基于用户协作的小区间干扰抑制方案

刘海涛， 高珂增，金雪峰

（①中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300；②民航新疆空管局设备运行监控中心，新疆 乌鲁木齐 830016）

0 引言

为满足用户对宽带移动通信的需求，第三代合作伙伴计划（3GPP，3rd Generation Partnership Project）于2004年启动LTE(Long Term Evolution)研究项目[1]。LTE系统设计目标：提高数据速率、减小传输延时、提高系统频谱效率、降低运营成本等[1-2]。为提高LTE蜂窝通信系统频谱效率，要求系统的频率复用系数尽可能取值为1[3]，这样不可避免产生蜂窝通信系统邻小区干扰，从而导致小区链路传输可靠性的降低。因此在LTE通信系统中如何保持频率重用系数为1的情况下，保障链路传输的可靠性问题获得业界的广泛关注。

目前，3GPP讨论的邻小区干扰抑制措施划分为3类：干扰随机化、干扰删除和干扰协调[1]。干扰随机化[4]基本思想是通过不同小区分别采用不同的扰码序列，从而使得相邻小区的干扰呈现为白噪声，从而避免相邻小区干扰。干扰删除[5-6]思想来源于扩频通信系统，干扰消除通过接收干扰小区的信号，并经过解调与解码, 然后重构干扰小区信号，最后删除干扰小区的信号。干扰删除方法可显著改善小区边缘用户的传输性能，并获得较高频谱效率，该方法缺点是要求各个小区必须严格保持同步，且需要知道干扰小区的导频结构。干扰协调基本思想是通过协调分配相邻小区的频率资源，以降低相邻小区的干扰。目前业界提出多种干扰协调的方法,其中典型干扰协调方法是软频率复用方案[7-8]、动态协调方案[9]及分布式时域调度方案[10]。干扰协调方法实现简单，可应用于各种带宽的业务，对于干扰抑制有较好的效果，适合于正交频分多址(OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiple Access)这种特定的接入方式，但该技术在提高小区边缘用户性能的同时带来了小区整体吞吐量的下降。

现以文献[11]提出的协作传输方案为基础，基于LTE上行链路 SC-FDMA[12]系统，提出一种基于用户协作的小区间干扰抑制方案，该方案采用译码转发中继工作模式，位于相邻小区边缘的两用户相互协作在 3个时隙内完成用户终端到基站的信息传输。本传输方案能够在保证频率复用因子为1的前提下，有效抑制小区间干扰(ICI, Inter Cell Interference)，同时充分利用用户协作所提供的空间分集增益提高小区边缘用户链路传输可靠性。此外，本方案所采用的块空时分组编码(B-STBC,Block-Space-Time Block Code)能够很好地保持用户终端发射信号的低峰均比特性。

1 基于用户协作的小区间干扰抑制方案

图1显示给出基于用户协作小区间干扰抑制方案的示意图。用户终端MS0和MS1分别位于基站BS0和BS1所覆盖小区的边缘，使用相同频率资源（子信道）与基站进行通信。文章研究假设如下：用户终端和基站均安装单个发射/接收天线，系统以时分双工（TDD）方式工作；用户终端在建立协作通信关系时，可获取协作用户终端间的信道衰落信息，基站亦可通过信道估计获取用户终端至基站上行链路的信道衰落信息；文章研究仅考虑信道小尺度衰落，暂时不考虑大尺度衰落。

图1 基于用户协作的小区间干扰抑制方案

图2显示给出用户协作干扰抑制方案的传输过程。用户协作干扰抑制传输使用3个时隙完成。

1.1 TS0、TS1时隙

在TS0时隙，用户终端MS0发射信号，用户终端MS1接收信号并检测，基站BS0和BS1仅接收信号。MS0发射信号过程如下：用户终端MS0的信息比特经信道编码器、交织器，送入调制器，调制器输出以L个复符号为单位的分组，其中L代表基站分配给用户终端的子信道数。用户终端 MS0在TS0时隙待传输的符号分组表示为：经过L点 DFT预处理后表示为

假设SC-FDMA系统采用连续子载波映射方式，这里将X0(0)映射到基站分配的前 L个连续子信道再经过N（N为系统子信道总数）点IDFT变换，并插入循环前缀，最后经D/A转换、中频及射频处理后送入天线发射。

用户终端MS1使用标准DFT-S-OFDM接收机对MS0发射信号进行接收和检测，得到MS0发送符号分组的估计。基站BS0和BS1也同时接收用户终端MS0发射的信号，在基站接收机中，来自天线的信号经射频、中频及采样处理后送入基带数字处理单元，接收信号在移除循环前缀后，进行N点DFT变换，随后解映射器从个子信道中接收信号，则BS0和BS1在TS0时隙从第k个子信道接收到的信号可分别表示为：

类似的，在TS1时隙，用户终端MS1发射信号，传输的符号分组为，其L点DFT变换为。用户终端 MS0对其进行接收和检测，得到的估计；基站BS0和BS1也同时接收MS1发射的信号，第k个子信道的接收信号可分别表示为：

1.2 TS2协作传输时隙

考虑到协作用户间信道传输特性良好，因此用户终端可正确检测其协作用户传输的信息，即在TS2时隙内，协作用户终端对检测到的符号矢量做L点DFT变换，并对频域符号矢量进行块空时分组编码，即随后进行子信道映射、N点IDFT、插入循环前缀等处理后从天线发射出去。基站BS0和BS1同时接收来自用户终端MS0和MS1的信号，并进行移除循环前缀、N点DFT变换及解映射等处理，则BS0和BS1在TS2时隙从第k个子信道接收到的信号可分别表示为：

1.3 基站合并检测算法

基站采用一种简单而有效的方法对接收信号进行合并处理，得到用户终端所发送信息。首先对TS0、TS1接收信号做如下处理，得到：

其中，

其均值仍为零，方差分别为：

随后基站接收机再对信号做如下合并：

其中：

其均值仍为零，方差分别为：

其中：

其均值仍为零，方差分别为：

2 仿真结果与分析

这里仿真研究了基于用户协作的SC-FDMA小区间干扰抑制方案的链路比特差错性能。

表1给出仿真环境的基本参数设置，同时假设各用户终端到基站链路具有相同的信噪比。

表1 仿真参数设置

图3显示给出BPSK调制方式下，所提方案与单发单收非协作方案的比特差错性能比较。

图3 BPSK比特差错性能仿真曲线

图中，横坐标表示比特信噪比，纵坐标表示误比特率。图3可以看出采用两用户协作的传输方案能够很好的抑制共信道用户干扰，同时获得空间分集增益，提高链路传输可靠性，其BER性能明显优于未采用协作的传输方案，在BER=10-3时，较非协作方案有约4 dB的增益。图4显示给出QPSK调制方式下，所提出方案与单发单收非协作方案的比特差错性能比较，得到的结论与图3一致。

图4 QPSK比特差错性能仿真曲线

3 结语

文章以LTE上行链路SC-FDMA传输方案为基础，提出了一种基于用户协作的小区间干扰抑制方案。仿真结果表明：该传输方案能够有效抑制小区间用户共信道干扰，同时充分利用用户协作所提供的空间分集增益提高小区边缘用户链路传输可靠性。此外，该方案所采用的B-STBC能够很好地保持用户终端发射信号的低峰均比特性。

[1] 沈嘉, 索士强, 全海洋, 等. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008.

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