陳曉冬,熊尚坤,王慶揚(yáng)
(中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630)
3G LTE (long term evolution)提出的初衷是為了彌補(bǔ)3G和4G之間的巨大性能落差,由3GPP組織技術(shù)論證[1]。從2004年12月開(kāi)始可行性論證到2008年12月標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)發(fā)布3GPP Release 8,LTE系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)論證后,已不能簡(jiǎn)單地看成是3G系統(tǒng)的演進(jìn),更像是一個(gè)全新的通信系統(tǒng)。LTE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架與3G系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別,如LTE徹底拋棄碼分多址,采用正交頻分復(fù)用(OFDM)作為多址技術(shù)。同時(shí),LTE采用全新的空中接口設(shè)計(jì)和全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。LTE的系統(tǒng)架構(gòu)更接近人們對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的展望,被當(dāng)做移動(dòng)通信系統(tǒng)未來(lái)演進(jìn)的基礎(chǔ),如3GPP的Release 9、Release 10版本都是基于 LTE的系統(tǒng)架構(gòu)。
在傳輸速率方面,LTE最初設(shè)定的指標(biāo)是下行峰值速率100 Mbit/s,上行50 Mbit/s。最新LTE設(shè)備可以達(dá)到下行 300 Mbit/s,上行 80 Mbit/s。LTE的演進(jìn)版本:LTE-Advanced(3GPP Release 10)提出的指標(biāo)是下行峰值速率1 Gbit/s,上行峰值速率100 Mbit/s??梢哉f(shuō),LTE使得移動(dòng)通信系統(tǒng)首次具有與有線(xiàn)接入相同數(shù)量級(jí)的傳輸速率,對(duì)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開(kāi)展具有重大意義。LTE系統(tǒng)如此高的傳輸速率首先有賴(lài)于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展,采用最新技術(shù)可以使得調(diào)制效率達(dá)到 10~20 bit/(s·Hz)。其次,LTE采用“全頻率復(fù)用”的新技術(shù)。在傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中,相鄰小區(qū)采用不同頻段以抑制小區(qū)間干擾。在LTE系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)高速率,用戶(hù)有可能使用所有頻譜,即每個(gè)小區(qū)都有可能使用所有頻譜資源,這種方式稱(chēng)為“全頻率復(fù)用”。因此,LTE、LTE-Advanced系統(tǒng)中相鄰小區(qū)可能存在重疊頻段,小區(qū)間干擾抑制是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在LTE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文檔中,沒(méi)有定義具體的小區(qū)間干擾抑制技術(shù),而是由設(shè)備商自己定義。為了避免知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題,很多設(shè)備商提出自己的干擾抑制方案,學(xué)術(shù)界也進(jìn)入了這一領(lǐng)域的研究,使得LTE小區(qū)間干擾抑制成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn),本文的目的是對(duì)不同干擾抑制方案進(jìn)行分類(lèi),并對(duì)不同方案從復(fù)雜度、實(shí)用性等方面進(jìn)行綜合評(píng)述。
軟頻率復(fù)用的核心思想是把小區(qū)覆蓋范圍分為小區(qū)中心和小區(qū)邊緣兩種不重疊的區(qū)域,在小區(qū)邊緣采用和傳統(tǒng)2G系統(tǒng)類(lèi)似的頻率復(fù)用策略以降低小區(qū)間干擾,在小區(qū)中心采用全頻率復(fù)用以提高速率。圖1給出了一種典型的實(shí)現(xiàn)方案[2~3],小區(qū)中心用戶(hù)可使用整個(gè)頻譜,但使用較小的功率以降低對(duì)鄰近小區(qū)的干擾。由于其路徑損耗較小,所以降低功率并不影響其正常使用。對(duì)小區(qū)的邊緣用戶(hù),先將整個(gè)頻帶分成3個(gè)互不重疊的子頻段,一個(gè)小區(qū)只使用一個(gè)子頻段并且相鄰小區(qū)使用不同的子頻段。由于相鄰小區(qū)邊緣用戶(hù)使用互不重疊的頻段,邊緣用戶(hù)可以使用較大的功率。
該提案簡(jiǎn)單易行,通過(guò)在系統(tǒng)初始化階段進(jìn)行一次頻率資源規(guī)劃再輔以一定的資源分配算法即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)間干擾的抑制,且軟頻率復(fù)用效率比較高。但它也存在明顯的缺點(diǎn),一是小區(qū)邊緣頻譜效率不高,通常只能使用1/3的頻譜資源;二是當(dāng)OFDM系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)的負(fù)載隨著時(shí)間的變化而劇烈變化時(shí),該方法顯得很不靈活。阿爾卡特提出一種改進(jìn)方案[4],該方案的核心是對(duì)小區(qū)邊緣進(jìn)行了細(xì)分,將整個(gè)可用頻段分為7組。將小區(qū)邊緣分成6個(gè)部分,每個(gè)部分可用頻率為這7組中間的其中一組,不同小區(qū)間的相鄰小區(qū)邊緣采用的頻帶互不重疊。這使得在確保小區(qū)間干擾減小的前提下,小區(qū)邊緣可用頻率相較于華為的提案顯著提高(從1/3提高到6/7)。
上述方案使用固定的頻段劃分,稱(chēng)為靜態(tài)干擾協(xié)調(diào),其主要缺陷是不能靈活應(yīng)對(duì)負(fù)載隨時(shí)間的變化。改進(jìn)的方向是采用動(dòng)態(tài)調(diào)整,Siemens[5]提出的改進(jìn)方案將整個(gè)可用頻段分為N個(gè)子帶,其中X個(gè)子帶用于小區(qū)邊緣,N-3X用于小區(qū)內(nèi)部。數(shù)字“X”可根據(jù)小區(qū)邊緣用戶(hù)負(fù)載情況而變化。通過(guò)調(diào)整X的大小,可實(shí)現(xiàn)不同的頻率復(fù)用度。該方案對(duì)小區(qū)間的負(fù)載變化未予以考慮。另外一種改進(jìn)方案是在小區(qū)邊緣不采用固定的1/3頻帶,而是根據(jù)鄰近小區(qū)間邊緣負(fù)載的不同進(jìn)行調(diào)整[6]。當(dāng)某個(gè)小區(qū)邊緣用戶(hù)較少時(shí),其可用頻率將少于1/3,而同時(shí)其鄰近的小區(qū)邊緣負(fù)載較重時(shí),則鄰近小區(qū)的邊緣可用頻率將超過(guò)1/3。如所有小區(qū)邊緣用戶(hù)負(fù)載都較重時(shí),則各個(gè)小區(qū)邊緣可用頻率都為 1/3。
總而言之,基于軟頻率復(fù)用的干擾協(xié)調(diào)方法,復(fù)雜度低,信令開(kāi)銷(xiāo)也很低,具有較好的實(shí)用性,但頻譜利用效率仍有提升的空間,如小區(qū)邊緣用戶(hù)始終只能在部分頻段中分配頻譜資源,難以實(shí)現(xiàn)高速率傳輸。
軟頻率復(fù)用可以認(rèn)為是將OFDM系統(tǒng)整個(gè)頻帶分為多個(gè)子頻段,確定各子頻段功率,然后為每個(gè)用戶(hù)指定所使用的頻段,在頻段中為用戶(hù)分配子載波。因此,針對(duì)軟頻率復(fù)用缺陷的改進(jìn)方法是直接為用戶(hù)分配載波和功率。在多小區(qū)載波、功率聯(lián)合分配中,一般假設(shè)各用戶(hù)的信道狀況已知,并且當(dāng)一個(gè)子載波分配之后,對(duì)其他小區(qū)同一載波形成的干擾可以計(jì)算得到。多小區(qū)載波、功率聯(lián)合分配一般可以用約束優(yōu)化問(wèn)題建模,根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同,目前的研究可大概分為兩類(lèi),第一類(lèi)的目標(biāo)是在最大發(fā)送功率受限和滿(mǎn)足用戶(hù)公平性條件下,通過(guò)子載波和功率的最優(yōu)分配使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大[7~8];第二類(lèi)的目標(biāo)是在滿(mǎn)足用戶(hù)傳輸速率的條件下,通過(guò)子載波的最優(yōu)分配使總的傳輸 功 率 最 小[9~10]。
載波和功率的聯(lián)合分配在具體實(shí)施上可以分為集中式和分布式兩種形式。集中式資源分配方案假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在包含全局網(wǎng)絡(luò)信息的設(shè)備 (如RNC),該設(shè)備根據(jù)所有用戶(hù)的信道信息和相互干擾統(tǒng)籌載波和功率的分配。集中式資源分配方案的缺陷是所有計(jì)算都集中到了一個(gè)網(wǎng)元設(shè)備上,計(jì)算量大,復(fù)雜度高。為了使方案更具實(shí)用性,一般需要對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,參考文獻(xiàn)[11]對(duì)載波分配進(jìn)行了簡(jiǎn)化,假設(shè)每個(gè)用戶(hù)分配的載波數(shù)相同。簡(jiǎn)化方案以一定性能下降為代價(jià)顯著降低了復(fù)雜度。
分布式資源分配方案是指載波分配發(fā)生在只有網(wǎng)絡(luò)局部信息的網(wǎng)元設(shè)備,如基站。基站獨(dú)立操作,同時(shí)通過(guò)基站之間交換信息實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化。參考文獻(xiàn)[12]提出了一種基于最大化吞吐量準(zhǔn)則的分布式功率分配算法。首先針對(duì)單載波在每個(gè)小區(qū)計(jì)算關(guān)閉該載波對(duì)整體系統(tǒng)吞吐量的影響,以此決定該載波在本小區(qū)是否分配,然后并行應(yīng)用于多載波的情形。但該算法沒(méi)有考慮到用戶(hù)的公平性問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[13]同樣通過(guò)子載波對(duì)整體吞吐量的貢獻(xiàn)來(lái)判斷是否在小區(qū)內(nèi)選擇該載波。算法同時(shí)還加入了用戶(hù)權(quán)重,使用戶(hù)的公平性在一定程度上得到了保證,收斂速度也較快??傮w而言,分布式資源分配的收斂性分析是個(gè)很困難的問(wèn)題。很難保證算法能收斂到全局最優(yōu)解,并且分布式方案的分配結(jié)果會(huì)存在波動(dòng)現(xiàn)象,收斂速度較慢[7~8]。
交織多址(interleave-division multiple access,IDMA)技術(shù)是碼分多址技術(shù)的一種特例(可以認(rèn)為是擴(kuò)頻因子為1時(shí)的碼分多址)[14~15],因此IDMA繼承了碼分多址技術(shù)抗多徑衰落、抗多用戶(hù)干擾等諸多特性。IDMA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。IDMA技術(shù)的核心是在不同小區(qū)使用不同的偽隨機(jī)交織器,通過(guò)偽隨機(jī)交織器產(chǎn)生不同的交織圖案,并分配給不同的小區(qū),接收機(jī)采用不同的交織圖案解交織,即可將目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)分別解出,然后在總的接收信號(hào)中減去干擾信號(hào),進(jìn)而有效地提高接收信號(hào)的信干比。
IDMA技術(shù)在LTE系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)在兩方面:一方面,IDMA技術(shù)對(duì)每個(gè)基站發(fā)送信號(hào)應(yīng)用不同的交織碼,可作為干擾隨機(jī)化的手段,其效果與傳統(tǒng)3G系統(tǒng)的加擾并無(wú)明顯差異;另一方面,IDMA可以采用類(lèi)似于碼分多址系統(tǒng)多用戶(hù)聯(lián)合檢測(cè)的干擾消除技術(shù),這種技術(shù)是通過(guò)將干擾信號(hào)解調(diào)/解碼后,對(duì)該干擾信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)(reconstruction),然后從接收信號(hào)中減去。如果能將干擾信號(hào)分量準(zhǔn)確減去,剩下的就是有用信號(hào)和噪聲,是一種更為有效的干擾消除技術(shù)。小區(qū)間干擾刪除的優(yōu)勢(shì)在于,對(duì)小區(qū)邊緣的頻率資源沒(méi)有限制,相鄰小區(qū)即使在小區(qū)邊緣也可以使用相同的頻率資源,可以獲得更高的小區(qū)邊緣頻譜效率和總頻譜效率。有研究表明,基于IDMA的迭代干擾消除技術(shù)可以使小區(qū)邊緣吞吐量 (即5%CDF吞吐量)獲得50%的性能增益;在小區(qū)平均吞吐量方面,也有5%的性能增益[16]。
由于需要完全解調(diào)甚至解碼干擾信號(hào),IDMA對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如資源塊分配、信道估計(jì)、同步、信令等提出了更高要求或帶來(lái)了更多限制。因此,LTE Release 8中沒(méi)有采用IDMA的干擾消除,而僅作為一種干擾隨機(jī)化技術(shù),但是,IDMA干擾消除技術(shù)的優(yōu)越性能仍然吸引了很多研究者的注意,在LTE的演進(jìn)版本中有持續(xù)的論證[17~19]。
LTE-Advanced系統(tǒng)提出了多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)[20,21](coordinated multipoint transmission/reception,CoMP),因其能有效改善小區(qū)邊緣用戶(hù)性能,提高系統(tǒng)吞吐量,在近年來(lái)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究,成為L(zhǎng)TE小區(qū)間干擾抑制技術(shù)的新研究方向。
多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)單基站MIMO技術(shù)的一個(gè)補(bǔ)充和擴(kuò)展,若干小區(qū)的基站使用光纖或電纜連接,通過(guò)基站間協(xié)作傳輸來(lái)達(dá)到減少小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)容量、改善小區(qū)邊緣覆蓋的目的。目前,多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)分為多點(diǎn)聯(lián)合處理和多點(diǎn)協(xié)調(diào)調(diào)度兩大類(lèi),分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景,互相之間不能完全取代。
多點(diǎn)聯(lián)合處理,即多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)(基站)之間通過(guò)共享數(shù)據(jù)及信道信息、調(diào)度信息等,聯(lián)合為目標(biāo)用戶(hù)提供服務(wù)。其基本原理如圖3所示,位于小區(qū)邊緣的用戶(hù)同時(shí)被小區(qū)1、小區(qū)2服務(wù)。在采用多小區(qū)聯(lián)合處理的系統(tǒng)中,每個(gè)基站都可以看作是虛擬天線(xiàn),與用戶(hù)形成虛擬MIMO系統(tǒng),使用多個(gè)基站為一個(gè)或多個(gè)用戶(hù)服務(wù)。此技術(shù)可以把相鄰小區(qū)干擾信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用信號(hào),從而消除相鄰小區(qū)干擾,提高小區(qū)邊緣用戶(hù)的信號(hào)質(zhì)量[22~24]。
多小區(qū)聯(lián)合發(fā)送雖然可以得到較大的增益,但是要在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)仍然具有一定的難度:首先參與聯(lián)合發(fā)送的各個(gè)基站都需要獲得所有用戶(hù)的數(shù)據(jù)包,在用戶(hù)速率較高時(shí)會(huì)要求基站之間的支撐網(wǎng)絡(luò)具有較大的容量;另外,在用戶(hù)端對(duì)來(lái)自于多個(gè)基站的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和頻率的同步也比較困難。
多點(diǎn)協(xié)調(diào)調(diào)度,即用戶(hù)數(shù)據(jù)通過(guò)用戶(hù)所在的服務(wù)小區(qū)傳輸,在相鄰節(jié)點(diǎn)(基站)之間交互調(diào)度信息、協(xié)同調(diào)度,用以避免小區(qū)間干擾。此技術(shù)類(lèi)似于干擾協(xié)調(diào)、干擾隨機(jī)化的思想,通常集中在和多天線(xiàn)波束成形相結(jié)合的解決方案上。
在多天線(xiàn)蜂窩通信系統(tǒng)中,波束成形是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低的發(fā)送方案,通過(guò)使用與用戶(hù)信道相匹配的發(fā)送波束,可以?xún)?yōu)化信號(hào)功率的利用,提高服務(wù)質(zhì)量,但由于發(fā)送波束具有手電筒特性,可能會(huì)對(duì)相鄰小區(qū)所服務(wù)的用戶(hù)造成較大的干擾。因此,將多點(diǎn)協(xié)調(diào)調(diào)度技術(shù)與波束成形結(jié)合起來(lái),即通過(guò)相鄰小區(qū)間的X2接口交換調(diào)度信息,使每個(gè)小區(qū)選擇使小區(qū)吞吐量總和最大或小區(qū)間干擾最小的波束,而不是僅僅考慮本小區(qū)的吞吐量,這樣即可有效避免波束成形可能帶來(lái)的干擾[25,26]。其實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示[27],當(dāng)相鄰基站同時(shí)選擇波束RS1或RS2時(shí),可最大限度地降低干擾。由于波束成形調(diào)度技術(shù)需根據(jù)小區(qū)實(shí)時(shí)用戶(hù)分布情況來(lái)確定波束類(lèi)型,設(shè)備昂貴且計(jì)算復(fù)雜,目前許多提案[27~29]對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化,普遍做法是假設(shè)小區(qū)內(nèi)波束的類(lèi)型(如發(fā)射方向、覆蓋范圍等)是事先確定的,小區(qū)間協(xié)作調(diào)度只需考慮某個(gè)時(shí)隙使用哪個(gè)波束,而不用考慮波束的類(lèi)型。
上述的小區(qū)間干擾抑制技術(shù)中,軟頻率復(fù)用和波束協(xié)作調(diào)度有較高的實(shí)用性,也是目前在業(yè)界可能會(huì)首先得到應(yīng)用的技術(shù)。軟頻率復(fù)用基本不需要在基站間交換信息,計(jì)算復(fù)雜度低,具有較高的可行性。目前,3GPP干擾抑制提案中很大部分基于軟頻率復(fù)用技術(shù),研究較成熟,但軟頻率復(fù)用使得小區(qū)邊緣只能使用部分頻譜資源,吞吐量受影響,這是軟頻率復(fù)用技術(shù)的根本缺陷。波束協(xié)作調(diào)度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低,只需在相鄰干擾小區(qū)間交換用戶(hù)信息,實(shí)用性較好,更重要的是,波束協(xié)作調(diào)度與其他干擾抑制技術(shù)可以同時(shí)使用,現(xiàn)有波束協(xié)作調(diào)度沒(méi)有考慮波束功率的協(xié)作控制,預(yù)計(jì)引入波束功率協(xié)作控制后,波束協(xié)作調(diào)度可彌補(bǔ)軟頻率復(fù)用的缺陷。
理論上多小區(qū)載波、功率聯(lián)合分配可以實(shí)現(xiàn)比軟頻率復(fù)用更優(yōu)秀的性能,但集中式分配由于需要大量計(jì)算資源并且不符合未來(lái)網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì),實(shí)用性較差?,F(xiàn)有3GPP提案以分布式分配為主,但如何在性能和復(fù)雜度之間取得較好的折中,仍是有待解決的問(wèn)題,另外,現(xiàn)有分布式分配方法普遍缺乏性能分析,因此,在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的性能穩(wěn)定性仍有待研究。
基于IDMA的干擾消除和基站協(xié)作通信為小區(qū)間干擾抑制帶來(lái)全新思路,并且可以和其他技術(shù),如多小區(qū)載波、功率聯(lián)合分配同時(shí)使用,但是現(xiàn)有的方法尚未成熟。如現(xiàn)有IDMA干擾消除技術(shù)使用迭代求解,要求用戶(hù)端有強(qiáng)大的計(jì)算資源,并且知道附近多個(gè)基站的交織碼,這在實(shí)際中往往是不可能得到的。我們預(yù)計(jì)低復(fù)雜度干擾消除技術(shù),如線(xiàn)性干擾消除是未來(lái)小區(qū)間干擾消除的研究熱點(diǎn)。
小區(qū)間干擾是制約LTE系統(tǒng)性能的重要因素,干擾協(xié)調(diào)和干擾消除是兩種實(shí)現(xiàn)干擾抑制最主要的方式,未來(lái)的系統(tǒng)極有可能是兩者同時(shí)使用,但目前仍沒(méi)有公認(rèn)的、成熟的技術(shù),即使在LTE-Advanced系統(tǒng)中,也很難有確定的實(shí)施方案,我們預(yù)計(jì)LTE小區(qū)間干擾在未來(lái)幾年將仍是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。
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