TD-LTE系统频率复用仿真分析

摘 要：主要根据小区间干扰协调的原理，分别从上行和下行的角度探讨ICIC的三种实现方式和各自的应用效果,分析LTE系统所采用的技术和OFDM的技术特点，说明了频率复用对于LTE系统的重要性。从干扰协调的角度对干扰与容量损失的关系、干扰余量的取定等做了定量的分析和计算，并给出了干扰协调设计要点的总结。给出了针对于不同频率复用系数下SINR的计算方法。实验表明，该分析具有一定的现实意义。

关键词：LTE 频率复用; 干扰协调; 小区干扰; OFDM

中图分类号：TN911-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)21-0075-04

Simulation Analysis of Frequency Reuse in TD-LTE System

MA Hong-tao

(Xi’an Wei Guang Technology Co. Ltd., Xi’an 710065, China)

Abstract：

According to the principle of ICIC, three methods and application effect of ICIC are discussed.The technical characteristics of OFDM are analyzed, and the importance of frequency reuse for the LTE system is elaborated. A quantitative analysis and calculation are performed on the relationship between interference and loss of capacity and interference margin by Interfere coordination, a summary of ICIC design is put forward, and calculation methods of SINR under different frequency reuse factor are proposed.

Keywords： LTEfrequency reuse;interference coordination;ICIC; OFDM

0 引 言

同频组网是TD-LTE提升频谱效率的关键，但TD-LTE同频组网存在小区间同频干扰。因此，如何解决同频组网的小区间干扰，是TD-LTE研究的热点。子载波之间的正交特性是OFDM技术的一个非常重要的特性，因为这会抵消小区内部的干扰。然而移动网络的实际部署都是多小区环境的，在这种情况下，小区之间的干扰(ICI)始终存在，而且会对网络性能产生了严重的负面影响。更加准确的讲，当相同的频率资源被相邻的小区复用时，基于OFDM技术的LTE系统就会产生干扰。目前有三种干扰消除技术被广泛地讨论：小区间干扰随机化算法，小区间干扰消除算法和小区间干扰协调算法。由于小区间干扰随机化算法并没有真正地减少干扰，小区间干扰消除算法只能消除主要的特定干扰源，所以在文中将主要分析小区间干扰协调算法。

1 ICIC技术简介及其实现方式

在LTE中，网络结构变得扁平化，在原有3G网络中去掉了RNC，原来RNC中的RRM功能也部分下移至eNode B中了，因此对于小区间干扰调(ICIC)功能将在eNode B中考虑并得以实现。

ICIC即小区间干扰协调，其基本思想是通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理方案。具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制时频资源的使用或在一定的时频资源上限制其发射功率等。

一般而言，ICIC从资源协调方式上可分为部分频率复用(Fractional Frequency Reuse,FFR)、软频率复用(Soft Frequency Reuse,SFR)和全频率复用(Full Frequency Reuse)三类。

(1) 部分频率复用。

将所有频率资源分为4组。对于小区中心的用户，恒定分配固定的1组频段，频率复用因子为1。而对于小区边缘的用户，分配剩余的3组频段，频率复用因子为3，以保证其相邻小区边缘用户所用的频段相互正交。

(2) 软频率复用。

在软频率复用中，所有的频段被分成了2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。它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。

(3) 全频率复用。

所有频点都能在小区的任何位置使用，因此频率复用因子为1。它与部分频率复用和软频率复用对一组连续的PRB采用统一的资源使用但发射功率限制不同，全频率复用对时频资源的使用和发射功率的限制以PRB为单位。

1.1 邻小区干扰

来自不同基站和用户的信号的子载波间没有正交性。小区中心用户使用复用因子为1的频率集合，因为小区中心用户路损很小，需要的发射功率不高，因此会分配较低功率发射;由于小区中心UE距离相邻小区很远，且发射功率很低，因此对相邻小区干扰很小，但是，小区间的干扰余量必须基于链路预算的计算确定。

区分中心和边缘用户的方式是通过测量的RSRP与预先设定的阈值进行比较，低于阈值的用户定义为边缘用户。也可以通过用户对服务小区和干扰小区的路损比值来区分。

合理选取内外环功率差可以达到优化系统性能的目的，但不合理设置内外环功率差将反而使系统性能下降。

1.2 干扰与容量损失

小区间干扰是影响蜂窝网络用户,特别是小区边缘用户吞吐量性能的一个限制因素。对于LTE这种频率复用系数为1的蜂窝系统而言，对小区间干扰的管理和控制显得尤为重要。

因此，eNodeB调度策略，应该包括对小区间的干扰协调，即为了提高可以提供给小区边缘用户的数据速率，eNodeB调度算法中将包括对相邻小区间的干扰的考虑。

举例来说，对于特定时间和频率资源分配，何时应予以资源限制，或是何时给予更高的传输功率，将作为调度算法考虑的因素。

干扰对于一个特定用户获得期望速率的影响是可以被分析出来的。

如果一个用户K没有受到干扰，那么它在子帧f中的RB m所获得的数据传输速率可以表示为：

И

式中：HSK(m.f)是服务小区对用户K的信道增益;PS(m.f)是小区S的传输功率;N0是噪声功率。

如果临区用相同的时隙和频率进行传输，那么，用户K能达到的速率减少为：

И

式中SNR=0 dB。

从上式可以很容易地看到，对于一个干扰等于特定的信号电平级(例如 α ≈ 0 dB)的情况下用户K大约损失的速率，在α ≈ 0 dB 时用户约损失40%的速率。

1.3 干扰余量的取定

(1) 下行干扰余量

下行干扰余量是利用干扰余量作为临小区负荷函数的分析方法获得的，SINR的数值和最大的C/I可以通过对小区边缘用户的分析数据获得。干扰余量定义为：-10 log(1- Load)。负载定义为：

И

Load=10Sinr10×NeighbourCellLoad×10C/IAtCellEdge10

И

从上述公式可以看到，干扰余量是期望的SINR、临区负载和小区边缘C/I关系的函数。

(2) 上行干扰余量

上行干扰余量值通过对不确定性用户分布的模拟仿真确定。目前，可以做到系统级仿真，由于上行干扰的不确定性，确定数学模型非常困难(比如在下行链路)，上行干扰余量是小区负载的函数。

1.4 干扰协调设计要点

当前的ICIC理论是以每个UE的RSRP报告为基础的，这样就导致UE和eNodeB之间有大量的信息交换。减少信令开销是主要关注点，主要有：

(1) 周期报告中的事件触发。ICIC算法开始和结束时的事件触发；通过周期上报来修改ICIC算法中的参数。

(2) 设置合理的门限值。通过切换门限来辅助确定ICIC算法的终止；根据不同的QoS需求调整门限值。

在系统设计时，扩大ICIC区域可以得到良好的性能，缩小ICIC区域可以降低系统负荷。

ICIC网络设计的主要基础如下：

(1) 当频率复用系数为1时，会在小区边缘产生较大的小区间干扰。

(2) 通过加扰和跳频手段使干扰随机化。

(3) 由于OFDMA系统的正交性，小区内部干扰是可以避免的。例如对于PUCCH信道而言，在频域上同一个小区不同UE之间还要采用码分的方式进行复用，UE以不同循环移位的Zadoff-Chu序列来传送。理论上相同的Zadoff-Chu序列的不同循环移位之间是相互正交的，但是实际环境中由于延时扩展和传输带宽的限制，它们在接收端并不是严格的正交。有时还会因为上行功率控制和同步错误而将小区内部干扰被放大。还有一种小区内部的干扰，来自于高速运动导致的多普勒效应中产生的非完全正交性所带来的小区内部干扰。

(4) 过载指示通过X2接口进行交互(承载上行RB级别的干扰信息)；eNode B间通过X2接口来实现ICIC是一种快速干扰协调机制，实际网络中为节省中继传输也可以通过S1接口来实现。

1.5 不同的频率复用系数SINR的计算

子载波按照高功率和低功率块进行分配，相邻小区采用不同的配置，是干扰协调机制的主要原则之一。FFR的频率复用方式就是基于该方式提出的。FFR方法通过将系统带宽分为若干个子集。小区中心用户的频率复用系数设置为1，即小区中心的用户占用整个系统带宽，而位于相邻小区边缘的用户被分配在不同的频率子集中。其中对于小区中心频率子集和小区边缘频率子集的调整可通过高层半静态配置进行。在小区内部区域，复用系数为1，小区边缘用户复用系数大于1。小区边缘用户配置的子载波上使用相对较高的功率谱密度。小区中心区域拥有良好信道条件的用户所配置的子载波则使用相对较低的功率谱密度。通常情况下，小区中心区域用户一般都是带宽受限的，而小区边缘用户是功率受限。下面分上下行链路分别介绍：

1.5.1 下行链路

假设一个路径损耗指数α=3.76，在不考虑背景热噪声的影响以及干扰受限情况下，理论上在小区边缘，相对于复用系数为1，复用系数为3时可带来2倍的性能提高，计算公式如下：

参考3GPP TR25.814 v7.1.0，其仿真算法采用3GPP中按CASE 1仿真的设定条件。主要仿真环境因子包括：非理想信道估计，引入实际情况的各种损耗，多普勒频移引起的干扰和控制信道性能指标的影响。频率复用系数N=1和N=1/3时的C/I分布如图1所示。可以看出，在静态条件下，复用系数为3比复用系数为1的C/I可提供8~10 dB的增益水平。

图1 N=1和N=1/3时的3GPP仿真(CASE 1)结果

从图1可以看出：

(1) 1/1复用,90％覆盖地区载干比在-4.6 dB以上，控制信道可实现1/1复用，业务信道不能实现1/1复用(在QPSK 1/3 MCS格式下，PDSCH解调在最大吞吐率70％条件下的信噪比要求为-2.3 dB左右，接近1/1复用的-4.6 dB的要求)。

(2) 1/3复用,90％覆盖地区载干比在5 dB以上，业务信道的解调性能大大提升。

(3) 应用ICIC技术，小区边缘的CINR将得到较大的提高，可以实现1/1复用。

1.5.2 上行链路

1/3复用时如下：

依据PUSCH解调信噪比需求表中可以得出:

对于2T2R基站，PUSCH解调信噪比最低为-4 dB左右时，接近达到1/1复用的-6.08 dB要求。

应用ICIC技术，小区边缘的CINR将得到提高，可以实现1/1复用。

2 结 语

本文通过理论计算和仿真分析给出了LTE系统干扰协调和频率复用之间的关系以及定量的分析。对目前比较主流的三种ICIC技术方案做了总结和比较。针对软频率复用模式，分别从上行和下行进行了仿真计算，说明了上、下行ICIC机制对频谱效率的影响。相关的结论还需不断完善和通过现网测试对结果进行修正，将会更加切实的反映网络的真实情况。

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作者简介：

马洪涛 国家注册安全工程师，工信部注册通信监理工程师。长期从事通信工程的建设和维护工作。