（通信与信息系统专业论文）lte系统中的小区间干扰协调技术仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 为了适应全球无线通信呈现出的移动化、宽带化和i p 化的趋势，也为了 与新兴的一些移动通信技术如w i m a x 、w i f i 竞争，2 0 0 4 年底，3 g p p 提出 了3 g 的长期演进( 3 gl t e ) 。l t e 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l t e 下 行采用正交频分多址接入( o f d m a ) 的方式，可以提供正交的子载波，保证小 区内符号之间的正交性，能有效地避免符号间干扰问题( i s i ) ，大大提高抵抗 频率选择性衰落的能力。但由于频谱资源的限制，小区之间的干扰( i c i ) 将严 重地影响小区边缘的数据速率。因此，要实现l t e 的要求一一较高的峰值速 率及提高边缘用户吞吐量，就必须采取有效的措施来减轻小区间的干扰问 题。本文主要对小区间干扰抑制技术中的干扰协调技术进行仿真和分析，主 要工作体现在以下三部分。 第一部分建立l9 个小区蜂窝系统仿真模型，研究小区间干扰协调中的 部分频率复用和软频率复用方案。改变影响系统性能的主要参数，观察用户 信干比分布情况、小区吞吐量和覆盖率的变化。仿真结果表明，采用干扰协 调技术后系统性能获得了很大的提高；实际系统中应该综合考虑不同的业务 量需求，来进行带宽和功率的分配，才能使系统性能获得最大的提升。 第二部分建立l t e 中的城市宏蜂窝( u m a ) 仿真环境，对自适应软频率复 用方案给出的四种模式分别进行仿真，观察s i n r 分布、扇区吞吐量和覆盖 率的情况，仿真结果表明若需要获得最优的覆盖率，可以选择模式四，若希 望获得较大的吞吐量，当中心业务量较大时可以采用模式三，而边缘业务量 较大时可以采用模式二。然后以s i n r 分布情况作切换准则为例，实现四种 模式间的切换，来说明应根据系统实时的业务需求，选择合适模式的结论。 第三部分建立l t e 中的城市宏蜂窝和农村宏蜂窝( r m a ) 两种仿真环境， 在前文的基础上研究采用软频率复用的干扰协调与宏分集技术的联合应用。 根据目标扇区内用户受最大干扰的信号发射扇区位置的统计情况，给出两种 不同的合作集和两种宏分集方案，结合软频率复用模型进行仿真。仿真结果 表明，与r m a 相比u m a 环境中系统性能要差；软频率复用与宏分集结合能 更好地提升系统性能，选择合适的宏分集和合作集方案性能提升幅度更大。 关键词：长期演进：干扰协调；部分频率复用；软频率复用；吞吐量；覆 盖率；宏分集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 鼍- - 一 ! 曼曼! 曼! 曼! 曼 !曼 一 ! ；一 ；! 一m n in 量曼曼曼 a b s t r a c t i nr e s p o n s et ot h et r e n do fm o b i l e ，b r o a d b a n da n di pt e c h n o l o g yo fg l o b a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a n dc o m p e t ew i t h e m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c h a s w i m a xa n dw i f i ，3 g p pp r o p o s e dt h el o n g - t e r m3 ge v o l u t i o n ( 3 6l t e ) a tt h e e n do f2 0 0 4 t h ea i mo fl t ei st oa c h i e v eh i g h e rd a t ar a t e s ，l o w e rl a t e n c y , i m p r o v e ds y s t e mc a p a c i t ya n dc o v e r a g e ，a sw e l la sl o w e rc o s t s a n dt h e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) a p p r o a c hi sa d o p t e di n t h ed o w n l i n ko fl t e ，w h i c hc a np r o v i d eo r t h o g o n a ls u b c a r r i e r sa n de n s u r e o r t h o g o n a l i t yb e t w e e ns y m b o l s t h u si t c a ne f f e c t i v e l ya v o i di n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dg r e a t l ye n h a n c et h ea b i l i t yt or e s i s tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g b e c a u s eo ft h ec o n s t r a i n t so fs p e c t r u mr e s o u r c e ，h o w e v e r ，i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e ( i c i ) w i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h ed a t ar a t ea tt h ec e l le d g e t h e r e f o r e ， e f f e c t i v em e a s u r e sm u s tb et a k e nt om i t i g a t ei n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ，s oa st o a c h i e v et h er e q u i r e m e n t so fl t e 一一h i g h e rp e a kr a t ea n dl a r g e rt h r o u g h p u to f t h eu s e r sa tt h ee d g e i nt h i st h e s i s ，t h ei n t e r c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ( i c i c ) t e c h n i q u e sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h em a j o rw o r ki sr e f l e c t e di n t h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，p a r tf r e q u e n c yr e u s e ( p f r ) s c h e m ea n ds o f tf r e q u e n c y r e u s e ( s f r ) o fi c i ca r ea n a l y z e db a s e do nt h e19c e l l sc e l l u l a rs y s t e m d u r i n g t h es i m u l a t i o n ，t h ec h a n g e si ns i n rd i s t r i b u t i o n ，c e l lt h r o u g h p u ta n dc o v e r a g e a r es t u d i e db yc h a n g i n gs o m em a j o rp a r a m e t e r sw h i c hc a ni n f l u e n c et h es y s t e m p e r f o r m a n c e i ti ss h o w nt h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sg r e a t l yi m p r o v e db y u s i n gi n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o nt e c h n o l o g y ；i nt h er e a ls y s t e md i f f e r e n tt r a f f i c n e e d ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tt oa l l o c a t et h eb a n d w i d t ha n dp o w e r ，s ot h a t t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a ng e tm a x i m a li m p r o v e d i nt h es e c o n dp a r t ，a na d a p t i v es f rs c h e m ei s a n a l y z e di n t h eu r b a n m a c r o c e l l ( u m a ) s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fl t e t h ef o u rm o d e l sg i v e nb y a d a p t i v es f ra r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yt o o b s e r v es i n rd i s t r i b u t i o n ，s e c t o r t h r o u g h p u ta n dc o v e r a g e i ti ss h o w nt h a ti ft h eb e s tc o v e r a g ei sn e e d e d ，t h e m o d e4s h o u l db es e l e c t e d ；i fal a r g e rt h r o u g h p u ti sn e e d e d ，t h em o d e3s h o u l d b ec h o s e nw h e nt h ec e n t e rt r a f f i ci s l a r g e ，w h i l et h em o d e2s h o u i db ec h o s e n w h e nt h ee d g et r a f f i ci sl a r g e t h e n ，w i t ht h ee x a m p l eo fs i n rd i s t r i b u t i o na s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s w i t c h i n gc r i t e r i a ，t h es w i t c h i n gb e t w e e nf o u rm o d e si s c a r r i e do u tt os u p p o r t t h a ta p p r o p r i a t em o d es h o u l db es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m es y s t e m n e e d s t w os i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fl t ea r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l yi nt h et h i r d p a r t i e u r b a nm a c r o c e l la n dr u r a lm a c r o c e l l ( r m a ) ，a n dj o i n ta p p l i c a t i o no f m a c r od i v e r s i t ya n di n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o nt h a tu s e ss o f tf r e q u e n c yr e u s ea r e s t u d i e db a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k d e p e n d i n go nt h es t a t i s t i ci n f o r m a t i o no f s e c t o rp o s i t i o n w h i c hc a u s e st h em o s ts e r i o u si n t e r f e r e n c et ot h eu s e r si nt a r g e t s e c t o r ，t w od i f f e r e n tc o o p e r a t i v es e t sa n dm a c r od i v e r s i t ys c h e m e sa r ep r e s e n t e d t h e s es c h e m e sa r es i m u l a t e di nc o m b i n a t i o nw i t hs o f tf r e q u e n c yr e u s em o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h er m a ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei s w o r s ei nu m ae n v i r o n m e n t ；w i t ht h ec o m b i n a t i o no fs f ra n dm a c r od i v e r s i t y , s y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e d ，a n da p p r o p r i a t em a c r od i v e r s i t ys c h e m e s a n dc o o p e r a t i v es e t sc a na c h i e v eg r e a t e re n h a n c e m e n t k e yw o r d s ：l o n gt e r m e v o l u t i o n ( l t e ) ；i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ；p a r t f r e q u e n c yr e u s e ( p f r ) ；s o f tf r e q u e n c yr e u s e ( s f r ) ；t h r o u g h p u t ； c o v e r a g e ；m a c r od i v e r s i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：石丝 日期：蝴占o 搿”雩嘉南岩j 日期： 乃，仇易， ， 西南交通大学学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 建立l9 个小区的蜂窝系统模型，对频率复用因子为1 和3 分别进行 仿真，分析小区s i n r 分布、吞吐量和覆盖率情况。并根据香农定理，分析 两者系统容量与用户位置的关系。 2 对采用部分频率复用的小区间干扰协调方案进行仿真，改变部分频率 复用方案中心半径百分比y 和边缘用户使用的频谱资源比例，7 ，分析其对小 区吞吐量和覆盖率的影响。 3 对采用软频率复用的小区间干扰协调技术进行仿真，验证软频率复用 技术对系统性能的优化作用。并改变中心半径百分比y 来调节中心和边缘业 务量，改变中心用户与边缘用户发射功率比口，研究小区中心、边缘和总吞 吐量的变化情况。 4 建立l t e 中的城市宏蜂窝仿真环境。首先分别对自适应软频率复用 方案中给出的四种模式进行仿真，观察s i n r 分布、扇区吞吐量和覆盖率的 情况。然后以s i n r 分布情况作切换准则为例，实现四种模式间的切换。 5 对干扰协调与宏分集技术的联合应用进行研究，分别在l t e 中的城市 宏蜂窝和农村宏蜂窝两种仿真环境中进行建模。首先分析扇区频率复用因子 为l 时两种环境下系统性能的差异，对目标扇区内用户受到最大干扰的信号 发射扇区位置进行统计：然后分别在两种环境下采用两种合作集，对基于软 频率复用的固定的宏分集方案和自适应宏分集方案进行仿真，研究用户s i n r 分布，扇区覆盖率和吞吐量的变化。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， ，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：弓互 e l 期：0 0 l o 占1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼笪曼曼舅量! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅! 曼曼皇! 曼曼曼! 鼍鼍m mm。m m m ：= m m = - 曼蔓曼曼曼曼皇 i i 课题研究背景 第一章绪论弟一早瑁了匕 随着各种无线通信系统的大量建设，频谱资源变得越来越匮乏，新业务 对数据传输的要求也越来越高，如何有效地利用频谱资源成为待解决的关键 问题。许多公司和科研机构都在努力寻求一种最优的方法最佳地利用频谱资 源。宽带化、智能化、个性化、媒体化、多功能化、环保化是世界移动通信 发展的新趋势。个人通信的迅猛发展，在线游戏、可视电话、流媒体、移动 电视和音乐下载等数据业务的需求，极大地刺激了移动通信技术向能够提供 更高的数据率发展。3 g p p 标准和3 g p p 2 标准分别向h s p a 和高速分组数据 演进，标志着3 g p p 和3 g p p 2 在坚持蜂窝移动能力的同时，日益重视低速场 景下的接入能力。这种“移动通信宽带化”趋势，为蜂窝移动通信产业由传 统话音业务拓展到宽带数据业务领域带来了契机。 “移动通信宽带化”主要表现为：由5 m h z 以下带宽向2 0 m h z 带宽演 变；由注重高速移动向为低速移动优化演变；由电路交换分组交换并重向全 分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态由以移动终端为主 向便携、移动终端并重演变。 与此同时，面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本、高 带宽的无线技术快速普及，许多非传统移营商也纷纷加入移动通信市场，其 中以因特网为代表的信息技术产业最为明显。宽带无线接入早期定位于有线 宽带接入技术的替代，它的发展历程包括固定局域接入( 如i e e e8 0 2 1 lx ) ， 游牧城域接入( 如i e e e8 0 2 1 6 d ) 和广域移动接入( 如i e e e8 0 2 1 6 e ) 三个 阶段。这个过程体现了明显的“宽带接入移动化”的趋势，对传统移动通信 产生形成了竞争和挑战，也为信息技术产业向移动通信领域渗透带来了机 遇。 正是基于通信产业对“移动通信宽带化 的共识和迎接“宽带接入移动 化 挑战的需要，以及为了应对全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 标准的市场竞争，3 g p p 在2 0 0 4 年年底启动 了l t e 技术的标准化工作。l t e 又称e u t r a e u t r a n ，和3 g p p 2u m b 合称e 3 g ( e v o l v e d3 g ) 。 l t e 项目开始后，详细讨论了系统的市场需求，对“系统性能要求 、 “网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”以及“与现有的系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统间演进和互通关系 等方面进行了细致的描述。l t e 的目标是建立一个能 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【2 】。 l t e 系统期望在2 0 m h z 的带宽上达到l0 0 m b i t s 的下行传输速率，5 0 m b i t s 的上行传输速率，频谱效率为h s p a 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，保证实时业务( v o l p 、视频流等) 的服务质量； 带宽配置灵活，除了2 0 m h z 的最大带宽外，还能够支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、 2 5 m h z 、5 m h z 、10 m h z 和15 m h z 等系统带宽，以及“成对与“非成对” 频段的部署，来保证将来系统部署上的灵活性。另外，明确提出了“系统在 支持高移动速率的基础上，优化低移动速率用户、“提高小区边缘用户的 吞吐量 等具体的系统需求。为了达到以上目标，l t e 系统采取了趋近于典 型全i p 宽带网的扁平化的网络结构，采用了如多输入多输出( m i m o ) 、正交 频分复用( o f d m ) 、混合自动请求重传( h a r q ) 、自适应调制编码( a m c ) 等先 进技术。l t e 系统上行采用基于o f d m 传输技术的单载波频分多址的接入方 式( s c f d m a ) ，下行采用成熟的正交频分多址的接入方式( o f d m a ) 。 o f d m a 技术可以提供正交的子载波，保证小区内符号之间的正交性， 能有效地避免符号间干扰问题( i s i ) ，抵抗频率选择性衰落的能力也大大提 高。但由于频谱资源的限制，小区之间的干扰( i c i ) 无法避免，小区间的干扰 将严重地影响小区边缘的数据速率，那么要实现l t e 的要求一一较高的峰值 速率及提高边缘用户吞吐量，必须采取有效的措施来减轻小区间的干扰问 题。传统的解决办法是采用频率复用，复用系统只有特定的几个选择，如l 、 3 、7 等。复用系数= 1 即相邻小区都使用相同的频率资源，这时在小区边缘 的干扰很严重。较低的复用系数( 3 或7 ) 可以有效地抑制i c i ，但频谱效率 将减低到1 3 或1 7 。未来的宽带移动通信系统对频谱效率的要求很高，因此 希望尽可能地接近频谱复用系数l 。因此，如何在现有有限的频谱资源环境 下，最大限度地有效利用频谱而又不引起彼此之间的干扰是需要解决的主要 问题之一。 1 2 国内外研究现状 为了解决l t e 系统在小区边缘干扰严重的问题，3 g p p 提出了多种解决 方案，包括小区间干扰随机化、小区间干扰消除和小区间干扰协调回避技术。 其中干扰随机化利用干扰的统计特性对干扰进行抑制，误差较大。干扰消除 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v o i p ) 则不太适用，在o f d m a 系统中实现也比较复杂， 后续对它的研究不多。干扰协调则是研究的一项热门技术，其实现简单，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。干扰协调技术 的核心思想在于采用频率复用技术，使得相邻小区之间的干扰信号源的距离 尽可能远，从而抑制相邻小区的干扰，达到改善传输质量，提高吞吐量的效 果。 3 g p pl t e 中关于频率复用的方案目前已经有很多研究。这些频率复用 方案也是未来b 3 g 4 g 系统中用于提高小区边缘区域用户数据速率的有效方 法，其中比较有代表性的是华为、西门子、阿尔卡特和高通提出的方案【3 】 【6 1 。 这些方案的主要思想相似，都是将系统频率资源分为若干个集，并分配给特 定的用户，同时可以采用功率控制的方法，如小区中心的用户可以采用较低 的功率发射或接收，即使占用相同的频率集也不会造成太大的小区间干扰， 可以分配在复用因子为l 的集中；小区边缘的用户由于受到路径损耗等衰落 的影响，需采用较高的功率发射或接收，分配在复用因子大于1 的集中。 总体来说，干扰协调是对小区的可用资源进行一定的限制，协调多个小区 的动作，以提高邻小区在这些资源上的信干比、小区边缘的数据速率和覆盖， 避免产生严重的小区间干扰。在干扰协调所需的小区间信息交互频率方面， 根据不同的基站之间信息交互频率，可以将干扰协调分为二类：静态协调、 半静态协调。 上面提及的四种方案都属于静态干扰协调。静态干扰协调方式指资源限 制的协商和实施在部署网络时完成，在网络运营的时期可以调整，但调整的 频率较慢，资源配置周期大约为数天。 图1 - 5 参考文献【7 】中方案 针对小区间负载变化，参考文献 7 提出了另一种软频率复用的半静态协 调方案，如图1 5 所示。该方案首先为每个小区的所有扇区预留相同的子频 带，然后根据业务分布，动态调整频率的分配，使边缘的子频带比例随业务 分布的变化而变化。半静态干扰协调需要n o d eb 与无线网络控制器( r a d i o n e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 之间的信令交互，交互步骤如下： ( 1 )每个n o d eb 通过信令告诉r n c 其小区边缘的业务量。 ( 2 )r n c 根据各小区的业务量大小按比例分配相应的频带给各小区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 )若结合时域调度使用，则r n c 同时通知各小区预留时隙的分配。 若要采用时域调度，需要e t u r 支持各n o d eb 之间的同步机制。在此 前提下，r n c 将不同的时隙分配给各n o d eb ，供其与小区边缘用户通信使 用。 参考文献 8 的仿真结果表明，与静态分配方案相比，该方案能提供 l0 5 0 的边缘用户吞吐量增益。存在的主要问题是，小区间信息交互频繁， 信令开销较大，还需要对多个小区进行统管理。 n o r t e l 在文献 9 中讨论了下行干扰协调方案中加入基于请求同意的方 法。建立四种固定的资源分配模式和相邻基站表，根据u e 上报的测量反馈 来跟踪覆盖问题，从而对使用的模式进行切换，从而实现牺牲少量的小区吞 吐量换取较大的覆盖率增益。该方案的优点是，只有边缘用户受到严重干扰 的小区才需要使用软频率复用，网络中剩下的小区仍使用频率复用因子为l 的方案。这个方案将在第四章详细描述。 l t e 研究阶段的评估结果中【l0 1 ，静态和半静态干扰协调可以将小区边缘 吞吐量最多提高7 9 。但干扰协调能取得显著性能增益是基于下行采用功率 控制这一假设，但由于实际标准化中技术之间的相互影响和限制，l t e 最终 决定在下行数据信道不采用功率控制，即基站对本小区内所有频带都是以相 同功率发射的。这种情况下，即使一个频带分配给了小区中心的用户，基站 在这个频带内的发射功率与将这个频带调度给小区边缘用户时是一样的，相 应地产生的对相邻小区受干扰用户的下行干扰也是一样的。那么能够进行的 干扰协调，只能是进行频谱资源上的调度。 为了满足i t u r i m t a d v a n c e d 技术征集的需要，2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化接近完成时，一个在l t e 基础上继续演进的项目一一先进的 l t e ( l t e a d v a n c e d ) 项目又在3 g p p 拉开了序幕。目前对l t e 的研究工作已 经告一段落，但l t e a d v a n c e d 的研究还在进行，因此，对于干扰协调方案 的研究仍然是很有必要的。就一般的应用情况来看，业界对华为公司提出的 软频率复用方案较为看好，在研究领域非常流行，但所有的频率复用方案都 对以后的标准化工作，包括l t e a d v a n c e 的研究具有一定的参考价值。 1 3 本文主要研究工作及内容安排 论文的研究目标是研究基于l t e 系统中小区间干扰协调技术，利用干扰 协调技术减小小区间干扰，降低小区内用户尤其是处于小区边缘的用户受到 的小区间干扰程度。 针对论文的研究目标，论文的主要研究内容和结构安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 蔓曼曼曼蔓曼舅曼曼曼曼曼曼曼! 曼鼍曼曼篡曼舅曼鼍。 n。mnmi ： i n 曼曼曼曼皇! 曼曼皇! 曼蔓曼曼曼! 皇曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼 第一章为诸论，简要地描述了干扰协调技术对于减小小区间干扰，提高 l t e 系统中边缘用户性能的重要性，以及国内外目前的研究现状。 第二章首先介绍l t e 物理层的传输技术、系统资源分配的方式和五种仿 真环境，重点描述仿真中将要使用到的最小时频单位r b 的定义。然后阐述 干扰协调技术的基本原理，并对众多公司提出的l t e 干扰协调方案中较为典 型的模型进行描述和分析。 第三章首先描述建立蜂窝小区系统需要用到的各种模型以及仿真中使 用的各类参数的意义和设置，然后建立系统模型，对小区频率复用因子为1 、 频率复用因子为3 和部分频率复用方案分别进行仿真，并改变部分频率复用 方案中心半径百分比和边缘用户使用的频谱资源比例，观察对系统性能的影 响。 第四章首先对软频率复用和自适应的软频率复用方案进行介绍，验证软 频率复用技术对系统性能的优化作用。并改变中心半径百分比y 来调节中心 和边缘业务量，改变中心用户与边缘用户发射功率比a ，研究小区中心、边 缘和总吞吐量的变化情况。然后建立u m a 仿真模型，分别对自适应软频率 复用方案中给出的四种模式进行仿真，观察$ i n r 分布、扇区吞吐量和覆盖 率的情况。并以s i n r 分布情况作切换准则为例，实现四种模式间的切换。 第五章在前文的基础上，对干扰协调与宏分集技术的联合应用进行研 究，分别在u m a 和r m a 两种环境中进行建模。首先分析扇区频率复用因子 为1 时两种环境下系统性能的差异，对目标扇区内用户受到最大干扰的信号 发射扇区位置进行统计；然后分别在两种环境下采用两种合作集，对基于软 频率复用的固定的宏分集方案和自适应宏分集方案进行仿真，研究用户s i n r 分布，扇区覆盖率和吞吐量的变化。 最后是总结和展望，总结论文所完成的内容和结论，并展望进一步的工 作。并在附录中给出五种仿真环境的详细参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章小区间干扰协调技术 现有的蜂窝移动通信系统提供的数据率在小区中心和小区边缘有很大 的差异，不仅影响了整个系统的容量，而且使用户在不同的位置得到的服务 质量有很大的波动【l 】。因此，目前新一代宽带无线通信系统，如l t e 、w i m a x 等都不约而同地将提高小区边缘性能作为主要的需求指标之一。 小区间干扰( i c i ) 是蜂窝移动通信系统的一个固有问题，传统的解决办法 是采用频率复用，复用系数只有特定的几个选择，如1 、3 、7 等。较大的复 用因子能有效抑制i c i ，但频谱效率将受到很大的影响。而未来的宽带移动通 信系统对频谱效率要求很高，希望尽可能地接近频率复用因子l 。且l t e 中采 用的o f d m 技术比c d m a 技术更好地解决了小区内干扰问题，但带来的i c i 问 题则更为严重。因此，l t e 系统中采用干扰抑制技术改善传输质量是需要研 究的主要问题。 2 1l t e 的背景和简介 本小节首先介绍l t e 物理层的传输技术，主要包括上下行传输方案、帧 结构和干扰控制技术等。然后阐述资源分配的特点，重点描述资源块 ( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) 的定义。 2 1 1l t e 物理层的传输技术 ( 1 ) 物理层上下行传输方案【1 1 】 下行的多址方式为o f d m a ，上行为基于o f d m 传输技术的s c f d m a ， s c f d m a 为单载波传输技术，其特点为低峰均比，子载波间隔为15 k h z 。 这两种技术都能较好地支持频率选择性调度。 ( 2 ) 帧结构设计 l t e 支持两种类型的无线帧结构：类型1 适用于f d d 模式；类型2 适用 于t d d 模式。 a 帧结构类型1 帧结构类型l 适用于全双工和半双工的f d d 模式。每一个无线帧长度 为1 0 m s ，由2 0 个时隙构成，每个时隙的长度为t s l t o = 1 5 3 6 0 t ，= 0 5 m s 。 这些时隙分别编号为0 l9 。一个子帧定义为两个相邻的时隙，其中第i 个子 帧由第2 f 个和2 f + 1 个时隙构成，如图2 1 所示。 对于f d d ，在每一个l0 m s 中，有10 个子帧可以用于下行传输，并且有 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍i i i _ i 曼曼鼍曼皇曼皇皇曼曼曼 1 0 个子帧可以用于上行传输。上下行传输在频域上进行分开。 o n er a d i of r a m e ，乃= 3 0 7 2 0 0 t s = 1 0m s 图2 1 帧结构类型1 b 帧结构类型2 帧结构类型2 适用于t d d 模式。每一个无线帧由两个半帧构成，每一 个半帧长度为5 m s 。每一个半帧又由8 个常规时隙和d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊时隙构成。1 个常规时隙的长度为o 5 m s 。d w p t s 和u p p t s 的长度 是可配置的，并且要求d w p t s 、g p 和u p p t s 的总长度等于1m s 。所有其它 子帧包含两个相邻的时隙，其中第i 个子帧由第2 f 个和2 i + 1 个时隙构成，如 图2 2 所示。 一lr 、。，i ：；一 、 u i i 岱i i l u l uu c 。 c 一l 1 f l l 一一 ， 撑l撑2 撑3埘撑5 拌9 f 7 图2 2 帧结构类型2 ( 3 )小区间干扰控制技术 采用小区间干扰控制技术的目的为了提高用户在小区边缘的信息传输 速率。主要的多小区干扰补偿技术有：干扰随机化技术、干扰抵消技术和多 小区干扰协调技术等。标准化的前期研究重点为下行系统中 的多小区干扰协调技术，多小区干扰协调技术对频谱资源和发射功率进行限 制。中心用户可以使用全部资源块，但只能以低功率使用部分资源块：边界 用户以全功率使用部分资源块，从而提高用户在小区边缘的信干噪比，增加 小区覆盖率。而上行的多小区干扰控制主要通过功率控制技术实现， 频率复用因子为l 。 ( 4 ) 多天线技术 目前下行单用户多天线倾向于无层间打乱，主要采取基于酉矩阵的预编 码技术，终端的反馈为酉矩阵的指数，其他一些技术还需要进一步研究；下 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼毫曼曼舅i n i 一) _ 一i 一一! 一o omm_ii mm _ , m , 量曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼寰 行多用户天线倾向于终端反馈基于酉矩阵，但基站的预编码矩阵不一定为酉 矩阵；上行发射分集主要根据功放的要求进行评估和选择。 ( 5 )小区搜索技术 小区搜索的设计主要集中在同步信道的设计和小区序列的设计上。考虑 到小区搜索的复杂性，l t e 倾向采用主同步信道进行小区同步，辅同步信道 进行小区标识( i d ) 的检测。在主同步信道采用公共的导频序列，而在辅同步 信道上各小区采用不同的导频序列。其中在小区导频序列的设计中，序列必 须兼顾性能和复杂度要求。 ( 6 )随机接入技术 随机接入中主要分为非同步的随机接入和同步的随机接入。在非同步的 随机接入中，为了提高基站对用户接入的控制效率，倾向于在用户的签名序 列中隐含用户的消息比特，比如用户的接入目的，用户的信道质量指示( c q i ) 等。用户的签名序列采用z a d o f f - c h u 码经过循环移位的扩展的z a d o f f o c h u 序列的零相关区域( z c z c z ) 码。在小区覆盖大小的考虑上，对于大区的覆盖 讨论集中在采用更长的码还是简单的短码重复。最后从复杂度和对频偏的抵 抗性考虑，l t e 倾向采用后者的方案。 2 1 2l t e 系统资源分配 在l t e 系统资源中，无线资源包括子载波和发送功率，由于在调制技术、 多址方案和网络架构上l t e 系统都有别于以前的蜂窝移动通信系统，因此， 其资源分配具有与传统无线资源分配不同的特点，并由此产生了一系列需要 解决的问题。l t e 系统无线资源分配具有以下特点：需要考虑小区间干扰， 简化了的分布式网络架构以及动态子信道分配。 o f d m 技术的原理是将高速数据分成并行的低速数据，然后在一组正交 的子载波上传输。通过在每个o f d m 符号中加入保护时间，只要保护时间大 于多径时延，则一个符号的多径分量就不会干扰相邻符号，这样可以消除i s i 。 为了保证子载波之间的正交性，o f d m 符号可以在保护时间内发送循环前缀 ( c p ) 。c p 是将o f d m 符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样就可保证每 个子载波的完整性，进而保证其正交性，就不会造成子载波间的干扰。实际 系统内由于子载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰，但是可 以在物理层采用先进的信号处理技术使这种干扰降到最低。因此，小区内干 扰可以忽略不计，影响系统性能的干扰主要为i c i 。特别在频率复用因子为l 的o f d m 系统中，整个系统内的所有小区都使用相同的频率资源为本小区内 用户提供服务，一个小区内的资源分配会影响到其他小区的系统容量和边缘 用户性能，因此需要多个小区之间进行协调。这是l t e 系统无线资源分配的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一个特点。 传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d e b 和r n c 两层节点构成，但在l t e 系统中，为了达到简化网络、缩短延迟的目的，e u t r a n 完全由演进型 n o d e b ( e n b ) 组成。l t e 系统的网络架构主要由演进型n o d e b ( e n b ) 和接入网 关( a g w ) 构成，本文不作详细描述。 基本的调制技术和多址方式是个无线通信系统的核心基础。3 g p p 经 过讨论研究，最终决定在3 g l t e 系统中下行采用o f d m a 技术，上行采用 s c f d m a 技术。s c f d m a 为单载波传输技术，其特点为峰均比低。这两种 多址技术都可以通过灵活地选择适合的子信道( 由o f d m 中的多个子载波以 一定方式组合而成) 进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用 频率分集和多用户分集，获得最佳的系统性能。这是l t e 系统无线资源分配 的另个特点。但同时，o f d m a s c f d m a 系统能否发挥优异的性能，也在 很大程度上依赖于频域调度的灵活性和高效性。如果不能充发利用无线信道 特性进行灵活的调度，或者为了实现资源分配和调度的灵活性而过大地提高 系统信令开销，都会使系统的整体性能大打折扣。因此，l t e 系统资源映射 和调度的设计远比3g 系统复杂，3 g p p 花费了大量工作，用于优化l t e 系 统的资源映射和调度机制。下面主要介绍下行的资源映射。 经过信道编码、交织、调制之后的下行数据将被映射到o f d m a 的时频 符号上，这个过程称为下行资源映射。如果逐子载波地进行资源映射，固然 能获得最大的灵活性，但相应的信令开销量是无法承受的，因此任何o f d m a 系统都会基于某种预定义的“子载波组”来映射资源，这个“子载波组称 为资源块r b ，这样只要通过信令指定r b ，就可以完成资源映射。 r b 又分为物理资源块( p r b ) 和虚拟资源块( v r b ) 两种。p r b 用来描述实 际物理资源的分配情况，一个p r b 在时域上包含m 个连续的o f d m 符号， 在频域上包含个连续的子载波。如果将1 个符号1 个子载波定义为一个 资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) ，则一个p r b 包含m n 个r e ，如图2 3 所示。 p r b 的大小应该和下行数据的最小载荷相匹配。个p r b 的时域大小 为一个时隙，即0 5 m s 。个时隙在常规c p 情况下包含7 个o f d m 符号， 在扩展c p 情况下包含6 个o f d m 符号。在早期的l t e 研究中，曾将p r b 的频域大小初步确定为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。但在后期的研究中发现， 这个资源粒度对于v o l p 等小载荷业务还是过大，因此进而将p r b 的频域大 小修改为1 2 个子载波，即l8 0 k h z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ! m n。：。m m ： 。m m_ - 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