LTE-A中继系统基于OFDMA的干扰解决算法*

赵季红， 孙 彬， 曲 桦

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061;2.西安交通大学 电信学院，陕西 西安 710049)

随着移动通信技术的发展，为了满足下一代移动通信系统无缝覆盖及高速率传输的要求，3GPP LTE-A通过引入无线中继来实现小区的无缝覆盖，提高小区边缘用户的吞吐量[1]，3GPP TR36.814和 IEEE802.16j给出了中继的标准[2-3]。由于中继的引入，虽然扩大了基站的覆盖范围，提升了系统的容量，但是给系统带来了新的干扰源，这就需要重新安排资源来实现基站与中继间的频率资源分配。

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)正交频分多址技术是无线通信系统的标准，是将不同用户的数据信息承载在正交的子载波上，以实现小区间不同用户之间占用不同的资源块来降低干扰，是无线通信系统的标准。OFDMA技术作为3GPP LTE系统解决多径衰落和频率利用率的标准，也逐渐应用到LTE-A系统中作为解决小区间干扰的重要技术指标之一。为了解决LTE-A系统的小区间干扰，LTE-A系统还引入了定向天线技术来使用户获得更好的信干噪比。

对于传统的LTE-A系统,中继均匀分布在小区半径2/3处，基站和中继都采用全向天线[4]。位于基站覆盖范围内的用户可以直接与基站进行通信，称其为一跳用户(即基站用户)；位于小区边缘的用户可以通过中继和基站进行通信，称其为两跳用户(即中继用户),以达到扩展小区覆盖范围的目的。然而由于中继的引入，LTE-A系统出现基站到用户和基站到中继再到用户两种通信方式，破坏了原有小区内OFDMA资源正交的特性，因此小区内存在三种干扰类型：基站对中继服务用户的干扰；中继对基站服务用户的干扰；中继对相邻中继服务用户的干扰[5]。

如何降低LTE-A中继系统小区间的干扰成为研究的重点。鉴于此，参考文献[6]中引入频率复用单元FPU(Frequency Planning Unit)的概念，提出了两种频率划分方案，频率复用单元为1的FPU-1(Frequency Planning U-nit-1)算法和频率复用单元为7的FPU-7(Frequency Planning Unit-7)算法，两种算法的主要思想都是将蜂窝系统的OFDM频率划分成不同的正交子载波集分别分配给基站的频率资源和中继的频率资源。相对比于传统的LTE-A中继系统而言，两种固定中继频率划分方案不仅有效地降低了小区间的干扰，而且使边缘用户得到了很好的服务。然而，FPU-1和FPU-7两种频率划分算法在最大限度地降低小区干扰问题方面还有很大的空间，一方面存在着基站用户的干扰还比较大，另一方面中继用户的干扰有比较大的不足。基于以上分析，结合OFDMA技术将不同用户的数据信息承载在正交子载波上进行通信来避免干扰的优点，结合参考文献[6]提出的通过给基站的频率资源和中继的频率资源分配不同的正交子载波集来降低小区间干扰的方法，提出了基于层二中继的LTE-A中继系统和OFDMA干扰解决算法[7]。本算法与FPU-1和FPU-7不同在于，对于基站而言，基站使用定向天线，同时不同的基站扇区使用正交的频率资源来降低基站用户的干扰；对于中继而言，使用60°定向天线，将中继划分为6个扇区，不同的扇区使用正交的频率资源来降低相邻中继用户的干扰。本算法不仅扩大了小区的覆盖范围，降低了小区间的干扰，提高了系统的吞吐量，同时提升了小区的服务质量。

1 LTE-A中继系统基于OFDMA的干扰解决算法

本文提出的LTE-A中继系统基于OFDMA的干扰解决算法，利用OFDMA技术的优点，即将不同的用户数据信息承载在正交的子载波集上进行通信，可以有效地降低干扰，为基站的频率资源和中继的频率资源分配正交的子载波集来降低由于引入中继后产生的同频道干扰，同时每个小区都使用所有的频率资源，使得小区内的资源可以得到充分的利用。

1.1 算法系统场景图

本文提出的具体场景部署方式如图1所示，具体包括：每个小区部署6个中继，中继部署在相邻3个小区交界处，供3个小区共同使用。基站、中继分别使用120°、60°定向天线。考虑到 LTE-A系统中的无线资源是以物理资源块为单位进行分配的[8]，同时本文采用的正交频率划分算法将不采用之前LTE系统中的整段式频率划分方法，而是采用分布式的划分方法。

本文提出的算法同样基于频率复用单元FPU(Frequency Planning Unit)的概念，将系统频率划分为15部分，将其中的3部分频率分配给基站频率资源，其他的12部分频率分配给中继的频率资源，频率复用单元为15，本文定义该算法为BFPU-15(Best Frequency Planning Unit-15)。

图1 系统场景图

1.2 BFPU-15划分方法

图2 BFPU-15

BFPU-15算法中基站使用120°定向天线，将基站的覆盖范围划分成3个扇区，基站覆盖区域为深灰色区域，中继使用60°定向天线，将中继的覆盖范围划分成6个扇区，中继覆盖区域为浅灰色区域。具体的划分方法如图2所示，先把整段频率分成两部分，一部分为主子载波，主子载波为浅灰色，另一部分为辅子载波，辅子载波为深灰色；再将主子载波分成12部分，主要提供给中继覆盖范围内的某个扇区用户使用，各部分占用的频率均正交, 按照 F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12的顺序依次划分，保证相邻小区中继站扇区使用的频率正交。将频率标号为F1的资源块分配到中继覆盖范围的1号区域使用；将频率标号为F2的资源块分配到中继覆盖范围的2号区域使用；将频率标号为F3的资源块分配到中继覆盖范围的3号区域使用；以此类推， 将频率标号为 F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12的资源块依次分配到中继覆盖范围的 4、5、6、7、8、9、10、11、12号区域,其他各个小区中中继站扇区使用的频率依照上面给出的频率划分方法依次进行分配；将辅子载波分成3部分，主要提供给基站覆盖范围内的3个不同扇区的用户使用，同时各部分占用的频率正交，按照F13、F14、F15的顺序依次划分。将频率标号为F13的资源块分配到基站覆盖范围的1号扇区使用；将频率标号为F14的资源块分配到基站覆盖范围的2号扇区使用；将频率标号为F14的资源块分配到基站覆盖范围的3号扇区使用。其他各个小区基站的各个扇区使用的频率依照上面给出的频率划分方法依次进行分配。

1.3 干扰分析

(1)一跳用户的信干噪比计算

对于FPU-1、FPU-7和 BFPU-15三种算法，假设用户m从所在的小区接收到的信号功率为：

其中,PB是基站的发送功率，GB是基站的天线增益，PL1是基站到用户的路径损耗。

用户m接收到的干扰信号功率来自周围使用同频段的基站，接收到的每一个干扰信号功率为：

其中，PB是干扰基站的发送功率，GB是干扰基站的天线增益，PL2是干扰基站到用户的路径损耗，PL2的值是一个不固定的值，随着干扰基站和用户位置的变化而变化。

因此，一跳用户的信干噪比SINR为：

其中j为用户所受到的干扰源的数量。

(2)两跳用户的信干噪比计算

对于三种算法FPU-1、FPU-7、BFPU-15，假设用户m从所在中继接收到的信号功率为：

其中,PR为中继的发送功率，GR为中继的天线增益，PL3是中继到用户的路径损耗。

用户m接收到的干扰信号功率来自周围使用同频段的基站或者是使用同频段的中继，接收的每一个同频段基站干扰信号功率和同频段中继干扰信号功率分别为：

其中,PB是干扰基站的发送功率，GB是干扰基站的天线增益，PL2是干扰基站到用户的路径损耗，PR是干扰中继的发送功率，GR是干扰中继的天线增益，PL4是干扰中继到用户的路径损耗，PL2和PL4的值都是一个不固定的值，随着干扰基站和干扰中继与用户位置的变化而变化。

因此，两跳用户的信干噪比SINR为：

其中，n和k分别为所受到的基站干扰源和中继干扰源的数量。

1.4 系统吞吐量的计算

系统吞吐量的计算公式来源于参考文献[9]：

根据用户的SINR值，系统的吞吐量的计算：

其中，N为用户数目，B1为每个用户的带宽，Bu为带宽有效因子。SINRU为信干噪比有效因子。

2 仿真及结果分析

2.1 仿真模型及参数

主要对BFPU-15算法和参考文献[6]中提到FPU-1算法和FPU-7算法进行了仿真对比，仿真包括一跳用户(即基站用户)的信干噪比、两跳用户(即中继用户)的信干噪比和系统吞吐量三部分，仿真是针对LTE-A系统的下行通信进行的。仿真中使用19个小区结构，使用的频带带宽为10 MHz，总的资源块有55个，仿真过程中基站的覆盖范围为0.4r，中继的覆盖范围为0.1r,r为小区的半径0.5 km，其中将35个资源块分给F13-F15使用，三段频段动态地使用分配给的资源块；将剩下的20个资源块分配给F1-F12使用，12段频段动态地使用分配给的资源块。载频是2 GHz，具体的仿真参数如表1所示。

表1 仿真中使用的参数

2.2 信干噪比仿真分析

图3和图4分别显示了基站用户(即一跳用户)和中继用户(即两跳用户)的信干噪比对比图。由图3可以看出，对于基站用户而言，BFPU-15算法和传统的FPU-7算法的信干噪比远远好于传统的FPU-1算法；将BFPU-15算法与传统的FPU-7算法进行比较可以看出，当用户到基站的距离小于200 m时，传统的FPU-7方算法要略优于BFPU-15算法，当用户距离基站的距离大于200 m时，BFPU-15算法要优于传统的FPU-7算法。由图4可以看出，对于中继用户而言，BFPU-15算法要明显优于传统的FPU-1算法和FPU-7算法。

图3 基站用户的信干噪比对比图

图4 中继用户的信干噪比对比图

2.3 系统吞吐量仿真分析

图5显示了系统吞吐量的比较图。由图可以看出，BFPU-15算法的系统吞吐量明显好于传统的FPU-1算法和FPU-7算法的系统吞吐量。因此，BFPU-15算法虽然在基站用户信干噪比上略好于传统方法，但是在中继用户信干噪比方面和系统吞吐量方面好于传统的中继场景下使用的频率划分方案。

本文提出了一种LTE-A中继系统基于OFDMA的干扰解决算法，该算法主要利用OFDMA技术将不同用户的数据信息承载在正交的子载波上进行通信来避免干扰的优点，并结合定向天线的抗干扰性能，以达到用户对高质量通信服务的要求。通过进一步仿真得知,该算法较传统的算法更好地提高了用户的信干噪比，尤其明显地降低了小区间的干扰，提高了系统的吞吐量。

图5 系统吞吐量对比图

[1]LIU G J,LOVE R.Recent results on relaying for LTE-advanced[A].IEEE VTC 2009[C],2009.

[2]3GPP.Tech.Spec.n Group Radio Access Network Rel.9,TR36.814 V9.0.0,Further Advancements for E-UTRA:Physical Layer Aspects[S].2009.

[3]IEEE,P802.16j/D9,Draft Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan A-rea Networks Part 16:Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems:Mutiple Relay Specification[S].Feb.2009.

[4]叶枭雄.固定协作中继蜂窝小区资源分配研究[D].北京:北京邮电大学,2009.

[5]李猛.基于中继下的LTE-A干扰协调策略的研究[D].北京:北京邮电大学,2011.

[6]屈琳.固定中继蜂窝网络中的频率规划性能分析[D].北京:北京邮电大学,2012.

[7]3GPP,R1-082397.Discussion on the various types of Relays Panasonic[S].TSG RANWG1 Meeting#54.Jeju,Korea,August 18～22,2008.4 3GPP,R1-084297.Relaying with Channel Resource Reuse and SIC for LTE-Advanced,Fujitsu.3GPP TSG-RAN1#55.Prague,Czech Republic,November 10～14,2008.

[8]薛萧.LTE-Advanced系统中基于COMP的小区间干扰协调策略[D].西安;西安邮电大学,2012.

[9]赵竹岩.LTE-A Relay下行静态系统仿真方法[J].计算机仿真，2010(12):159-162.