LTE小区间干扰抑制技术的介绍及其比较

 LTE小区间干扰抑制技术的介绍及其比较


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(3GLTE)。 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。
1　LTE简介
LTE填补了第三代移动通信和第四代移动通信之问的巨大技术差距，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人架构。LTE系统期望在20 MHz的带宽上达到 100 Mbit／s的下行传输速率，50 Mbit／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，采用了如多输人多输出(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0FDM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。0FDMA的接人方式与码分多址(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0FDMA的接人方式，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l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。

图1小区专属加扰

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。

图2小区专属交织

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0FDMA的接人方式，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(M1— MO)的研究中已经被广泛采用。
b)基于检N／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技术介绍及比较噪比。
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0FDMA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

图3软频率复用示意图

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VolP)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 这种特定的接人方式，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3GLTE系统的性能，特别是提高小区边缘用户的性能。
参考文献
1 3GPP TR 25.814 v7.1.0(2006—09).Physical Layer Aspects for E- volved Universal Terrestrial Radio Access v7.1.0，2006
2 3GPP R1-050841.Further Analysis of Soft Frequency Reuse Scheme
3 3GPP Rl—051059 Inter—Cell Interference Mitigation for EURTA， TSG RAN WG1
4 3GPP Rl—060237.Interference cancellatfon for LTE＆TP for TR 25.814
5 3GPPRl—050405.Inter—cell interference estimation for OFDMA and MC—CDMA on the DL.France Telecom＆Orange
6 3GPP Rl—050507.Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE