LTE小区间干扰抑制技术分析

陈晓冬，熊尚坤，王庆扬

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

3G LTE (long term evolution)提出的初衷是为了弥补3G和4G之间的巨大性能落差，由3GPP组织技术论证[1]。从2004年12月开始可行性论证到2008年12月标准冻结发布3GPP Release 8，LTE系统在经过严谨的技术论证后，已不能简单地看成是3G系统的演进，更像是一个全新的通信系统。LTE系统的设计框架与3G系统有着本质区别，如LTE彻底抛弃码分多址，采用正交频分复用（OFDM）作为多址技术。同时，LTE采用全新的空中接口设计和全IP网络架构。LTE的系统架构更接近人们对下一代移动通信系统的展望，被当做移动通信系统未来演进的基础，如3GPP的Release 9、Release 10版本都是基于 LTE的系统架构。

在传输速率方面，LTE最初设定的指标是下行峰值速率100 Mbit/s，上行50 Mbit/s。最新LTE设备可以达到下行 300 Mbit/s，上行 80 Mbit/s。LTE的演进版本：LTE-Advanced（3GPP Release 10）提出的指标是下行峰值速率1 Gbit/s，上行峰值速率100 Mbit/s。可以说，LTE使得移动通信系统首次具有与有线接入相同数量级的传输速率，对移动通信数据业务的开展具有重大意义。LTE系统如此高的传输速率首先有赖于无线通信技术的发展，采用最新技术可以使得调制效率达到 10～20 bit/（s·Hz）。其次，LTE采用“全频率复用”的新技术。在传统移动通信系统中，相邻小区采用不同频段以抑制小区间干扰。在LTE系统中，为了实现高速率，用户有可能使用所有频谱，即每个小区都有可能使用所有频谱资源，这种方式称为“全频率复用”。因此，LTE、LTE-Advanced系统中相邻小区可能存在重叠频段，小区间干扰抑制是一个关键问题。在LTE的相关标准文档中，没有定义具体的小区间干扰抑制技术，而是由设备商自己定义。为了避免知识产权问题，很多设备商提出自己的干扰抑制方案，学术界也进入了这一领域的研究，使得LTE小区间干扰抑制成为当前的研究热点，本文的目的是对不同干扰抑制方案进行分类，并对不同方案从复杂度、实用性等方面进行综合评述。

2 基于软频率复用的小区间干扰协调

软频率复用的核心思想是把小区覆盖范围分为小区中心和小区边缘两种不重叠的区域，在小区边缘采用和传统2G系统类似的频率复用策略以降低小区间干扰，在小区中心采用全频率复用以提高速率。图1给出了一种典型的实现方案[2～3]，小区中心用户可使用整个频谱，但使用较小的功率以降低对邻近小区的干扰。由于其路径损耗较小,所以降低功率并不影响其正常使用。对小区的边缘用户，先将整个频带分成3个互不重叠的子频段，一个小区只使用一个子频段并且相邻小区使用不同的子频段。由于相邻小区边缘用户使用互不重叠的频段，边缘用户可以使用较大的功率。

该提案简单易行，通过在系统初始化阶段进行一次频率资源规划再辅以一定的资源分配算法即可以实现对小区间干扰的抑制，且软频率复用效率比较高。但它也存在明显的缺点，一是小区边缘频谱效率不高,通常只能使用1/3的频谱资源；二是当OFDM系统内各小区的负载随着时间的变化而剧烈变化时，该方法显得很不灵活。阿尔卡特提出一种改进方案[4]，该方案的核心是对小区边缘进行了细分，将整个可用频段分为7组。将小区边缘分成6个部分，每个部分可用频率为这7组中间的其中一组，不同小区间的相邻小区边缘采用的频带互不重叠。这使得在确保小区间干扰减小的前提下,小区边缘可用频率相较于华为的提案显著提高(从1/3提高到6/7)。

上述方案使用固定的频段划分，称为静态干扰协调，其主要缺陷是不能灵活应对负载随时间的变化。改进的方向是采用动态调整，Siemens[5]提出的改进方案将整个可用频段分为N个子带,其中X个子带用于小区边缘,N-3X用于小区内部。数字“X”可根据小区边缘用户负载情况而变化。通过调整X的大小,可实现不同的频率复用度。该方案对小区间的负载变化未予以考虑。另外一种改进方案是在小区边缘不采用固定的1/3频带,而是根据邻近小区间边缘负载的不同进行调整[6]。当某个小区边缘用户较少时,其可用频率将少于1/3,而同时其邻近的小区边缘负载较重时,则邻近小区的边缘可用频率将超过1/3。如所有小区边缘用户负载都较重时，则各个小区边缘可用频率都为 1/3。

总而言之，基于软频率复用的干扰协调方法，复杂度低，信令开销也很低，具有较好的实用性，但频谱利用效率仍有提升的空间，如小区边缘用户始终只能在部分频段中分配频谱资源，难以实现高速率传输。

3 基于多小区载波、功率联合分配的干扰协调技术

软频率复用可以认为是将OFDM系统整个频带分为多个子频段，确定各子频段功率，然后为每个用户指定所使用的频段，在频段中为用户分配子载波。因此，针对软频率复用缺陷的改进方法是直接为用户分配载波和功率。在多小区载波、功率联合分配中，一般假设各用户的信道状况已知，并且当一个子载波分配之后，对其他小区同一载波形成的干扰可以计算得到。多小区载波、功率联合分配一般可以用约束优化问题建模，根据优化目标的不同，目前的研究可大概分为两类，第一类的目标是在最大发送功率受限和满足用户公平性条件下，通过子载波和功率的最优分配使系统吞吐量达到最大[7～8]；第二类的目标是在满足用户传输速率的条件下，通过子载波的最优分配使总的传输 功 率 最 小[9～10]。

载波和功率的联合分配在具体实施上可以分为集中式和分布式两种形式。集中式资源分配方案假设网络中存在包含全局网络信息的设备 （如RNC），该设备根据所有用户的信道信息和相互干扰统筹载波和功率的分配。集中式资源分配方案的缺陷是所有计算都集中到了一个网元设备上，计算量大，复杂度高。为了使方案更具实用性，一般需要对问题模型进行简化，参考文献[11]对载波分配进行了简化，假设每个用户分配的载波数相同。简化方案以一定性能下降为代价显著降低了复杂度。

分布式资源分配方案是指载波分配发生在只有网络局部信息的网元设备，如基站。基站独立操作，同时通过基站之间交换信息实现全局的优化。参考文献[12]提出了一种基于最大化吞吐量准则的分布式功率分配算法。首先针对单载波在每个小区计算关闭该载波对整体系统吞吐量的影响，以此决定该载波在本小区是否分配，然后并行应用于多载波的情形。但该算法没有考虑到用户的公平性问题。参考文献[13]同样通过子载波对整体吞吐量的贡献来判断是否在小区内选择该载波。算法同时还加入了用户权重，使用户的公平性在一定程度上得到了保证，收敛速度也较快。总体而言，分布式资源分配的收敛性分析是个很困难的问题。很难保证算法能收敛到全局最优解，并且分布式方案的分配结果会存在波动现象，收敛速度较慢[7～8]。

4 基于交织多址的干扰随机化和干扰消除

交织多址（interleave-division multiple access，IDMA）技术是码分多址技术的一种特例（可以认为是扩频因子为1时的码分多址）[14～15]，因此IDMA继承了码分多址技术抗多径衰落、抗多用户干扰等诸多特性。IDMA系统的实现如图2所示。IDMA技术的核心是在不同小区使用不同的伪随机交织器，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，即可将目标信号和干扰信号分别解出，然后在总的接收信号中减去干扰信号，进而有效地提高接收信号的信干比。

IDMA技术在LTE系统的应用体现在两方面：一方面，IDMA技术对每个基站发送信号应用不同的交织码，可作为干扰随机化的手段，其效果与传统3G系统的加扰并无明显差异；另一方面，IDMA可以采用类似于码分多址系统多用户联合检测的干扰消除技术，这种技术是通过将干扰信号解调/解码后，对该干扰信号进行重构（reconstruction），然后从接收信号中减去。如果能将干扰信号分量准确减去，剩下的就是有用信号和噪声,是一种更为有效的干扰消除技术。小区间干扰删除的优势在于，对小区边缘的频率资源没有限制，相邻小区即使在小区边缘也可以使用相同的频率资源，可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效率。有研究表明，基于IDMA的迭代干扰消除技术可以使小区边缘吞吐量 （即5%CDF吞吐量）获得50%的性能增益；在小区平均吞吐量方面，也有5%的性能增益[16]。

由于需要完全解调甚至解码干扰信号，IDMA对系统的设计如资源块分配、信道估计、同步、信令等提出了更高要求或带来了更多限制。因此,LTE Release 8中没有采用IDMA的干扰消除，而仅作为一种干扰随机化技术，但是，IDMA干扰消除技术的优越性能仍然吸引了很多研究者的注意，在LTE的演进版本中有持续的论证[17～19]。

5 基于协作调度的干扰抑制技术

LTE-Advanced系统提出了多点协作传输技术[20，21]（coordinated multipoint transmission/reception，CoMP），因其能有效改善小区边缘用户性能，提高系统吞吐量，在近年来引起了业界的广泛关注和研究，成为LTE小区间干扰抑制技术的新研究方向。

多点协作传输技术是对传统单基站MIMO技术的一个补充和扩展，若干小区的基站使用光纤或电缆连接，通过基站间协作传输来达到减少小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘覆盖的目的。目前，多点协作传输技术分为多点联合处理和多点协调调度两大类，分别适用于不同的应用场景，互相之间不能完全取代。

（1）多点联合处理技术

多点联合处理，即多个协作节点（基站）之间通过共享数据及信道信息、调度信息等，联合为目标用户提供服务。其基本原理如图3所示，位于小区边缘的用户同时被小区1、小区2服务。在采用多小区联合处理的系统中，每个基站都可以看作是虚拟天线，与用户形成虚拟MIMO系统，使用多个基站为一个或多个用户服务。此技术可以把相邻小区干扰信号转换为有用信号，从而消除相邻小区干扰，提高小区边缘用户的信号质量[22～24]。

多小区联合发送虽然可以得到较大的增益，但是要在实际系统中实现仍然具有一定的难度：首先参与联合发送的各个基站都需要获得所有用户的数据包，在用户速率较高时会要求基站之间的支撑网络具有较大的容量；另外，在用户端对来自于多个基站的信号进行时间和频率的同步也比较困难。

（2）多点协调调度技术

多点协调调度，即用户数据通过用户所在的服务小区传输，在相邻节点（基站）之间交互调度信息、协同调度，用以避免小区间干扰。此技术类似于干扰协调、干扰随机化的思想，通常集中在和多天线波束成形相结合的解决方案上。

在多天线蜂窝通信系统中，波束成形是一种实现复杂度较低的发送方案，通过使用与用户信道相匹配的发送波束，可以优化信号功率的利用，提高服务质量，但由于发送波束具有手电筒特性，可能会对相邻小区所服务的用户造成较大的干扰。因此，将多点协调调度技术与波束成形结合起来，即通过相邻小区间的X2接口交换调度信息，使每个小区选择使小区吞吐量总和最大或小区间干扰最小的波束，而不是仅仅考虑本小区的吞吐量，这样即可有效避免波束成形可能带来的干扰[25，26]。其实现方式如图4所示[27]，当相邻基站同时选择波束RS1或RS2时，可最大限度地降低干扰。由于波束成形调度技术需根据小区实时用户分布情况来确定波束类型，设备昂贵且计算复杂，目前许多提案[27～29]对此进行简化，普遍做法是假设小区内波束的类型（如发射方向、覆盖范围等）是事先确定的，小区间协作调度只需考虑某个时隙使用哪个波束，而不用考虑波束的类型。

6 小区间干扰抑制的应用和研究趋势

上述的小区间干扰抑制技术中，软频率复用和波束协作调度有较高的实用性，也是目前在业界可能会首先得到应用的技术。软频率复用基本不需要在基站间交换信息，计算复杂度低，具有较高的可行性。目前，3GPP干扰抑制提案中很大部分基于软频率复用技术，研究较成熟，但软频率复用使得小区边缘只能使用部分频谱资源，吞吐量受影响，这是软频率复用技术的根本缺陷。波束协作调度实现复杂度低，只需在相邻干扰小区间交换用户信息，实用性较好，更重要的是，波束协作调度与其他干扰抑制技术可以同时使用，现有波束协作调度没有考虑波束功率的协作控制，预计引入波束功率协作控制后，波束协作调度可弥补软频率复用的缺陷。

理论上多小区载波、功率联合分配可以实现比软频率复用更优秀的性能，但集中式分配由于需要大量计算资源并且不符合未来网络扁平化架构的发展趋势，实用性较差。现有3GPP提案以分布式分配为主，但如何在性能和复杂度之间取得较好的折中，仍是有待解决的问题，另外，现有分布式分配方法普遍缺乏性能分析，因此，在不同网络状态下的性能稳定性仍有待研究。

基于IDMA的干扰消除和基站协作通信为小区间干扰抑制带来全新思路，并且可以和其他技术，如多小区载波、功率联合分配同时使用，但是现有的方法尚未成熟。如现有IDMA干扰消除技术使用迭代求解，要求用户端有强大的计算资源，并且知道附近多个基站的交织码，这在实际中往往是不可能得到的。我们预计低复杂度干扰消除技术，如线性干扰消除是未来小区间干扰消除的研究热点。

7 结束语

小区间干扰是制约LTE系统性能的重要因素，干扰协调和干扰消除是两种实现干扰抑制最主要的方式，未来的系统极有可能是两者同时使用，但目前仍没有公认的、成熟的技术，即使在LTE-Advanced系统中，也很难有确定的实施方案，我们预计LTE小区间干扰在未来几年将仍是业界关注的重点。

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