基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术研究

宋智源，孟德香，程楠，陈彦名

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 前言

3GPP TD-LTE标准正在进一步修订中。其根本的需求目标是更快的传输速率[1]。系统为实现更快的传输速率需要使用较密集的频率复用度，为了保证此时用户的QoS，需要考虑TD-LTE系统的干扰抑制能力和干扰抑制技术的引入需求。

TD-LTE系统中采用的是正交频分复用（OFDMA）技术。该技术控制TD-LTE的小区内干扰和小区间干扰的效果有较大的差异。主要原因为OFDMA内子载波间具有正交特性，在一个小区内分配给每一个用户的子载波与其他用户的子载波不会产生干扰。而且在TDLTE相同中通过增加循环前缀和设置子载波间隔可以使多径效应和多普勒频移带来的干扰处于可控范围内。小区内干扰在TD-LTE的总干扰中只占据很微小的比例。而OFDMA技术没有小区间干扰抑制的机制，当系统使用的频率复用因子越接近1，小区间干扰就越严重。因此在TD-LTE系统小区间干扰成为主要的干扰因素。在文中所提到的干扰抑制技术也是指专用于处理小区间干扰[2]。

小区间干扰抑制技术相关的无线资源包括时间，频率和功率[3]。当小区之间的时间同步能够得到严格保证时，小区间干扰抑制技术主要是通过对频率和功率的管理来消除干扰。但现有的小区间干扰协调技术提高小区边缘用户吞吐量的同时却降低了系统的频谱利用率[4～6]。而且其固有的资源调整灵活度较低，技术方案比较单一，网络内信令开销较大的缺陷都限制了TD-LTE网络性能的进一步提升。

本文提出了一种适用于TD-LTE上行链路的基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术。该技术具有规划分布式和网络自适应的特性。主要优势包括通过对网络的预规划，设置无线资源的优先级和调度次序，能降低干扰抑制技术的实现复杂度。分布式是指各小区间协调弱相关，能够降低网络接口的信息交互量，减小网络开销。自适应能力使该干扰抑制技术有效地适应网络环境的变化。最后给出系统仿真的性能对比。

2 基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术

一个健壮的TD-LTE网络需要其应用的干扰协调技术具有：适应频谱动态变化；降低系统实现难度和基站处理复杂度；合理控制小区间干扰水平及其波动；提高小区边缘的信号质量；增强资源调度的执行效率等特性。

对网络中干扰的控制通常需要在多小区间协同资源的管理调度。由于各个小区容量与覆盖要求不同、资源配置不同、用户类型与业务种类要求不同，导致资源管理调度算法非常复杂，是一个典型的多目标非线性最优化问题，很难求得最小网络干扰值和干扰波动的数学解。特别是大规模组网时，相互关联的小区数目众多，协同调度算法复杂度太大，全网的协同调度很难实现。

在干扰管理上采用对资源的时频二维共同规划。不仅能极大地降低算法的复杂度，而且在实际网络中的可实现性好。为了提高对每条链路动态变化的适应能力，增强资源规划的灵活性和性能，将资源规划与资源调度相结合，在此基础上提出了基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术。该干扰协调技术主要包括如下3个步骤。

2.1 资源块调度次序规划

LTE系统内资源块的调度次序规划基于资源块的优先级排列顺序。

在LTE系统中不同的信道带宽对应可以使用不同的资源块数量，如表1所示。

表1 LTE不同信道带宽的传输带宽配置

资源块优先级算法：根据频率规划的基本思想，遵循相邻小区的资源块之间时频间隔越大干扰越小的原理，在小区组网时，资源块组的复用距离远近成为最关键的因素。复用距离远的资源块组的优先级高，复用距离近的优先级低。

图1中为经过资源块排序后，不同小区内资源块使用效果示意图。具体效果如图的右部分所示。右部分为一个三扇区的小区内资源块使用效果，三个扇区使用相同的资源块资源，不同的资源块用不同的颜色代表。可以看出在不同的扇区内，同一资源块的使用位置各不相同。这样从空间上增大了同号资源块的间隔，降低了干扰的水平。同时，不同的资源块较为稳定地分布在小区的不同范围内，避免了资源块随用户在小区内移动带来干扰波动性的增大。

在完成所有小区的资源块优先级排序后，可以按照优先级顺序规划不同小区的资源块调度顺序，也可根据各小区的情况，将若干资源块捆绑成资源块组，按照资源块组的顺序进行规划调度，这样在实现降低干扰发生的同时减小调度过程的复杂度。

图1 资源块优先级算法效果示意图

2.2 基于干扰评估的用户调度规划

干扰抑制技术的核心思想是最小化资源使用的 “碰撞”概率。由于用户在小区内的分布随机性和移动性，在使用相同资源块的情况下，用户受到的干扰水平也是不同的，边缘用户由于与邻小区较近，其受到的干扰也相对较大。因此，如果能够根据某种准则对小区内的动态用户进行资源块的调度排序并匹配小区资源块优先级顺序来使用，将高优先级资源块调度给干扰较大的边缘用户，而将低优先级的资源块调度给干扰较小的用户，将能够有效的实现动态干扰抑制，最大限度的提升系统性能。

这里我们分别考虑了两种不同的用户调度方案如图2，即基于链路增益的调度方法和基于总干扰的调度方法。

图2 （a）基于干扰水平的调度方法；（b）基于链路增益的调度方法

对于上行链路，小区间干扰主要来自邻扇区不同位置的用户。基于总干扰的调度方法如图2（a）所示，服务扇区内的用户调度应以小区内用户到各扇区基站的总干扰值为调度准则，即对用户按到其他基站总干扰值进行排序，将高优先级资源块调度给高干扰值的用户使用，从而能够有效降低其对其他扇区的干扰贡献，提升整体网络的性能。需要说明的是，虽然在实现这种上行干扰的计算是可以等效通过测量邻近扇区基站的导频信号功率来等效获取，但计算各用户到所有扇区的干扰值几乎是不可能也是没有必要的。因此一种可行的方案是采取计算扇区1干扰最严重的相邻基站扇区，即图2（a）所示相邻6个基站对应的扇区的总干扰值为排序的依据。

然而在实际应用中，上述基于总干扰的调度方法需要通过小区内所有用户实时计算总干扰并上报给服务基站，再由服务基站进行排序调度，因此其信令开销和时延都会相对较大，这对其可应用性造成了一定的影响。在一般情况下，受到相邻扇区或对相邻扇区干扰严重的用户都处于小区边缘，而中心用户由于离基站较近，干扰也相对较小。基于这种考虑，从边缘用户性能和易实现的角度出发，采用链路增益指标为资源块的调度依据将是另一种适合的选择，如图2（b）。即对于同一扇区的每个用户，服务基站根据上行功率计算每个用户到该小区服务基站的链路增益并进行从小到大排序，通过将高优先级资源块调度给增益较小的边缘用户的方式获取边缘用户的性能收益。

2.3 基于优先级排序的动态资源调度

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术能够根据网络容量和链路性能的变化相应进行动态资源调度。当系统网络的容量增大时，基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术可以相应地增加低优先级的资源块；系统网络容量减小时，该方案可以逐步减少低优先级的资源块的使用。当用户的链路增益下降时，动态调度可以使用高功率的高优先级的资源块以保证用户性能；用户的链路增益增大时，动态调度低发射功率的低优先级资源块以降低对相邻小区的干扰。

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术实现了时频二维联合的资源规划。为了满足用户需求、方便系统配置，可将若干个资源块捆绑成一个资源块组进行调度。资源块组的调度是按照优先级顺序来进行的，不同扇区内的相同资源块组号的优先级不同，从而不同扇区内使用的载波频率（时隙符号）相同的资源块的概率大为降低，能够有效减少同频干扰程度。用户对资源块组的调度遵循链路增益由小到大的用户使用优先级由高到低的资源块组的原则。能够在最大程度上保证不同链路增益的用户拥有相对公平的信道质量，确保了小区边缘用户的性能，并降低了用户对相邻小区内用户的干扰水平。

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术在吸取了传统频率规划方法优点的基础上，采用动态调度的方法进一步提高了网络的吞吐性能。当同一簇内的用户较少或较平均分散在各小区内时，各小区的用户会调度相应的高优先级资源块组，避免干扰的产生。当用户数增大时，按照各小区内资源块组优先级由高到低的顺序实时调度，簇的规模同步减小直至达到资源块复用因子等于1。同样对于TD-LTE帧分为上行帧和下行帧，以及每个方向的帧可分为业务承载、管理与控制等具有不同覆盖与容量特性的情况，可以针对TD-LTE系统帧中不同组成部分的不同要求，分别进行单独的资源块规划。本规划方法的动态自适应调整实现简单，当系统业务和网络容量变化时不需要对网络进行重新配置。

在TD-LTE系统中，系统的分组业务具有波动性大和不均衡的特点，因此盲目地增加或减小对资源块的调度会产生具有较大波动性的干扰。对这个问题，基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术借用软资源块复用方法，进一步提升TD-LTE系统的干扰控制效果。其基本思想依据各个小区内不同优先级的资源块组的复用距离不同、干扰程度也不一样的情况结合功率控制规划用户对资源块组的调度。

3 仿真和数值分析

3.1 仿真条件

使用Monte Carlo仿真方法来检验基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术算法的性能。系统模型和仿真参数均来自于3GPP的TR36.942[7]。对参数的选择在表2中列出。

在仿真中将采用3种方案：基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术分别使用基于链路增益的调度方法和基于总干扰的调度方法与随机资源块调度技术的比对。随机资源块调度是指每次调度的用户在所有用户中随机选取，前后调度时刻在用户选择上完全独立。

表2 模型仿真参数

上行链路功率控制是基于同一路径增益的闭环循环：

其中Pmax为终端允许发射的最大功率（24dBm），M是上行Grant中指示分配的资源块数，Po是用户特定的参数，分辨率为1dB，动态范围[-126dBm,24dBm]，α是小区特定的路损补偿参数，PL是根据下行导频测量路损，Δmsc为有RRC配置的表的示值。由RRC配置，Δmsc也可被置为零，MCS在上行Grant中指示，ΔPUSCH是UE特定的校正因子。

校正因子可以按如下公式产生：

其中SINRTarget为目标信干噪比，ESINRest为基站端接收的有效信干噪比，表示为：

SINR(i)为时刻i时的接收信噪比，ε为遗忘因子。

3.2 数值结果比对和分析

仿真性能比较分别从SINR、小区边缘吞吐量、小区吞吐量干噪比（IoT）均值4个方面进行比较。

我们给出了一组基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术和采用简单干扰控制处理的随机资源块调度方案的性能仿真。随机调度方案的干扰控制处理措施有部分功率控制、简单过载OI处理。

图3 70%负载情况下3种方案的SINR分布

图4 70%负载情况下3种方案的吞吐量

图3～6分别给出了在1×1×3组网方式下，采用传统的随机调度方法以及基于资源块排序的两种调度方法在不同负载情况下的SINR分布、吞吐量及5%边缘吞吐量。从图示结果中可以明显看到，相比较传统随机调度方法，基于用户链路增益排序调度和基于用户的总干扰排序调度两种TD-LTE时频联合干扰协调方案均能较大提高小区用户的整体SINR分布，提升小区吞吐量，体现出了明显的优势。在上行满负载的情况下，基于用户链路增益排序调度的方法和基于用户的总干扰排序调度的方法能够获得基本一致的性能提升。相对于随机调度方案，50%的SINR约提高了2dB；基于用户链路增益的调度方案的平均吞吐量提高了约18%，基于用户的总干扰排序调度方案的平均吞吐量提高了约22%；基于用户链路增益的调度方案的5%边缘吞吐量提高了约35%，基于用户的总干扰排序调度方案的5%边缘吞吐量提高了约27%。

图5 70%负载情况下3种方案的5%边缘吞吐量

图6 70%负载情况下3种方案IoT

性能结果显示基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术具有很好的干扰控制特性，可以有效地带来系统整体吞吐量和边缘用户性能的提升。

4 结论

通过干扰控制、抑制网络干扰水平，是实现TDLTE同频组网的关键条件。

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术实现了时域和频域资源的动态规划和调度。Monte Carlo仿真结果证实了该技术能够增强TD-LTE系统的性能，尤其是小区边缘的性能。该技术具有组网复杂度低、可实现性强、干扰控制性能忧的特点。而且，该技术能够很好地和其他小区间干扰协调技术结合以获得更佳的性能。

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术通过对LTE系统资源的预规划，确定各个小区内资源块的使用次序。在此基础上，根据小区容量、用户与基站间的距离损耗等因素，进行资源管理调度，从而实现全网协同无线资源管理与调度。

基于规划的TD-LTE时频联合干扰协调技术的资源管理系统不仅通过无线资源规划实现了全网范围内的协同资源管理，降低网内干扰，提高网络性能，而且涉及的算法复杂度低，解决了协同资源管理调度过于复杂的问题，实现简单，应用方便。

对于目前非常热门的无线电感知和频谱共享研究领域，该技术完全可以通过在基站侧对共享频谱的资源块规划实现频谱共享场景下TD-LTE组网的干扰抑制问题的解决。

[1] 3GPP. Physical Layer Aspects for Evolved UTRA, TR25.913,V7.3.0[S].

[2] Qu J J, Long Z W. The capacity characteristic and influence factor of TD-LTE[J]. Telecommunications Science, 48-52.

[3] 3GPP. (2006). Physical Layer Aspects for Evolved UTRA, TR 25.814 V7.1.0[S].

[4] 3GPP. (2005). Inter-cell Interference Handling for E-UTRA, TSGRAN WG1#42[S].

[5] 3GPP. (2005). Interference Coordination in New OFDM DL Air interface,TSG-RAN WG1 #41[S].

[6] 3GPP. (2005). Interference Mitigation Considerations and Results on Frequency Reuse, TSG-RAN WG1#42[S].

[7] 3GPP. (2008). Radio Frequency (RF) System Scenarios, TS 36.942,V8.0.0[S].

[8] 3GPP. (2008). Requirements for Further Advancement for E-UTRA(LTE-Advanced), TR 36.913[S].