基于高干擾指示的LTE上行干擾協調研究

王 輝，盧 清

(1.重慶信科設計有限公司，重慶 401121;2.重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065)

責任編輯:魏雨博

在多小區蜂窩網絡系統中，資源利用率和同頻干擾之間的協調是系統性能提升的關鍵。在LTE系統上行鏈路中，由于采用了SC－FDMA接入技術，所以不存在小區內部的干擾，只存在區間干擾。為了解決小區間干擾，在LTE提案文獻中主要有兩種方式來實現干擾協調:軟頻率復用(SFR)和部分功率控制(FPC)。其中，前者側重于對資源調度的限制，而后者則是對發射功率的限制。目前3GPP LTE中已經有很多此類研究，其中比較有代表性的是華為提出的軟頻率復用方案。它將系統頻率資源分為若干個集，并分配給特定的用戶，同時可以采用功率控制的方法，如小區中心的用戶可以采用較低的功率發射或接收，即使占用相同的頻率集也不會造成太大的小區間干擾，可以分配在復用因子為1的集中;小區邊緣的用戶由于受到路徑損耗等衰落的影響，需采用較高的功率發射或接收，分配在復用因子大于1的集中。此外，根據基站之間信息交互頻率，可以將干擾協調分為兩類:靜態協調、半靜態協調。靜態干擾協調方式調整的頻率較慢，不能應對小區邊緣短期業務量的激增和用戶分布過于集中小區邊緣的突發情況。因此本文研究的重點是半靜態干擾協調方式。

基于此，本文提出了一種基于高干擾指示的自適應軟頻率復用方案，該方案通過X2接口交互相鄰eNodeB的高干擾指示信息(HII)［1］，當面對小區邊緣業務量激增時可以將鄰小區邊緣用戶不用的資源暫時“借”給服務小區的邊緣用戶使用，從而提高系統吞吐量。

1 SFR在LTE上行的性能研究

在文獻［2］中，該文作者對軟頻率復用在LTE下行方向的小區間干擾協調性能進行了詳細的研究。其結論是在全負載下的軟頻率復用方案的系統吞吐量低于具有最好CQI調度的全頻率復用方案，以及在對軟頻率復用在不同負載下的邊緣吞吐量和小區中心吞吐量性能研究時，觀察到隨著小區負載的增加，小區邊緣吞吐量較優于全頻率復用的邊緣吞吐量性能，但小區中心用戶的吞吐量漸漸開始下降并低于全頻率復用下的中心用戶吞吐量性能。因此使得軟頻率復用方案的系統吞吐量低于全頻率復用的吞吐量。

本文的主要目標是研究LTE的上行干擾協調方案，與下行相鄰基站對用戶的干擾不同，上行干擾的產生主要是相鄰小區中占用同頻的用戶之間的干擾［3］。所以軟頻率復用是否能在LTE上行保持較好的性能或者在上行方向上是否有什么限制，都需要進一步研究。

為了對軟頻率復用在LTE上行的性能進行仔細的研究，首先對軟頻率復用和全頻率復用基于本文上行仿真平臺進行了建模，并對軟頻率復用在上行方向的性能進行了仿真。

圖1 為用戶分類閾值［4］在5 dB，7 dB，9 dB 下的吞吐量性能比較，隨著分類閾值的增大，小區邊緣用戶數增多，小區邊緣吞吐量增大，小區中心吞吐量下降。當分類閾值從7～9 dB時，軟頻率復用方案的小區邊緣吞吐量保持不變，而系統吞吐量卻有所下降，說明了軟頻率復用方案不能適用于小區邊緣短期業務量的激增情況以及用戶分布過于集中小區邊緣的情況。

圖1 單小區撒入用戶數24的三種分類閾值下吞吐量性能比較

為了解決軟頻率復用方案在小區邊緣的限制，在保障小區系統吞吐量的前提下，進行一定的改進，使得軟頻率復用方案能夠適用于小區邊緣短期業務量的激增情況。基于此，本文提出一種基于高干擾指示的上行SFR方案。

2 基于HII的上行自適應SFR方案

2.1 方案總體描述

在LTE系統中，eNodeB調度器基于上行信道質量(由上行Sounding RS測得)，利用調度算法為用戶分配連續的RB資源用于上行數據的傳輸［5］。為了降低小區間上行干擾，本方案將HII信令信息與軟頻率復用方案結合一起作為用戶在頻域資源分配的限制因素，在上行方向上動態地協調不同小區中用戶的資源調度。由于是基于軟頻率復用技術，所以單小區用戶數過低時，該算法可以按照軟頻率復用方案保證較好的信道質量;在單小區用戶數過高時候，將會啟用本方案的邊緣用戶和中心用戶分配算法，這樣可盡量保證每個用戶都能分配到信道質量較高的資源，降低用戶接入阻塞，最大化系統的吞吐量和用戶吞吐量。其中高干擾指示信息(HII)可以通過X2接口進行相互傳遞，如圖2所示。

根據以上論述，基于高干擾指示(HII)的自適應軟頻率復用方案的流程如圖3，在圖中該方案通過移動性管理，對邊緣用戶進行了信道資源的優先保證，然后擴大中心用戶可調度的資源集合，最大地提高了小區內用戶吞吐量。

具體流程描述如下:

Step0:初始化LTE系統網絡參數配置。

Step1:UE通過切換測量(RSRP測量)向服務小區上報UE接收到的服務小區的RSRP與最強干擾鄰小區的RSRP值之間的差值以及對應的最強干擾鄰小區的ID。

Step2:eNodeB通過式(1)得到用戶在小區中的地理位置

其中，RSRPserving表示用戶接收到服務基站的RSRP值;RSRPmax－neighbour表示用戶接收到的最強干擾鄰小區的RSRP值。當式(1)成立時，則該用戶被認為是小區邊緣用戶，否則為小區中心用戶。并利用傳統的軟頻率復用方案為用戶分配資源。

Step3:判斷是否還有邊緣用戶未被接入網絡，同時中心帶寬還有剩余RB資源未被分配或禁用。

Step4:若Step3判斷為真，則進行小區邊緣用戶資源分配算法。

Step5:若Step3判斷為假，則進入Step6。

Step6:此次資源調度分配結束，同時將資源分配信息映射為對應的HII信息:若用戶被劃分為邊緣用戶，并將該用戶所分配的RB上的HII置為1;否則用戶為小區中心用戶，其所占資源所對應的HII置為0。在結束資源調度分配后，服務小區將HII=1的資源序號及占用該資源用戶對應的最強干擾小區ID和本小區ID封裝后通過X2接口發送給周圍鄰小區，進行移動性管理，更新用戶在網絡中位置或進行小區間切換，并跳回Step1。

2.2 邊緣用戶資源分配算法

為了進一步降低各個小區對相同資源在干擾敏感地理位置上調度的概率，同時最大程度地降低小區內服務用戶的接入阻塞。本文提出了基于軟頻率復用的邊緣用戶資源分配改進算法，該算法在對未被剩余的邊緣用戶進行資源分配時需要兼顧兩個方面:一個方面為鄰小區為其與服務小區相鄰的邊緣用戶分配的RB集合對服務小區邊緣用戶分配RB資源的限制;另一個方面為服務小區調度某一個用戶到特定RB時會對離該用戶最近的鄰小區的干擾的限制。具體算法流程如圖4所示。

圖4 邊緣用戶資源分配算法流程

具體流程描述如下:

Step1:對在軟頻率復用方案下未分配到RB資源的小區邊緣用戶進行定位，查看收到的最新HII信息集合確定兩種干擾限制集合:周圍鄰小區調度在該用戶的服務小區邊緣的高干擾指示信息集合，和該邊緣用戶接收到的最強干擾鄰小區的全部HII信息集合。主要是因為邊緣用戶對干擾較為敏感，如果服務小區和鄰小區的邊緣在上行方向上同時使用相同的RB資源，由于服務小區內同頻用戶與鄰小區內的同頻用戶到鄰小區基站的信道增益相差較小，會導致鄰小區內的同頻邊緣用戶的SINR惡化，降低了該邊緣用戶的吞吐量性能。所以，為服務小區的邊緣用戶進行資源分配時，還需要考慮到該用戶對其接收到的最強干擾鄰小區的干擾狀況。以7小區拓撲結構中的中心小區Cell 0為例，其邊緣用戶可以使用的RB集合可以表示為式(4)。

其中，Setue_m表示邊緣用戶m可用調度資源集合;Setservingcell表示服務小區總的資源集合;Setconstrain_m表示用戶m的資源限制調度集合;Setcell_i表示鄰小區i中邊緣用戶所使用資源集合;Setneighbour表示在鄰小區中與服務小區相鄰的邊緣用戶所使用資源集合;Setcelledge_j表示在鄰小區j中與服務小區相鄰的邊緣用戶使用的資源集合;Setalready表示服務小區用戶已經使用的資源集合。為了方便描述算法，定義Setue_m集合為A集合，若集合A不為空，則小區邊緣用戶利用調度算法在資源集合A中進行調度;若集合A為空，邊緣用戶的資源調度集合由式(5)確定。

此時，定義Setue_m為集合B，此時邊緣用戶在進行調度時，只保證用戶調度在該集合的資源上不會受鄰小區太大干擾，但是會對該用戶對應的最強干擾鄰小區造成一定的干擾，因為本文將采用上行功率控制，可以避免更大的干擾，所以在此不進行降功率發送。

Step2:利用PF算法在資源集合A或B中進行資源選擇。

Step3:將調度結束后的資源分配信息對應的高干擾指示(HII)信息周期性地發送給周圍小區。

3 仿真及結果分析

3.1 仿真場景及參數配置

在本文第2部分對軟頻率復用在上行系統中的性能進行了研究，并仿真對比了軟頻率復用和全頻率復用在中低負載和高負載下的上行性能。在第3部分中，提出了基于HII的上行軟頻率復用改進方案。在第4部分中，對其在小區吞吐量、小區邊緣吞吐量，以及在不同小區邊緣與小區中心分割比例下的性能進行了仿真對比，其中，仿真中場景的具體仿真參數配置如表1所示。

3.2 性能仿真分析

從圖5和圖6中，可以看出本文研究的基于HII的軟頻率復用改進方案在中低負載時，性能與軟頻率復用一致;高負載時，由于小區邊緣用戶數的增多，而軟頻率復用方案由于小區邊緣帶寬的限制，不能夠接入更多的用戶或分配更多的資源用于小區邊緣業務量激增情況，因此方案的吞吐量受到了一定的限制。而本文研究的方案是在傳統的SFR方案基礎上，通過“借”用干擾不敏感的鄰小區邊緣帶寬資源，因而也不會對其他用戶產生較大干擾，因此相對于軟頻率復用方案，提高了邊緣帶寬頻帶利用率、系統吞吐量和小區邊緣吞吐量。

表1 基于高干擾指示器的自適應軟頻率復用方案和軟頻率復用方案仿真場景

圖5 用戶分類閾值7 dB下的小區平均吞吐量對比

圖7為單小區撒入用戶數24的三種用戶分類閾值吞吐量性能分析，從圖中可以看出，本文所研究的方案，在小區邊緣吞吐量和系統總吞吐量方面都能夠取得增益。因此，相對于軟頻率復用方案，本文方案能夠有效適應于邊緣用戶數增多或邊緣業務量增大。

圖6 用戶分類閾值7 dB下的小區邊緣吞吐量對比

圖7 單小區撒入用戶數24的三種用戶分類閾值吞吐量性能

4 小結

本文結合了3GPP協議標準及相關文獻，首先研究了軟頻率復用方案在上行方向上的性能，然后提出了基于HII的軟頻率復用改進方案，該方案通過小區間高干擾指示器來確定每個邊緣用戶的可用資源分配集合，使得相較于軟頻率復用技術得到了更多的資源分配而不產生過高干擾。本文對該方案進行了仿真，并將其與全頻率復用和軟頻率復用方案進行對比分析，仿真結果驗證了改進方案的可行性。

［1］沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］崔亞楠.適用于LTE及后續演進系統的干擾控制方案的研究［D］.北京:北京郵電大學.2009.

［3］文凱，蘇穎博，詹鵬.基于用戶位置的TD－LTE上行功率控制研究［J］.電視技術，2012，36(2):71－73.

［4］鄭毅.LTE上行干擾抑制技術的研究［D］.北京:北京郵電大學，2009.

［5］YU Y，DUTKIEWICZ E，HUANG X，et al.Performance analysis of soft frequency reuse for Inter－cell interference coordination in LTE networks［C］//Proc.Communications and Information Technologies，2010.［S.l.］:IEEE Press，2010:504－509.