（通信与信息系统专业论文）3gpplte上行干扰协调方案的研究.pdf

摘要 摘要 为了满足人们日益增长的对移动通信技术的需求，3 g p p 组织开始了第三代 移动通信( 3 g ) 的长期演进计划l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 。3 g 长期演进计划 在提高数据传输速率以及减少系统时延的同时，增大了覆盖范围和系统容量，从 而达到降低用户费用和运营商成本以及改善服务质量的目标。3 g p pl t e 系统采 用的是基于正交频分复用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 x i n g ) 的多址接入技术，由于其子载波之间的正交性，能够有效地避免小区内用户的干 扰，以至于使得如何抑制小区间干扰成为一个研究点。 为了更好的对干扰协调方案进行研究，我们建立了l t e 上行系统仿真平台， 该仿真平台的设计主要依据了3 g p pt r2 5 8 1 4 等3 g p p 系列技术报告。同时， 也重点参考了各大通信研究机构以及通信公司在3 g p p 会议上的提案，通过对这 些技术报告和提案的阅读和理解，给了自己很多启迪，这些对本文中l t e 上行 系统仿真平台的设计以及系统性能的研究都有着重要的指导意义。 功率作为无线通信重要的资源是本文研究的切入点，本文主要从小区间功率 控制来探讨如何抑制系统的干扰水平和提高边缘用户的服务性能。本文中所研究 的小区间功率控制方案是从服务主体即用户的角度来考虑，对小区内不同属性的 用户进行分类，探讨出针对不同属性的用户进行不同的功率控制方案，从而实现 降低系统干扰水平、提高边缘用户服务质量的目的。 关键字：3 g p p 长期演进；正交频分复用；干扰协调；小区间功率控制 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h eg r o w i n gd e m a n df o rm o b i l ec o m m u m c a t i o n st e c h n o l o g y , 3 g p po r g a n i z a t i o nb e g a nt h en l i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) l o n gt e r m e v o l u t i o np l a n ( l o n gt e r me v o l u t i o l l ，r e f e r r e dt oa sl t e ) 3 gl o n gt e r me v o l u t i o n p l a n st a r g o tt oi n c r e a s ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e sa n dr e d u c es y s t e ml a t e n c y , w h i l e i n c r e a s i n gt h ec o v c r a g ea n ds y s t e mc a p a c i t y , w h i c hc a l lr e d u c eu s e rc o s t sa n d o p e r a t o rc o s t sa n di m p r o v eq u a l i t yo fs e r v i c e m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yb a s e do n o f d mu s e di i l3g p pl t es y s t e m ，b e c a u s eo fi t s f r e q u e n c yo r t h o g o n a l i t y , c 觚 e f f e c t i v e l ya v o i dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r sw i t h i nt h ec e l l ，s ot h a tm a k e sh o wt o s u p p r e s si n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ea sa r e s e a r c hf o c u s i no r d e rt ob e t t e ri m p l e m e n t i n gt h es c h e m eo fi n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ，w e e s t a b l i s h e dl t eu p l i n ks y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m , t h ed e s i g no ft h es i m u l a t i o n p l a t f o r mi sm a i n l yb a s e do n3 g p p2 5s e r i e so ft e c h n i c a lr e p o r t s ，s u c ha s3 g p pt r 2 5 8 1 4 m e a n w h i l e ，p r o p o s a l so ft h em a j o rc o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e sa n dr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa tt h em e e t i n gi sa l s oa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ei l lt h i ss i m u l a t i o n ，w h i c h p e r f o r m i n gi m p o r t a n tg u i d e si nt h ed e s i g no ft h es i m u l a t i o np l a t f o r m p o w e ra st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e si sa ni m p o r t a n te n t r yp o i n tf o r t h i ss t u d y , i nt h i st h e s i s ，w ed i s c u s sh o wt od e c r e a c et h es y s t e mi n t e r f e r e n c el e v e la n d i m p r o v et h es y s t e ms p e c m m ae f f i c i e n c y t h ei n t e r - c e l lp o w e rc o n t r o ls c h e m ei i lt h i s p a p e rc a r r i e so u tt h ew o r kf r o mt h ev i e wo fu s e r s ，w h i c hc l a s s i f i e su s g a sa c c o r d i n gt o t h eu e f s sp r o p e r t i e s a n dt h e r e b yc a r r i e so u td i f f e r e n ti n t e r - c e l lp o w e rc o n t r o lm e t h o d s ， t h u sa c h i e v i n gt h eg o a lo fd e c r e a c i n gs y s t e mi n t e r f e r e n c el e v e l ，i m p r o v i n gc e l le d g e u s e r s s e r v i c eq u a l i t ya n ds y s t e ms p e c t r u mu t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：3 g p pl t e ；o f d m ；i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ；i n t e r - c e l lp o w e rc o n t r o l h 第一章背景概述 第一章背景概述 伴随着移动通信技术的迅猛发展，移动通信市场的规模也在日益扩大，但同时人们 对移动通信业务的需求更加的丰富及多样化，不仅仅限于语音业务，对其他的数字通信 业务需求也更为强烈，比如视频点播、移动电视、在线游戏、音乐下载等业务。这些需 求的变化在给通信市场带来更多发展机遇的同时，也面临着许多亟待解决的问题。 现在的g s m 等移动通信网络虽然经历了几十年的发展和普及，但在应对更为多样 化的用户需求上表现的捉襟见肘；而对于c d m a 的移动通信系统，我们都知道，其形 成具有特定的历史背景，由于3 g 通信所涉及的核心专利被少数通信公司所持有，比如 高通公司，而其他的通信公司在这一方面就要被受到挤，同时各大通信运营商也要为3 g 通信的专利授权费付出昂贵代价。鉴于此种种情况，大家都迫切希望改变目前的这一通 信现状，希望在未来的宽带无线通信领域也能有自己的核心技术。愿景终归是美好的， 而为了实现这一美好愿景，需要做的工作就是要去解决现实通信技术及通信市场中所面 临的问题。在通信技术方面，为了满足不断增长的用户需求、降低通信运营成本及终端 成本，各通信公司就要试图去寻求对目前通信系统突破性的技术革新，包括无线空口技 术、简单的网络架构等；在通信市场方面，由于通信市场规模的不断壮大，移动通信用 户的急剧增长，这对大家来说又可以说是一个很大的诱惑，这样众多的非传统运营商也 纷纷加入了进来。这些新兴的通信力量为通信市场引进了新的商业运营模式，同时也对 传统的通信运营商带来了前所未有的挑战。 3 g p pl t e 技术就是在这样的一个通信大背景下推出来的，l t e 技术就是通常所说 的准4 g 技术，可以实现更高的数据速率。l t e 的工作进程不是一帆风顺的，相反可以 用道路曲折来形容，但是3 g p p 各成员都有着一个强烈的推进l t e 技术的愿望，这样 l t e 的各项研究工作也在不断向前推进。l t e 的研究工作是由3 g p pr a n 工作组所负责 的，到目前l t e 的基本传输技术也都已确定，下行采用o f d m ，上行采用s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。而对于是否采用宏分集技术，3 g p p 各成员经过了激烈的讨论，最终决定至少到目前不采用宏分集技术。由于l t e 系统为了 达到更高的性能指标，对数据的传输时延要求很高，大多数的通信公司建议采用较小的 0 5 m s 子帧长度，但这样的话又会出现一个问题，由于t d s c d m a 中采用的子帧长度 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 是0 6 7 5 m s ，就会造成t d s c d m a 系统与l t et d d 系统的不兼容。为了在这一问题上 达成一致，经过了激烈的讨论，3 g p p 组织最终决定，l t e 基本的子帧长度是0 5 m s ，当 在考虑与t d s c d m a 系统兼容时可以考虑采用0 6 7 5 m s 的子帧长度。 l t e 技术的研究工作还是取得了很大的进展，基本传输技术确定已经确定，基本传 输技术的参数设计也都初步确定了。在l t e 系统中，上下行中子载波宽度为1 5 k h z ，在 l t e 中采用的是o f d m 基本传输技术，会存在符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ， 为了克服这个问题考虑在每个o f d m 符号中插入循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，循环前 缀的长度般有两种选择：基本的c p 和扩展的c p 。当采用基本的c p 时，一个物理资 源块p r b ( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ) 在时域上包含7 个连续的o f d m 符号；而当采用 扩展的c p 时，一个物理资源块在时域上包含6 个连续的o f d m 符号。对于l t e 上行， d f t s o f d m 符号的一个子帧由长短两种数据块组成，长数据块主要用于传输数据，导 频等控制信息则由短数据块进行传输。而在物理层的调制编码方式可以采用b p s k 、 q p s k 、8 p s k 以及16 q a m ；而对于l t e 下行，物理层的调制编码方式可以采用q p s k 、 1 6 q a m 、6 4 q a m 等。l t e 上下行的最小资源块大小为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。对于 m i m o ，l t e 上行采用的基本m i m o 模型是l x 2 个天线，下行采用的是2 x 2 个天线， 但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 x 4 个天线) 。在信道编码方面，l t e 主要采 用的是t u r b o 编码。在切换方面，除了l t e 系统内的切换，也考虑了不同频率之间以及 不同系统( 如w l a n 系统等) 之间的切换【1 】【2 1 。 从上面可以看出，l t e 的研究工作在一些关键技术上已经取得了一系列重大的进 展，但是较之于3 g p p 组原工作计划还是滞后的。如果3 g p p 不能如期完成l t e 的可行 性研究，则研究阶段将被迫延长，这样工作阶段则将无法按时开始。另外，h s p a 的演 进项目e h s p a 也已经启动，有公司认为e h s p a 系统可以达到与l t e 系统相似的性能。 这些会不会分散各通信研究机构和通信公司对l t e 项目的投入，我们将拭目以待。 现有的蜂窝移动通信系统( 如3 g 系统) 在小区中心和小区边缘提供的数据速率有 很大的差异，这不仅影响了整个系统的容量，还将对不同位置用户的服务质量产生很大 的波动。因此，目前正在进行的3 g p pl t e 的研究把如何提高小区边缘性能作为主要的 指标之一。本论文将主要就如何降低系统的干扰水平、提高小区边缘用户的吞吐量从而 改善系统特别是小区边缘用户的性能进行研究。 本文首先介绍了当前通信技术发展的背景；接着在第二章中重点介绍了3 g p p 提出 的长期演进( u e ) ，主要有l t e 技术指标、系统架构以及上行关键技术等；第三章首 2 第一章背景概述 先介绍了l t e 中华为、a l c a t e l 、n s n ( 诺西) 等提出的干扰协调技术方案，为接下来基 于用户聚类的小区间功率控制方案的研究做铺垫。随后重点研究了基于用户聚类的小区 间功率控制方案，给出了方案原理和仿真实现过程；在第四章中，介绍了如何实现系统 仿真平台的搭建，从环境配置、基站端b s ( b a s es t a t i o n ) 侧功能模块以及用户终端u e ( u s e re q u i p m e n t ) 侧功能模块等方面进行了重点描述；第五章则给出了本文中所研究 方案的仿真结果以及仿真结果分析，通过仿真验证所研究方案的有效性；最后，第六章 总结了全文的工作，并探讨了在干扰协调技术方面可以进一步研究的思路和方向。 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 第二章3 g p pl t e 介绍 3 g p p 长期演进( m ) 项目是关于u t r a 和u t r a n 改进的项目，旨在进一步发 展3 g 技术，实现降低成本和提高性能，是对包括核心网在内的全网的技术演进。 3 g p pl t e 是3 g p p 组织近年来开展的最大的项目之一，随着新兴的无线技术方案 的产生( 如w i f i 、w i m a x 等) ，3 g 的无线接入技术面i 临着巨大挑战。l t e 的目标就是 对无线接入技术进行改进，使其能够达到或超过现有的有线接入技术的性能，并且在较 长的一段时间内仍能保持很强的竞争力。在下面的章节中将分别从l t e 的性能指标、系 统架构、上行采用的一些关键技术等方面对3 g p pl t e 进行了介绍。 2 1 技术指标 3 g p pl t e 演进技术的目标主要有以下几点【3 】【4 】： 实现比现有技术更高的数据率：在2 0 m h z 带宽下，上行峰值速率应能达到 5 0 m b i t s ，下行峰值速率达到1 0 0 m b i t s 。频谱利用率达到3 g p pr 6 规划值的2 - 4 倍； 覆盖增强：提高“小区边缘比特率 ，在5 k m 区域满足最优容量，3 0 k m 区域轻 微下降，并支持1 0 0 k r n 的覆盖半径；移动性提高：0 - - 1 5 k m h 性能最优， t 1 5 1 2 0 k m h 高性能，支持1 2 0 3 5 0 k m h ，甚至在某些频段支持5 0 0 k m h ； 质量优化：在用户面的时延小于1 0 m s 。控制面的时延小于l o o m s ： 服务内容综合多样化：提供高性能的广播业务，提高实时业务支持能力，并使 话音业务v o 口( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o e a l ) 达到u t r a n 电路域性能； 运行和维护成本降低：采用扁平化架构，降低从r 6u t r a 空口和网络架构演进 的成本。 2 2 系统架构 从整体上来说，与3 g p p 已有系统类似，l t e 系统架构仍然分为两部分，如图2 1 4 第二章3 g p p l t e 介绍 所示，包括演进后的核心网和演进后的接入网( e u t r a n ) 。演进后的系统仅存在分组 交换域【5 1 5 。 l t e 接入网仅由演进后的节点b ( e n b ) 组成，提供到l t e 的e - u t r a 控制面与用 户面的协议终止点。这样，l t e 的网络架构与3 g 的相比，网络架构中的节点数更少， 网络架构更趋于扁平化。这对于降低呼叫建立时延、用户数据传输时延以及运营成本都 非常有好处。 对于e n b 与移动管理实体m m e ( m o b i l em a n a g e n m e n te n t i t y ) 之间，它们之间的 连接很灵活，u e 在移动过程中可以驻留在相同的m m e 上，这将有助于减少接口信令 交互数量以及m m e 的处理负荷。一般在当m m e 与e n b 之间的连接路径相当长或进行 新的资源分配时，与u e 连接的m m e 也可能会改变。e n b 之间通过x 2 接口进行连接， 并且在需要通信的两个不同e n b 之间总是存在x 2 接口，而l t e 接入网与核心网之间 则是通过s 1 接口进行连接，s l 的接口支持多对多的连接方式。 2 3 上行关键技术 图2 13 g p p l t e 系统架构 2 3 1 核心技术及原理【6 】 3 g p pl t e 采用的核心技术是o f d m ，它是一种无线环境下的高速传输技术。我们 都知道，无线通信信道的频率响应曲线大多是非平坦的，信号经历这样的无线信道时就 会产生频率选择性衰落，而o f d m 的主要思想就是在频域内将给定的信道分成多个正 交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波是并行传输的。 5 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 通过这样的处理，高速传输的数据就被分割成许多个低速传输的数据，每个低速传输的 数据再分别以个别的子载波进行调制并传输。尽管整个信道看上去是非平坦的，但是每 个子信道相对是平坦的。这样，在每个子信道上进行的就是窄带传输，这时由于信号带 宽小于信道的相干带宽，因此就可以大大消除波形间的干扰。从上面地介绍可以看出， o f d m 技术具有高速数据传输和抗频率选择性干扰的能力。 o f d m 的基本原理框图如图2 2 所示。 图2 2o f d m 系统的基本模型框图 然而在实际中，通过上面叙述的方法去实现o f d m 需要的设备非常复杂，特别的 是当n 很大的时候，就得需要大量的正弦发生器、相关调制解调器等设备，这无疑给 o f d m 的应用及推广带来了严重阻碍。为了应对这一问题，人们在2 0 世纪8 0 年代提出 了采用离散傅里叶反变换( d f t ) 来实现多个载波的调制，这样就省去了大量的正弦发 生器、调制解调器等设备，可以大大降低o f d m 系统的复杂度和成本，从而使得o f d m 技术更趋于实用化。基于f f t 实现的o f d m 原理框图如图2 3 所示。 图2 - 3 基于f f t 实现o f d m 的原理框图 6 第二章3 g p p l t e 介绍 o f d m 技术之所以能称为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它较之于c d m a 具有如下的优点： 由于o f d m 把高速传输的数据流通过串并变换后，使得每个子载波上的数据符 号持续长度相对增加，从而有效地较少了无线信道弥散所带来的符号间的干扰 ( i s i ) ，同时还可以采用插入循环前缀( c p ) 的方法来消除i s i 的影响。 在o f d m 系统中，由于每个子载波之间是正交的，允许子信道的频谱相互重叠， 而对于传统的f d m 传输方法，子信道之间要保留一定的保护频带，所以，o f d m 系统与传统的f d m 系统相比，频谱利用率更高。 由于o f d m 技术将高速传输的数据流通过串并变换为很多子载波上的窄带传 输，而每个子载波上的信道可以看成是平坦衰落信道，这样接收机均衡器的复 杂度就可以在很大程度上得以降低。 现在的无线数据业务一般都存在非对称性，即上行链路与下行链路的传输数据 量是不一样的，这就要求物理层能支持非对称的数据传输。而o f d m 系统则可 以通过使用不同数量的子信道来实现上下行链路不同的数据传输速率。 还有就是，o f d m 可以与其他的接入方式很容易地进行结合使用，构建成 o f d m a 系统，这里包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及 o f d m t d m a 等，从而使得多个用户能同时利用o f d m 技术进行数据的传输。 当然，与单载波系统相比，由于o f d m 系统内存在有多个正交的子载波，其传输 的信号是多个子信道的叠加，这样o f d m 自身也有一些困难和问题需要解决。这些问 题主要有： 易受频率偏差的影响，这样就会存在同步问题。在o f d m 系统中，由于子信道 的频谱是相互重叠的，这就对它们的正交性提出了严格的要求。我们都知道， 无线信道具有时变性，在传输过程中就会出现无线信号的频谱偏移，或者是在 发射机与接收机之间存在频率偏差，这些都会使得o f d m 系统子载波之间的正 交性遭到破坏，导致子信道之间的信号相互干扰。因此，o f d m 系统需要保持 严格的频率同步，以保护子载波之间的正交性。 存在较高的峰值平均功率比( p a p r ) 问题。o f d m 系统由于发送频域信号，峰 均比( p a p r ) 较高，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的 效率，不利于在上行链路实现( 终端成本和功率受到限制) 。 7 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 2 3 2 基本传输技术【9 】【1 0 1 l 】 3 g p pl t e 决定采用以d f t - s o f d m 为核心领域的频域s c o f d m a 作为上行多址 技术传输方案，s c o f d m a 技术是一种单载波多用户接入技术，它的实现比 o f d m o f d m a 简单，但性能逊于o f d m o f d m a 。相对于o f d m o f d m a ，s c o f d m a 具有较低的峰均功率比( p a p r ) 。之所以选择s c o f d m a 作为l t e 上行信号的接入方 式，其中一个主要的原因就是s c o f d m a 能很好地降低发射端的峰均功率比，并能减 小终端的体积和成本。 上行s c o f d m a 信号可以用“频域 和“时域”两种方法生成，频域生成方法又 称为d f t 扩展o f d m ( d f t - s o f d m ) ；时域生成方法又称为交织f d m a ( i f d m a ) 。 现在大部分公司支持采用d f t - s o f d m 技术来生成l t e 上行信号，d f t - s o f d m 技术 是在o f d m 的i f f t 调制之前对信号进行d f t 扩展，这样系统发射的就是时域信号， 从而避免了o f d m 系统发送频域信号带来的p a p r 问题，同时在接收机的一侧还能得 到有效的频域均衡。 2 3 3 帧结构【1 3 】 l t e 在空中接口上支持两种帧结构：帧格式1 和帧格式2 ，与之相对应的是f d d 和 t d d 两种双工方式。在f d d 中，3 g p p 把一个长度为1 0 m s 的无线帧分为1 0 个完全相 同的子帧( s u b f r a m e ) ，每个子帧则由两个长度为0 5 m s 的时隙( s l o t ) 组成；t d l t e 的无线 帧则由两个长度为5 m s 的半帧( h a l ff r a m e ) 组成，每个半帧由5 个长度为l m s 的子帧组 成，其中，前半帧由4 个普通子帧和1 个特殊子帧组成，后半帧可能与前半帧相同，也 可能仅包括5 个普通子帧而没有特殊子帧。普通子帧由两个0 5 m s 的时隙组成，特殊子 帧分成3 个特殊时隙：上行导频时隙( u p l i n kp i l o tt i m es l o t ，u p p t s ) 、保护时隙( g u a r d p e r i o d ，g p ) 和下行导频时隙( d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t ，d w p t s ) 。f d d 和t d d 的帧结 构分别如图2 4 和图2 5 所示。 o n er a d i of r a n l c ，t f 一3 0 7 2 0 0 瓦= i 0m s o n es l o t , 一1 5 3 6 0 t = 0 5m s r 1 臣丑二口二圈臣互回 o n es u b f r a m e 图2 4f d d l t e 的帧结构 8 第二章3 g p p l t e 介绍 o n o 喇o 静蝌囊t o , 弼御瓦- 1 0 咐 图2 5t d d l t e 的帧结构 l t e 在进行数据传输时，将上、下行时频域物理资源组成物理资源块( p h y s i c a l r e s o u r c eb l o c k ，p r b ) 作为物理资源单位进行调度与分配。一个p r b 在频域上包含1 2 个 连续的子载波，在时域上包含7 个( n o r m a lc p 情况下) 或6 个( e x t e n d e dc p 情况下) 连续 的o f d m 符号，每个p r b 的频域宽度为1 8 0 k h z ，时间长度为0 5 m s ，如图2 - 6 所示。 ii 1 1 0 5 m s = 7 个符号 一 ji 【2 个 子 钱 皮 1r 2 4 本章小结 b l o r m a lc p i i 、u 0 5 m s = 6 个符号 j i 1 2 个 子 载 波 1r 图2 - 6p r b 的结构图 本章节主要对l t e 相关知识进行了简要的介绍，包括l t e 系统架构、主要技术指 标、基本传输技术以及帧结构等。 9 3 g p pm 上行干扰协调方案的研究 第三章3 g p pl t e 上行干扰协调技术 3 1 研究背景 现在人们对通信服务质量的要求越来越高，不同位置的用户都要能得到很好的服 务，而现有的蜂窝移动通信系统，对在小区中心和小区边缘上的用户提供的速率存在着 很大的差异，这不仅对整个系统的容量有很大的影响，而且不同位置的用户所能得到的 服务质量也会有很大的波动，特别是在小区边缘的用户性能很差，处在小区边缘的用户 很容易受到来自相邻小区其他用户的干扰，小区间干扰是现有蜂窝移动通信系统固有的 问题。因此，降低系统干扰、提高小区边缘用户的性能是未来新一代无线通信系统所着 重考虑的性能指标。现在正在研究的3 g p pl t e 系统采用的基本传输技术是o f d m ，由 于o f d m 本身的频率正交性，使得小区内的干扰可以基本消除，系统的干扰主要是来 自小区间。传统的解决小区间干扰的方法主要是采用频率复用，频率复用系数只有几个 特定的选择( 如l 、3 、7 等) ，当复用系数为1 时，这时相邻的小区都在用相同的频率 资源，导致在小区边缘就会产生较强的干扰；当频率复用系数为3 或7 时，整个带宽上 频率资源被分成几部分，分别分配给不同位置的用户，相邻小区在边缘处的频率资源就 会被错开，可以有效地避免小区间干扰，但此时的频谱利用率却只有1 3 或1 7 ，而频 率资源对无线通信来说是极为宝贵的。因此，传统的克服小区间干扰的方法还不是很理 想，怎样很好地解决小区间干扰是新一代无线通信系统重点考虑的一个问题。对于3 g p p l t e 系统，采用的o f d m 技术，虽然o f d m 技术较之于c d m a 技术可以更好的解决小 区内干扰的问题，但是作为代价，o f d m 系统带来的小区间干扰的问题比c d m a 系统 更为严重。因此，如何降低小区间干扰、提高小区边缘用户的性能是未来宽带无线通信 系统的关键技术之一。 基于o f d m 传输技术的通信系统不存在小区内干扰，但仍然存在扇区间和小区间 干扰。为了改善用户在小区边界的性能，提高系统的频谱利用率，各公司对基于包括功 率控制的各种干扰协调技术也都展开了广泛的研究【1 6 】【1 7 1 1 8 1 1 1 9 1 。 l o 第三章3 g p pl t e 上行干扰协调技术 3 2 传统干扰协调技术介绍 对于干扰协调技术的研究，前人也做了大量的研究工作。到目前为止，研究人员提 出的减少小区间干扰的技术大致有三种：干扰随机化、干扰消除以及干扰协调等。干扰 随机化就是使得干扰的特性近似为“白噪声 ，这样终端就可以依靠处理增益对干扰进 行抑制，但这种干扰随机化不能降低干扰的能量。干扰消除技术最早是在c d m a 系统 中提出的，该技术通过降低干扰小区的信号解调、解码，将来自该小区的干扰重构、删 除。但由于其复杂度高、应用条件严格，而且只能消除一些强干扰源，而实际系统中干 扰主要是由很多小的干扰叠加在一起产生的，因此这项技术在实际应用中的效果很有 限。对于o f d m a 的接入方式，小区内的用户之间不存在干扰，只会受到来自相邻小区 的干扰，这样通过干扰协调技术对功率等资源进行合理控制，就可以有效地减少小区间 的干扰。由于这种技术实现简单、使用灵活，并且在实际中效果理想，很快成为小区间 干扰较少的主流技术。 3 2 1 软频率复用方案【2 1 1 1 2 2 1 。n o k i a 、华为提出的方案如图3 1 所示。小区内部的频率复用因子为1 ，小区边界的 频率复用因子为3 。下面以上行方向为例对这种方案进行说明：在图3 1 中，小区l 的 边界用户仅能使用图中标识为蓝色的那部分频谱资源，从而降低对小区2 - 7 的干扰；而 对位于小区l 中心区域的用户可以使用整个频谱资源。这种软频率复用方案是一种静态 的干扰协调方案，即通过在系统初始化阶段进行一次频谱资源规划再辅以一定的资源分 配算法即可实现对小区间干扰的抑制。 图3 - 1 软频率复用方案 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 3 2 2a l c a t e l 干扰协调方案阁 a l e a t e l 提出的干扰协调方案如图3 2 所示，提出了首先根据用户对周围小区的干扰 特性对每个小区的三个扇区进行更细的区域划分，在此基础上，根据用户的干扰特性进 行资源分组及功率规划。 图3 2a l c a t e l 干扰协调方案 小区区域划分如图3 。2 所示，根据用户对周围小区的干扰特性将每个扇区又划分为 七个小区域，中间部分为中心区域，边界六块为边界区域。边界小区域的频谱资源由其 邻近的扇区中心区域的资源分配方式决定。当u e 在边界的某个区域时，就只能调度该 区域的频谱资源，不能调度其他任何区域的频谱资源。当u e 在中心区域时，可以调度 整个小区的频谱资源。 3 2 3 动态干扰协调方案 这里所介绍的动态干扰协调方案是基于过载指示o i ( o v e r l o a di n d i c a t o r ) 来进行的。 o i 即用来指示本小区在某些频段受到了严重干扰。当基站检测到某个资源块受到较强 的上行干扰时，通过o i 将这个资源块的信息发送到相邻小区，建议相邻小区降低在这 些频带上的发射功率。相邻小区基站接收到o i 后，通过功率控制降低这些频率上的发 射功率，从而减轻小区的干扰。 这里以n s n 所提出的小区间功率控制方案【2 6 1 为例做简单介绍，方案具体原理就是， 如果某- - d , 区收到临近小区的干扰超载指示( o o ，则按照小区间功率控制算法对该小区 内的所有用户进行功率调整；反之，如果没有收到临近小区的干扰超载指示( o i ) ，则 按照小区内功率控制算法对该小区内的所有用户进行功率调整。 1 2 第三章3 g p pl t e 上行干扰协调技术 。： _ 、 ， ；_ 开始。“j 。二1 。少 j 诗筹尝蘸羼务小匿 i _ i 丙魔煮赡旁瓤最强 i 誊j ；童翻泌嚣的i 一：= 1 _ _ ： 依据小区目功率控制 依据小区问功率控制 j 算法降低p o 算法升高p o 土上 调整该用户的发射功率 f , -、 0 结柬) 图3 3n s n 小区间功率控制方案 通过对该方案的理解，发现该方案有以下缺点： 没有对服务小区内的用户进行区分，即如果当前服务小区收到邻近小区的o i ， 对服务小区内所有u e 的p 0 进行降低处理；反之，升高服务小区内所有u e 的 p 0 。 功率调整步长设置为定值，对所有u e 每次调整的步长都一致，这对处于小区 中心的用户来而言，产生的功率控制增益不甚明显。 1 3 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 3 3 基于用户聚类的小区间功率控制方案 这里提出的动态的干扰协调方案与上文介绍的动态干扰协调方案相比，综合考虑了 不同用户的分类及不同的功率控制方案。这样，对小区中心及小区边缘用户进行区别对 待，保证了系统的总体性能，同时又能提升边缘用户的服务质量。小区间功率控制主要 通过干扰超载指示生成和基站间x 2 接口信息交互完成，从而降低小区间的干扰，提高 小区边界用户的性能，并同时使得系统的干扰更稳定。 3 3 1 基本原理 在3 g p pl t e 中对小区间功率控制主要采取的是通过干扰超载指示生成和基站间 x 2 接口信息交互来完成的，具体的过程为： 首先干扰超载指示的生成，干扰超载指示为资源块的可设置量，最小颗粒度为一个 资源块。目前3 g p pl t e 设置了两个超载门限( t h l 和t h 2 ，t h l 掰2 o z ( k ) = 中，t h 2 z o r ( k ) t h i ( 3 - 1 ) l 低，t h i 1 0 r ( k ) 其中，i o t ( k ) 的定义如下：x o r ( k ) = z ( k ) n 。这里，( 后) 为第k 个资源块上接收到的干 扰功率，为系统带宽内的噪声功率。 其次，基站间通过x 2 接口进行信息交互，进而根据o i 等信息完成小区间功率控制。 以两个基站e n b l 、e n b 2 为例，u e l 为附属于e n b l 中的强干扰用户类用户( 相对e n b 2 ) ， u e 2 附属于e n b l 中的弱干扰用户类用户。图3 - 4 中仅给出了当e n b 2 向e n b l 发送o i 指示时，e n b l 对本小区中用户的功率控制流程，对于e n b 2 对该小区中用户功率控制 的流程同e n b l 。这里假设e n b 2 所在的小区是对e n b l 所在的小区产生强干扰的小区。 1 4 第三章3 g p pl t e 上行干扰协调技术 u e i ( e n b i ) u e 2 ( e n b1 ) 图3 4 小区间功率控制流程图 3 3 2 方案实现 首先介绍对用户类进行聚类，随后详细介绍基于用户聚类的小区间功率控制算法的 具体实现过程。 3 3 2 1 用户类划分 对用户进行聚类是根据用户的受到的干扰特性来进行的。对于每个用户定义一个干 扰特性矢量，公式如下： x i = p s d i t x 焉e l , i j n o ( 3 2 ) 其中，只哆，a 为用户f 的发射功率谱密度，为用户f 到第，个小区的路损，j e o ，忉， 表示小区的个数，n o 为干扰噪声功率谱密度。 具体实现过程中，根据干扰的大小对用户的m ( m n ) 个强干扰小区从d , n 大 1 5 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 进行排序，依次为e l , ，。这里，只考虑对用户i 的最强干扰小区，因此 用户的干扰特性矢量就可以写成： 五= 雕觋，a 宰p l i 。j l i f n o ( 3 3 ) 其中，膨表示用户f 的最强干扰小区，用户f 为归属于当前服务小区的用户。当z 大于 预设的门限值砀时，将该用户划分为强干扰用户类用户，反之则为弱干扰用户类用户， 即： i 舫f 五 t h 1 plsp(3-4) 其中，e 删”表示弱干扰用户类，表示强干扰用户类。 对于门限值砀的设定，目前主要考虑两种方法，一种是静态预设定，即在开始时系 统给各小区分别配置一个门限值砀，刀l 在各小区工作阶段保持不变；另外一种是动态 自适应调整，即在开始时系统给各小区分别配置一个初始门限值刀l ，各小区在工作阶 段根据各小区的实际情况自适应地调整砌。 3 3 2 2 方案操作过程 当强干扰用户类中的用户发射功率比较高时，会对邻近小区产生比较大的干扰，极 大地降低了小区边缘用户的吞吐量。此时，通过小区间功率控制算法，对这些u e 的发 射功率进行调节，将其对邻近小区的干扰降低到一定范围之内，保证边缘用户的吞吐量 不受太大的影响。对用户进行小区间功率控制时，主要通过o i 来进行。如果当前服务 小区收到邻近小区发送来的o i ，对于强干扰用户类中的用户，则采用小区间功率控制 算法按固定步长降低该用户的咒值( 步长可设置为0 5 d b 、l d b 等) ，随后采用小区内功 率控制算法确定该用户的发射功率；对于弱干扰用户类中的用户，采用小区内功率控制 算法对其进行功率调整。反之，如果当前服务小区没有收到邻近小区发送来的0 i ，则 采用小区间功率控制算法按固定步长升高小区内所有用户的昂值，随后依据小区内功率 控制算法确定用户的发射功率。 1 6 第三章3 g p pl t e 上行干扰协调技术 图3 5 基于用户聚类的小区间功率控制流程图 具体实现步骤如下： ( 1 ) 初始阶段，假设每个扇区中的每个用户为一类； ( 2 ) 标识用户类，通过用户对最强干扰小区的干扰水平来标识用户类，把小区中 的用户类标识为弱干扰用户类和强干扰用户类； ( 3 ) 如果当前c n b 收到邻近e n b 发送来的o i ，对于弱干扰用户类中的用户，采 用小区内功率控制算法对该用户进行功率控制；对于强干扰用户类中的用户，则采用小 1 7 3 g p pl t e 上行干扰协调方案的研究 区间功率控制算法按固定步长降低该用户的只值，随后依据小区内功率控制算法确定该 用户的发射功率； ( 4 ) 如果当前e n b 没有收到邻近e n b 发送来的o i ，则采用小区间功率控制算法 按固定步长升高小区内所有用户的只值，随后依据小区内功率控制算法确定用户的发射 功率； ( 5 ) 当网络中用户位置、u e 的发射功率或其他一些参数发生改变，导致网络中原 本属于弱干扰用户类用户变成强干扰用户类用户时，将重新进入步骤1 ) 、2 ) ，对用户进 行重分类，然后再按步骤3 ) 、4 ) 对其功率进行相应调整。 通过在基站间x 2 接口传递干扰信息的方式，能够在边缘用户使用敏感资源的时候 向周围基站通知其避免使用，或在小区用户干扰过大的时候发送过载指示，来避免或降 低小区间的上行干扰；同时，干扰指示信息能够动态的适应小区中心和小区边缘负载的 变化，灵活的为边缘和中心用户分配资源。 3 4 本章小结 在本章节中，首先介绍了传统的干扰协调方案，包括软频率复用、频率规划方案以 及传统的动态干扰协调方案；随后，详细介绍了本文所研究的干扰协调方案即基于用户 聚类的小区间功率控制方案，这种方案从功率控制的角度来探讨如何有效地减少系统的 干扰水平，同时又能提升系统的性能特别是小区边缘用户的性能。由于小区间干扰协调 技术是当前l t e 研究的热点之一，有关这方面的工作我们还将做进一步的研究。 第四章系统建模 第四章系统建模 本仿真平台的搭建主要是依据3 g p p2 5 系列的技术报告( 如3 g p pt r2 5 8 1 4 ) ，同 时，又参考了各大通信公司和研究机构在每次3 g p p 会议上所提交的提案，这些对本仿 真平台的设计和性能研究都具有非常重要的指导意义。在本章节中对3 g p pl t e 上行系 统仿真平台的搭建给出了详尽的介绍，主要包括系统级仿真流程图、系统级仿真功能模 块等内容。