（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中多小区干扰协调的研究.pdf

摘要 随着p d l a 及笔记本电脑的普及使用 用户希望能够随时随地的上网 然而对于小区边缘的移动 终端而言 固有的干扰问题将影响到这些移动终端的使用 因此能够保证边缘用户性能的干扰协调 技术成为宽带无线通信网络发展中的关键 无线环境下的高速传输技术正交频分复用 o f d m 技 术由于其频段之间的正交性 能够有效地避免小区内用户的干扰 因此本文主要研究基于o f d m 技 术的宽带无线接入系统中的干扰协调技术 本文首先介绍了目前通信发展的背景 尤其是3 g p p 提出的长期演进 l 1 e 它把如何提高边 缘用户性能作为了关键的议题之一 然后从网络模型 应用层业务参数 信道模型三个方面重点论 述了基于嗍t 的系统级仿真平台 接着在第三章重点研究了m 中e r i c s s a l c a 埘 s i e m e l l s 提出的下行干扰协调技术提案 描述了在系统级仿真中的实现流程并分析了算法性能 也对其他的 一些公司提出的提案作了介绍 为第四章基于用户比例的多级频率分配的干扰协调技术的研究做出 了铺垫 第四章提出并研究了基于用户比例的多级频率分配的干扰协调技术 它是一种半静态的干 扰协调技术 结合边缘用户比例 用户等级 业务等级三个影响边缘用户性能的因素 并与下行的 调度和a m c 相结合 灵活有效地适应不同场景 文中设计了算法规则并给出了实现流程 通过对 因子的调整 可以使得边缘用户性能的时延 吞吐量性能有所提高 在本章的最后对四种仿真场景 下不同算法的仿真结果作了分析和比较 验证了其良好性能 最后 第五章总结了全文的工作 并 进一步探讨了在此领域可以进一步研究的思路和方向 关键词 3 g p p 长期演进正交频分复用宽带无线接入空间信道模型干扰协调 a b s t r a c t w h i l ep d aa 1 1 dn o t e i o o kc o m p u t e r sa r em o r ea i l dm o r ep 叩u l 扎u s e r sh o p et ob eo n l j n ea n y w h e r e 锄d a n i m e u n f o r 吣n a t c l y t h ei n t e r f b r e n c ep m b l e m sm a k et h eo e l le d g eu r s p e r f b r m 锄c ew o f s et l l 龃 e x p e c t a c i o n s ot h ei n t c b r e n c ec o o r d i n a t i o n w h i c hi st h em e m o dt op r o t e c tc e l le d g ei l s e r s p e r f b 加1 a n c e b e c o m e st h ek e yo fb r o a d b a n dw i r c i e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a sah i g h s p e e dw i r e i e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y o n h o g o i 谢f r e q u e n c yd j v i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m c a na v o i dt l l ei n 仃a c e l l i m e m r e n c e e f n c i e m l yi nt h i sp a p t h ei n t e m r e n c ec o o r d i n a t i o ni nb m a d b 锄dw i r e l e s sa c c e s s b w s y s t e m 血i c h i sb 鹊e do no f d mi sd i s c u s s e d c h a p t e ro n ei n t 刚u c e st h eb a c k g r o 蛐d0 fc o m m l h l i c a 士i o nd e v e l o p t i l e 咄e s p e c i a l l y3 g p pl t e w h i c h m a l e st h ei m p r o v e m e n tm e t h o do f t h ec e l le d g eu s e r s fp e r f b m l a n c ea so n eo f t l l em o s t m p o r t a n tg o a l s t h es e c o n dc h 印t e rd i s c u s s e st h es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o m l i n c l u d i n gn e o r km o d e l s o p e r a t i o n p a m m e t e r sj n 印p l i c a t i o nl a y e a r i dc h a n n e lm o d e l t h et 量1 i r dc h a p t e rs t u d y st h ee r i c s s o n s a l c a t e l s s i e m e n s p r o p o s a l sa b o u tt h ei n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o ni n d o w n l i n k a l s oo t h e rc o m p a n i e s p m p o s a l sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt 0t h ep m p o s a l si n t m d u c e di nc h a p t e rt h r e c a 辩m i s t a t i c 协t e r f b 佗n c ec o o r d i n a t i o nt e c n i qu e v h i c hi sb a s e do nu s e r s r a 廿oa i l dp o w c ra l l o c o n i sp m p o s e di nc h 印t c rf o u lt h em e t h o dt a k e st h r e e 缸t o r ss u c h 鹅c c l le d g e 呱e f s r 砒i o u s e r s 1 e v e la n d 印p i i c a t i o l l s l e v e lw h i c ha 胞c tc e l le d g eu s e r s p c r f o n l l 锄c ei n t oa c c o u n t c o m b i n e sw i t hs c h e d u l i n g 柚dp o w e ra l l o c a t i o nt 0a d a p tw e i lt 0d i f f b r e n t s c e n 撕o s t h em e t h o dh e i p st 0i m p r o v et h ec e i ie d g eu s e r s p e r f o r n l a n c ea d j u s t i n gt h ef k t o r s a tt h ee n d o fm i sc h 印t t h es i m u la t i o nr e s u l t si n f o i l rd j 侬犯n ts c e n a r i o sa r ei 1 i i l s t r a 刚t op m o ft h eu p s t a n d i n g d e o n n a l l c e t h el a s tc h a p t e r 百v e sas 啪m a r yo f t h ew h o l ew o r k 锄dd i s c u s s e st h ef i l t u r eo u t l o o ki nt h i sf i e l d k e y w o r d s 3 0 p pu e o f d m b s c h 但 i n t e 睡r e n c ec o o r d i n a t i o n 图表目录 图2 1 多小区模型 图2 2 中心小区的网络模型 图2 3b s 节点内部进程模块图 图2 4s s 节点内部进程模块图 图2 5s c m e 实现流程图 图2 6 三扇区的天线方向卧 图2 7a o a 示意图h q 图2 8b s 和m s 的角度示意图 o l 图2 9 三扇区天线的天线增益 1 q 图2 1 0s l n r 计算的流程图 图3 1e n c s s o n 7 小区频率划分示意图一 图3 1 2e n c s s o n 用户位置对干扰的影响示意图 图3 3e n c 鹞o n 7 小区频率划分示意图二 图3 1 4e n c s s o n 1 9 小区频率划分示意图 图3 5e n c s s o n 简要流程图 图3 6a i t e i n e t w o r kp o w e rp l a n n i n g 频率划分示意图 图3 7a l t e i 1 9 小区频率划分示意图 一 图3 8s i e m e n s 频率划分示意图 图3 9s i e m e n s 干扰小区示意图 图3 1 0s f e m e n s 频率划分示意图 边缘用户比例2 1 5 图禾1 算法的简要流程框图 图4 2 算法的频率划分示例图 图4 3 下行p f 调度算法流程图 a i l e i s i e m e n s 图4 4 下行p f 调度算法流程图 e n s o n 图4 5 下行p f 调度算法流程图 a 图4 击f t p 业务场景中心用户吞吐量性能比较 图4 7f t p 业务场景中心用户时延性能比较 一 图4 8f t p 业务场景边缘用户吞吐量性能比较 图4 9f t p 业务场景边缘用户延时性能比较 图4 1 0f t p 业务场景边缘用户s i n r 性能比较 图4 1 1f t p 业务场景不同边缘用户比例的吞吐量性能比较 图4 1 2 混合业务场景中心用户吞吐量性能比较 图4 1 3 混合业务场景中心用户时延性能比较 图4 1 4 混合业务场景中心用户丢比特率性能比较 图4 1 5 混合业务边缘用户吞吐量性能比较 一6 一7 8 9 1 1 1 2 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 3 0 3 2 3 5 3 6 3 7 3 9 3 9 4 1 4 1 4 2 4 3 4 4 4 4 4 5 4 6 图4 1 6 混合业务场景边缘用户时延性能比较 4 7 图4 17 混台业务场景边缘用户延时抖动性能比较 图4 1 8 混合业务场景边缘用户s l n r 性能比较 图4 1 9 混合业务场景不同边缘用户比例的吞吐量性能比较 表2 1v o l p 业务参数 表2 2f t p 业务参数 表2 3 网络规划参数列表 表2 4p b 信道f 多径延时和功率参数列表 表2 5 子径的a o d 偏移昔和a o a 偏移量 表2 6 仿真场景参数 表2 7s i n r 计算的相关参数 表4 1a w g n 信道f 调度帧b l e r 曲线 一 表4 2f 行o f d m a 调制编码方案 表4 3 帧结构的相关参数 表4 44 个f t p 业务场景中心用户丢包率性能比较 表禾56 个f t p 业务场景中心用户丢包率性能比较 表4 68 个f t p 业务场景中心用户丢包率性能比较 表4 71 0 个f t p 业务场景中心用户丢包率性能比较 表4 81 2 个f t p 业务场景中心用户丢包率性能比较 表4 94 个f t p 业务场景边缘用户丢包率性能比较 表4 1 06 个f t p 业务场景边缘用户丢包率性能比较 表4 1 18 个f t p 业务场景边缘用户丢包率性能比较 表年1 21 0 个f t p 业务场景边缘用户丢包率性能比较 表4 1 31 2 个f t p 业务场景边缘用户丢包率性能比较 表4 1 4 混合业务场景中心用户丢比特率性能比较 业务总数为4 表4 1 5 混台业务场景中心用户丢比特率性能比较 业务总数为6 表4 1 6 混合业务场景中心用户丢比特率性能比较 业务总数为8 表4 1 7 混合业务场景中心用户丢比特率性能比较 业务总数为1 0 表4 1 8 混合业务场景中心用户丢比特率性能比较 业务总数为1 2 4 7 4 8 4 8 9 1 0 1 1 1 4 1 5 1 6 1 8 3 3 3 3 3 4 3 9 4 0 4 0 4 0 4 0 4 1 4 1 4 2 4 2 4 2 4 5 4 5 4 5 4 5 4 6 缩略语 a m c a d a p t i v em 0 d u l a t i o nc o d j i l g 自适应调制技术 a o a a n g e lo f a 戚v a l入射角 a o d a n g e jo f d 印a 咖r e出射角 a r pa d d r e s sr e s o l i l t i o np l o t o c o l 地址解析协议 a u t o m a t i ci t e l r j m s m i s s j a r q自动重传 r e i 囊i e s t a s a n g e l s p a d 角度扩展 a w g na d d m v ew 1 1 i t eg a u s s i 锄n o i 簖 加性高斯白噪声 b eb e s t e f f o r t 尽力而为服务 b rb d w i d t hr e q u c s t 带宽请求 b sb a s es t a t i o n 基站 b w ab r o a d b a m dw i r e l e s sa c c e s s 宽带无线接入 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址方式 d c dd o w n l i l l l c h 锄e ld e s c r i p t o r 下行信道描述符 d l u cd o w n l i t l i ci n t e n 枷u s a g ec o d e 下行间隔使用码 d l m a p d o w i l l j n km 印 下行链路映射 d s d e l a ys p r e a d 时延扩展 e x p o n e n t i a le 廊c t i v es h e e s m 指数有效s i n r 映射 m a p p i n g f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd t a l 频分双工 f 1 p f i l et r a n s f c rp r o t o c o l 文件传输协议 h r r p i y p e r t e t1 协s f e rp r o t o c o l 超文本传输协议 i c ii n t e r e 1 1i m e r f e r e n c e 小区间干扰 i ei n f 0 珊a t i 彻e l e m e n t 信息元素 i pi n t c m c tp r o t o c o l 网际协议 m l 0 n g t e r n le v 0 1 u t i o n 长期演进 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t m l媒体接入控制 m i m o m u l t i i n p u t dm u l t i o u t p u t 多输入多输出 n 彻一r c a l 坩m ep o 儿吨 n r i p s 非实时轮询服务 s e r v i c e o r n l 0 9 0 n a lf r e q u c y o f d m 正交频分复用 d i v i s j 彻m u l t i p l e x i n g o r d l o g o n a lf r e q u e n c y o m m a 正交频分多址 d i v i s i o nm l l l t i p l ea o c e s s p f p 删i o n a lf a i m e s s 比例公平 v 东南大学硕士学位论文 p h yp h v s i c a l物理 p d up m t o c o ld a t au n i t 协议数据单元 q o sq u a l 时o f s e 州c e 服务质量 r t p s r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e实时轮询服务 r ur e s o u r c eu n n 资源块 s c m s p a t i a lc h 锄e lm o d e l 空间信道模璎 s i n 百ec 枷e r f r e q u e n c y s c f d m a单载波频分多址 d i v i s j o nm u j p l ea c c e s s s fs h a d o w f a d i n g 阴影衰落 s i g n a l t oi m e r f e r e n c ea 1 1 dn o i s e s i n r 信干噪比 r a t i o s ss u b s c r i b 盯s 切n o n用户站 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址方式 u c d u p l i n kc h a n n e ld e s c 邱t o r 上行信道描述符 u eu s e re q u i p m e n t 用户设备 u g su n s 0 1 i c i t e dg m n ts e r v j c e 直接带宽分配服务 u i u c u p l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e 上行间隔使用码 u l m a p u p j j n k m 印 上行链路映射 v b i pv b j c eo v e r i p p 电话 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 研究生签名 氆 垦 日期 丑寻肜 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名 j 踅二 红导师签名 一掣 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 13 g p p l t e 简介 伴随g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及 全球语音通信业务获得了巨大的成功 目 前 全球的移动语音用户已超过了1 8 亿 同时 我们的通信习惯也从以往的点到点 p l a t op l e 演进到人与人 个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化 结合多媒体消 息 在线游戏 视频点播 音乐下载和移动电视等数据业务的能力 大大满足了个人通信和娱乐的 需求 随着p d a 和笔记本电脑的发展普及 用户希望能够随时随地上网 一个新的市场 宽带无 线接入 正在兴起 g s m 网络演进到g p 雕幢d g e 和w c d m h s d p a 网络以提供更多样化的通信 和娱乐业务 降低无线数据网络的运营成本 这些仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始 w c d m h s d 队与g p r s e d g e 相比 虽然无线性能大大提高 但是 在i p r 的制肘 应对市场挑战和满足 用户需求等领域 还是有很多局限 随着新兴的无线接入方案如w i f i 晰m a x 的产生 3 g 的无线接入技术面临巨大压力 与w i f i 和啪m a x 等无线接入方案相比 w a 似 h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂 虽然在支持移动 性和0 0 s 方面有较大优势 但在每比特成本 无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后 根 据3 g p p 标准组织原先的时间表 4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用 在这期间传统电信设备商和 运营商将面临前所未有的挑战 用户的需求 市场的挑战和1 p r 的制肘共同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准 2 0 0 4 年1 1 月 根据众多移动通信运营商 制造商和研究机构的要求 3 g p p 通过了关于 e v o l v e du t r a 柚du t r a n 又称为l gt e m e v o l i i t i o n l t e 即 3 g 长期演进 的立项工作 项目以制订3 g 演进型系统技术规范作为目标 在 时间上按照3 g p p 的工作流程分为两个阶段 从2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年6 月份为 s t u d yi t e l n 即 技术可行性研究阶段 从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月 w o r ki t e l n 即具体技术规范的撰写阶段 按计划 2 0 0 7 年6 月3 g p p 将完成项目 发布3 g 演进型系统第一个版本的技术规范 相比目前各个第三代移动通信系统 该演进具有如下主要技术特点脚 提高通信速率和频谱效 率 分组交换与q o s 保证 系统在整体架构上将基于分组交换 同时通过系统设计和严格的q o s 机 制 保证实时业务 o 口 视频流等 的服务质量 支持各种系统带宽 另外 还明确提出了 系统 在支持高移动速率的基础上 为低移动速率用户优化 提高小区边缘用户的吞吐量 等具体的系统 需求 这些市场需求比较全面地描述了l 1 毛系统在各个方向上的设计目标 包括 在2 0 m h z 频谱 带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 上行5 0 m b p s 的峰值速率 改善小区边缘用户的性能 提高小区容量 东南大学硕士学位论文 降低系统延迟 用户平面内部单向传输时延低于5 m s 控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低 于5 0 m s 从驻留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s 支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖 能够为 3 5 0 k m h 高速移动用户提供高于1 0 0 k b p s 速率的接入服务 除了2 0 m h z 的最大带宽以外 还能够灵 活配置1 2 5 m h z 1 6 m h z 2 5 m h z 5 m h z l o m h z 和1 5 m h z 等系统带宽 支持成对或非成 对频谱 空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志 3 g p p 组织就l r e 系统物理层p 5 l 下行传 输方案很快达成一致 采用先进成熟的o f d m a 技术 但上行传输方案却争论不断 很大部分设备 商考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗 限制终端的使用时间 坚持采用 峰均比较低的单载波方案s c f d m a 但一些积极参与w i m a x 标准组织的公司却认为可以采用滤 波 循环削峰等方法有效降低o f d m 峰均比 双方各执己见 一度僵持不下 经过多次会议的艰苦 协商 最后上行方案还是选择了单载波s c f d m a 这样l t e 系统传输方案最终确定为下行o f d m a 和上行s c f d m a 同时在足否采州宏分集问题上也产生了激烈的争论 最终考虑剑网络结构扁平化 分散化的发展趋势 3 g p p 组织在2 0 0 5 年1 2 月经过 示意性 的投票 决定l t e 系统暂不考虑宏分 集技术 现有的蜂窝移动通信系统 如3 g 系统 提供的数据速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鼍 而且使用户在不同的位置得到的服务质量有很大的波动 冈此 目前 正在研发的新一代宽带无线通信系统 如3 g p pl 肛 i e e e8 0 2 2 0 b 3 g 等 都不约而同地将提高 小区边缘性能作为主要的指标之一 本次论文采用的仿真平台为上行s c f d m a 下行o f d m a 将主要就如何提高小区边缘用户的吞吐量从而改善小区边缘用户的性能进行研究 1 1 2干扰信号的种类 蜂窝移动通信系统又称为小区制移动通信系统 其基本原理是将需要服务的大服务区分成若干 蜂窝状的小区 每个小区设一个无线基地站 小区范围大小一般半径为1 5 1 5k m 由于移动电话 处丁 运动中 而且经常处于楼宇之间或复杂地形 电场强度变化非常复杂 既有噪声干扰 又有衰减 甚至延迟 加之如今网络规模 网络容量不断扩大 新技术的更新及应用 频率使用日益拥挤 且 电波的反射和绕射 使得移动通信网络中的干扰问题不容忽视 它不仅影响用户的性能 且影响网 络的止常运行 因此 抗干扰成为移动通信系统十分重视的一个研究课题 常见的干扰信号忡l 主要分为以下几种类型 1 同频干扰 在蜂窝移动通信中广泛采用频率复用 在频分信道体制中 每个小区分配一组载波频率 为避免相 邻小区间产生干扰 各小区的载波频率不应该相同 但是因为频率资源有限 当小区覆盖范围不断扩人 而且数目不断增加时 将出现频率资源不足的问题 为了提高频率资源利用率 将若干个小区组成一个 区群 c l u s t e r 区群内不同的小区使埘不同的频率 男一区群对应小区可重复使用相同频率 这样 不同区群中的相同频率的小区之问将产生同频干扰 当两同频小区间距足够人时 同频干扰将不影响 2 第一章绪论 正常的通信质量 然而 当系统覆盖区内的部分地区业务量增长时 如在市中心 要将该部分的蜂窝小区分裂成多 个小区 有限的频率资源通过缩小同频复用距离使单位面积的频道数增多 从而增大系统容量 但此时 同频干扰将不容忽视 抑制同频干扰有两种方法 一是采用方向性天线使小区扇形化 一个全方向性天线分裂成了3 个 1 2 0 或6 个6 0 扇形小区 在全向性天线系统中 中心小区主要受到6 个外围小区的同频干扰 c i c i n n 1 6 1 1 式中c 为中心小区接收到的信号场强 i n 为第n 个小区的同频干扰场强 采用方向性天线后 主要干扰源的数量从6 个减少到2 个或1 个 可以明显提高抗同频干扰能力 二是将原基站天线高 度降低 减小发射功率 从而努力避免同频干扰 2 邻频干扰 邻频干扰是指相邻或相近的频道问的干扰 即指干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带 内造成的干扰 邻频干扰由发射机和接收机的非理想性所引起 主要取决于接收机的预检滤波响应 收机中频滤波器的选择 例如 中国联通c d m a 的基站发送使用频率为8 7 0 m h d 谓8 0 m h z 中国移 动g s m 的基站接受频率为8 8 5 m h 棚0 9 m h z 由于频率接近的原因 联通c d m a 发射信道的带外杂 散信号很容易落在移动g s m 系统的接收信道内 从而提高g s m 基站接收噪声的电平 使g s m 系统 上行链路变差 灵敏度降低 信噪比下降 影响其网络覆盖 合理利用天线的空间隔离是一种抑制邻频 干扰的有效手段 3 互调干扰 当两个或多个信号同时进入非线性器件时 由于器件的非线性作用 将产生谐波和组合频率分量 其中与所需频率相同或相近的组合频率分量会顺利通过接收机而形成干扰 称为互调干扰 互调干扰 主要有发射机互调艘收机互调及外部效应引起的互调 发射机互调是由于基站在多个发信机同时工 作时 干扰信号侵入发射机末级功率放大器 从而与有用信号之间形成互调产物 随有用信号发射造成 干扰 接收机互调干扰主要是由高放级及第一混频级的非线性所引起 外部效应则主要由发射机馈 线 高频滤波器等无源电路接触不良而引起 在本文中将主要考虑如何消除同频干扰 1 1 3干扰抑制技术 小区间干扰m i n t e i li n t e f e m l c c 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 复用系数为l 即表示相邻小 区都使用相同的频率资源 这时在小区边缘干扰很严重 较高的复用系数 3 或7 可以有效地抑制 i c i 但频谱效率将降低到l 3 或l 7 未来的宽带移动通信系统对频谱效率的要求很高 因此希望频谱复用系数尽可能地接近1 作 为新一代无线通信系统的首选传输技术 o f d m 技术比c d m a 技术更好地解决了小区内干扰的问 3 东南大学硕士学位论文 题 但是作为代价 o f d m 系统带来的i c i 问题可能比c d m a 系统更加严重 如果两个相邻小区在 它们的结合部使用相同的频谱资源 则会产生较强的l c i 目前正在研究的用于o f d m 系统的i c i 抑制技术包括干扰随机化 i c ir a i l d 鲫i z a t i o n 干扰协调 i c ic 0 0 r d j n a t j o n h 干扰消除 j c ic a n c e a f j o n 和宏分集等 干扰随机化的基本方法是将l c i 随机化 这种方法不能降低干扰的能量 但能将干扰随机化为 白 噪声 从而抑制l c i 的危害 因此又称为 干扰白化 干扰随机化的方法包括 加扰 交织多址 i d m a i n t e r l e a v e d i v i s i o nm u l t i d l ea c c e s s 和跳频等 加扰是传统的多小区多址方法 c d m a 系统 如3 g 系统 就是采用的这种方法 采用不同的交织序列区分小区 又称为交织多址 跳频o f d m a 是o f d m 系统典型的多小区多址方法 例如f l h o f d m 和i e e e 8 0 2 2 0 系统都采用了此项技术 作为i c i 随 机化技术 上述三种方法的性能相似 都难以取得令人满意的性能提高 干扰协调是在相邻小区之间进行协调 以避免或降低i c i 由1 二这种 协调 实际上是通过在小区 边缘采j j 小区复用方法实现的 又称为 软频率复用 或 部分频率复用 l e e e 8 0 2 2 0m b f d d m b l l d d 就采用了这种技术 l t e 也上e 在考虑这种方法 这种方法将频率资源分为若干个复用集 小区中心的用户可以采用较低的功率发射和接收 即使t l t 川相同的频率也不会造成较强的i c i 冈此 被分配在复用系数为1 的复h j 集 小区边缘的用户需要采用较高的功率发送和接收 有可能造成较 强的i c l 因此被分配在频率复川系数为1 n 的复用集 这种技术的缺陷是小区边缘的频率资源受到 限制 难以支持大虽用户和很高的数据速率 干扰消除技术来源于多用户检测技术 可以将干扰小区的信号解调 解码 然后将来自该小区 的i c i 复制 减去 以基于l d m a 的i c i 消除技术为例 可以通过伪随机交织器产生不同的交织图 案并分配给不同的小区 接收机采用不同的交织图案解交织 就可以将目标信号和干扰信号分别解 出 然后进行i c i 消除 这种技术和迭代接收机技术相结合 可以获得显著的性能增益 i c i 消除与i c i 协调相比的优势在于 对小区边缘的频率资源没有雕制 相邻小区即使在小区边 缘也可以使用相同的频率资源 因此可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效率 i c i 消除的局 限是 必须给进行i c i 消除的用户分配相同的频率资源 另外小区之间必须保持同步 目标小区还 必须知道干扰小区的导频结构 以干扰信号进行信道估计 宏分集技术的基础是软切换 可以将多个小区发射 接收的信号进行合并 从而获得分集增益 改进链路的质鼍 但在下行采用宏分集技术会带来难以解决的 同步问题 因此不适用于单播业务 上行运川宏分集技术没有 同步问题 但却需要一个 中心节点 如u m r r s 系统中的r n c 来对多 个基站的接收信号进行合并 和未来无线移动通信网络 扁平化 分散化 的趋势背道而驰 其他的技术 例如m i m o 智能天线 部分功控等 也可以用于i c i 抑制 小区干扰抑制技术 各有优缺点 在互不排斥的情况下可以考虑合并这些技术 形成混合的解决方案 本文将对目前l t e p r o p o s a l 中提出的几种提高小区边缘性能的干扰协调方案进行研究 4 1 2 本文内容安排 本文主要研究未来移动通信系统中的干扰协调技术 章节安排如下 第一章绪论部分介绍本次课题的应用背景及干扰协调的产生 并对章节的安排作了说明 第二章论述本次课题使用的仿真平台的整体框架 重点论述了用于干扰协调仿真的多小区干扰 信道模型s c m e 的实现 第三章对u ep r o p o s a l 中的爱立信 阿尔卡特 西门子三种干扰协调方案进行比较 并从理论 上分析了三者的性能 第四章研究了一种改进的干扰协调技术 从理论上分析该算法并与第三章的三种干扰协调方案 进行比较 在此基础上 详细研究干扰协调技术与调度相结合的实现 完成了四种干扰协调方法在 仿真平台上的具体实现并给出了仿真结果 第五章对自己的工作作了总结 并提出下一步的工作计划 5 东南大学硕士学位论文 第二章系统级仿真平台 为了仿真干扰协调技术的性能 本文对一种典型的1 9 小区模型 如图2 1 所示 进行建模 旨 在研究不同的干扰协调技术对中心小区的用户 尤其是边缘用户的性能的影响 中心小区基于i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 空中接口协议搭建实现 上行采用s c f d m a 下行采 l jo f d m a 双工方式为f d d 仿真软件为o p n e t m o d e l e r 平台的工作重点主要包括应用层模块 m a c 层模块及物理信道的模拟 应用层模块选择产生两种业务 v 0 i p 和f t p m a c 层模块实现了主要的儿种信令 调度帧长为2 5 m s 逐帧调度 干扰协调的算法因为与调度关系密切 因此在m a c 层模块中实现 多小区干扰信道模 犁采用空间信道模型s c m b s p 娟a lc h a e lm o d e le x t e n d e d 本文将通过对中心小区 即小区1 的 l f j 户性能的仿真来探讨几种不同的干扰协调技术 假设干扰小区都是f u l lb u f f e r 的 仅模拟 干扰小区对中心小区造成的干扰 2 1 网络拓扑结构 图2 1 多小区模型 如图2 2 所示 中心小区由一个b s 和多个s s 组成 s s 随机分布在中心小区内 图中并没有反映 出s s 的位置信息 每个s s 带一个用户设备u e 每个u e 可以选择产生一种业务 b s 通过网关和交换 碡 机与主干网相连 这里仅用交换机上携带的u e 作为远程用户设备 与s s 带的u e 进行点对点的通信 为方便结果采集和比较 我们采州一对一收发用户组 例如 u e 1 u t 5 l u 一2 u j 2 以此类 推 本文主要研究干扰协调对f 行数据的影响 所以s s 端的u e 只收不发 6 图2 2 中心小区的网络模型 2 1 1b s 内部进程 b s 内部进程模块嗍如图2 3 所示 左边为信令平面 右边为数据平面 主要刻画了m a cc s m a cc p s 以及p h y 层的进程模块结构 b s 主要由以下几部分组成 1 业务汇聚子层 m a cc s 包括主要分类器 c 1 a s s i 矗e r 分类器主要功能是将上层的i p 数据包根据不同连接 c o 彻e c t i o n 分类 对于未建立连接的i p 数 据包要通知连接与服务流管理器为对应的数据包建立相关的q o s 参数集和连接 2 通用子层 m a cc p s 通用子层包括控制平面 c o n 仃0 1p l e 数据平面 d a 协p l 跏e 以及m a c 数据分发器 m a cd i s p a t c h a 控制平面包括连接与服务流管理器 c o n ns e r v i c en o wm a g e r 调度器 s c h e d u l e r 下 行信令管理器 m a cd o w d i i l l cm a g e r 上行信令管理器 m u p l n km a n a g 日 等 干扰协调技 术正是在控制平面实现的 由于干扰协调与调度是相辅相成的 所以其算法是嵌套在调度器模块内 b 数据平面主要包括数据包创建器 p a c k e tc o n s t n l c c o r 数据包创建器主要负责两部分 一是 根据调度的结果对上层数据包 主要是i p 包 打包和分片 形成m a c 数据包 等待发送 二是负 责接收上行数据包 恢复上层数据包并送往上层 3 物理层 p h y 包括传输汇聚子层 t c l a y 盯 物理子层 p h y l a r 传输汇聚子层主要负责将m a c 数据包排队 聚合 加入开销计算 在指定的时间送往物理子 层 物理子层主要进行数据的收发 7 图2 3b s 节点内部进程模块图 2 1 2s s 内部进程 s s 内部进程模块图f 8 如图2 4 所示 信令与数据的接发与b s 端相对应 左边为信令平面 右 边为数据平面 主要刻画了m a c c s m a c c p s 以及p h y 层的进程模块结构 s s 主要由以下几 部分组成 1 业务汇聚子层 m a cc s 包括主要分类器 c l s j f i e r 分类器主要功能是将上层的i p 数据包根据不同连接 c o n n e c t i o n 分类 对于未建立连接的1 p 数 据包要通知连接与服务流管理器为对应的数据包建立相关的q o s 参数集和连接 2 通用子层 m a c c p s 通用子层包括控制平面 c o n 打0 lp l a n c 数据平面 d a t a p l a n e 以及m a c 数据分发器 m a cd i s p a i c h a 控制平面包括连接与服务流管理器 c o n ns e r v j c en o wm a n a g e r 调度器 s c h e d u l e r f 行信令管理器 m a c j o w n l i n k m a n a g e r 上行信令管理器 m a c u p l i n i i m a i l a g e r 等 b 数据平面主要包括数据包创建器 p a c k e tc o n s t r u c t o r 数据包创建器主要负责两部分 一是 根据调度的结果对上层数据包 主要是i p 包 打包和分片 形成m a c 数据包 等待发送 二是负责 接收下行数据包 恢复上层数据包并送往上层 3 物理层 p h y 包括传输汇聚子层 t a y e r 物理子层 p h y l a y e r 传输汇聚子层主要负责将m a c 数据包排队 聚合 加入开销计算 在指定的时问送往物理子层 物理子层主要进行数据的收发 8 2 2 业务模型 a p p l i c a b o n 苴 r 呻 c i a s s 币e r m a c s l l i l m wm e ll i d a t a o n t r o d l a n e d i a n e 一 p a c i c e l 1 1 i 1 l 嚣爹 ds c h 利u i e r mj i 轴脚 c p s 裟 x 卜 r 篇p pi 镩 f 一 m a t d i s p a t c h j r ll l i l 叫a y e r p h yd i s p a t c hk 7 西蛐弋p h y 埘e f m s s a g e j 也 图2 4s s 节点内部进程模块图 在8 0 2 1 6 d 中有四种等级的服务 分别是u g s m s n r i p s 和b e 本次仿真中选取其中的两 种u g s 和n 册s 主要用于仿真边缘用户的服务等级变化时 干扰协调技术对其性能的影响 1 v b i p 业务 u g s 9 会话间隔服从指数分布 均值是3 秒 持续时间服从指数分布 均值o 3 5 2 秒 语音包产生间 隔为常数0 0 2 s 语音包大小固定为1 6 0 b y t e 由于会话间隔和会话持续时间随机性太大 仿真中会 出现会话重叠 影响算法性能分析 而这点在实际中却不会发生 因此仿真中我们将前两个参数设 置为常数 仿真中v o i p 业务模型具体参数如表2 1 所示 表2 1v 0 1 p 业务参数 s e s s i o ns e s s i o np a c k e t p k e ts t a r t 啊鹏 s t o p n m e i n t e r 删砌d u m t mi n 雠枷v a l t i m e s 啊m e s t i m e s s i z e b s s c o n s t a l l 2 5 c m l s t a l l t 2 0 c o m t a n 0 0 2 咖g t a t 1 6 0 o 84 0 2 f 1 甲业务 n n p s 唧 文件下载间隔时间满足指数分布 均值为1 8 0 s 包到达间隔时间也满足指数分布 均值为o 0 1 3 s 包大小满足在肛1 5 0 0 b y t e s 之间的均匀分布 文件大小满足l o 印0 r 1 1 a 1 分布 均值2 0 9 7 1 5 2 0 b y c e s 方 差5 7 3 1 5 7 8 1 9 3 7 3 但在仿真中 同样是为了避免文件下载重叠问题 把间隔时间均值改成了3 5 0 0 s 另外 为了到达系统满负荷 我们在仿真中加大了f r p 的业务量 将包到达间隔时间均值改为 0 0 0 6 3 s 仿真中f 1 p 业务模型具体参数如表2 2 所示 9 表2 2 盯p 业务参数 s