TD-LTE系统软频率复用及其最优化研究

TD-LTE系统软频率复用及其最优化研究1TD-LTE系统小区间干扰分析及解决方案在第三代合作伙伴计划（3GPP，ThirdGenerationPartnershipProject）的时分长期演进计划（TD-LTE，TimeDivision-LongTermEvolution）中，由于采用了基于频分复用多址（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）为基础的空口接入方案，通过利用频率之间的正交性作为区分用户的方式，将用户的信息承载在相互正交的不同的载波上，可以有效对抗频率选择性衰落。另外，由于小区内用户使用的频率相互正交，所有的干扰全部来自于其他小区，这样也可以大大提高小区中心用户的信号干扰噪声比（SignaltoInterferenceandNoiseRatio，SINR），从而可以提供更高的数据速率和更好的服务质量。在一个小区内的用户由于是通过相互正交的频域载波来进行复用的，因此理论上不存在小区内用户干扰。但是，在TD-LTE系统中，小区间干扰却是最重要且难以解决的问题之一。此时，如果在所有的小区内将频率资源进行全复用的话，则在小区边缘的用户由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其SINR相对就较小，导致虽然整个小区的吞吐量较高、但小区边缘用户服务质量较差、吞吐量较低的情况。为了解决TD-LTE系统间小区间干扰严重的问题，3GPP提出了多种解决方案，包括干扰随机化、干扰删除以及干扰协调/回避技术。其中干扰随机化主要是将各小区的信号在信道编码和信道交织后采用不同的伪随机扰码进行加扰，或采用不同的交织图案进行信道交织，从而使干扰的特性近似“白噪声”，进而使终端可以依赖处理增益对干扰进行抑制。由于该方法并不能降低平均干扰水平，因此误差较大。干扰消除是通过多天线接收终端的空间干扰压制技术或者给予干扰重构/减去技术对干扰小区的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码，然后利用接收机的处理增益从接收信号中消除干扰信号分量。但是该算法对于带宽较小的业务（如VoIP）不太适用，且在OFDMA系统中实现也比较复杂，因此相关研究不多。小区间干扰协调/回避是依赖于对于数据传输进行调度的一种算法，它通过对下行资源管理设置一定的限制，从而协调多个小区的动作，避免产生严重的小区间干扰。常见的小区间干扰协调/回避包括软频率复用、部分功率控制以及干扰协调的测量和上报频率等，本文将主要研究第一种，即软频率复用技术。2软频率复用技术分析近年来，由于LTE及WiMAX等基于OFDMA的系统标准化日益成熟并投入商用，软频率复用也成为研究的热门技术之一。该技术的基本思想是将接近于基站的用户频率复用因子设为1，而将在小区边缘的用户频率复用因子相对取较大值以抑制干扰。这种思想最先在GSM网络中就已经被提出错误!未找到引用源。并被应用于WiMAX协议中错误!未找到引用源。。在LTE标准化中，软频率复用同样备受关注，并成为小区间干扰协调技术的选用方案错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。2.1经典的软频率复用算法随着学术圈对于软频率复用的研究越来越多，许多相关的概念也随之涌现，但使用上并没有统一的定义，造成了其同如“分数频率复用”、“部门频率复用”等概念在一定程度上的混淆。本文将所有把小区分成内区（Interior）和外区（Exterior）两个部分，并相应的将一部分频率资源完全分配给内区用户进行复用，而另一部分使用一个大于1的信道复用因子进行复用的方法统称为软频率复用。（a）频率资源的空间分配（b）频率资源的划分图1软频率复用技术基本原理软频率复用技术的基本原理如图1所示，其中(a)图示频率资源在空间上的分配，(b)图是不同校区频率资源的划分。设为OFDM系统所使用的带宽内所有子载波的集合，按照图1(b)的频率资源划分方案，S被分为三个子集S1，S2和S3，并且这三个子集内的子载波互不重叠。如图1(a)所示，每个校区被划分为内外两层，划分的依据可以使无线链路的质量等。子载波集S1，S2或S3分配到系统的各小区，例如S1对应小区1，S2对应小区2，S3对应小区3，等等。在资源分配阶段确定用户使用的传输子载波组。对于内层区域的一个终端来说，可以被分配得到子载波组是集合S中的任意子载波或子集，也就是说小区内层区域的频率复用因子可以为1。而对于外层区域的一个终端来说，它能被分到的子载波组只能是一个子集，即频率复用因子只能达到3。同时，在把S1、S2或S3匹配到每一个对应的小区时应遵守一个原则：确保相邻的三个小区匹配得到子集合组必须是S1、S2或S3的一个排列组合。通过这样的频率划分方法和频率资源空间分配方案，可以确保相邻小区的边缘区域被分配到的子载波互不重叠。由此可见，软频率复用技术的主要目的是提高LTE系统对于小区边缘终端的服务质量。图1所示是小区边缘复用因子为3的情况，如果采用更高的小区边缘复用因子（如7、9等），可以进一步降低小区间的干扰，但是会导致频谱利用率的降低。在以上算法中，整个系统的频率复用因子将是一个大于1而小于外区复用因子的分数，因此，这种算法又称为分数频率复用算法。2.2改进的软频率复用算法（1）采用动态频率复用因子的软频率复用算法这种软频率复用算法继承了分数频率复用的优点，同时采用动态的频率复用因子，可以比较明显地提高频率利用率。在该算法中，所有的频段被分成了两组子载波，一组称为主子载波，另外一组称为辅子载波。主子载波可以在小区的任何地方使用，而辅子载波则只能在小区中心被使用。不同小区之间的主子载波相互正交，在小区边缘有效地抑制了干扰，而辅子载波由于只在小区中心使用，相互之间干扰较小，则可以使用相同的频率。（2）增强的软频率复用虽然软频率复用对于小区边缘干扰情况的抑制，以及子载波的灵活分配都已有了一定的考虑，但是其分配给不同小区的相互正交的主子载波仍然会带来一定程度的资源浪费，尤其是当小区边缘的业务量较大时，会带来小区之间的频率复用因子增高、频谱利用率下降等后果。增强的软频率复用方案继承了传统的软频率复用的思想，又在其基础上对于在业务量变化时可能带来的资源浪费等问题进行了改进。3多小区最优软频率复用算法研究以上主要对软频率复用算法及改进方法进行了分析。本节将通过数学计算和推导进一步研究该算法主要受哪些参数的影响，并给出软频率复用的最优频率分配准则及计算方法错误!未找到引用源。。4结束语本文主要对TD-LTE中所采用的软频率复用算法进行研究。首先对软频率复用算法技术发展进行了回顾，对采用软频率复用算法的小区结构及频谱分配方法进行了较为详细的研究，并进一步将采用动态频率复用因子的软频率复用算法和增强型软频率复用算法进行了阐述。在此基础上，本文着重研究了采用软频率复用算法的TD-LTE系统中干扰协调和频谱资源分配的最优化方法。该方法通过将外区用户的软频率复用因子和分配给内外区用户的信道带宽的联合问题进行简化，可以大大降低最优化求解的复杂度，从而使得在频率规划中得到最优化的频率规划方案成为可能。