（通信与信息系统专业论文）lte系统中半静态软频率复用技术研究.pdf

摘要 l i i ii i1 11 11 1i 11 1 1u l y 2 0 6 8 0 2 3 在l t e 系统中，小区间干扰协调已成为广泛关注的技术热点。增强小区边 缘用户的性能、改善系统吞吐量及提高频谱利用率是l t e 小区间干扰协调的主 要目标。 本文首先介绍了l t e 上行链路的相关技术，接着介绍分析了华为公司静态 软频率复用( s f r ) 方案和t e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) 公司的半静态方案。但是s f r 方案不能灵活应对小区负载的变化，t i 的半静态方案对于如何借用资源及每次 借多少等并未提出具体的方案。针对以上缺陷，本文引入了一种半静态资源分 配和部分功率控制相结合的小区间干扰协调改进方案。方案采用资源借用算法 并对小区间可借用的资源进行限制。根据用户距离相邻基站位置的不同干扰大 小不同，应用基于高干扰指示( h i i ) 的资源重用避免算法，有效减小了同频干 扰。对于中心用户，其发射功率采用了一种基于路径补偿的闭环功率控制技术， 并根据过载指示( 0 1 ) 消息进行实时调整。 仿真表明，本文的改进方案既增强了小区边缘用户的性能，同时提高了系 统总的吞吐量。与s f r 方案相比，该方案的边缘用户平均吞吐量提高了3 3 1 8 ， 频谱效率提高了3 8 8 ，系统总吞吐量提高了3 8 7 。 关键词：l t e 上行链路小区间干扰协调半静态软频率复用 a b s t r a c t i 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 ) h a sb e c o m ew i d e l ys t u d i e dt e c h n i q u e si n l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e m t h em a i no b j e c t i v e so fl c i ct e c h n i q u e sa r ee n h a n c i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l l e d g eu s e r sa n di m p r o v i n gs y s t e m t h r o u g h p u ta n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fl c i ct e c h n i q u e sa n da n a l y z e da s t a t i cs o f t f r e q u e n c yr e u s e ( s f r ) s c h e m ea n dat y p i c a ls e m i - s t a t i cs c h e m eo ft e x a si n s t r u m e n t s f t i ) h o w e v e r ，s f rs c h e m ec a n n o ta d a p tt ot h et i m e - v a r y i n gt r a f f i cl o a do fe a c hc e l l ， a n dt is c h e m ed i dn o ti n t r o d u c es p e c i f i cr e s o u r c e sb o r r o w i n gm e t h o d sw h e ns o m ec e l l sa le o v e d o a d e d t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e da l l e f f i c i e n ti c i cs c h e m ew h i c h e o m b i n e das e m i s t a t i cr e s o u r c ea l l o c a t i o np l a nw i t h af r a c t i o n a lp o w e rc o n t r o lm e t h o d a p p l i e db y h i g hi n t e r f e r e n c ei n d i c a t o r ( h i i ) ，a r e s o u r c er e u s ea v o i d a n c ea l g o r i t h mi s p r o p o s e dt or e d u c em u l t i c e l lc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e b a s e do nt h ep a t hl o s sc o m p e n s a t i o n ，a c l o s e d l o o pp o w e r c o n t r o lm e t h o dw a sa p p l i e dw h e ns e t t i n gt r a n s m i tp o w e ro fc e l l 。c e n t e ru s e r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f i c i e n ti c i cs c h e m ec a ni m p r o v et h ec e l l e d g e a n do v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t hs f 氏t h ei c i cs c h e m ei n c r e a s e dt h e c e l l e d g ea v e r a g et h r o u g h p u tb y 3 3 18 a n dt h es p e c t r a le f f i c i e n c yb y3 8 8 i n a d d i t i o n ，t h es y s t e mt h r o u g h p u tc a nb ei m p r o v e db y3 8 7 k e y w o r d s ：l t eu p l i n k i 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 s e m i - s t a t i cs o f t f r e q u e n c y r e u s e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着互联网、物联网业务的增加，原来的g s m 及后续的发展技术( 包括 g p r s 、e d g e 、u m t s 等) 和3 g ( 包括t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ) 已经远远不能满足市场的需求。在国际众多大型运营商的提倡下，l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 由3 g p p 标准组织于2 0 0 4 年1 1 月正式启动【l 】。2 0 0 6 年6 月完 成可行性报告，结束其研究阶段( s t u d yi t e m ) 。之后开始进入实质工作阶段( w o r k i t e m ) ，2 0 0 7 年6 月完成核心技术的规范工作。2 0 0 8 年底，l t e 标准化终于完 成，后续的一些具体细节仍在不断的谈论和修改中。经过7 年的研究，l t e 技 术逐步成熟，已经成为新一代宽带无线移动通信发展的方向。l t e 作为3 g 和 4 g 之间的一个过渡技术，利用3 g p p 在无线接口方面的优势，依靠3 g 的技术 基础实现到4 g 的平滑演进。 3 g p p 标准化组织经过激烈的讨论，于2 0 0 5 年底决定l t e 采用o f d m 和 m i m o 技术方案作为无线网络的唯一标准，实现更低系统延时、更高用户数据 传输速率、提高系统吞吐量和覆盖范围，降低运营成本的目标。为了适应全球 复杂的频谱分配状况，l t e 提出了灵活的、扩展的系统带宽配置，支持1 2 5 m h z 、 2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 、2 0 m h z 等系统带宽。3 g p pl t e 具体设计指 标还包括【2 1 ：提高峰值速率，上行达到5 0 m b i t s ，下行为1 0 0 m b i t s ；在保持原 有基站布局不变的基础上，提高小区边缘比特速率；提高频谱效率，上行是r 6 的2 3 倍，下行是r 6 的3 - 4 倍；从用户到基站再到用户的环回延时低于1 0 m s 并减小控制面延时；强调向下兼容，支持现有3 g p p 和非3 g p p 的互操作；支持 进一步增强的m b m s ；支持如v o l p 和p r e s e n c e 等不同类型的业务；降低网络组 建和维护的成本；具有合理的系统和终端复杂性、成本和功耗；支持迸一步增 强的i m s 和核心网；支持对称或非对称频段操作。为了实现上述目标，3 g p pu 屯 需要考虑无线接口及无线网络框架的进一步演进。 l t e 系统空中接口采用以o f d m ( 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 e ) 技术为基础的多址方式。下行链路采用o f d m a 技术，上行链路采用s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e rf d m a ) 单载波技术。这些技术的应用使小区内用户的子载波 正交，从而可以有效的避免小区内干扰i 引。对于采用o f d m 技术的l t e 系统， 由于其物理层技术自身没有小区间干扰抑制的机制，如采用频率复用因子为l ， 即小区内每一个用户都能使用整个频谱资源，虽然能较好的提高频谱效率，减 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 小小区内的干扰，但会导致小区间的干扰水平严重增大，特别是位于小区边缘 用户的性能会受到极大损失。因此，小区间干扰就成了l t e 移动通信系统中的 主要干扰源。为提高小区边缘的数据速率，保证对用户的无缝业务支持，提高 系统的频谱利用率，必须有效减轻小区间干扰。 1 2 研究现状 目前，l t e 系统中有关小区间的干扰抑制问题已经取得了一些研究成果。 3 g p p 标准化组织经过讨论将小区间干扰抑制主要方式分为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。干扰随机化继续沿用c d m a 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 v o l p ) 则不太适用，在o f d m a 系统中实现也比较复杂。干扰协调技术实现简单， 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，但却带来了频 率分集增益的损失和小区整体吞吐量的下降。 现阶段的干扰协调方案主要是基于频率复用和部分功率控制技术。频率复 用主要是针对小区边缘用户，将整个系统的频谱资源分为1 、3 或7 份，每个小 区的边缘用户只能使用其中的l 、1 3 或l 7 ，频率复用因子为l 、3 或7 。频率 复用因子为1 ，即表示整个系统覆盖范围内的所有小区使用相同的频谱。频率复 用因子越大小区间的干扰越小，但是小区系统吞吐量就会明显下降。为了实现 小区边缘用户高数据速率，同时保证系统的吞吐量，应尽量采用既可以降低小 区间干扰又要使频率复用因子接近1 的折中方法。小区间干扰协调从资源分配 上又可以分为静态协调、半静态协调和动态协调。 静态协调方案由于频率分配简单，易于操作且信令开销较小，最早被广泛 使用【4 】【l0 1 。具有代表性的有华为、爱立信、阿尔卡特等公司提出的方案。2 0 0 5 年首先由华为公司提出软频率复用( s o f tf r e q u e n c yr e u s e ，s f r ) 方案【4 1 。该方 案的优点是边缘用户和中心用户的发射功率的比值可以根据距离基站的远近进 行调整，频率复用因子可以在1 3 之间进行平滑的过渡。其中文献【6 ，7 】是爱立 信提出的方案，边缘用户的频率复用因子为3 ，发射功率为全频率，中心用户使 用整个频谱资源，降功率发射。但与华为方案一样存在同样明显的不足，小区 边缘用户最多只能使用整个频谱的l 3 。阿尔卡特方案1 8 , 9 】，将整个频谱分为7 份，小区边缘的频谱利用率由1 3 提高至3 7 。部分频率复用作为静态干扰协调 的方案也被广泛研究1 1 1 1 - 1 3 1 。文献【1 3 】中的方案是对传统部分频率复用的改进。 将整个频谱分为两部分，边缘用户分配的频谱，相邻小区内用户不能使用，中 第一章绪论 心用户使用的频谱资源与相邻小区边缘用户使用的资源不重叠。小区边缘用户 采用高功率发射，中心用户采用降功率发射。小区边缘用户受到小区间的干扰 可以完全避免是该方案的优点，但明显缺点是降低了频谱利用率。静态干扰协 调方案最为突出的缺点是其干扰协调能力不能随着负载的变化而变化，只能在 小区低负载时发挥优势。 针对上述缺点，半静态干扰协调技术已经成为减小小区间干扰的主要技术 趋势【1 4 】【1 8 】。文献【1 4 】是西门子提出的方案，整个频谱资源分为份，根据相邻 3 个小区集合的负载，其中具有最高边缘负载的小区，来确定分配的边缘资源数 z 小区中心可以用的资源为n - 3 x 。如果小区边缘负载增加需要边缘资源增加l ， 小区中心的资源数将减少3 个。该方案中小区边缘资源虽然可以根据小区负载 的变化来调整，但却是以减少小区中心资源为代价。文献【1 5 】是美国德州仪器基 于软频率复用进行的改进。预先给每个小区分配整个频谱的l 3 作为小区边缘资 源。当一个小区集合为边缘高负载，相邻小区集合为边缘低负载时，高负载小 区可以向低负载小区借用空闲的边缘资源作为目标小区的边缘资源，但具体借 多少，从哪些资源借该方案中并未考虑。文献 1 7 】中将资源分为4 部分，其中的 1 4 资源是当目标小区边缘低负载时可借出的备用资源，该方案解决了文献【1 5 】 面临的问题，但是由于小区边缘和小区中心的发射功率采用固定的1 2 比值，不 能使系统的吞吐量得到很好的改善。文献【1 8 】在文献【1 5 】资源分配借用的基础 上，提出了资源重用避免的算法，但是没有结合功率控制，小区的系统总吞吐 量还可进一步提高。 动态干扰协调由于预先没有资源分配方案，能更好的适应小区负载的变化， 成为学术研究的新热点，但由于其具有较大的信令开销，不易在实际系统中使 用【1 9 l 一【2 1 1 。 应用软频率复用，小区边缘的性能和小区吞吐量都受到了一定的限制。通 过功率控制【2 2 】可以满足信干燥比的需求，同时能够控制相邻小区间干扰的产生。 部分功率控制包括开环功率控制【2 3 1 、闭环功率控制和基于过载指示( o v e r l o a d i n d i c a t e r ，0 1 ) 的小区间功率控$ 1 j 2 5 , 2 6 等方法。但是这些方案中不是干扰的估计 不够精确就是对于干扰波动变化的问题没解决。 1 3 研究内容 从上述研究现状可以看出，半静态软频率复用是小区间干扰协调的主流技 术。既可以通过资源的半静态分配保证边缘用户的性能，提高边缘用户的吞吐 量，又可以提高系统频谱利用率。 本文针对l t e 系统上行链路的小区间干扰协调，为了适应负载随时间的变 4 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 化，介绍了改进的半静态软频率复用方案。基于传统的高干扰指示( h i g h i n t e r f e r e n c ei n d i c a t o r ，h i i ) ，考虑不同用户到基站的距离不同所造成的小区间干 扰的大小不同，应用了h i i 新的改进思想，避免了小区间资源的重用，同时应 用过载指示( o i ) 设定三个干扰门限，减小了小区间干扰。最后根据小区干扰 协调的功率控制技术，介绍了改进的闭环功率控制，结合上述半静态资源分配 方案使整个协调方案在改善小区边缘用户性能的同时提高系统总的吞吐量。 1 4 章节安排 本论文共分为五章，具体组织结构如下： 第一章简单介绍l t e 系统上行链路小区间干扰协调研究背景、研究现状， 课题研究内容及各章节安排。 第二章介绍了物理层上行关键技术，o f d m 、s c f d m a 原理，l t e 系统物 理资源的划分以及信道模型。 第三章首先介绍上行干扰信号的产生，小区间干扰抑制的分类，然后对两 个经典资源分配方案进行详细分析。最后介绍基于高干扰指示( h i i ) 和过载指 示( o i ) 消息的上行干扰协调技术。 第四章介绍一种改进的半静态资源分配及资源借用算法思想，接着介绍改 进的基于路径补偿的闭环功率控制和结合h i i 及o i 的应用。并对该算法的具体 实施方案改进的半静态资源分配和部分功率控制相结合及实现过程进行详 细描述。 第五章总结论文的研究工作，及展望未来的研究方向。 第二章l t e 上行链路相关技术 第二章l t e 上行链路相关技术 l t e 系统对上行链路采用的相关技术提出了规范，包括物理层关键技术， 物理资源划分和信道模型。本章将对以上几个方面的内容进行描述和讨论。 2 1 物理层上行关键技术 l t e 接入网协议可以分为3 个层次结构，物理层处于其中的最下层，以传 输信道为接口为上层提供数据传输的服务。物理层规范定义了l t e 物理层的工 作机制以及为上层提供的数据传输服务，包括物理层采用的无线帧结构、多址 方式等。 2 1 1 无线帧结构 在空中接口上，l t e 系统定义了无线帧来进行信号传输，支持两种无线帧 结构t y p el 和t y p e2 ，t y p el 适用于f d d 模式，t y p e2 适用于t d d 模式。 一个无线帧的长度为1 0 m s 2 1 。 ( 1 ) t y p e1f d d 帧结构 l t e 系统中f d d 采用没有特殊时隙的简单等长时隙结构。该帧结构适用于 全双工f d d 和半双工f d d 模式。l t e 系统在数据传输延时上提出了单向延迟 小于5 m s 的要求，所以，空中接口资源分配和传输的最小时间间隔t t i 等于1 个子帧。一个1 0 m s 的无线帧分为1 0 个l m s 的子帧，每个子帧又分为2 个0 5 m s 的时隙。因此每个无线帧含有2 0 个时隙，标号o 1 9 ，如图2 1 所示。 无线帧= l0 m s 辈1 茸5时鞫5 m s 0l23456789 一个时隙0 5 m s 采用常规c p 的时隙结构采用扩展c p 的时隙结构 图2 1t y p eif d d l t e 的1 - 行帧结构 上行f d d 结构中，对于常规循环前缀( c p ) 一个时隙包含6 个d f t - s o f d m 符号，对于扩展c p ，一个时隙包含7 个d f t - s o f d m 符号。 商一| lt一 6 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 ( 2 ) t y p e2t d d 帧结构 t l e 系统中的t d d 帧结构是基于t d s c d m a 中的帧结构修改的。1 0 m s 的无线帧分为两个长度为5 m s 的半帧，每个半帧由5 个长度为l m s 的子帧组成， 其中包括4 个常规子帧和1 个特殊子帧。常规子帧包含2 个0 5 m s 的时隙，特 殊子帧由3 个特殊时隙组成，如图2 2 所示。 半暌5 m s 0 饧图2 34 5 饧胬7 89 t d w p t sg p u p p t s t d w p t sg p u p p t s 图2 2 t y p e2 t d d l t e5 m s 周期帧结构 在t y p e2t d d 帧结构中，存在l m s 的特殊子帧，由三个特殊时隙组成，这 个特殊子帧有上行导频时隙( u p p t s ) 、保护间隔( g p ) 和下行导频时隙( d w p t s ) 3 个特殊时隙组成，如图2 3 所示。 图2 3 特殊时隙 图中以长度为1 4 个o f d m 符号的特殊时隙为例。其中，g p 是上下行转换 的保护间隔，不传送任何信号。在t d d 中，由于信号的传输时延和设备收发的 转换时延，为了避免上下行信号之间的干扰，需要在上下行转换的时候设置一 定的保护时间间隔。d w p t s 用于下行信号的发送，根据不同的配置，d w p t s 的长度可以是3 1 2 个o f d m 符号。u p p t s 用于上行信号的发送，它的长度可 以配置为l 2 个o f d m 符号，可用于承载物理随机接入信道和s o u n d i n g 导频信 号。时间资源在上下行方向上进行分配是l t e 系统的一个特点。t y p e2t d d 帧 结构支持7 种不同的上下行时问比例分配。根据系统业务量的特性进行设置， 这7 中配置包括3 种5 m s 周期和4 种l0 m s 周期。在5 m s 周期的配置中每5 m s 包含一次下行到上行的转换间隔，而在1 0 m s 周期的配置中每1 0 m s 包含一次下 行到上行的转换间隔。 2 1 2o f d m 原理 l t e 空中接口采用以o f d m 技术为基础的多址接入方式。上行采用 第二章l t e 上行链路相关技术 s c f d m a 单载波频分多址，下行采用o f d m a 多址接入方式。在介绍s c f d m a 前首先介绍o f d m 基本原理，以便更深入的理解s c f d m a 原理。 o f d m 技术是一种高效多载波调制技术，其基本原理是将发送的高速数据 流分散到多个子载波上，以使各子载波的信号速率大为降低，从而提高信号的 抗多径和抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，o f d m 技术中各子载波频谱有 1 2 重叠，且保持相互正交，在接收端通过相应的解调技术再分离出各子载波， 同时消除码间干扰的影响【4 3 1 。 o f d m 信号复数形式表示如下： m 一- i 删o ) = d 。( t ) e x p ( j c o 。f ) ( 2 一1 ) 国m2 啡+ m a c o ( 2 - 2 ) 式中，国。为第所个子载波角频率，矾。，( f ) 为第m 个子载波上的复信号。 若对信号，删( f ) 进行采样，采样间隔为丁，则有 m - i m - i s 删( | j d = d 。( t ) e x p ( j o j mk t ) = d 。( t ) e x p j ( c o + m a c o ) k t ( 2 3 ) m = o m - - - - o 假设一个符号周期c 内含有个采样值，即 t = n t ( 2 4 ) 常选择载波频率间隔4 f = l 疋，o f d m 信号不但保持各子载波间相互正交， 而且可以用离散傅立叶变换( d f t ) 来表示。 在o f d m 系统中采用d f t 技术对并行数据进行调制和解调，o f d m 信号 频谱结构如图2 4 所示。o f d m 信号是通过基带处理来实现的，不需要振荡器 组，因此大大降低了o f d m 系统实现的复杂性。 图2 4 0 f d m 信号频谱 o f d m 信号是基于快速离散傅立叶变换来产生的，其产生原理如图2 5 ( a ) l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 所示。输入二进制数据序列的信息速率为r 。先进行串并变换。根据o f d m 符 号间隔c ，将其分为c ，= r 瓦个比特组。这c ，个比特分配到个子信道上，经 编码映射生成个复数子符号x 。然后引入2 n 点快速离散傅立叶反变换 ( i f f t ) 将频域中的个复数子符号x 。变换成时域中的2 n 个实数样值，后面 加上，个循环前缀( c p ) ，以保证在多径衰落环境下保持子载波间的正交性，这 2 n + j 个实数样值就构成了实际发送的o f d m 符号。实数样值经过并串变换 之后，通过d a 变换器和低通滤波器输出为基带信号。最后经过上变频输出 o f d m 信号。 o f d m 信号接收原理如图2 5 ( b ) 所示。其处理过程与产生相反，核心部分 是f f t 处理。因为主要的多径分量都落在循环前缀长度内，所以是发射信号经 过一定位移的循环复本，所以f f t 可以将这些多径分量合并，同时保证各子载 波间的正交性。经过f f t 处理后，时域o f d m 符号被还原到频域，即每个子载 波上的发送信号。 二进制 序列串 并上 k 加 d a 并 编码 i f f t 由l p f 变 映射 vc p 变换 输入 变换变换频 r a 、，、 二进制 序列串 译 富 ad 下 并 一 码 一 均 一f f t 去 并 变 lpf 变 - 一 变 p判卜 衡 卜 c p 变 换 频 输出 换 决 换 图2 5o f d m 产生和接收原理图 ( a ) 0 f d m 产生原理： ( b ) 0 f d m 接收原理 循环前缀的作用是减小子载波间的干扰。为了使保护时间大于多径时延， 循环前缀将符号尾部的数据复制到符号的前端，多载波信号间保持正交，从而 减小或消除多径干扰和用户间的干扰。 o f d m 信号采用多进制、多载频、并行传输的主要优点是： ( 1 ) 提高了信号的抗多径传输的能力。由于o f d m 系统把信息分散到许多 个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，使符号周期比多径时延长，从而 第二章l t e 上行链路相关技术9 能够减弱多径传播的影响。 ( 2 ) 降低码间干扰。在计算i f f t 时加入一个循环前缀的方法，在o f d m 的 相邻码元间增加一个保护间隔，使相邻码元分离，从而进一步克服码间串扰的 影响。 ( 3 ) 提高了频谱利用率。o f d m 信号由个信号叠加而成，并且与相邻信 号有1 2 的重叠，小区内各用户之间正交，从而有效的避免用户间干扰，实现提 高小区的吞吐量。 ( 4 ) 带宽可扩展。由于o f d m 系统信号带宽取决于使用的子载波数量，因 此具有很好的带宽可扩展性。针对l t e 系统带宽由小于等于5 m h z 增加到 2 0 m h z ，o f d m 系统对大带宽提供有效的支持。 ( 5 ) o f d m 系统采用的调制方式根据功率及频谱利用率的要求来选择，不同 的子信道可以采用不同的调制方式，特性较好的子信道可以采用频谱利用率较 高的调制方式，而衰落较大的子信道应采用功率利用率较高的调制方式。 ( 6 ) 各子信道可以联合编码，实现子信道间的频率分集，且易于与m i m o 、 干扰协调、智能天线等技术结合，提高传输的可靠性。 基于以上优点，o f d m 已成为新一代无线通信最有竞争力的技术，但o f d m 系统也有不足之处： ( 1 ) 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感，受同步误差的影响较大。 ( 2 ) 由于独立调制的很多个不同频率、不同幅度的子载波叠加在一起使用， 这样合成在一起的信号峰值功率和平均功率的比值( p a p r ) 就较大，这将会降 低射频功率放大器的效率。为了保证o f d m 信号的线性放大，就要增加系统的 难度、提高设备的复杂度和终端的成本。 2 1 3s c f d m a 原理 l t e 系统中，由于终端能力有限，尤其受到发射功率的限制，对上行链路 的传输技术的选择有很大影响。o f d m 多载波技术，由于具有非常高的p a p r ， 使发射机功放的成本和耗电量增加，不利于在上行链路实现。单载波( s c ) 传 输技术具有p a p r 较低的特点，l t e 上行链路采用s c f d m a 多址接入技术， 既继承了o f d m 的优点，又可以实现低p a p r ，在终端可以简化系统结构同时 提高能量效率。 3 g p p 组织经过激烈的讨论，最终从多种并行的s c f d m a 的实现方法中选 择以离散傅立叶扩散o f d m ( d f t - s o f d m ) 为核心的频域实现方法作为l t e 上行多址技术。而后又对s c f d m a 的多种具体实现方式进行了研究，最终决 定采用集中式的d f t - s o f d m 技术i lj 。 1 0 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 l 、单载波传输 l t e 中采用时域信号包络符合单载波特性的单载波传输，具有较低的 p a p r c m 的特点。在频域，可以通过集中式( l o c a l i z e d ) 和分布式( d i s t r i b u t e d ) 两种方式来实现，如图2 6 所示： 较高符号速率波形 较低符号速率波形 ij i _ - j 整个系统带宽 整个系统带宽 ( a ) ( b ) 图2 6 单载波实现方式 ( a ) 集中式单载波；( b ) 分布式单载波 图2 6 ( a ) 中，频域子载波是排列在一起的，对于集中式单载波传输，一个用 户的发送信号是一个连续的频谱，占整个系统带宽的一部分，此连续频谱的大 小决定用户符号速率，高符号速率的用户占用的频谱较宽，但低符号速率的用 户占用的频谱较窄。 对于分布式单载波传输，如图2 6 ( b ) 。一个用户的发送信号在频域上并不是 一个连续的频谱，而是频域子载波等间距的离散频谱。这个离散的梳状频谱分 布在整个系统带宽上。梳状频谱的密度决定用户的符号速率，高符号速率的用 户梳齿较密，低符号速率的用户梳齿较疏。 如图2 7 ( a ) 所示集中式单载波系统的多个用户占用不同的连续系统带宽频 段，以实现多用户间正交传输。分布式单载波系统的多个用户使用不同的梳状 频谱，这些频谱相互交错，但不重叠，以实现多用户正交传输如图2 7 ( b ) 所示。 用户2 ( a ) ( b ) 图2 7 单载波的多用户传输 ( a ) 集中式单载波：( b ) 分布式单载波 集中式单载波传输方式，虽然频率误差造成用户问的干扰，但只有边缘的 第二章l t e 上行链路相关技术 子载波受到影响，大部分子载波是不受影响的，因此具有较强的抗频偏能力。 但是，在集中式单载波方式下获得的频域分集增益较小。以目前的资源块大小， 已经获得不错的频域分集，进一步扩展传输带宽获得的额外增益有限。另外， 集中式传输可以通过频域调度获得多用户分集增益。分布式单载波传输虽然在 更宽的频谱传输上可以获得更大的频域分集增益，但由于不同用户的子载波相 互交错，一旦子载波出现频偏，就会产生严重的用户间干扰。 2 、d f t s o f d m 技术 d f t - s o f d m 是基于o f d m 的一种改进技术，由于传统的o f d m 技术的 p a p r 较高，在上行链路用户终端上实现有一定的困难。可以通过在发射机的 i f f t 处理前对系统进行预扩展处理来降低p a p r ，其中最经典的就是用离散傅 里叶变换进行扩展，这就是d f t - s o f d m 技术。 图2 8 给出了d f t - s o f d m 的信号处理流程1 2 1 。与典型的o f d m 调制相比 较，d f t - s o f d m 在子载波调制前增加了d f t 操作。与o f d m 中信号直接映 射到频域的子载波上形成多载波信号不同，d f t - s o f d m 中信号由时域输入， 通过d f t 的操作转换到频域后再进行子载波调制。各用户的频域信号输入i f f t 模块，这样各用户的信号又一起被转换到时域，并发送。因此d f t - s o f d m 属 于单载波的调制，其发射信号也具有单载波的特性，这样就大大降低了p a p r 。 这也是l t e 选择单载波s c f d m a 作为上行多址方式的主要原因。在接收机端， 系统先通过i f f t 将信号转换到频域，然后用频域均衡器对每个用户的信号进行 均衡，最后通过d f t 解扩展用户数据。 d f i - s - o f d m 调制 域 图2 8d f s - o f d m 调制的信号处理流程 3 、d f t - s o f d m 子载波映射 为了使信号真正具有单载波的特性，d f t - s o f d m 调制过程中对于子载波 的映射需要满足一定的限制。子载波映射模块主要应用于如何将d f t 输出的频 域采样映射到输入i f f t 的子载波上，并在哪些子载波上填0 。如图2 9 所剥列， 集中式映射，d f t - s o f d m 的信号处理过程相当于对输入信号进行时域的过采 样，将d f t 频域采样映射到连续的了载波上，d f t 频域采样没有占用的高端和 1 2 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 低端子载波上填0 。对于分布式映射，为了保持单载波特性，d f t - s o f d m 调 制必须采用等间隔的子载波映射，即l ，= l ，= = l ，此时d f t - s o f d m 的处 理过程相当于对输入信号进行时域的块重复，将d f t 频域采样映射到离散的子 载波上，在相邻d f t 频域采样之间填三个0 。d f t - s o f d m 调制中不能使用间 隔不相等的分布式映射，因为那样会输出信号的单载波特性。实际应用中，考 虑到用户间的干扰和调度的灵活性，在l t e 上行中不支持图2 9 右图所示的分 布式的子载波映射，而采用时隙子帧间跳频的方式来获得频率分集的增益。 集中式 频域o 一 b 。0 ”；： _ i f f r 二_ “0 ”f + ： ； 数 据 、分布式 频域“0 一。 上。卜“o 一寸 十， o 2个“0 ” m ： 三除0 ”一 o “0 ”- 图2 9d f t - s o f d m 的子载波映射 2 2l t e 物理资源划分 l t e 系统中的资源块分为物理资源块( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ，p r b ) 和 虚拟资源块( v i r t u a lr e s o u r c eb l o c k ，v r b ) 两种。p r b 用来描述实际物理资源 分配情况，v r b 用来描述线性传输支持的两种资源映射方式。 2 2 1 物理资源块 l t e 中定义了物理资源块( p r b ) 作为空中接口物理资源分配的单位。一 个p r b 在频域上包含1 2 个连续的子载波，时间长度为一个时隙o 5 m s ，频域宽 度为18 0 k h z 。时域上在常规c p 的情况下包含6 个连续的o f d m 符号，在扩展 c p 情况下包含7 个连续的o f d m 符号。将1 个符号1 个子载波定义为一个最 小的资源单元称为资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) ，则一个p r b 包含8 4 个 r e 。物理资源块的结构如图2 1 0 所示h 2 。 第二章l t e 上行链路相关技术 楚 秘 m 牛 1 0 5 m s = 7 个o f d m 符号 卜一 图2 1 0 物理资源块( p r b ) 的结构 l t e 系统的带宽，不同的设置从1 4 m h z 到2 0 m h z 带宽，可以映射不同的 资源块( p r b ) 数目。表2 1 给出了l t e 系统中6 种不同系统带宽与子载波数 目及p r b 数目的对应关系。 表2 1 系统带宽与资源块数目 系统带宽子载波数目p r b 数目 1 4 m h z7 36 3 m h z1 8 11 5 5 m h z3 0 l2 5 1 0 m h z6 0 l 5 0 1 5 m h z9 0 l7 5 2 0 m h z1 2 0 l1 0 0 2 2 2 虚拟资源块 l t e 中在理资源块( p r b ) 的基础上还定义了虚拟资源块( v r b ) ，虚拟资 源块的大小与物理资源块相同，长度为一个时隙，即o 5 m s ，包含1 2 个连续的 子载波。虚拟资源块主要定义资源的分配方式，长度为1 个子帧( 1 m s ) 的两个 v r b 是物理资源分配信令的指示单位。l t e 定义了两种类型的虚拟资源块：集 中式和分布式。其中集中式的v r b ( l v r b ) 直接映射到p r b 上，而分布式的 v r b ( d v r b ) ，逻辑资源序号与物理资源序号有一定的映射关系。l t e 的下行 支持l v r b 和d v r b 的分配。上行不支持d v r b 的资源分配，而是采用l v r b 结合数据信道跳频的方式实现频率分集的效果。 1 4 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 2 3 信道模型 由于城市建筑群、其他地形地物及移动台的移动，影响无线信道衰落的特 性的物理因素有很多。根据无线信号传播环境的不同，无线信道分为大尺度传 播模型和小尺度传播模型。大尺度传播模型包括路径损耗和阴影衰落，小尺度 传播模型为多径衰落。在一个无线信道中，大尺度衰落和小尺度衰落是并存而 非相互独立的。但由于空间分集、扩频、编码与交织技术等已被广泛用于抵消 小尺度衰落的影响，从而接收信号主要取决于大尺度信道变化。为简单起见， 这里假设平均掉了小尺度衰落的影响，因此仅考虑路径损耗和阴影衰落的影响。 2 3 1 路径损耗 路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的。在路径损耗 模型中一般认为发射机到接收机的距离相同，路径损耗也相同。随着距离和位 置的变化，信号的平均功率也在变化。主要影响通信距离和小区覆盖范围。 简单的路径损耗模型如下： 圪= 纠等i 仁5 ， 式中，p 为发射机输入给发送天线的平均功率，只为接收机输出给接收天线的 平均功率，g ，为发射天线和接收天线的增益之积，r 为发射机和接收机的直 线距离，竺为各向同性天线的有效面积。 用d b 可表示为： 最d b 刊0 l o g l 。p _ _ t = _ 1 0 l o g , 0 i ( v q 百默i 2 i ( 2 石) 适用于城市和郊区室外的宏小区测试环境中，路径损耗表示如下【4 4 】： 艺d b = 4 0 0 4 x 1 0 3 h ) l o g l o ( r ) 一1 8 l o g l o ( 厅) + 2 1 l o g l o ( 厂) + 8 0 d b( 2 - 7 ) 式中h 表示基站的天线高度，单位米；r 的单位为千米；f 表示中心载频。 路径损耗由传输模型决定，根据3 g p pl t e 的相关规定，基站的天线高度为 1 5 米，2 g h z 中心载频的路径损耗定义为： p l = 1 2 8 1 + 3 7 6 l 0 9 1 0 ( r ) ( 2 8 ) 第二章l t e 上行链路相关技术 2 3 2 阴影衰落 阴影衰落是由于信号在无线信道传播中遇到障碍物使信号发生随机变化， 造成给定距离处接收信号功率的随机变化，发射面和散射体的变化也会使接收 功率发生随机变化。如建筑物、树木、地形等障碍物因素引起的本地平均信号 的随机衰落造成的。当电波辐射到地面或建筑物表面时，发生吸收、反射、散 射和绕射，导致信号功率衰减，严重时甚至会阻断信号。阴影衰落是以较大的 空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布，阴影衰落计算原理如下， 用户到基站的信号衰减可以用以下模型表示： s i = k o d 舻m r ； 式中p 表示用户到基站的距离，a 为路径损耗指数。x ，表示阴影衰落， 为0 的高斯随机变量，单位为d b ；标准差为仃，单位也是d b 。 x ，表示如下： ( 2 - 9 ) 是均值 鼍= o 5 z + o 5 z ，( 2 1 0 ) 式中，z 和z ，分别表示用户所在小区和基站所在小区的高斯分布随机数，其均 值为0 ，均方误差为仃。 2 4 本章小结 本章是全文的理论基础部分。首先介绍了物理层上行关键技术，包括无线 帧结构，以及作为s c f d m a 理论基础的o f d m 原理，并详细介绍s c f d m a 采用的d f t - s o f d m 原理、子载波映射，接着介绍了资源块划分和信道模型。 从而为后面的章节做好铺垫工作。 1 6 l t e 系统中半静态软频率复用技术研究 第三章l t e 小区问干扰协调技术 第三章l t e d x 区间干扰协调技术 上行链路采用s c f d m a 多址接入技术，小区内用户使用的子载波是正交 的，在o f d m 符号前加入了循环前缀， l t e 中，小区内的干扰可以不必考虑。 很好的避免了子载波间的干扰，所以在 但是由于在蜂窝网络中应用频率复用， 用户相距一定的位置可以使用相同的频率资源，这就形成了小区间干扰。传统 的频率复用系数有1 、3 、7 等。复用因子为l 时，频谱利用率最高，相邻小区 内的所有用户都可以使用整个系统频谱资源，但这时小区边缘的干扰最严重。 使用较大的复用因子如3 或7 ，可以有效的抑n d , 区间干扰，但是频谱利用率只 有1 3 或1 7 。抑n d , 区间干扰就成为技术研究的热点。 3 1 上行干扰信号的产生 上行干扰是指目标小区内的基站接收到的来自相邻小区内的用户发射的干 扰信号，如图3 1 所示。 图3 1l t e 小区间上行干扰产生示意图 小区l 和小区2 内的用户使用相同的频率资源，小区1 内的边缘用户向 e n o d e b