LTE 系統軟頻率復用改進方案性能評估?

宋燕輝

（1.長沙通信職業技術學院移動通信系，長沙410015；2.華中科技大學電信系，武漢430074）

LTE 系統軟頻率復用改進方案性能評估?

宋燕輝1，2

（1.長沙通信職業技術學院移動通信系，長沙410015；2.華中科技大學電信系，武漢430074）

軟頻率復用（SFR）被認為是一種有效的頻率復用方案，可以協調小區間干擾，同時也可保持頻譜效率。通過考慮各種業務負載及不同功率比的配置，研究在LTE下行傳輸時SFR的性能，除了小區邊緣用戶的性能，還評估了整個小區性能和小區中心用戶性能，通過仿真對SFR的優勢和局限性進行了較全面的驗證，并與經典頻率復用方案進行了比較。

LTE；小區間干擾協調；軟頻率復用；性能評估

1 引言

蜂窩系統中一個主要問題是由相鄰小區頻帶重疊引起的小區間干擾，這將導致嚴重的系統性能下降，特別是對位于小區邊緣的用戶。小區間干擾問題早就引起重視，在一些傳統的蜂窩系統中已經有一些解決的方案。例如：在傳統的基于頻分雙工／時分復用（FDD／TDM）的系統，比如全球移動通信系統（GSM），采用部分頻率復用技術來防止相鄰小區使用同一頻率；另一方面，碼分多址（CDMA）系統，比如通用移動通信系統（UMTS）和CDMA2000系統，則使用不同的碼來區分小區，從而減少小區間干擾［1］。然而，這些解決方案都不可能應用在基于正交頻分多址（OFDMA）技術的未來移動通信系統4G中［2］。

LTE是3GPP確定的B3G／4G典型架構［3］，在LTE中，頻譜效率被高度重視，目的是在無線資源變少的情況下提供更高的數據率。與傳統的2G和3G系統中采用的頻率復用模式不同，LTE期望在實踐中達到頻率復用效率接近1［4-5］。然而，由于移動終端傳輸功率的限制，在LTE中需要更小的小區部署來滿足靠近基站和位于小區邊緣用戶更高的數據速率，因此，我們認為小區間干擾問題在影響LTE網絡性能方面會變得更加嚴重。

要解決這個問題，已經提出許多解決方案，而軟頻率復用（SFR）被認為是在不損失頻譜效率情況下能夠有效進行小區間干擾協調的最具代表性的方案。作為一種主流的頻率規劃策略，SFR已經在一些主要文獻被提出其改進方法［6-8］。盡管如此，SFR的很多特性尚未分析和研究，特別是，過去大多數工作主要局限于SFR能夠提高小區邊緣用戶的性能，為彌補這一不足，本文給出一種綜合分析SFR在LTE系統中的干擾協調能力的方案。

2 頻率規劃策略和系統模型

2.1 軟頻率復用

SFR目前被認為是減輕蜂窩系統小區間干擾最有效的頻率規劃策略之一，首先是應用于GSM系統，然后被3GPP LTE采納，目的是提升小區邊緣用戶的性能。SFR的基本思想是在小區中心區域提供頻率復用，在小區邊緣區域提供更高的頻率復用因子，而不是固定頻率復用（HFR，如復用因子等于3）和部分頻率復用（FFR），SFR能夠在較低的頻率復用因子（幾乎接近于1）的情況下，沒有大量頻譜效率損失時減少小區間干擾。

在SFR中，可用頻譜分為兩個部分：小區邊緣頻帶和小區中心頻帶，每一個小區中的用戶也根據他們與基站的距離或其他因素分為兩組：小區中心用戶和小區邊緣用戶。小區邊緣用戶被限制使用小區邊緣頻帶，而小區中心用戶獨占小區中心頻帶，也可使用小區邊緣頻帶，但是優先級較低。圖1（a）為一種正六邊形七小區的頻率規劃圖，小區中心用戶可以使用整個頻帶，但小區邊緣用戶僅僅使用鄰小區未覆蓋的部分頻帶，小區邊緣用戶為了提高其數據率，需要更高的傳輸功率，而小區中心用戶可以減少傳輸功率。SFR的功率分配如圖1（b）所示。

圖1 SFR方案的頻率規劃和功率分配Fig.1 The frequency planning and power allocation of the SFR scheme

2.2 LTE下行鏈路傳輸與吞吐量估算

上面的頻率規劃策略適用于LTE下行鏈路傳輸，由于LTE下行鏈路是基于OFDMA的，eNodeB（基站）是根據終端的每個傳輸時間間隔（TTI）調度無線資源的。在LTE中，最小的無線資源調度單位被定義為物理資源塊（PRB），包括12個連續子載波和1個時隙（0.5ms）。

為了提高頻譜效率，LTE采用多輸入多輸出（MIMO）模式，上行鏈路采用MIMO 4×4，下行鏈路采用MIMO 1×4。本文因為重點在于探討有效的小區間干擾頻率規劃設計方法，只考慮單輸入單輸出（SISO）。此外，為了簡單起見，我們考慮七小區網絡結構，每個小區中心配置1副全向天線，當然，這些分析也能推廣應用到MIMO模式和多扇區配置情況。

在實際中，自適應編碼調制（ACM）方案根據現有信道狀態信息（CSI）確定吞吐量，為了不失去共性，根據香農公式的信道容量，特定用戶可達到的吞吐量為

式中，B為信道帶寬，SNR是給定的信噪比，本文將B定義為PRB的帶寬。公式（1）是未考慮小區間干擾因子香農理論公式，因此，香農公式的SNR可以替換成信號干擾噪聲比（SINR），用戶m的PRB n可以表示為

式中，Pm，n表示用戶m從服務eNodeB n經過路徑損耗后得到的有用功率，Pj，n表示鄰小區eNodeB j的干擾功率，gm，n和gj，n是用戶m從服務eNodeB n和鄰小區eNodeB j獲得的增益，N0為熱噪聲。公式（1）可以表示為

當發射信號為PRB n，用戶m的吞吐量（單位為bit／s）可以表示為

式中，M為用戶數，N為干擾小區的可用PRB總數。

3 性能分析和假設

本文的重點在于探討小區間干擾性能，我們假設小區間干擾能成功消除。另外，同一個PRB在一個小區內不會分配給多個用戶使用，可以避免小區內干擾。我們關注特定小區的性能評價，而不是最大化整個系統的性能，參考小區的性能取決于它的服務eNodeB及其他相鄰eNodeB的資源配置決策，小區邊緣吞吐量和小區中心吞吐量是評價參考小區分析平均吞吐量的主要參數，我們只考慮單頻復用（FRone）與SFR相比較，而忽略HFR和FFR的影響，這也許無法得到高頻譜利用效率，但在LTE網絡中是可取的。

如前所述，FRone和SFR能使頻率復用系數等于或接近于1，這意味著每一個小區都可以使用所有可用的無線資源而沒有任何帶寬的限制，通過這種方式，頻譜利用率有望得到改善，然而，頻率復用系數為1將不可避免地帶來了嚴重的小區間干擾問題，從而降低系統性能。對于FRone，我們假設小區間干擾發生于用戶最近的鄰小區（分配相同的PRB），對于SFR，我們假設小區間干擾不會造成本小區中心用戶影響鄰小區中心用戶，換句話說，即使小區中心用戶使用同一個PRB，相互間也不干擾，原因在于SFR限制了中心用戶的發射功率，小區中心用戶和鄰小區通常有足夠的距離，確保比較大的路徑損耗，從而接收到的干擾功率降低了，因此，SFR只考慮小區邊緣用戶和來自不同小區的中心用戶使用相同PRB的干擾。

為了減少小區間干擾，SFR指定使用PRBs的小區邊緣用戶采用較高的發射功率，而小區中心用戶采用較低的發射功率，我們假設FRone和SFR的總傳輸功率是一樣的，都均勻分布在PRBs上。對于FRone，每個PRB的功率P=Ptotal／N，其中Ptotal是總傳輸功率，N為小區可用PRBs數量。對于SFR，每個邊緣頻帶的PRB功率為Pedge，每個中心頻帶的PRB功率為αPedge，其中0＜α＜1作為功率比，Pedge可表示為

從而得到

通常，功率比α的值是個范圍，而不是一個固定的數字。基本上，較高的功率比代表小區中心用戶獲得性能較好，小區邊緣用戶獲得性能較差。

對于FRone，可以用兩個簡單的調度方法：機會公平和最佳信道調度，在機會公平方法中，在整個頻帶內每個用戶訪問PRB的機會是均等的，而在最佳信道調度方法中，PRB只分配給有最佳信道質量信息（CQI）的用戶。對于SFR，只簡單服從基本調度規則，本文目的是分析最傳統的SFR在減少小區間干擾的能力，所以沒有提出其他自適應調度方法。

4 仿真驗證與結果分析

本文采用系統級仿真來評估SFR的性能，本仿真模型采用7個小區構成系統的中心小區為參考小區進行評估，每個小區內用戶數相同，小區內用戶隨機移動，每一個小區內邊緣用戶數與中心用戶數都是不均勻分布的。為了避免沒有邊緣用戶或中心用戶的個別小區，假設至少每個小區有一個小區邊緣用戶和一個小區中心用戶，此外，FRone作為與SFR性能比較的參考對象。仿真遵循典型的下行傳輸模式，主要的仿真參數見表1。

表1 主要仿真參數Table 1 Main simulation parameters

首先，我們提出了參考小區比較全面吞吐量，注意在這種情況下，假設滿負載，功率比為1／3。從圖2可以看出，SFR通過有效的干擾消除可以使小區邊緣用戶吞吐量最大化，性能得到改善。然而，有比FRone更低吞吐量的小區中心用戶，再看整個小區的吞吐量，SFR的吞吐量與采用最佳信道調度的FRone吞吐量相同，甚至略低。根據這些結果，我們有理由懷疑SFR是否能保證提高整個系統的吞吐量性能。

圖2 基于滿負載的小區整體吞吐量比較Fig.2 Overall throughput comparison under full traffic load

為了解決上述疑問，我們在不同的業務負載下評估3個方案的性能（FRone、理想SFR和SFR），所謂理想SFR是指小區間干擾可以等效為SINR來計算吞吐量。正如我們前面提到的，需要解決某種程度的小區間SFR干擾，達到完全沒有小區間干擾只會發生在一個極端的例子，因此，其性能可以看成是SFR能逼近理想SFR上界，但是從來沒有達到。除此之外，我們還仿真3種SFR方案，功率比分別為1／3、1／5、1／10，通過調整SFR功率比，可以進一步檢查影響系統性能的功率分配問題。

小區邊緣用戶和小區中心用戶在不同功率比和業務負載情況下的平均吞吐量如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，SFR在低業務負載時無法達到FRone的性能增益，這是因為在低業務負載情況下，PRB碰撞概率低，小區間干擾是有限的，因此帶寬受限的SFR并不助于改善小區間干擾，然而，當業務負載增加，SFR明顯優于RFone，從而保證有限帶寬下的小區邊緣用戶的高吞吐量（在SFR中只有1／3帶寬用于小區邊緣用戶），此外，采用功率比為1／10時明顯比其他功率比情況效果更好。

圖3 小區邊緣用戶不同業務負載的平均吞吐量比較Fig.3 Average throughput comparison for cell-edge users as a function of traffic load

圖4 小區中心用戶不同業務負載的平均吞吐量比較Fig.4 Average throughput comparison for cell-center users as a function of traffic load

從圖4可以看出，SFR在中等業務負載以下時，小區中心用戶性能較好，而當業務負載較高時，性能甚至比FRone更差，在這種情況下，對于小區中心用戶，在功率比為1／3時，SFR性能最佳；不難看出，當業務負載達到0.6，吞吐量開始下降，功率比越小，吞吐量下降得越快。

根據圖3和圖4的結果，我們可以得出以下結論：首先，在以小區中心用戶性能為代價情況下，SFR使得小區邊緣用戶性能得到顯著改善；其次，與理想情況相比，SFR在增加小區邊緣和小區中心用戶吞吐量方面仍然有很大的空間，這些改善可以達到使用優化調度或自適應方法的效果；最后，SFR的小區邊緣用戶和小區中心用戶性能受功率比影響大，因此，實現小區邊緣用戶和小區中心用戶性能平衡的關鍵是采用適當的功率比。

SFR的性能評估在圖5中得到進一步展示。圖5顯示在不同業務負載時參考小區吞吐量情況，可以看出，與FRone相比，一般SFR在吞吐量方面更優，尤其在中等負載情況下，采用1／3功率比的SFR性能較好。然而，在滿負荷時，SFR性能較差，基于圖2和圖4得到的類似結果，我們可以得出結論：當整個網絡滿負載時，SFR對于小區間干擾協調沒有多大貢獻。

圖5 參考小區不同業務負載的平均吞吐量比較Fig.5 Average throughput comparison for the reference cell as a function of traffic load

5 結束語

本文提出了一種在LTE網絡中采用SFR的小區間干擾協調方案的綜合性能分析方法，通過假設不同業務負載和動態功率比，分別對小區邊緣用戶和小區中心用戶在不同吞吐量情況下的SFR性能進行了評估，通過詳細的性能評估仿真，將SFR方案與傳統的FRone方案進行了對比。仿真結果表明，在吞吐量顯著改善的中等負載情況下，SFR可有效降低小區間干擾；當業務負載較高時，小區邊緣吞吐量的改善是以犧牲小區中心用戶性能為代價得到的，從而導致限制了小區平均吞吐量的改善；此外，SFR性能受小區邊緣和小區中心用戶的功率比影響。總之，SFR可以使小區邊緣吞吐量最優，但不能保護受小區間干擾的整個小區性能，未來的研究重點將是提出先進的方法使SFR減少小區間干擾，從而使小區邊緣和小區中心用戶性能都取得更好的效果。

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Performance Estimation of Im proved Soft Frequency Reuse for Inter-cell Interference Coordination in LTE Networks

SONGYan-hui1，2
（1.Department of Mobile Communication，Changsha Telecommunications and Technology Vocational College，Changsha 410015，China；2.Department of Telecommunication，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Soft frequency reuse（SFR）is considered as an effective frequency reuse scheme for inter-cell interference coordination aswell asmaintaining spectrum efficiency.In this paper，the performance of SFR for LTE downlink transmission is investigated by considering issues of various traffic loads and different power ratio configurations.In addition to the cell-edge user performance，the overall cell performance and the cell-center user performance are both evaluated in terms of throughput estimation.Through simulation，the advantages and limitations of SFR are comprehensively examined and compared against the classical frequency reuse scheme.

LTE；inter-cell interference coordination（ICIC）；soft frequency reuse（SFR）；performance estimation

Colleges and University Teachers Domestic Visitor Project of Ministry of Educationa in 2011；Scientific Research Project of Hunan Province（11C0100）

the M.S.degree in 2008.She is now a senior engineer.Her research concernsmobile communication system.

1001-893X（2012）04-0503-05

2011-11-23；

2012-02-27

教育部2011年高等學校教師國內訪問學者資助項目；湖南省教育廳基金項目（11C0100）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.016

宋燕輝（1978—），女，湖南瀏陽人，2008年獲碩士學位，現為高級工程師，主要研究方向為移動通信系統。

Email：song.yanhui＠139.com

SONG Yan-hui was born in Liuyang，Hunan Province，in 1978.She