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程楠:TD-LTE组网抗干扰性能研究  

2011-12-06 17:02:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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独家供稿:移动Labs

程楠,孟德香
中国移动通信集团设计院有限公司
【摘  要】:TD-LTE系统采用OFDM、MIMO等大量先进技术,因此其系统组网规划与现有的网络存在较大不同,本文将针对TD-LTE系统的特点,对影响TD-LTE组网干扰控制的关键技术,如资源调度和频率复用方面深入探讨,分析其对TD-LTE组网规划干扰的影响方面和程度,对目前TD-LTE组网最核心的干扰控制技术没有实现标准化的情况下,具有重大的意义。
 
1 前言
3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)长期演进(LTE,Long Term Evolution)是3GPP近两年来启动的最大的新技术研发项目,其可以被看成是“准4G”技术。它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)作为其无线网络演进的基础性技术,以实现性能的整体提升,而TD-LTE(TD-SCDMA Long Term Evolution)是LTE的TDD(Time Division Duplexing)方式。相比于TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)和GSM(Global System of Mobile communication),其采用了大量先进技术,其系统组网也与其他网络存在较大不同,特别是在组网最核心的干扰控制技术没有实现标准化的情况下,研究TD-LTE组网干扰具有重大的意义。本文将针对TD-LTE特点,从资源调度和频率复用方面深入探讨TD-LTE组网干扰处理的性能研究。
2 资源调度
2.1 资源分配
受重大专项“面向WRC-12的频谱有效利用关键技术研究及验证”资助
2.1.1 物理资源块(PRB, Physical Resource Block)
LTE系统在进行数据传输时,将上、下行时频域物理资源组成资源块,作为物理资源单位进行调度与分配[1]。
 
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 Figure 1. Definition of Physical Resource Block(Normal CP)
图1. 物理资源块的定义(正常CP)
从上图可以看出,一个PRB在频域上包含12个连续的子载波,在正常CP(Cyclic Prefix)情况下,时域上包含7个连续的OFDM符号,在扩展CP情况下为6个,即频域宽度为180kHz,时间长度为0.5ms。在不同的带宽的情况下,系统具有不同的子载波,也即有不同的PRB,如下表所示,在1.4Mhz带宽的情况下,子载波数目是73个,即6个PRB,而20Mhz带宽的情况下,子载波数据是1201个,包含100个PRB。
Table 1. Relationship between system bandwidth and the number of PRB
表1. 系统带宽与资源块数目的关系
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2.2 调度算法
目前,LTE采用OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)和 SC-FDMA(Signal Carrier Frequency Division Multiple Access)技术,时间和频率是LTE中主要控制的两类资源,基本的资源分配方法有以下两种:
集中式资源分配
为用户分配连续的子载波或者资源块。这种资源分配方式适合于低速移动的用户,通过选择质量较好的子载波,提高系统资源的利用率和用户峰值速率。从业务的角度讲,这种方式比较适合于数据量大,突发特征明显的非实时业务。这种方式的一个缺点就是需要调度器获取比较详细的CQI(Channel Quality Indicator)信息。
分布式资源分配
为用户分配离散的子载波和资源块。这种方式适合于移动的用户,此类用户信息条件变化剧烈,很难采用集中式资源分布,从业务的角度讲,比较适合突发特征不明显的业务,如VOIP(Voice over Internet Protocol),可以减少信令开销。
在TD-LTE系统中关于调度粒度问题的讨论,主要涉及以下两种方案。
(1)    基于UE(User Equipment)的调度。调度器在分配资源时,以UE为单位进行。然后按照一定的规则在UE的不同RB(Resource Block)之间进一步划分资源。
(2)    基于RB的调度。调度器在分配资源时,以RB为单位进行,直接为每个RB分配资源。
下行方向,数据缓冲区位于eNodeB(Evolved Node B)。eNodeB能够准确的知道每个UE,每个RB对应的缓冲区数据量,因此一般采用基于RB的调度,以便于更好的满足RB的QoS(Quality of Service)要求。
而在上行方向上,UE是数据发送端,调度器则位于eNodeB,如果是基于UE的调度,eNodeB只需要控制为UE分配的资源总量或者允许传输的数据总量。UE则按照预定义的规则在不同的RB之间分配资源,一般都是保证优先级最高的RB传输最多的数据量。UE需要向eNodeB汇报其缓冲区的数据总量以及优先级最高的RB对应的缓冲区数据量等信息。这种方式的主要优点在于,控制简单,信令开销比较小;其主要缺点在于调度器无法对不同QoS要求的上行业务流进行更加精确的调度和控制,优先级次高的业务流可能长时间得不到传输。
如果上行是基于RB的调度,则调度器需要为UE的每个业务流(RB)分配上行资源或允许传输的数据量,UE根据调度器的判决结果组装传输块。采用这种方式时,一般要求UE汇报所有RB对应的缓冲区的数据量,另外,基站发送的资源分配指示也需要针对每个RB进行。这种方式的主要优点在于调度器可以对每个RB的QoS进行更加精确的控制和管理,缺点是控制复杂,上下行的控制信令开销都比较大。
目前LTE支持基于RB的调度请求和基于UE的上行资源调度。常用的调度算法,如轮询算法(RR,Round-Robin),正比公平算法(PF,Proportional Fair)等基本思想都可以应用到LTE中,而且在LTE标准化过程中,系统性能仿真假设大多采用了PF调度算法。
在LTE组网的过程中,资源调度是影响干扰的关键因素之一,因为资源调度是根据规则将资源块分配给用户,如果分配不得当,会造成邻小区的用户使用同一个资源,从而形成较大的干扰。
资源调度的最根本的准则是最小化资源使用 “碰撞”概率,如下图所示,假设资源总数是4,最小复用距离为D,在4D的复用距离下,小区m和小区n资源调度的碰撞概率可以是0,此时干扰也很小,随着复用距离的减小,资源总数有限的情况下,小区m和小区n资源调度的碰撞概率逐步增加,干扰逐渐加大。
 
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 Figure 2. Resource scheduling to avoid collisions
图2. 资源调度避免碰撞
而资源调度采用不同的方案,也会对干扰和系统性能造成不同的影响,从以下的仿真结果可以看出不同的调度方案对干扰和系统性能的影响,仿真中的调度方案采用的是PF方案和RR方案,仿真结果通过系统频谱效率,边缘用户频谱效率(5%用户频谱效率),以及干噪比(IoT,Interference over Thermal noise)的均值和方差来比较,从仿真结果可以看出,PF方案的系统频谱效率和5%用户频谱效率要高于RR方案的,但是其带来的干噪比均值和干噪比方差均要大于RR方案,这是因为,基站根据用户优先级进行PF调度的算法虽然可以有效提高系统和边缘用户的频谱效率,而PF调度算法为了保证用户间的公平性,尽可能的将资源为边缘用户服务,即边缘用户相比于RR算法将得到更多的调度机会,而边缘用户是产生小区间干扰的主要来源,因此PF算法相比于RR算法其小区间的干扰更大。
Table 2. Simulation results
表2. 仿真结果

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 从以上分析看出,在LTE组网过程中,资源调度对于控制干扰有至关重要的作用,需要设计良好的调度算法,才能既取得良好的系统性能,且干扰较小。
4 频率复用
4.1 频率复用
干扰是蜂窝移动通信系统的一个固有问题,其形成原因是各个小区中使用相同频率资源的用户会相互干扰。在移动通信系统中,通常采用频率复用来解决小区间干扰。频率规划的基本单位是小区簇,以簇为单位在覆盖区域内进行频率复用。簇是一组N个小区的集合,这N个小区使用了全部可用的频谱资源,但各小区工作频率却不同,簇内各小区分布方式和频率分配方案决定了频率复用模式。
4.1.1 基于子信道的LTE频率复用
LTE系统采用OFDM技术,在这种系统中,单个载波信道由多个相互正交的子载波组成,多个子载波构成子信道,系统资源管理在频域上是基于子信道进行处理。不同子信道的子载波是相互正交的。真实的移动环境中,在上行方向,不同用户的移动性带来其使用的子载波发生频域偏移,不同用户同时使用的不同子载波间的正交性在一定程度上被破坏。通过精心的系统参数设计,LTE系统在中低速移动环境下,多谱勒效应的影响基本可忽略。在下行方向,由于用户收到的子载波间频偏一致,使得正交性继续保持。因此, LTE系统各子载波间可认为是相互正交的,LTE系统的子载波/资源块复用可采用与频率复用相同的方法,也可设计出不同的复用模式。LTE系统的资源块是由多个子载波组成(10MHz有601个子载波,组成50个资源块),当系统采用单载波组网时,虽然从载波角度看,系统频率再用距离为1,但子载波/资源块的再用距离可以是多种多样的。LTE系统可以设计出多种系统频率再用距离为1的复用模式。
为了便于描述,本文复用方式仍采用(c×n×s)表示,其中c为每簇中的基站数,s是每基站的扇区数。与频率复用方式相比,不同之处在于n,n是复用的总资源块数。而LTE支持的调制方式有QPSK、16QAM、64QAM等[2],编码码率有1/2、1/3、2/3、3/4等。
4.1.2 复用方式与覆盖率
不同频率复用方式的边缘SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)不同,不同调制编码方式对SINR的要求也不相同,从而不同复用方式、不同调制编码方式的覆盖效果也不相同。
下图描述了LTE系统中,基站间距是1000m,(1X1X1)、(1X3X1)和(1X3X3)频率复用方式下75%和95%时间下的覆盖效果。
 
 
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 Figure 3.  LTE coverage effect in 75% time situation
图3.  LTE系统在75%时间下的覆盖效果图
 
 
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Figure 4.  LTE coverage effect in 95% time situation
图4.  LTE系统在95%时间下的覆盖效果图
从上图可以看出,频率复用因子为3(即1X3X3复用)时,具有较好的覆盖效果(75%时间覆盖率为100%,95%时间覆盖率为81.2%)。在复用因子为1(即1X3X1复用)时,覆盖效果较差(75%时间覆盖率为76.6%,95%时间覆盖率为21.5%),存在明显覆盖空洞,小区边缘覆盖效果较差。因此,较高的复用因子可以降低干扰,提高覆盖效果。
为了提高频率的使用效率,业界又提出了部分频率复用,用于控制干扰,实现更好的覆盖效果。
4.2 部分频率复用
为了进一步解决在频率复用距离为1的OFDMA系统中相邻小区间同频干扰的问题,提高频率复用率,业界针对小区边缘吞吐量偏低和用户公平性较差的问题提出了部分频率复用(FFR,Fractional Frequency Reuse)的方法用于提高频率复用率[3]。
4.2.1 部分频率复用原理
在LTE网络中,基站可以以较大的发射功率覆盖距离较远的用户,而距离较近的用户,基站可以使用较低发射功率就可以正常覆盖。由于近距离覆盖发信功率低,产生的干扰小,因此,近距离覆盖可以以较低功率使用相邻小区边缘的频率。这样小区覆盖可以分为两个环:内环和外环,内环以满载波覆盖,外环以部分载波覆盖,形成部分频率复用。
如下图所示,三个基站的边缘存在覆盖重叠。其中F1、F2、F3是系统将频率资源分成的3个子载波组(复用集),F1+F2+F3为整个载波频宽。三个基站的外环分别以F1、F2、F3覆盖,内环以F1+F2+F3覆盖。载波的使用在相邻小区之间进行协调,以避免或降低小区间干扰。由于这种“协调”实际上是通过在小区边缘采用小区复用方法实现的,所以被称为“软频率复用”或“部分频率复用”。
 
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 Figure 5. Fractional frequency reuse
图5. 部分频率复用示意图
同时,在小区中心的用户采用较低的功率发射和接收,此时,邻小区中即使占用相同的频率资源也不会造成强烈的载波间干扰,所以可分配频率复用系数为1的资源块组,即整个载波频宽(F1+F2+F3)。在小区边缘的用户采用较高功率发射和接收以确保连接的稳定和容量需求,此时,如果继续采用频率复用系数为1的复用方法会对同样处于邻小区边缘的使用相同频率资源的用户形成干扰,严重影响用户感受和系统性能,所以相邻小区边缘需要使用不同的频率资源,使得占用相同频率资源的用户由于相隔距离较远而不会造成强烈的载波间干扰。因此在小区边缘采用频率复用系数为n(上图中n=3)的复用集(上图中为F1、F2、F3)。通过部分频率复用技术进行频率规划可以提高系统平均容量。
5 小结
本文对TD-LTE组网干扰控制有影响的关键技术,资源调度和频率复用进行了详细的分析,可以看出资源调度中不同的调度方案影响组网干扰的均值和方差。同时,采用合适的频率复用技术可以大大降低干扰均值和方差,是解决组网干扰最好的手段。本文的研究成果对目前TD-LTE组网最核心的干扰控制技术没有实现标准化的情况下,具有重大的意义。

本博文发表在移动Labs的原文链接是:http://labs.chinamobile.com/mblog/1204/157407

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