LTE小區間干擾抑制技術分析

陳曉冬，熊尚坤，王慶揚

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

3G LTE (long term evolution)提出的初衷是為了彌補3G和4G之間的巨大性能落差，由3GPP組織技術論證[1]。從2004年12月開始可行性論證到2008年12月標準凍結發布3GPP Release 8，LTE系統在經過嚴謹的技術論證后，已不能簡單地看成是3G系統的演進，更像是一個全新的通信系統。LTE系統的設計框架與3G系統有著本質區別，如LTE徹底拋棄碼分多址，采用正交頻分復用（OFDM）作為多址技術。同時，LTE采用全新的空中接口設計和全IP網絡架構。LTE的系統架構更接近人們對下一代移動通信系統的展望，被當做移動通信系統未來演進的基礎，如3GPP的Release 9、Release 10版本都是基于 LTE的系統架構。

在傳輸速率方面，LTE最初設定的指標是下行峰值速率100 Mbit/s，上行50 Mbit/s。最新LTE設備可以達到下行 300 Mbit/s，上行 80 Mbit/s。LTE的演進版本：LTE-Advanced（3GPP Release 10）提出的指標是下行峰值速率1 Gbit/s，上行峰值速率100 Mbit/s?？梢哉f，LTE使得移動通信系統首次具有與有線接入相同數量級的傳輸速率，對移動通信數據業務的開展具有重大意義。LTE系統如此高的傳輸速率首先有賴于無線通信技術的發展，采用最新技術可以使得調制效率達到 10～20 bit/（s·Hz）。其次，LTE采用“全頻率復用”的新技術。在傳統移動通信系統中，相鄰小區采用不同頻段以抑制小區間干擾。在LTE系統中，為了實現高速率，用戶有可能使用所有頻譜，即每個小區都有可能使用所有頻譜資源，這種方式稱為“全頻率復用”。因此，LTE、LTE-Advanced系統中相鄰小區可能存在重疊頻段，小區間干擾抑制是一個關鍵問題。在LTE的相關標準文檔中，沒有定義具體的小區間干擾抑制技術，而是由設備商自己定義。為了避免知識產權問題，很多設備商提出自己的干擾抑制方案，學術界也進入了這一領域的研究，使得LTE小區間干擾抑制成為當前的研究熱點，本文的目的是對不同干擾抑制方案進行分類，并對不同方案從復雜度、實用性等方面進行綜合評述。

2 基于軟頻率復用的小區間干擾協調

軟頻率復用的核心思想是把小區覆蓋范圍分為小區中心和小區邊緣兩種不重疊的區域，在小區邊緣采用和傳統2G系統類似的頻率復用策略以降低小區間干擾，在小區中心采用全頻率復用以提高速率。圖1給出了一種典型的實現方案[2～3]，小區中心用戶可使用整個頻譜，但使用較小的功率以降低對鄰近小區的干擾。由于其路徑損耗較小,所以降低功率并不影響其正常使用。對小區的邊緣用戶，先將整個頻帶分成3個互不重疊的子頻段，一個小區只使用一個子頻段并且相鄰小區使用不同的子頻段。由于相鄰小區邊緣用戶使用互不重疊的頻段，邊緣用戶可以使用較大的功率。

該提案簡單易行，通過在系統初始化階段進行一次頻率資源規劃再輔以一定的資源分配算法即可以實現對小區間干擾的抑制，且軟頻率復用效率比較高。但它也存在明顯的缺點，一是小區邊緣頻譜效率不高,通常只能使用1/3的頻譜資源；二是當OFDM系統內各小區的負載隨著時間的變化而劇烈變化時，該方法顯得很不靈活。阿爾卡特提出一種改進方案[4]，該方案的核心是對小區邊緣進行了細分，將整個可用頻段分為7組。將小區邊緣分成6個部分，每個部分可用頻率為這7組中間的其中一組，不同小區間的相鄰小區邊緣采用的頻帶互不重疊。這使得在確保小區間干擾減小的前提下,小區邊緣可用頻率相較于華為的提案顯著提高(從1/3提高到6/7)。

上述方案使用固定的頻段劃分，稱為靜態干擾協調，其主要缺陷是不能靈活應對負載隨時間的變化。改進的方向是采用動態調整，Siemens[5]提出的改進方案將整個可用頻段分為N個子帶,其中X個子帶用于小區邊緣,N-3X用于小區內部。數字“X”可根據小區邊緣用戶負載情況而變化。通過調整X的大小,可實現不同的頻率復用度。該方案對小區間的負載變化未予以考慮。另外一種改進方案是在小區邊緣不采用固定的1/3頻帶,而是根據鄰近小區間邊緣負載的不同進行調整[6]。當某個小區邊緣用戶較少時,其可用頻率將少于1/3,而同時其鄰近的小區邊緣負載較重時,則鄰近小區的邊緣可用頻率將超過1/3。如所有小區邊緣用戶負載都較重時，則各個小區邊緣可用頻率都為 1/3。

總而言之，基于軟頻率復用的干擾協調方法，復雜度低，信令開銷也很低，具有較好的實用性，但頻譜利用效率仍有提升的空間，如小區邊緣用戶始終只能在部分頻段中分配頻譜資源，難以實現高速率傳輸。

3 基于多小區載波、功率聯合分配的干擾協調技術

軟頻率復用可以認為是將OFDM系統整個頻帶分為多個子頻段，確定各子頻段功率，然后為每個用戶指定所使用的頻段，在頻段中為用戶分配子載波。因此，針對軟頻率復用缺陷的改進方法是直接為用戶分配載波和功率。在多小區載波、功率聯合分配中，一般假設各用戶的信道狀況已知，并且當一個子載波分配之后，對其他小區同一載波形成的干擾可以計算得到。多小區載波、功率聯合分配一般可以用約束優化問題建模，根據優化目標的不同，目前的研究可大概分為兩類，第一類的目標是在最大發送功率受限和滿足用戶公平性條件下，通過子載波和功率的最優分配使系統吞吐量達到最大[7～8]；第二類的目標是在滿足用戶傳輸速率的條件下，通過子載波的最優分配使總的傳輸 功 率 最 小[9～10]。

載波和功率的聯合分配在具體實施上可以分為集中式和分布式兩種形式。集中式資源分配方案假設網絡中存在包含全局網絡信息的設備 （如RNC），該設備根據所有用戶的信道信息和相互干擾統籌載波和功率的分配。集中式資源分配方案的缺陷是所有計算都集中到了一個網元設備上，計算量大，復雜度高。為了使方案更具實用性，一般需要對問題模型進行簡化，參考文獻[11]對載波分配進行了簡化，假設每個用戶分配的載波數相同。簡化方案以一定性能下降為代價顯著降低了復雜度。

分布式資源分配方案是指載波分配發生在只有網絡局部信息的網元設備，如基站。基站獨立操作，同時通過基站之間交換信息實現全局的優化。參考文獻[12]提出了一種基于最大化吞吐量準則的分布式功率分配算法。首先針對單載波在每個小區計算關閉該載波對整體系統吞吐量的影響，以此決定該載波在本小區是否分配，然后并行應用于多載波的情形。但該算法沒有考慮到用戶的公平性問題。參考文獻[13]同樣通過子載波對整體吞吐量的貢獻來判斷是否在小區內選擇該載波。算法同時還加入了用戶權重，使用戶的公平性在一定程度上得到了保證，收斂速度也較快?？傮w而言，分布式資源分配的收斂性分析是個很困難的問題。很難保證算法能收斂到全局最優解，并且分布式方案的分配結果會存在波動現象，收斂速度較慢[7～8]。

4 基于交織多址的干擾隨機化和干擾消除

交織多址（interleave-division multiple access，IDMA）技術是碼分多址技術的一種特例（可以認為是擴頻因子為1時的碼分多址）[14～15]，因此IDMA繼承了碼分多址技術抗多徑衰落、抗多用戶干擾等諸多特性。IDMA系統的實現如圖2所示。IDMA技術的核心是在不同小區使用不同的偽隨機交織器，通過偽隨機交織器產生不同的交織圖案，并分配給不同的小區，接收機采用不同的交織圖案解交織，即可將目標信號和干擾信號分別解出，然后在總的接收信號中減去干擾信號，進而有效地提高接收信號的信干比。

IDMA技術在LTE系統的應用體現在兩方面：一方面，IDMA技術對每個基站發送信號應用不同的交織碼，可作為干擾隨機化的手段，其效果與傳統3G系統的加擾并無明顯差異；另一方面，IDMA可以采用類似于碼分多址系統多用戶聯合檢測的干擾消除技術，這種技術是通過將干擾信號解調/解碼后，對該干擾信號進行重構（reconstruction），然后從接收信號中減去。如果能將干擾信號分量準確減去，剩下的就是有用信號和噪聲,是一種更為有效的干擾消除技術。小區間干擾刪除的優勢在于，對小區邊緣的頻率資源沒有限制，相鄰小區即使在小區邊緣也可以使用相同的頻率資源，可以獲得更高的小區邊緣頻譜效率和總頻譜效率。有研究表明，基于IDMA的迭代干擾消除技術可以使小區邊緣吞吐量 （即5%CDF吞吐量）獲得50%的性能增益；在小區平均吞吐量方面，也有5%的性能增益[16]。

由于需要完全解調甚至解碼干擾信號，IDMA對系統的設計如資源塊分配、信道估計、同步、信令等提出了更高要求或帶來了更多限制。因此,LTE Release 8中沒有采用IDMA的干擾消除，而僅作為一種干擾隨機化技術，但是，IDMA干擾消除技術的優越性能仍然吸引了很多研究者的注意，在LTE的演進版本中有持續的論證[17～19]。

5 基于協作調度的干擾抑制技術

LTE-Advanced系統提出了多點協作傳輸技術[20，21]（coordinated multipoint transmission/reception，CoMP），因其能有效改善小區邊緣用戶性能，提高系統吞吐量，在近年來引起了業界的廣泛關注和研究，成為LTE小區間干擾抑制技術的新研究方向。

多點協作傳輸技術是對傳統單基站MIMO技術的一個補充和擴展，若干小區的基站使用光纖或電纜連接，通過基站間協作傳輸來達到減少小區間干擾、提高系統容量、改善小區邊緣覆蓋的目的。目前，多點協作傳輸技術分為多點聯合處理和多點協調調度兩大類，分別適用于不同的應用場景，互相之間不能完全取代。

（1）多點聯合處理技術

多點聯合處理，即多個協作節點（基站）之間通過共享數據及信道信息、調度信息等，聯合為目標用戶提供服務。其基本原理如圖3所示，位于小區邊緣的用戶同時被小區1、小區2服務。在采用多小區聯合處理的系統中，每個基站都可以看作是虛擬天線，與用戶形成虛擬MIMO系統，使用多個基站為一個或多個用戶服務。此技術可以把相鄰小區干擾信號轉換為有用信號，從而消除相鄰小區干擾，提高小區邊緣用戶的信號質量[22～24]。

多小區聯合發送雖然可以得到較大的增益，但是要在實際系統中實現仍然具有一定的難度：首先參與聯合發送的各個基站都需要獲得所有用戶的數據包，在用戶速率較高時會要求基站之間的支撐網絡具有較大的容量；另外，在用戶端對來自于多個基站的信號進行時間和頻率的同步也比較困難。

（2）多點協調調度技術

多點協調調度，即用戶數據通過用戶所在的服務小區傳輸，在相鄰節點（基站）之間交互調度信息、協同調度，用以避免小區間干擾。此技術類似于干擾協調、干擾隨機化的思想，通常集中在和多天線波束成形相結合的解決方案上。

在多天線蜂窩通信系統中，波束成形是一種實現復雜度較低的發送方案，通過使用與用戶信道相匹配的發送波束，可以優化信號功率的利用，提高服務質量，但由于發送波束具有手電筒特性，可能會對相鄰小區所服務的用戶造成較大的干擾。因此，將多點協調調度技術與波束成形結合起來，即通過相鄰小區間的X2接口交換調度信息，使每個小區選擇使小區吞吐量總和最大或小區間干擾最小的波束，而不是僅僅考慮本小區的吞吐量，這樣即可有效避免波束成形可能帶來的干擾[25，26]。其實現方式如圖4所示[27]，當相鄰基站同時選擇波束RS1或RS2時，可最大限度地降低干擾。由于波束成形調度技術需根據小區實時用戶分布情況來確定波束類型，設備昂貴且計算復雜，目前許多提案[27～29]對此進行簡化，普遍做法是假設小區內波束的類型（如發射方向、覆蓋范圍等）是事先確定的，小區間協作調度只需考慮某個時隙使用哪個波束，而不用考慮波束的類型。

6 小區間干擾抑制的應用和研究趨勢

上述的小區間干擾抑制技術中，軟頻率復用和波束協作調度有較高的實用性，也是目前在業界可能會首先得到應用的技術。軟頻率復用基本不需要在基站間交換信息，計算復雜度低，具有較高的可行性。目前，3GPP干擾抑制提案中很大部分基于軟頻率復用技術，研究較成熟，但軟頻率復用使得小區邊緣只能使用部分頻譜資源，吞吐量受影響，這是軟頻率復用技術的根本缺陷。波束協作調度實現復雜度低，只需在相鄰干擾小區間交換用戶信息，實用性較好，更重要的是，波束協作調度與其他干擾抑制技術可以同時使用，現有波束協作調度沒有考慮波束功率的協作控制，預計引入波束功率協作控制后，波束協作調度可彌補軟頻率復用的缺陷。

理論上多小區載波、功率聯合分配可以實現比軟頻率復用更優秀的性能，但集中式分配由于需要大量計算資源并且不符合未來網絡扁平化架構的發展趨勢，實用性較差?，F有3GPP提案以分布式分配為主，但如何在性能和復雜度之間取得較好的折中，仍是有待解決的問題，另外，現有分布式分配方法普遍缺乏性能分析，因此，在不同網絡狀態下的性能穩定性仍有待研究。

基于IDMA的干擾消除和基站協作通信為小區間干擾抑制帶來全新思路，并且可以和其他技術，如多小區載波、功率聯合分配同時使用，但是現有的方法尚未成熟。如現有IDMA干擾消除技術使用迭代求解，要求用戶端有強大的計算資源，并且知道附近多個基站的交織碼，這在實際中往往是不可能得到的。我們預計低復雜度干擾消除技術，如線性干擾消除是未來小區間干擾消除的研究熱點。

7 結束語

小區間干擾是制約LTE系統性能的重要因素，干擾協調和干擾消除是兩種實現干擾抑制最主要的方式，未來的系統極有可能是兩者同時使用，但目前仍沒有公認的、成熟的技術，即使在LTE-Advanced系統中，也很難有確定的實施方案，我們預計LTE小區間干擾在未來幾年將仍是業界關注的重點。

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