ＬＴＥ的干扰及抗干扰解决方案
【摘要】:文章首先简要介绍了LTE及其干扰技术，并指出小区间干扰协调技术(ICIC)是目前业界最为重视同时也是相对研究成熟度最高的一种抗干扰技术。文章主要分析了三种小区干扰协调技术：带优先级的Reuse-1方案、SFR方案（软频率复用）、FFR方案（部分频率复用）。
【关键词】：LTE； 干扰； 小区干扰协调； 频带； 吞吐量
1. 前言
LTE系统中,由于一个小区可以使用整个系统频带,不可避免的有小区间干扰,特别是在小区边缘地带,性能受小区间干扰影响较大,对于运营商来说，无线接入技术和接入网络最重要的性能指标是频谱利用率和业务QoS保障。为了达到高的频谱效率，在部署网络时要尽可能使频率复用因子接近1。为了提供令人满意的服务，需要保证用户，特别是小区边缘用户的QoS。对于采用OFDM技术的LTE系统来说，由于其物理层技术自身没有小区间干扰抑制的机制，如果采用频率复用因子为1，会导致小区间的干扰水平增大，特别是位于小区边缘用户的性能会受到极大损失。为提高小区边缘的数据速率，提高系统的频谱利用率，必须有效减轻小区间干扰。
2. LTE及其抗干扰技术
LTE是一个基于OFDM技术的系统， OFDM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OFDM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，这样可以消除符号间干扰（ISI）。为了保证子载波之间的正交性，OFDM符号可以在保护时间内发送循环前缀（CP）。CP是将OFDM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小区间干扰（ICI）。特别在频率复用因子为1的OFDM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。
与CDMA不同，OFDMA无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频谱效率，也不能简单地采用如GSM中复用因子为3或7的频率复用方式。3GPP LTE提出了小区间干扰协调、小区间干扰随机化、小区间干扰消除、波束成型等小区间干扰控制的技术。
1） 小区间干扰协调(ICIC)：又称为“软频率复用”，将频率资源分为若干个
复用集供位于小区内不同位置的UE使用
2） 干扰随机化：并不能降低干扰的能量，但能将干扰随机化为“白噪声”。主要方法包括加扰、交织多址和跳频等
3） 小区间干扰消除：只能消除一些邻小区的强干扰源，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。
4） 波束成形:类似TD-SCDMA中智能天线的波束成形方法，通过空间方位来消除部分小区间干扰
在这些抗干扰技术中, 小区间干扰协调技术(ICIC)是目前业界最为重视同时也是相对研究成熟度最高的一种抗干扰技术,文章将对其技术进行探索性介绍。
小区间干扰的情况发生在当某小区的边缘用户传输数据时，会对相邻小区的边缘用户产生干扰。因为相邻两个小区的边缘用户之间的距离比较近，上行小区间干扰相对下行小区间干扰对系统性能的影响要大的多，所以，从目前来看，各厂商的提案都在强调上行小区间干扰协调的重要性和必需性，上行干扰协调和上行调度和上行功控算法紧密地耦合在一起，成为了LTE需要解决的核心问题，上行小区间干扰协调是各干扰算法的重中之重，也是LTE系统目前为止最基本的抗干扰解决方案 。通过协调各小区的边缘用户的时频资源分配，功率控制来降低小区间干扰，到达提高系统性能的目的。
3. LTE小区间干扰协调方案比较分析
3.1 带优先级的Reuse-1方案
通过频率规划,在一个小区内对1/3的频带给予较高的优先级,小区还是能够使用全带宽传输的,但是由于对带宽设置了一个优先级,所以在使用带宽上尽量先使用优先级高的子带。当一个小区没有很多数据需要传送时,它仅仅使用优先级高的1/3子带,而不使用其它的2/3子带。
在负荷低时候,系统性能本来就较好,而带优先级的Reuse-1方案更加可以提高性能,因为只要相邻小区没有使用优先级高子带外的频带,则小区间干扰就很小;在负荷较高时,负荷高的小区允许使用所有的带宽,但只要相邻小区处于负荷不高时,最多只有2/3的频带受到干扰。
3.2 SFR方案
SFR(软频率复用 )方案相比较带优先级的Reuse-1方案是有进一步提高的,它除了给1/3频带高的优先级,还对优先级子带和非优先级子带设置采用不同的传输功率。小区仍然可以使用全部的频带, 只是在在使用带宽上尽量先使用优先级高的子带,同时2/3的频带传输功率受到限制,这样不仅避免了1/3优先级高子带的小区间干扰,同时也减小了剩余的2/3子带上的小区间干扰。在2/3频带上的功
率减小有效的把小区划分为了中间区域和边缘区域,基站与中心用户之间的数据传送可以使用较小的功率,与边缘用户之间的传送使用较大的功率。这样边缘用户被分配了优先级高并且传输功率大的子带,极大改善了它们的性能。
3.3 FFR方案
FFR(部分频率复用)方案和SFR方案类似,也是把频带分成两部分:一部分使用较高的传输功率,另外一部分使用较低的传输功率。但在部分复用方案里,所有小区的低功率子带是一样的,高功率子带被再分成三个部分,每个小区使用1/3的高功率子带。所以再低功率子带上复用因子为1,而在高功率子带上复用因子为3。
在频率复用因子为3时，可以获得比频率复用因子为1时更高的SINR，但能使用的频带只有总频带的1/3。由香农公式，容量决定于SINR和带宽，下图给出了频率复用因子为1和3时容量与SINR的关系。
从图中可以看出:随着容量的增加，复用因子为3时需要更大的SINR才能到达复用因子为1时的容量。例如，在复用因子为1时SINR=1.9dB对应的容量，复用因子为3时SINR需要额外增加10dB（即总共SINR=11.9dB）才能达到。一个好的小区间干扰协调方法是要尽量保证边缘用户能获得在复用因子为3的SINR，同时保证容量接近于复用因子为1时的容量。
对于边缘用户来说,在系统负荷较低时: 复用因子为1可以得到较好的性能。用户传输数据可以使用整个系统带宽，因为符合较低则小区间干扰也低, 引起的性能损失也较低;当采用复用因子为3时,虽然小区间干扰更小,但所能达到的比特率也小,传输所花时间也较长,带宽没有得到充分的利用。
对于边缘用户来说,在系统负荷较高时: 复用因子为3可以得到较好的性能。复用因子为1时,干扰导致SINR非常低,引发的重传死书较多,从而导致系统吞吐量较低,包传输时间也增大,对相邻小区的干扰时间也变长;而采用复用因子为3时,小区间干扰小,带宽虽然较小但能得到充分利用,所以频谱有效性高。
4. 结束语
首先是目前LTE的协议关于抗干扰算法很多东西还没有确定,比如一些基本的测量等,需要持续跟踪协议进展,对抗干扰算法作出相应的调整;其次是抗干扰算法之间的配合问题,当前小区干扰协调算法和小区间干扰随机化以及小区间消除算法的结合是业界研究的热点,如何利用这些算法的配合进行扬长避短将会是今后LTE发展的一个重要课题。
参考资料
[1] 《Standard aspects of interference coordination for EUTRA》LG Electronics.
[2] 《Interference Mitigation by Partial Frequency Reuse》Siemens.