度技术
多点协调调度,即用户数据通过用户所在的服务小区传输,在相邻节点(基站)之间交互调度信息、协同调度,用以避免小区间干扰。此技术类似于干扰协调、干扰随机化的思想,通常集中在和多天线波束成形相结合的解决方案上。
在多天线蜂窝通信系统中,波束成形是一种实现复杂度较低的发送方案,通过使用与用户信道相匹配的发送波束,可以优化信号功率的利用,提高服务质量,但由于发送波束具有手电筒特性,可能会对相邻小区所服务的用户造成较大的干扰。因此,将多点协调调度技术与波束成形结合起来,即通过相邻小区间的X2 接口交换调度信息,使每个小区选择使小区吞吐量总和最大或小区间干扰最小的波
束,而不是仅仅考虑本小区的吞吐量,这样即可有效避免波束成形可能带来的干扰。其实现方式如图4 所示,当相邻基站同时选择波束RS1 或RS2 时,可最大限度地降低干扰。由于波束成形调度技术需根据小区实时用户分布情况来确定波束类型,设备昂贵且计算复杂,目前许多提案对此进行简化,普遍做法是假设小区内波束的类型(如发射方向、覆盖范围等)是事先确定的,小区间协作调度只需考虑某个时隙使用哪个波束,而不用考虑波束的类型。
波束协作调度实现复杂度低,只需在相邻干扰小区间交换用户信息,实用性较好,更重要的是,波束协作调度与其他干扰抑制技术可以同时使用,现有波束协作调度没有考虑波束功率的协作控制,预计引入波束功率协作控制后,波束协作调度可弥补软频率复用的缺陷。
三、技术演进:
抑制MIMO 蜂窝系统中小区间干扰的多基站联合处理研究进展如下:
MIMO 技术在解决容量和传输速率方面的优势无与伦比是新一代移动通信系统的关键技术。在MIMO 系统多小区组网情况下" 由于每个天线都是干扰源MIMO 蜂窝系统中的小区间干扰比单天线蜂窝系统严重得多,导致MIMO 吞吐量锐减和用户性能恶化。如何在多小区环境更好地利用MIMO 技术抑制或降低小区间干扰或其它小区干扰是关键, 因此, 研究抑制MIMO 蜂窝系统中小区间干扰的算法和方法具有重要的理论与应用价值. 但是" 仅通过单个基站处理无法解决小区间干扰问题, 必须通过多基站联合处理才行, 现在这方面的研究工作刚刚起步,其中包括一些很有意义的工作,特别是以联合传输或预编码为代表的多基站联合处理。联合传输/预编码是一种可以在不牺牲性能的情况下降低接收端复杂性的方案, 这对移动通信下行链路(从基站到移动台, 接收端是用户移动终端) 非常适合。在单小区环
境中,联合传输/预编码已取得很大进展相. 利用联合传输/预编码解决MIMO 系统在多小区组网时下行链路中小区间干扰或其它小区干扰问题" 是一种新的思路和扩展。
如何在多小区环境更好地利用MIMO 技术降低小区间干扰或其它小区干扰十分关键。已有的MIMO 系统中降低小区间干扰的方案主要包括:传统方法,联合检测,干扰抵消(包括基于IDMA 的软干扰抵消),宏分集,信道资源调度,分布式天线,干扰随机化,波束成型,预编码/联合传输等, 其主要技术特点总结如表1:
四、结论或结束语
上述的小区间干扰抑制技术中,软频率复用和波束协作调度有较高的实用性,也是目前在业界可能会首先得到应用的技术。软频率复用基本不需要在基站间交换信息,计算复杂度低,具有较高的可行性。目前,3GPP 干扰抑制提案中很大部分基于软频率复用技术,研究较成熟,但软频率复用使得小区边缘只能使用部分频谱资源,吞吐量受影响,这是软频率复用技术的根本缺陷。波束协作调度实现复杂度低,只需在相邻干扰小区间交换用户信息,实用性较好,更重要的是,波束协作调度与其他干扰抑制技术可以同时使用,现有波束协作调度没有考虑波束功率的协作控制,预计引入波束功率协作控制后,波束协作调度可弥补软频率复用的缺陷。
理论上多小区载波、功率联合分配可以实现比软频率复用更优秀的性能,但集中式分配由于需要大量计算资源并且不符合未来网络扁平化架构的发展趋势, 实用性较差。现有3GPP 提案以分布式分配为主, 但如何在性能和复杂度之间取得较好的折中,仍是有待解决的问题,另外,现有分布式分配方法普遍缺乏性能分析,因此,在不同网络状态下的性能稳定性仍有待研究。
基于IDMA 的干扰消除和基站协作通信为小区间干扰抑制带来全新思路,并且可以和其他技术,如多小区载波、功率联合分配同时使用,但是现有的方法尚
未成熟。如现有IDMA 干扰消除技术使用迭代求解,要求用户端有强大的计算资源,并且知道附近多个基站的交织码,这在实际中往往是不可能得到的。我们预计低复杂度干扰消除技术,如线性干扰消除是未来小区间干扰消除的研究热点。 小区间干扰是制约LTE 系统性能的重要因素,干扰协调和干扰消除是两种实现干扰抑制最主要的方式,未来的系统极有可能是两者同时使用, 但目前仍没有公认的、成熟的技术,即使在LTE-Advanced 系统中,也很难有确定的实施方案, 预计LTE 小区间干扰在未来几年将仍是业界关注的重点。
范文四:LTE小区间干扰抑制技术介绍及比较
2008.6.
吴承承
Wu Chengcheng
北京邮电大学在读硕士 , 主要研究方向为移动通信理论与应用 , 目前 进行 LTE 系统干扰抑制的研究。
白 炜
Bai Wei
北京邮电大学在读硕士 , 主要研究方向为移动通信理论与应用 , 目前 进行 LTE 系统干扰抑制的研究。
桑 林
Sang Lin
北京邮电大学电信工程学院通信网中心 , 电信工程学院副院长 , 教授。
LTE 小区间干扰抑制技术
介绍 及 比较
摘 要 主要介绍了 LTE 目前采用的干扰抑制的方法 , 说
明了这些干扰抑制方法对抑制小区间干扰 , 提高系统性能 的作用 , 并比较了不同方法的优劣。 关键词
LTE 正交频分多址 小区间干扰 干扰抑制
0前言
随着移动通信技术的不断发展 , 用户对移动通 信的内容和质量都提出了更高的要求。为了适应全 球无线通信呈现出的移动化、宽带化和 IP 化的趋 势 , 也为了与新兴的一些移动通信技术如 WiMAX ,
Wi-Fi 竞争 , 2004年底 , 3GPP 继 HSDPA , HSUPA 等
技术标准之后 , 提出了 3G 的长期演进 (3G LTE ) 。
3G LTE 的目标是获得更高的数据速率 , 更低的时
延 , 改进的系统容量和覆盖范围 , 以及较低的成本。 与此同时 , 由于 LTE 采用正交频分多址 (OFDMA ) 的接入方式 , 小区内用户的信息承载在相互正交的 不同载波上 , 因此干扰来自其他小区 , 即小区间的干 扰。 所以 , 小区间的干扰抑制成为一个亟待解决的问 题。本文介绍了 LTE 目前采用的主要干扰抑制方 法 , 并比较了不同方法的优劣。
1LTE 简介
LTE 填补了第三代移动通信和第四代移动通信
之间的巨大技术差距 , 目标是建立一个能够获得高 传输速率、 低等待时间、 基于包优化的可演进的无线 接入架构。 LTE 系统期望在 20MHz 的带宽上达到
100Mbit/s 的下行传输速率 , 50Mbit/s 的上行传输速
率 , 频谱效率为 HSPA 的 2 ̄4倍。 支持增强型的多媒 体广播组播业务和全分组的包交换 , 带宽配置灵活 , 边缘小区的传输速率显著提高 , 系统的覆盖性增强。 为了达到以上目标 , LTE 系统采取了趋近于典型全
IP 宽带网的扁平化的网络结构 , 采用了如多输入多
输出 (MIMO ) 、 正交频分复用 (OFDM ) 、 混合 自 动 请 求重传 (HARQ ) 、 自适应调制编码 (HARQ ) 等先进技 术。 LTE 系统上行采用基于 OFDM 传输技术的单载 波频分多址 (SC-FDMA ) 的接入方式 , 下行采用
OFDMA 的接入方式。 OFDMA 的接入方式与码分多
址 (CDMA ) 不同 , 无法通过扩频方式消除小区间的 干扰 , LTE 系统又对频谱效率有很高的要求 , 也不能 通过使用较高复用系数的传统的频率复用方法来减 弱干扰 , 因此 , 在 LTE 中 , 非常关注小区间的干扰抑 制技术。目前 , 3GPP 讨论的抑制小区间干扰的主要
吴承承
白
炜
桑
林
LTE 小区间干扰抑制技术介绍及比较
无线通信
Radio Communication
Abstract It emphasizes more on the methods of inter-cell in-
terference mitigation and demonstrates the effect of these meth-ods on inter-cell interference mitigation and improving system performance. It also gives the advantages and disadvantages of these methods. Keywords
LTE
Orthogonal frequency division multiple ac-
cess Inter-cell interference
Interference mitigation
Introduce and Comparison of Inter-cell Interference Mitigation for LTE
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方式分为 3种 , 即小区间干扰随机化、 小区间干扰删 除以及小区间干扰协调 /避免。
2小区间的干扰抑制技术
LTE 特有的 OFDMA 接入方式 , 使本小区内的
用户信息承载在相互正交的不同载波上 , 因此所有 的干扰来自于其他小区。 对于小区中心的用户来说 , 其本身离基站的距离就比较近 , 而外小区的干扰信 号距离又较远 , 则其信干噪比相对较大 ; 但是对于小 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 , 其信 干噪比相对就较小 , 导致虽然小区整体的吞吐量较 高 , 但是小区边缘的用户服务质量较差 , 吞吐量较 低。因此 , 在 LTE 中 , 小区间干扰抑制技术非常重 要。
2.1干扰随机化
对于 OFDMA 的接入方式 , 来自外小区的干扰 数目有限 , 但干扰强度较大 , 干扰源的变化也比较 快 , 不易估计 , 于是采用数学统计的方法来对干扰进 行估计就成为一种比较简单可行的方法。干扰随机 化不能降低干扰的能量 , 但能通过给干扰信号加扰 的方式将干扰随机化为“ 白噪声” , 从而抑制小区间 干扰 , 因此又称为“
干扰白化” 。 干扰随机化的方法主 要包括小区专属加扰和小区专属交织。
a ) 小区专属加扰 , 即在信道编码后 , 对干扰信
号随机加扰。如图 1所示 , 对小区 A 和小区 B , 在信 道编码和交织后 , 分别对其传输信号进行加扰。 如果 没有加扰 , 用户设备 (UE ) 的解码器不能区分接收到
的信号是来自本小区还是来自其他小区 , 它既可能 对本小区的信号进行解码 , 也可能对其他小区的信 号进行解码 , 使得性能降低。
小区专属加扰可以通过 不同的扰码对不同小区的信息进行区分 , 让 UE 只 针对有用信息进行解码 , 以降低干扰。 加扰并不影响 带宽 , 但是可以提高性能。
b ) 小区专属交织 , 即在信道编码后 , 对传输信
号进行不同方式的交织。如图 2所示 , 对于小区 A 和小区 B , 在信道编码后分别对其干扰信号进行交 织。小区专属交织的模式可以由伪随机数的方法产 生 , 可用的交织模式数 (交织种子 ) 是由交织长度决 定的 , 不同的交织长度对应不同的交织模式编号 ,
UE 端通过检查交织模式的编号决定使用何种交织
模式。在空间距离较远的小区间 , 交织种子可以复 用 , 类似于蜂窝系统中的频分复用。
对于干扰的随机 化而言 , 小区专属交织和小区专属加扰可以达到相 同的系统性能。
2.2干扰删除
干扰删除的想法最初是在 CDMA 系统中提出 , 可以将干扰小区的信号解调、 解码 , 然后将来自该小 区的干扰重构、 删除。 LTE 虽然采用 OFDMA 的接入 方式 , 仍然引入了干扰删除的概念。 小区间干扰删除 的实现方法主要有以下 2种。
a ) 利用在接收端的多天线空间抑制方法来进
行干扰删除 , 相关的检测算法在多输入多输出 (MI-
MO ) 的研究中已经被广泛采用。
b ) 基于检测 /删除的方法。典型的如采用交织
多址 (IDMA ) 删除小区间的干扰 , IDMA 可以通过伪 随机交织器产生不同的交织图案 , 并分配给不同的 小区 , 接收机采用不同的交织图案解交织 , 即可将目 标信号和干扰信号分别解出 , 然后在总的接收信号
中减去干扰信号 , 进而有效地提高接收信号的信干
图 1
小区专属加扰
图 2小区专属交织
吴承承 白 炜 桑 林
LTE 小区间干扰抑制技术介绍及比较
Radio Communication
无线通信
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噪比。
另外 , 在 LTE 的下行传输中 , 可以通过不同方 式来获得干扰信号的信息。删除 Node B 间干扰时 , 可以通过检测 UE 端的干扰控制信号来获得干扰信 号的信息 ; 删除扇区间干扰时 , Node B 直接使用自 己的控制信道向 UE 发送干扰信号的信息。 显然 , 接 收机获取的干扰信号信息越多 , 干扰删除的性能越 好。
小区间干扰删除的优势在于 , 对小区边缘的频 率资源没有限制 , 相邻小区即使在小区边缘也可以 使用相同的频率资源 , 可以获得更高的小区边缘频 谱效率和总频谱效率。局限在于小区间必须保持同 步 , 目标小区必须知道干扰小区的导频结构 , 以对干 扰信号进行信道估计。对于要进行小区间干扰删除 的用户 , 必须给其分配相同的频率资源。
2.3干扰协调 /避免
对于 OFDMA 的接入方式 , 小区中心的用户由 于既不会受到本小区用户的干扰 , 来自外小区的干 扰源距离又比较远 , 所以可以达到比较好的接收效 果。而对于小区边缘的用户受到的外小区干扰则比 较严重。
干扰协调 /避免的核心思想是通过小区间的协 调对一个小区的可用资源进行某种限制 , 以减少本 小区对相邻小区的干扰 , 提高相邻小区在这些资源 上的信噪比以及小区边缘的数据速率和覆盖。业界 提出了很多干扰协调 /避免的方法 , 本文将介绍一种 被普遍认可的软频率复用方案。
在此方案中 , 每个小区中的子载波被分为两组 , 一组称为主子载波 , 另一组称为辅子载波。 主子载波 可以在全部小区范围内使用 , 而辅子载波只可以使 用在小区的中心区域 (见图 3) 。这样对于子载波的 分配方式可以使得相邻小区边界使用的子载波均相 互正交 , 使用相同频 率子载波的用户距离 足够远 , 从而有效地 避免或减小相邻小区 在边缘的用户的同频 干扰。对于小区中心 的用户 , 由于其本身 距离基站较近 , 且收 到外小区的干扰较小 , 所以可以采用比较低的功率 进行传输 , 而对于小区边缘的用户则恰好相反。 所以 一般情况下 , 主子载波允许的最大发射功率比辅子 载波允许的最大发射功率高。在功率谱密度一定的 情况下 , 分配给主子载波更多的功率意味着为主子 载波分配了更宽的带宽 , 辅子载波与主子载波的发 射功率比可在 0到 1之间进行调整 , 对应的有效频 率复用系数则从 3到 1间变化。通过调整辅子载波 和主子载波的功率比 , 软频率复用可以适应每个小 区的业务分布变化。 当高业务量发生在小区边缘时 , 功率比设定为相对较小的值来获得较高的小区边缘 吞吐量 ; 相反 , 当业务量主要集中在小区内部时 , 可 以设置较大的功率比。
2.4几种干扰抑制技术的比较
对上面介绍的几种对于 LTE 系统的干扰抑制 的方案进行比较 , 可以看到 , 干扰随机化继续沿用 CDMA 系统成熟的加扰技术 , 比较简单可行 , 但面对 的问题是将干扰视为白噪声处理 , 可能会造成由于 统计特性的不同而带来的测量误差。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 , 适合于 OFDMA 这种特定的接入方式 , 但是在提高小区边缘用户性 能的同时带来了小区整体吞吐量的损失。以上 3种 小区间的干扰抑制方法可以相互结合 , 相互补充 , 以 获得更高的系统增益。
3结束语
LTE 系统对频谱效率的要求很高 , 由此产生的 小区间干扰问题是影响系统性能的重要问题 , 干扰 随机化 , 干扰消除和干扰协调 /避免作为有效的小区 间干扰抑制技术 , 将会大大提高 3G LTE 系统的性 能 , 特别是提高小区边缘用户的性能。
参 考 文 献
13GPP TR 25.814. v7.1.0(2006-09) . Physical Layer Aspects for E-volved Universal Terrestrial Radio Access. v7.1.0, 2006
23GPP R1-050841. Further Analysis of Soft Frequency Reuse Scheme
图 3软频率复用示意图
吴承承 白 炜 桑 林
LTE 小区间干扰抑制技术介绍及比较
无线通信 Radio Communication 43
2008.6.
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收稿日期 :2008-03-22(编辑 王坚 )
33GPP R1-051059. Inter -Cell Interference Mitigation for EURTA , TSG RAN WG1
43GPP R1-060237. Interference cancellation for LTE&TP for TR 25.814
53GPP R1-050405. Inter-cell interference estimation for OFDMA and
MC-CDMA on the DL. France Telecom &Orange
63GPP R1-050507. Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE
烽火通信信息
烽 火 通 信 第 一 时 间 为 灾 区 提 供 通 信 救 灾物资 :2008年 5月 12日下午 , 在四川 汶川县发生特大地震后 , 烽火通信快速 响应客户需求 , 从当地紧急组织第一批 通信救灾光缆运抵灾区 , 用于地震中受 损光缆的抢修。据悉 :这也是此次地震 发生后 , 最先赶到灾区现场进行支援的 厂商 , 充分表现出烽火通信服务机制的 快速、 高效 , 能够应对各种严峻的挑战。
地震发生后不久 , 成都办主任耿 胜强置个人安危于不顾 , 带领多名员工 立 即 奔 赴 现 场 , 了 解 电 信 、
网 通 、 移 动 、 联通等运营商在抗震救灾中的需求 , 并 为 客 户 提 供 了 相 应 的 系 列 通 信 救 灾 物 资清单。
在市场一线快速反应的同时 , 公司 总部也打开 “绿色通道” , 所有订单为救 灾订单让路 , 全力以赴做好通信支撑服 务。光纤光缆部、 系统设备制造部、 光网 络 产 品 部 等 各 相 关 部 门 加 班 加 点 以 最 快速度生产出客户所需的救灾设备。集 团和公司多位高层亲自上阵 , 积极与各 方取得联系 , 协助顺利打通运输通道将 多 批 救 灾 物 资 通 过 航 运 的 方 式 及 时 运 抵灾区 , 为灾区的通信恢复做出了积极 的贡献。
(燕 )
烽火通信 VoIP 系统为四川地震灾区架 起沟通桥梁 :2008年 5月 12日 , 四川省 汶川县发生 8.0级地震后 , 国家地震局 迅 速 启 用 由 烽 火 通 信 承 建 的 国 家 “ 十 五 ” 科 研 攻 关 项 目——
— VoIP 软 交 换 系 统 , 及时与四川省地震局的多个业务部 门 及 其 下 属 的 多 个 地 震 台 (站 ) 取 得 了 联系 , 还通过这套系统建立了临时指挥 中心 , 为抗震救灾做出了积极贡献。
在此次地震中 , 中国地震信息网络
汶川、绵阳 2个信息节点发生中断 , 汶 川 、 绵 阳 、 成 都 等 许 多 地 区 无 线 语 音 通 信发生大面积中断 , 有线电话网也受到 严 重 影 响 , 国 家 地 震 局 通 过 烽 火 VoIP 软交换系统 , 不仅在第一时间内掌握了 四川的灾情 , 而且还依靠这套系统对四 川的抗震救灾工作进行现场指挥 , 迅速 部署和安排了各种救灾方案。
烽火通信 VoIP 软交换系统在此次 地震中的卓越表现 , 赢得了国家地震局 的 高 度 肯 定 , 他 们 表 示 , 将 在 地 震 行 业 中大力推广 VoIP 系统 , 以保障今后各 类 地 震 信 息 的 快 速 传 递 和 通 信 网 络 的 正常运行。
(汪红霞 )
烽火科技为灾区捐物、 捐款 1200多万 元 :汶 川 大 地 震 发 生 后 , 烽 火 科 技 积 极 组 织 救 援 队 伍 和 多 种 设 备 投 入 到 抗 震 救灾中 , 全力协助灾区运营商的通信设 施抢修工作。截至目前 , 烽火已相继向 四川、 甘肃、 西安、 重庆等多个重灾区运 送价值 5300多万元的通信设备和光纤 光缆 , 还向灾区发放一批防疫器具和药 品 , 共捐物捐款 1200多万元 , 为灾区人 民恢复生产、 重建家园做出了积极的贡 献 , 得到了国务院国资委的表扬。 (燕 ) 烽 火 科 技 荣 登 年 度 光 通 信 最 具 竞 争 力 企 业 10强 榜 首 :2008年 5月 28日 , “ 2007-2008年 度 中 国 光 通 信 最 具 竞 争 力企业 10强”颁奖典礼在北京隆重举 行。烽火科技集团荣登 “年度中国光通 信最具综合竞争力企业 10强” 3项产品 组 (光 传 输 设 备 、 光 纤 光 缆 、 光 器 件 ) 榜 单 之 首 , 其 旗 下 的 烽 火 通 信 成 功 上 榜 “中国光传输与网络接入设备最具竞争 力 企 业 10强 ”
、 “ 中 国 光 纤 光 缆 最 具 竞 争力企业 10强” 榜单 , 光迅公司和电信 器件公司则分别荣获 “年度光器件最具
竞争力企业 10强”
第 1名和第 2名。烽 火 科 技 集 团 院 长 童 国 华 还 荣 获 唯 一 设 立的 “ 2008年中国光通信市场最杰出企 业家大奖” 。这充分表明烽火科技在光 通信领域的主导地位 , 获得了业界的高 度认可。
烽 火 科 技 集 团 副 院 长 余 少 华 出 席 了颁奖典礼 , 亚太光通信委员会主任委 员、 中国通信学会光通信委员会主任委 员毛谦宣读了评选结果。
(燕 )
长飞信息
长飞公司齐心协力援助灾区 :四川汶川 地震发生后 , 长飞公司管理层在第一时 间 紧 急 调 拨 50万 元 现 金 支 援 灾 区 , 同 时 捐 赠 了 价 值 300万 元 的 光 缆 等 通 信 救援物资发往四川电信、 四川移动和四 川广电等单位 , 并无偿提供 2台融接设 备协助工程抢修工作。同时所有正常合 同订单全部让路 , 集中生产灾区所需光 缆及相应设备 , 保证在最短时间内满足 灾区 3000皮长公里的通信光缆供货。
长 飞 公 司 相 关 领 导 也 紧 急 赶 往 灾 区 , 现场指挥和调度公司所有资源 , 全面 支持四川电信、四川移动和四川广电等 单位的通信保障工作。
(郭亮 朱险峰 )
长 飞 公 司 荣 获 竞 争 力 10强 之 首 :2008年 5月 28日 , 由中国通信学会光通信 委 员 会 、 亚 太 光 通 信 委 员 会 和 《网 络 电 信》 杂志社联合开展的 “ 2007-2008年度 中 国 光 通 信 最 具 竞 争 力 企 业 10强 ” 评 选 活 动 日 前 在 京 揭 晓 , 长 飞 公 司 荣 获 “光纤光缆行业” 最具竞争力企业 10强 之首和 “ 2008年度中国光通信市场最具 品牌竞争力企业 10强” 。并且 , 长飞公 司总经理徐锡洲荣获 “ 2008年中国光通 信市场 10佳职业经理人奖” 。 (田毅凡
)
DTP T
吴承承 白 炜 桑 林
LTE 小区间干扰抑制技术介绍及比较
Radio Communication
无线通信
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范文五:从3G-5G小区间干扰抑制技术综述
本文档仅用于通信从业者学习交流
3G-5G 小区间干扰抑制技术综述 一、概述:
干扰,泛指一切进入信道或通信系统对合法信号的正常工作造成了影响非期 望信号。 移动通信系统的干扰是影响无线网络掉话率、 接通率等系统指标的重要 因素之一。它严重影响了网络的正常运行和用户的通话质量。
1.1、干扰的分类:
(1) 、 从频段上可分为上行干扰与下行干扰。 上行干扰定义为干扰信号在移 动网络上行段,基站受外界射频干扰源干扰。上行干扰的后果是造成基站覆盖率 的降低。 物理上看,在无上行干扰的情况下,基站能够接收较远处手机信号。 当上 行干扰出现时,期望的手机信号需强于干扰信号,基站才能与手机联络,因此手机 必须离基站更近,因此造成了基站覆盖率的降低。下行干扰是指干扰源所发干扰 信号在移动网络下行频段,手机接收到干扰信号,无法区分正常基站信号,使手机 与基站联络中断,造成掉话或无法登记。 由于基站下行信号通常较强,对 GSM 来说, 当某一下行频点被干扰时,手机能够选择次强频点,与其他基站联络。而 CDMA 本 身即自扰系统,因此上行干扰的危害比下行干扰更严重。
(2) 、 从频点上可分为同频干扰与非同频干扰。 同频干扰广义上是指干扰源 占用的频率恰好与正常信号频率相同,上行下行都存在。但在移动通信网络中, 同频干扰特指 GSM 制式中不同基站同一频点的下行信号在同一小区出现,使手机 无法区分不同的基站,形成干扰。 由于 GSM 制式采用多频点复用,相邻小区不会用 同一频点。但远处小区功率控制出现问题时,远处小区同频点信号可能千扰到本 小区。
(3) 、 从干扰源可分为固定频率干扰、 随机宽带干扰、 强信号对弱信号的干 扰以及互调干扰等。 固定频率干扰是指具有固定频率的干扰源工作于移动通信频 段。这种干扰频率几乎不变,或小范围抖动,上下行都可能存在;随机宽带干扰, 是指具有宽频带或频率随机变化的干扰源工作于移动通信频段,这种干扰幅度起 伏不定,频率随机飘动,主要存在于上行;强信号对弱信号的干扰,是指合法的信 号占用合法的频率,由于功率过强,造成邻近频段接收设备阻塞。 或由于强信号杂 散辐射过宽,造成对邻接频段的干扰;互调干扰,是由于外部一个或多个无线信号 源由馈缆进入接收装置的非线性放大器产生的。
(4) 、 从通信系统来分可以分为移动通信系统内部干扰和移动通信系统外部 干扰。
1.2、移动通信系统中干扰的分类
(1) 、移动通信系统内部频率的干扰:
在2G 系统中为提高频率利用率采用了频率复用方式。 这虽然增加了系统的 容量,但同时也增加了系统的干扰程度。这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰 和互调干扰。
(a) 、同频干扰:
所谓同频干扰,即指无用信号的载频与有用信号的载频相同,并对接收同频 有用信号的接收机造成的干扰。现在一般采用频率复用的技术以提高频谱效率。 当小区不断分裂使基站服务区不断缩小,同频复用系数增加时,大量的同频干扰 将取代人为噪声和其它干扰,成为对小区制的主要约束。这时移动无线电环境将 由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比 C/I小于某个特 定值时,就会直接影响到手机的通话质量,严重的就会产生掉话或使手机用户无 法建立正常的呼叫。
(b)、邻频干扰:
所谓邻频干扰,即指干扰台邻频道功率落入接收机通带内造成的干扰。由于 频率规划原因造成的邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道或由于某种 原因致使基站小区的覆盖范围比设计要求范围大,均会引起邻频道干扰。当 邻频信道的载波干扰比 C/I小于某个特定值时,就会直接影响到手机的通话质量, 严重的就会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。
(c) 、互调干扰:
当两个以上 不同频率信号作用于一非线性电路时,将互相调制 ,产生新频率 信号输出,如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内,则构成对该接收机的干 扰,我们称这种干扰为互调干扰。 互调干扰 主要是指数模共站的基站 ,由于模拟基 站发射机的影响,而对数字基站产生的干扰。这种干扰的直接后果是时隙不能使 用,造成基站资源的浪费,也会产生掉话。
(2) 、外来电波的强烈干扰:
由于移动通信是靠空中电波传播的,当空中某些电波对正在使用的电波产生 的干扰达到一定程度时,会使信号噪声比下降到标准值以下(影响通话质量),这 时手机将自动关闭,便出现掉话。这些干扰电波来源非常复杂,是多方面的,例如 工业干扰、 电源火花干扰和其它的邻近电波干扰等,这些干扰是很难完全避免的。 移动通信系统中无线电波传播的特性,决定了其在通信过程中必然受到外界多种 因素的影响,因此,外来电波的干扰是造成移动通信系统干扰的主要原因之一。
二、技术现状:2.1、传统干扰抑制技术
在传统移动通信系统中,相邻小区采用不同频段以抑制小区间干扰
2.1.1、基于软频率复用的小区间干扰协调
软频率复用的核心思想是把小区覆盖范围分为小区中心和小区边缘两种不 重叠的区域,在小区边缘采用和传统2G 系统类似的频率复用策略以降低小区间 干扰,在小区中心采用全频率复用以提高速率。
图1给出了一种典型的实现方案, 小区中心用户可使用整个频谱, 但使用较 小的功率以降低对邻近小区的干扰。 由于其路径损耗较小, 所以降低功率并不影 响其正常使用。对小区的边缘用户,先将整个频带分成3个互不重叠的子频段, 一个小区只使用一个子频段并且相邻小区使用不同的子频段。 由于邻小区边缘用
户使用互不重叠的频段,边缘用户可以使用较大的功率。
该提案简单易行, 通过在系统初始化阶段进行一次频率资源规划再辅以一定 的资源分配算法即可以实现对小区间干扰的抑制,且软频率复用效率比较高。
但它也存在明显的缺点, 一是小区边缘频谱效率不高, 通常只能使用1/3的频谱资源; 二是当OFDM 系统内各小区的负载随着时间的变化而剧烈变化时, 该方法显得很不灵活。 阿尔卡特提出一种改进方案, 该方案的核心是对小区边缘 进行了细分, 将整个可用频段分为7组。 将小区边缘分成6个部分, 每个部分可 用频率为这7组中间的其中一组, 不同小区间的相邻小区边缘采用的频带互不重 叠。 这使得在确保小区间干扰减小的前提下, 小区边缘可用频率相较于华为的提 案显著提高(从1/3提高到6/7)。
具体实现如下:
在该方案中, 每个小区的中心区域使用全段频率以使中心区域容量最大, 而 边缘区域被分为3部分, 每部分又使用不同的频段。 再将整个频段7等分, 分别 与小区中各数字区域部分相对应, 如图。 这样就实现了各相邻数字区域之间频率 的交错,避免了相邻小区间的同频干扰。
该方案虽然大大提高了SINR值, 但这是以频谱利用率作为代价, 系统容量并 未得到提高反而下降,如图3。
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由于 OFDM 系统小区内子载波严格正交,很好地避免了小区内的同频干扰, 因此, 在某小区边缘区域可以采取由该小区3个数字区域部分的频率之和。 A 小 区的数字2区域可以采用频段为4和5的频率, 因为小区内的同频干扰已经被正 交子载波消除, 因此, A 小区边80缘区域就可以共用 2、 4、 5频段的频率资源, 占整个频率带宽的3/7,频谱利用率得以提高,系统容量也必然提高,如图4。
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这种方案虽然可行, 但是必须使用有效的资源调度方法进行控制。 当A 小区 的数字2部分调用频段为4的频率资源,而E 小区的数字6部分也调用频段为4的频率资源,这样,由于两数字区域距离相距太小,小区间的同频干扰较大,误 码率会急剧上升,严重影响系统性能,甚至无法保证最低通信质量要求。 资源调度方法就是用来杜绝相邻两数字区域使用同一频率造成干扰过大的 情况发生。 由于用户数和业务量往往都是随机的, 很少会出现多个相邻小区同时 达到资源短缺的情况, 因此可以通过一定的资源调度方法让资源紧张的小区边缘 区域调用同小区的其他频率资源, 而与该小区较近的邻小区不允许再调用该频率 资源。 A 小区的数字2区域已调用频段4的频率, 那么小区 E的数字 6、 7区域 就不能再调用频段为4的频率, 从而避免小区间同频干扰过大。 同样, 如果A 小 区数字4区域已调用频段5的频率资源,那么小区G 的数字3、6区域就不能调 用5频段频率。这样,A 小区的数字4边缘区域就可占用整个频段的3/7,系统 容量得以提升, 满足更多用户的需求; 而G 小区的数字3和6边缘区域不能再调 用频段5, 但仍可互相调用, 所占频率也能达到整个频段的2/7, 不会导致系统容 量下降过大。 如果不采用资源调度算法, 频率复用因子为7的软频率复用方案中 各小区中每个数字区域的可用频率为整个频段的1/7, 虽然其SINR 值相对于频率 复用因子为3的软频率复用方案有较明显提高, 但是对于小区边缘区域容量却有 较大的降低。
采用合理的资源调度算法,不仅可以明显增大SINR 值,也可使各小区边缘
部分的可用频率达到3/7,这样小区边缘区域的容量相对频率复用因子为3的软 频率复用方案就有较大105提升,如图4所示。
2.1.2、 结论
本文给出了一种频率复用因子为7的软频率复用方案来抑制小区间干扰, 相 对较常用的频率复用因子为3的软频率复用方案, 该方案在小区边缘区域部分获 得了更高的用户峰值速率,使整个系统容量得到提升。
软频率复用基本不需要在基站间交换信息, 优点是计算复杂度低, 信令开销 也很低, 具有较高的可行性。 但软频率复用使得小区边缘只能使用部分频谱资源, 吞吐量受影响, 难以实现高速率传输 ,这是软频率复用技术的根本缺陷。
2.2、 CDMA 系统中常用的干扰抑制技术
2.2.1、功率控制
在CDMA系统中, 功率控制是无线资源管理的核心技术之一, 它对于克服“远 近效应” 、减小小区间干扰、增加系统容量和提高系统性能具有重要作用。 在移动通信的上行链路中, 如果小区内的所有用户均以相同功率发射, 则靠 近基站移动台到达的信号强, 远离基站移动台到达的信号弱, 导致强信号掩盖弱 信号的“远近效应” 。CDMA是同一小区内多个用户同一时刻共同使用同一频率的 系统,因此“远近效应”更加突出。为了克服CDMA系统的“远近效应” ,应对移 动台进行功率控制。 在下行链路中, 位于小区边缘的移动台受其它相邻小区的干 扰,导致接收信号恶化,产生“边缘效应” ,为了克服这种效应,也需要对基站实 行功率控制。功率控制技术可补偿传输损耗、解决“远近效应”和“边缘效应” 问题、 增加系统容量和提高系统性能, 从而更好地发挥第三代移动通信系统的优 势。按照不同的分类标准,功率控制技术可分为不同的类型。
(1) 、按通信的上下行链路方向,功率控制可分为:
(a) 、上行链路功率控制:
它又称反向功率控制, 用于控制移动台的发射功率, 保证基站收到各个移动 台发射的信号功率或信噪比(SNR)基本相等,这样既能有效克服“远近效应” , 又能使移动台在满足自身服务质量 (Qos) 要求的情况下, 尽可能降低发射功率, 从而延长移动台的电池寿命。
(b) 、下行链路功率控制:
它又称前向功率控制,用于控制基站的发射功率,使所有移动台收到的基 站发射信号功率或信噪比基本相等,从而克服“角效应” ,并可使基站的平均发 射功率减小,有效降低小区间干扰。
(2) 、集中式和分布式功率控制
(a) 、集中式功率控制
它是指在网络端进行功率控制, 根据接收端接收的信号功率和各条链路的增 益整体, 调整发射端的发射功率。 在已发表的论文中, 对集中式功控作过分析研 究, 证明它能通过几次迭代, 快速收敛到一个最佳的发射功率向量。 由于集中式 功控需知道所有链路的信息, 会造成很大的时延, 而且计算复杂度很高, 在实际 系统中很难实现,但它可提供功率控制的性能范围。
(b) 、分布式功率控制
它是在接收端进行的功率控制,根据接收端的接收信号功率及其链路增益, 单独调整自身发射功率。 这种方式只需了解接收端自身的局部信息, 算法比较简 单,在实际系统中易于采用。
(3) 、开环功率控制、外环功率控制和内环功率控制
(a) 、开环功率控制
主要用于随机接入过程中。 在移动台准备发起呼叫时, 先接收基站发射的广 播信号, 估计下行链路的衰落情况, 然后把下行链路衰落近似等价为上行链路损 耗进行补偿,再加上一定的安全裕度,作为初始发射功率。
(b) 、外环功率控制
主要功能是适应无线信道的变化情况。 由于服务质量要求是根据误码率或误 块率衡量,外环通过检测接收端的误块率,动态调整内环功控中的目标信噪比, 把功率控制与为用户提供的服务质量直接相关联。
(c) 、内环功率控制
又称快速功率控制,把实时测量的SIR与目标信噪比相比较,产生传输功率 控制(T[C)命令,发射端根据收到的TPC进行功率调整。
2.2.2、扩频技术:
扩频是一种信息处理传输技术。 扩频技术是利用同欲传输数据 (信息) 无关 的码对被传输信号扩展频谱,使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。 扩频信号具有抗干扰,抗多径衰落,低截获概率,码分多址能力,高距离分辨率
和精确定时特性等。
扩频的基本方法有, 直接序列 (DS) 、 跳频 (FH) 、 跳时 (TH) 和线性调频 (Chirp) 等4种,其目前人们所熟知的新一代手机标准CDMA就是直接序列扩频技术的一个 应用。 而跳频、 跳时等技术则主要应用于军事领域, 以避免己方通信信号被敌方 截获或者干扰。
2.2.2.1、工作原理:
在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号, 然后由扩频码发生器产生的 扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。 展宽后的信号再调制到射频发送 出去。 在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端 相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。
由此可见, —般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。 一次调制 为信息调制, 二次调制为扩频调制, 三次调制为射频调制, 以及相应的信息解调、 解扩和射频解调。 与一般通信系统比较, 扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。
2.2.2.2、分类:
按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可以分为:
(a) 、直扩方式:
直接序列扩频工作方式, 简称直扩(DS)方式所谓直接序列扩频, 就是直接用 具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。 而在收端, 用相同的扩频码 序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。 如果采用平衡调制器, 则 调制后的输出为二相相移键控信号,它相当于载波抑制的调幅双边带信号。 (b) 、跳频方式:
另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频所谓跳频, 比较确切的意思是:用一 定码序列进行选择的多频率频移键控。 也就是说, 用扩频码序列去进行频移键控 调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频。
简单的频移键控如2FSK, 只有两个频率, 分别代表传号和空号。 而跳频系统 则有几个、 几十个、 甚至上干个频率、 由所传信息与扩频码的组合去进行选择控 制,不断跳变。
(c) 、跳时方式:
跳变时间工作方式, 简称跳时(TH)方式。 与跳频相似, 跳时是使发射信号在
时间轴上跳变。 首先把时间轴分成许多时片。 在一帧内哪个时片发射信号由扩频 码序列去进行控制。 可以把跳时理解为:用一定码序列进行选择的多时片的时移 键控。
由于采用了窄得很多的时片去发送信号, 相对说来, 信号的频谱也就展宽了。 在发端, 输入的数据先存储起来, 由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开 关, 经二相或四相调制后再经射频调制后发射。 在收端, 由射频接收机输出的中 频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关, 再经二相或四相 解调器, 送到数据存储器和再定时后输出数据。 只要收发两端在时间上严格同步 进行,就能正确地恢复原始数据。
(d) 、Chirp方式:
宽带线性调频工作方式,简称Chirp方式。
这种扩频调制方式主要用在雷达中,但在通信中也有应用。发端有一锯齿 波去调制压控振荡器, 从而产生线性调频脉冲。 它和扫频信号发生器产生的信号 一样。 在收端, 线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩, 把能量集中在一个很 短的时间内输出, 从而提高了信噪比, 获得了处理增益。 匹配滤波器可采用色散 延迟线, 它是一个存储和累加器件。 其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。 如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出, 则匹配滤波器起到了脉冲 压缩和能量集中的作用。 匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘 积的函数。一般,线性调频在通信中很少应用。
2.2.2.3、优势:
(1) 、抗干扰能力
强扩频通信系统扩展的频谱越宽, 处理增益越高, 抗干扰能力就越强。
简单
地说,如果信号频谱展宽10倍,那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰, 分散了干扰功率,从而在总功率不变的条件下,其干扰强度只有原来的1/10。 另外, 由于接收端采用扩频码序列进行相关检测, 空中即使有同类信号进行 干扰, 如果不能检测出有用信号的码序列, 干扰也起不了太大作用, 因此抗干扰 性能强是扩频通信的最突出的优点。
(2) 、码分多址能力强
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制, 充分利用各种不同码型扩频序 列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩, 则在分配给不同用户不同码型的情况下, 系统可以区分不同用户的信号, 这样在 同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
(3) 、高速可扩展能力强
由于独占信道且码分多址,所以速率很高。由于在IEEE802.11标准中,11位随机码元中只有1位用来传输数据,因此吞吐量的扩展能力强。相对于通用标 准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术,增强型采用了直序/脉冲位置调制 (DS/PPM)技术。PPM技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据,这就使传输 率产生了飞跃。
2.2.2.4、应用前景:
扩频信号是用扩展随机序列——伪随机码调制射频信号或不断跳跃的载波 信号频率而得到的, 这样, 扩频系统不同于传统通信系统, 它可以极大限度地共 享相同的频道资源。 每套系统都具有与众不同的扩展序列来减少来自其他设备的 干扰, 只有具有与发射者相同扩展序列的接收者才可以重组或压缩扩频传输信号 来获得其中加载的有效信息。 即使是多套扩频设备使用同一个频道在同一地区进 行信号传输, 只要采用不同的扩频序列, 就不会相互干扰。 扩频系统这一频道复 用的优势,使其成为在大城市频谱资源十分拥挤的环境下最理想的选择。 扩频通信作为一种成熟的高科技技术,可应用于:(1)地僻人稀的农村及 通信不发达地区;(2)有线基建已饱和的繁华市区;(3)因业务要求骤增而有线 基建滞后的新建社区; (4)用户主干/备份通信网络,以弥补邮电公众网络的不 足。
2.3基于多小区载波、功率联合分配的干扰协调技术 软频率复用可以认为是将OFDM 系统整个频带分为多个子频段,确定各子频
段功率, 然后为每个用户指定所使用的频段, 在频段中为用户分配子载波。 因此, 针对软频率复用缺陷的改进方法是直接为用户分配载波和功率。在多小区载波、 功率联合分配中, 一般假设各用户的信道状况已知, 并且当一个子载波分配之后, 对其他小区同一载波形成的干扰可以计算得到。 多小区载波、 功率联合分配一般 可以用约束优化问题建模, 根据优化目标的不同, 目前的研究可大概分为两类, 第一类的目标是在最大发送功率受限和满足用户公平性条件下, 通过子载波和功 率的最优分配使系统吞吐量达到最大[7~8]; 第二类的目标是在满足用户传输速 率的条件下,通过子载波的最优分配使总的传输功率最小。
载波和功率的联合分配在具体实施上可以分为集中式和分布式两种形式。 集中式资源分配方案假设网络中存在包含全局网络信息的设备(如RNC) , 该设 备根据所有用户的信道信息和相互干扰统筹载波和功率的分配。 集中式资源分配 方案的缺陷是所有计算都集中到了一个网元设备上, 计算量大, 复杂度高。 为了 使方案更具实用性, 一般需要对问题模型进行简化, 参考文献[11]对载波分配进 行了简化,假设每个用户分配的载波数相同。简化方案以
一定性能下降为代价显著降低了复杂度。
分布式资源分配方案是指载波分配发生在只有网络局部信息的网元设备, 如基站。 基站独立操作, 同时通过基站之间交换信息实现全局的优化。 参考文献 [12]提出了一种基于最大化吞吐量准则的分布式功率分配算法。 首先针对单载波 在每个小区计算关闭该载波对整体系统吞吐量的影响, 以此决定该载波在本小区 是否分配, 然后并行应用于多载波的情形。 但该算法没有考虑到用户的公平性问 题。参考文献[13]同样通过子载波对整体吞吐量的贡献来
判断是否在小区内选择该载波。 算法同时还加入了用户权重, 使用户的公平性在 一定程度上得到了保证, 收敛速度也较快。 总体而言, 分布式资源分配的收敛性 分析是个很困难的问题。 很难保证算法能收敛到全局最优解, 并且分布式方案的 分配结果会存在波动现象,收敛速度较慢。
2.4、基于交织多址的干扰随机化和干扰消除
交织多址(interleave-divisionmultiple access,IDMA)技术是码分多 址技术的一种特例 (可以认为是扩频因子为1时的码分多址) [14~15], 因此IDMA 继承了码分多址技术抗多径衰落、抗多用户干扰等诸多特性。IDMA 系统的实现 如图2所示。 IDMA 技术的核心是在不同小区使用不同的伪随机交织器, 通过伪 随机交织器产生不同的交织图案,并分配给不同的小区, 接收机采用不同的交 织图案解交织, 即可将目标信号和干扰信号分别解出, 然后在总的接收信号中减
去干扰信号,进而有效地提高接收信号的信干比。
IDMA 技术在LTE 系统的应用体现在两方面:一方面,IDMA 技术对每个基站发 送信号应用不同的交织码, 可作为干扰随机化的手段, 其效果与传统3G 系统的 加扰并无明显差异;另一方面,IDMA 可以采用类似于码分多址系统多用户联合 检测的干扰消除技术, 这种技术是通过将干扰信号解调/解码后, 对该干扰信号 进行重构(reconstruction) ,然后从接收信号中减去。如果能将干扰信号分量 准确减去,剩下的就是有用信号和噪声,是一种更为有效的干扰消除技术。小区 间干扰删除的优势在于, 对小区边缘的频率资源没有限制, 相邻小区即使在小区 边缘也可以使用相同的频率资源, 可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效 率。有研究表明,基于IDMA 的迭代干扰消除技术可以使小区边缘吞吐量(即5% CDF 吞吐量) 获得50%的性能增益; 在小区平均吞吐量方面, 也有5%的性能增益。 由于需要完全解调甚至解码干扰信号,IDMA 对系统的设计如资源块分配、 信道估计、同步、信令等提出了更高要求或带来了更多限制 。因此,LTE Release 8中没有采用IDMA 的干扰消除, 而仅作为一种干扰随机化技术,但是, IDMA 干 扰消除技术的优越性能仍然吸引了很多研究者的注意, 在LTE 的演进版本中有持 续的论。
2.5、基于协作调度的干扰抑制技术
LTE-Advanced 系统提出了多点协作传输技术(coordinatedmultipoint transmission/reception, CoMP) , 因其能有效改善小区边缘用户性能, 提高系 统吞吐量, 在近年来引起了业界的广泛关注和研究, 成为LTE 小区间干扰抑制技 术的新研究方向。
多点协作传输技术是对传统单基站MIMO 技术的一个补充和扩展,若干小区 的基站使用光纤或电缆连接, 通过基站间协作传输来达到减少小区间干扰、 提高 系统容量、 改善小区边缘覆盖的目的。 目前, 多点协作传输技术分为多点联合处 理和多点协调调度两大类, 分别适用于不同的应用场景, 互相之间不能完全取代。 (1)多点联合处理技术
多点联合处理,即多个协作节点(基站)之间通过共享数据及信道信息、调度信 息等, 联合为目标用户提供服务。其基本原理如图3所示,位于小区边缘的用 户同时被小区1、 小区2服务。 在采用多小区联合处理的系统中, 每个基站都可 以看作是虚拟天线, 与用户形成虚拟MIMO 系统, 使用多个基站为一个或多个用 户服务。 此技术可以把相邻小区干扰信号转换为有用信号, 从而消除相邻小区干
扰,提高小区边缘用户的信号质量。
多小区联合发送虽然可以得到较大的增益, 但 是要在实际系统中实现仍然具有一 定的难度:首先参与联合发送的各个基站都需要获得所有用户的数据包, 在用户 速率较高时会要求基站之间的支撑网络具有较大的容量; 另外,在用户端对来 自于多个基站的信号进行时间和频率的同步也比较困难。
(2)多点协调调度技术
多点协调调度, 即用户数据通过用户所在的服务小区传输, 在相邻节点 (基 站)之间交互调度信息、协同调度,用以避免小区间干扰。此技术类似于干扰协 调、干扰随机化的思想,通常集中在和多天线波束成形相结合的解决方案上。
在多天线蜂窝通信系统中, 波束成形是一种实现复杂度较低的发送方案, 通 过使用与用户信道相匹配的发送波束, 可以优化信号功率的利用, 提高服务质量, 但由于发送波束具有手电筒特性, 可能会对相邻小区所服务的用户造成较大的干 扰。 因此, 将多点协调调度技术与波束成形结合起来, 即通过相邻小区间的X2接 口交换调度信息, 使每个小区选择使小区吞吐量总和最大或小区间干扰最小的波 束, 而不是仅仅考虑本小区的吞吐量, 这样即可有效避免波束成形可能带来的干 扰。 其实现方式如图4所示, 当相邻基站同时选择波束RS1或RS2时, 可最大限 度地降低干扰。 由于波束成形调度技术需根据小区实时用户分布情况来确定波束 类型, 设备昂贵且计算复杂, 目前许多提案对此进行简化, 普遍做法是假设小区 内波束的类型(如发射方向、覆盖范围等)是事先确定的,小区间协作调度只需
考虑某个时隙使用哪个波束,而不用考虑波束的类型。
波束协作调度实现复杂度低, 只需在相邻干扰小区间交换用户信息, 实用性 较好, 更重要的是, 波束协作调度与其他干扰抑制技术可以同时使用, 现有波束 协作调度没有考虑波束功率的协作控制, 预计引入波束功率协作控制后, 波束协 作调度可弥补软频率复用的缺陷。
三、技术演进:
抑制MIMO蜂窝系统中小区间干扰的多基站联合处理研究进展如下:
MIMO技术在解决容量和传输速率方面的优势无与伦比是新一代移动通信系 统的关键技术。在MIMO系统多小区组网情况下
重要的理论与应用价值.但是
如何在多小区环境更好地利用MIMO技术降低小区间干扰或其它小区干扰十 分关键。 已有的MIMO系统中降低小区间干扰的方案主要包括:传统方法, 联合检 测,干扰抵消(包括基于IDMA的软干扰抵消) ,宏分集,信道资源调度,分布式 天线, 干扰随机化, 波束成型, 预编码/联合传输等,其主要技术特点总结如表1:
效地降低小区间干扰或其它
小区干扰
大量交换信息,频谱有效性低
信道资源调度 通过实时地动态分配相邻小 区间信道资源回避其它小区 干扰。一般在高层实现,可以 与物理层方案结合效果更佳 实时性要求高,需要对信道占 用、负载、干扰水平、Qos等进 行测量,小区间需要大量交换信 息,各种调度依据参数会因应用 场景而不同,如何设置其门限很 困难
分布式天线 具有较低的传输功率, 减少了 小区间干扰。 有较好的小区覆 盖 需要发展新的网络结构,在城区 部署困难且建网需要大的投资
干扰随机化 包括加扰、 小区特定交织等方 法,将小区间干扰随机化为 “白噪声” 只能将小区间干扰白化,并不能 消除干扰
波束成型 通过波束成型得到一个指向 用户的窄波束, 只有相邻小区 的波束发生碰撞才会造成干 扰 波束成型需要附加的方向角估 计,另外,波束成型的天线阵列 配置与基于容量最大化的MIMO 不一致
预 编 码 /联 合 传输 通过多小区基站联合预编码/
联合传输,理论上可以获得最
佳性能,频谱有效性高,适合
下行链路采用
传输端需要信道信息,小区间同 步要求高,小区间需要大量交换 信息,基站处理复杂度高
四、结论或结束语
上述的小区间干扰抑制技术中,软频率复用和波束协作调度有较高的实用 性, 也是目前在业界可能会首先得到应用的技术。 软频率复用基本不需要在基站 间交换信息,计算复杂度低,具有较高的可行性。目前,3GPP 干扰抑制提案中 很大部分基于软频率复用技术, 研究较成熟, 但软频率复用使得小区边缘只能使 用部分频谱资源, 吞吐量受影响, 这是软频率复用技术的根本缺陷。 波束协作调 度实现复杂度低, 只需在相邻干扰小区间交换用户信息, 实用性较好, 更重要的 是, 波束协作调度与其他干扰抑制技术可以同时使用, 现有波束协作调度没有考 虑波束功率的协作控制, 预计引入波束功率协作控制后, 波束协作调度可弥补软 频率复用的缺陷。
理论上多小区载波、 功率联合分配可以实现比软频率复用更优秀的性能, 但 集中式分配由于需要大量计算资源并且不符合未来网络扁平化架构的发展趋势, 实用性较差。 现有3GPP 提案以分布式分配为主, 但如何在性能和复杂度之间取 得较好的折中, 仍是有待解决的问题, 另外, 现有分布式分配方法普遍缺乏性能 分析,因此,在不同网络状态下的性能稳定性仍有待研究。
基于IDMA 的干扰消除和基站协作通信为小区间干扰抑制带来全新思路,并 且可以和其他技术, 如多小区载波、 功率联合分配同时使用, 但是现有的方法尚 未成熟。如现有IDMA 干扰消除技术使用迭代求解,要求用户端有强大的计算资 源, 并且知道附近多个基站的交织码, 这在实际中往往是不可能得到的。 我们预 计低复杂度干扰消除技术,如线性干扰消除是未来小区间干扰消除的研究热点。 小区间干扰是制约LTE 系统性能的重要因素,干扰协调和干扰消除是两种 实现干扰抑制最主要的方式,未来的系统极有可能是两者同时使用, 但目前仍 没有公认的、成熟的技术,即使在LTE-Advanced 系统中,也很难有确定的实施 方案, 预计LTE 小区间干扰在未来几年将仍是业界关注的重点。
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