陳鵬飛，李錦川，譚國平

（河海大學(xué) 計算機與信息學(xué)院 通信與信息系統(tǒng)研究所，江蘇 南京210098）

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線通信的接入網(wǎng)向核心分組網(wǎng)的傳輸出現(xiàn)了許多更靈活的方式，諸如基于IP傳輸?shù)募彝セ疽约帮w蜂窩基站等微蜂窩基站［1］。家庭基站［2］（毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，femtocell）是近年來根據(jù)移動通信技術(shù)發(fā)展以及無線寬帶化需求推出的超小型移動服務(wù)基站，主要用來解決移動通信室內(nèi)覆蓋問題。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將原來全部由宏基站承載的移動網(wǎng)絡(luò)負載分流到新型基站。

在使用TDD 技術(shù)的TD－LTE系統(tǒng)［3］中，用戶上傳和下載過程所需的上下行傳輸時隙配置大不相同，傳統(tǒng)的上下行傳輸對稱的配置會造成資源的浪費。根據(jù)自身的業(yè)務(wù)特點來靈活進行上下行時隙配置對提高基站的資源利用率有重大的意義。使用TDD 技術(shù)的TD－LTE系統(tǒng)比其它系統(tǒng)有著頻譜利用率高、上下行傳輸時隙比例靈活配置等特點［4，5］，但是由于在TD－LTE系統(tǒng)基站之間進行靈活的上下行傳輸時隙配置［6，7］會造成相鄰基站之間出現(xiàn)干擾，包括上下行時隙配置相同時產(chǎn)生的常規(guī)時隙干擾和傳輸時隙不一致產(chǎn)生的交叉時隙干擾，從而造成復(fù)雜的干擾場景［8］，因此靈活時隙配置技術(shù)一直未在TDD 系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

為了讓靈活時隙配置技術(shù)更好的應(yīng)用到TD－LTE 系統(tǒng)中，本文對家庭基站用戶分布范圍、功控技術(shù)［9］以及頻率復(fù)用技術(shù)［10］在不同時隙配置下的干擾抑制性能進行仿真，并對結(jié)果進行分析比較。這3種干擾抑制方案都不同程度地對干擾產(chǎn)生抑制作用，通過比較最終得出家庭基站間靈活的頻率復(fù)用技術(shù)對進行靈活時隙配置的干擾抑制更有進一步的研究價值。

1 上行干擾系統(tǒng)仿真方案

本章將根據(jù)TD－LTE系統(tǒng)的具體系統(tǒng)配置，建立包括調(diào)度、功率控制、HARQ 傳輸?shù)燃夹g(shù)在內(nèi)的TD－LTE 系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，研究在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，在宏基站與家庭基站之間使用不同的系統(tǒng)上下行時隙配置條件下，家庭基站系統(tǒng)的上行傳輸干擾與頻譜效率等系統(tǒng)性能參數(shù)的分布情況；改變仿真條件，對比家庭基站用戶的分布范圍以及現(xiàn)有的上行功率控制技術(shù)、部分頻率規(guī)劃技術(shù)對家庭基站干擾抑制性能的影響。

1.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，本系統(tǒng)仿真設(shè)置7個三扇區(qū)制的宏基站，每個基站的扇區(qū)下布置20個宏基站用戶，在中心基站的3個扇區(qū)分別隨機布置一個家庭基站的雙排模型，每個雙排模型的每橫排隨機放置1個家庭基站，每個家庭基站下面按照不同的要求隨機放置2個家庭基站用戶。宏基站之間的距離為500m，基站上行發(fā)射天線數(shù)為1，上行接收天線數(shù)為2。

本仿真采用與實際跟接近的家庭基站雙排模型，每個雙排模型包含兩個房屋群，每個房屋群含有2排房間，每排房間有10個房間，一共40個房間。雙排模型的每個房間的長寬均為10m，其中房屋群之間的距離為10m；雙排模型可以選擇層數(shù)1－10，本文默認為一層房間。在雙排模型中每個房間內(nèi)隨機布置一個家庭基站，家庭用戶可以與家庭基站在同一個房間，也可以放入其它房間；設(shè)置一個家庭基站開通率，即雙排模型中只有一部分家庭基站工作。宏基站用戶按照一定的比例分布于雙排模型內(nèi)部房間內(nèi)；宏基站用戶在室內(nèi)外的布置都是隨機的均勻分布。由于家庭基站布置的隨機性，該仿真每個實驗樣本都重復(fù)實驗8次后做數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以使家庭基站能盡可能分布在宏基站的扇區(qū)的不同位置，使實驗結(jié)果更加全面。

如表1和表2所示為本仿真系統(tǒng)參數(shù)配置。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)配置信息表

表2 系統(tǒng)仿真信號損耗模型

1.2 仿真流程

該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的初始化階段，需要輸入相關(guān)的諸如系統(tǒng)上下行時隙配置參數(shù)、系統(tǒng)的仿真時間等控制參數(shù)，以及布置宏基站及宏基站用戶、家庭基站及家庭基站用戶，初始化小尺度的多徑干擾信道，計算各個基站之間、用戶與基站之間的路徑損耗等數(shù)據(jù)。

圖2是該仿真平臺的運行處理部分流程圖，其主要模擬了TD－LTE物理層的若干關(guān)鍵技術(shù)，首先是HARQ 技術(shù)，在每個TTI（transmission time interval，傳輸時間間隔，為1ms，即一個上下行傳輸時隙的時間長度），首先判斷該時刻是用戶上行傳輸時刻還是檢測HARQ 通道時刻，如果是用戶上行傳輸時刻，則系統(tǒng)對每一個基站進行調(diào)度、功控、干擾計算以及接收機處理等過程，如果是檢測HARQ通道時刻，則進行小區(qū)用戶的更新，以便為用戶上行傳輸時刻進行用戶資源塊調(diào)度做好準(zhǔn)備。該TD－LTE 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的宏基站與家庭基站的處理過程是相互獨立的，除了在干擾模塊以外，其它模塊二者是分開處理的。

圖2 系統(tǒng)仿真運行處理部分流程

2 干擾抑制方案仿真結(jié)果與分析

本系統(tǒng)仿真主要研究在宏基站與家庭基站在常規(guī)時隙與交叉時隙條件下的家庭基站的上行干擾情況以及家庭基站的頻譜效率，對比家庭基站用戶分布范圍、家庭基站使用功控技術(shù)、以及系統(tǒng)頻譜復(fù)用技術(shù)對家庭基站系統(tǒng)的干擾抑制性能的影響。由于該系統(tǒng)仿真使用的家庭基站雙排模型，家庭基站發(fā)射功率較小，家庭基站穿墻損耗較大，因此其對宏基站影響較??；但是由于宏基站的用戶可能分布于家庭基站室內(nèi)且宏基站的下行傳輸功率是其上行傳輸功率的最大值的數(shù)十倍，其在交叉時隙以及常規(guī)時隙對家庭基站影響較大，因此此處選擇家庭基站作為研究對象。

2.1 家庭基站用戶的分布范圍仿真與分析

場景一：家庭基站用戶僅分布在放置家庭基站的房間；

場景二：家庭基站用戶可以隨機分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間。

如圖3所示，在場景一下，家庭基站與宏基站的交叉時隙與常規(guī)時隙信干噪比概率分布曲線差距較小，僅在高信噪比 （約15dB以上）開始出現(xiàn)差距，因此可看出此場景下家庭基站系統(tǒng)性能下降不多，干擾抑制能力較強；在場景二下，交叉時隙家庭基站的信干噪比分布曲線向低信噪比移動約5dB，此場景下家庭基站的用戶在交叉時隙的干擾抑制能力下降。

圖3 不同用戶位置對應(yīng)的信干噪比

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為家庭基站的用戶分布范圍變大之后，其用戶到家庭基站的路徑損耗變大，再加上陰影衰落、穿墻損耗的增加，會使家庭基站收到用戶的發(fā)射信號會隨著家庭基站用戶分布范圍擴大而減小，因此在相同的干擾場景下，其抗干擾能力進一步減弱。

2.2 上行功率控制方案仿真與分析

家庭基站用戶可以隨機分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間；

場景一：家庭基站使用上行功率控制技術(shù)；

場景二：家庭基站不使用上行功率控制技術(shù)。

由圖4可看出，在常規(guī)時隙，家庭基站進行功率控制的干擾分布曲線比家庭基站不進行功率控制的干擾分布曲線約有1dB的差距，而在交叉時隙，二者僅在較低的上行傳輸信干噪比條件下（－5dB－5dB），家庭基站進行功率控制能略微提升其干擾抑制性能。

圖4 上行功率控制用戶信干噪比分布

TD－LTE基站系統(tǒng)的小區(qū)內(nèi)上行功率控制技術(shù)主要可以根據(jù)小區(qū)內(nèi)不同用戶的信道條件，自動調(diào)節(jié)用戶的發(fā)射功率。一方面在用戶信道條件較好的情況下，可以減少用戶上行發(fā)射功率，雖然可以使用戶上行傳輸信干噪比略微下降，但是在不影響系統(tǒng)性能的前提下，達到小區(qū)用戶節(jié)能的目的；另一方面，在用戶的信道條件較差的情況下，可以提高用戶的上行發(fā)射功率，以遏止干擾信號。但是由于TD－LTE系統(tǒng)功率控制的最大值不能超過用戶的最大發(fā)射功率，因此小區(qū)內(nèi)上行功率控制對小區(qū)用戶干擾抑制的能力有限。

2.3 家庭基站部分頻率復(fù)用技術(shù)仿真與分析

家庭基站用戶可以隨機分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間；

場景一：單個家庭基站用戶每次使用全部的24個資源塊進行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景二：每個家庭基站用戶使用全部24個資源塊中連續(xù)6個進行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景三：每個家庭基站用戶使用全部24個資源塊中連續(xù)9個進行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景四：每個家庭基站用戶使用全部24個資源塊中連續(xù)12個進行上行數(shù)據(jù)傳輸；

如圖5所示，在使用頻率復(fù)用技術(shù)之后，隨著單個家庭基站使用的頻譜資源的數(shù)量的增多，在常規(guī)時隙，其用戶上行傳輸信干噪比分布概率曲線向低信干噪比移動的幅度小于交叉時隙，在一定程度上提高了抗干擾性能；在交叉時隙，兩者的信干噪比分布曲線基本一致。

圖5 家庭基站上行傳輸信干噪比分布

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于在家庭基站之間進行部分頻率復(fù)用之后，它們之間只存在較少的干擾，在一定程度上減少了家庭基站的干擾信號；單個家庭基站的使用的資源塊數(shù)量減少，其單個資源塊的發(fā)射功率較之全頻率復(fù)用的發(fā)射功率增加，因此其抗干擾能力提升，在較少的頻譜資源上的頻譜效率有所提高；單個家庭基站使用的載頻帶寬變小，雖然其抗噪聲能力增加，但是其整體吞吐量有所下降。

2.4 結(jié) 論

由以上分析可以看出，家庭基站用戶分布范圍越大，其抗干擾性能越低，特別是在與宏基站出現(xiàn)交叉時隙的場景下，其抗干擾能力下降十分明顯；上行功率控制的常規(guī)時隙與交叉時隙抗干擾能力相差較小，根據(jù)這個特點可以達到節(jié)能的目的，即通過減少上行發(fā)射功率，在不影響系統(tǒng)性能的前提下使用戶上行傳輸信干噪比略微下降，但提高用戶上行發(fā)射功率受到TD－LTE 系統(tǒng)功率控制的最大值不能超過用戶的最大發(fā)射功率這個限制，因此小區(qū)內(nèi)上行功率控制對小區(qū)用戶干擾抑制能力有限；在常規(guī)時隙，家庭基站使用部分頻率復(fù)用技術(shù)，均會提高家庭基站的干擾抑制性能；在交叉時隙，家庭基站使用較少的資源塊的時候，其干擾抑制性能有所提高，但是家庭基站使用的系統(tǒng)資源塊大約在12個的時候，該技術(shù)基本不能提高家庭基站的干擾抑制性能。另外，家庭基站之間進行部分頻率復(fù)用后，可犧牲一定的小區(qū)吞吐量來獲得常規(guī)時隙和交叉時隙條件下較好的干擾抑制性能。靈活的部分頻率復(fù)用技術(shù)，即根據(jù)與宏基站的干擾不同，設(shè)置家庭基站不同的資源塊復(fù)用數(shù)量，對系統(tǒng)的抗干擾能力有所提高。該技術(shù)符合家庭基站使用環(huán)境，值得進一步進行研究。

3 結(jié)束語

本文講述了TD－LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行干擾系統(tǒng)仿真平臺使用的系統(tǒng)模型、基站布置方案、基站配置參數(shù)等；然后通過仿真圖對比了家庭基站用戶分布范圍、功控技術(shù)、以及頻率復(fù)用技術(shù)對家庭基站系統(tǒng)的干擾抑制性能的影響。研究結(jié)果表明：家庭基站用戶的分布范圍會影響家庭基站的干擾抑制性能，且家庭基站間靈活的頻率復(fù)用技術(shù)可以有效的提升家庭基站干擾抑制性能，值得進一步研究。下一步可繼續(xù)完善TD－LTE系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行干擾仿真平臺，并加入下行仿真內(nèi)容；研究更多TD－LTE 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行靈活時隙配置時的干擾抑制方案。

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