LTE系统自动干扰抑制技术浅析

唐艳超，贾 川，韩 潇，韩玉楠，李福昌（.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京00048；.中国联合网络通信集团有限公司，北京0040）

0 前言

LTE最引人注目的优势之一是它的高数据速率，上行达到50 Mbit/s，下行达到100 Mbit/s。但是LTE系统的数据速率越高，所需的系统带宽也越大。为了达到其最大的数据速率，LTE系统需要使用20 MHz的系统带宽。但是从总体的可用频率资源来看，LTE可以使用的频率较为有限，且竞争激烈。因此，频率是LTE系统非常宝贵的资源。而对于运营商来说，频率资源不仅决定了网络的质量，也决定了业务能否满足要求、技术优势能否得到发挥等关键问题。在频率资源日趋紧缺的情况下，如何提高频率的利用率成为每个运营商的当务之急。对LTE来说，同频组网是提高其频谱利用率的重要手段。严格的同频组网指频率复用因子为1的组网方式，这种组网方式可以最大化频谱利用效率。这对于需要大带宽部署且频率资源紧张的LTE系统来说具有极其重要的意义。但是严格的同频组网方式会使小区边缘用户受到严重的同频干扰，影响到小区边缘用户体验、小区的吞吐量和覆盖等。因此干扰抑制技术对于LTE来说至关重要。本文将对各种干扰抑制技术进行探讨，并对小区间的干扰协调技术ICIC和eICIC的原理和关键性能进行了重点分析，给出网络部署建议。

1 LTE干扰抑制方法

在LTE R8/R9阶段，LTE干扰抑制技术主要考虑的方案包括干扰随机化、干扰消除、频选调度、小区间干扰协调4种方式。

干扰随机化就是要将干扰信号随机化。这种随机化不能降低干扰信号的能量，但能使干扰的特性近似白噪声。从而使终端可以依赖处理增益对干扰进行干扰抑制。一般干扰随机化有加扰、交织和跳频3种。

小区间干扰消除的原理是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。LTE中一般考虑干扰抑制合并和基于干扰重构的干扰消除。

频率选择性调度是指eNB根据用户上报的sub⁃band CQI，在用户信号质量最好的子载波块上调度用户，从而提高资源的效率，改善系统的容量。频率选择性调度对于在终端信道状态变化不大的情况下增益明显。终端信道状态快速变化时，由于从CQI测量到调度器执行调度之间的时延，使得CQI不能反映调度时的实际信道状态，从而不会有明显的增益。

小区间干扰协调的基本原理是对资源管理设置一定的限制，以协调多个小区的动作，避免产生严重的小区间干扰。这种限制可以是对资源调度的限制（即避免干扰小区使用可能造成干扰的资源块），也可以是对某个资源块内发射功率的限制（如控制干扰小区在可能造成干扰的资源块内的发射功率）。这种限制可以改进接收机的接收载干比（C/I），从而改进服务小区边缘的吞吐率和覆盖情况。小区间干扰协调有ICIC和eICIC，ICIC主要用来解决同构网的干扰问题，eICIC主要用来解决异构网的干扰问题。

干扰随机化、小区间干扰消除和频率选择性调度这几种干扰抑制方法，技术成熟，增益明确，已经被广泛应用。干扰随机化只是白化了干扰，并没有降低干扰。小区间干扰消除只是从解调上降低了干扰，也没有有效减少干扰。频率选择性调度在系统高负载时，各个子带上干扰都比较严重，因此无法有效降低干扰。小区间干扰协调技术通过协调不同小区间时频域资源的使用，从而有效降低了小区间的干扰，因此小区间干扰协调ICIC和eICIC一直是业界讨论的热点，下面将对ICIC和eICIC进行重点分析。

2 ICIC基本原理及性能分析

2.1 ICIC概念

ICIC技术是通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理功能。具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率。小区间干扰协调通过对一个小区的可用资源进行某种限制，从而提高邻小区在这些资源上的SINR，提高小区边缘的数据速率，改善边缘用户的业务体验。

从对无线资源使用的限制方式来看，ICIC方法又可以分为如下三大类。

a）部分频率复用（FFR）。FFR是指某些子频带上的频率复用因子为1，而另外一些子频带上的频率复用因子大于1。基站根据分配的频段结合调度算法动态调度中心用户和边缘用户的使用频段。对于上行和下行来说，都是基站调度，没有本质的差别。从功率分配的角度看，有一个子频带被所有小区等功率使用（即，频率重用因子为1），而其余子频带的功率分配在相邻小区间协调，从而在每个小区创造一个小区间干扰较低的子频带，成为小区边缘频带。

b）软频率复用（SFR）。SFR定义如下：每个小区使用整个频带，但根据特定的频率复用方案，在各个子频带上有2种不同的功率分配方法，即某个特定的子频带上发射功率被减小，其余子频带上使用相等的全功率发射；某个特定的子频带上使用全功率发射，其余子频带上发射功率被减小。总体来说，SFR与频率复用因子为1的情况相同，可使用所有可用频率资源传输，但与前者不同的是，不同子频带上的平均SINR不再完全相同：每个小区全功率发射的子频带上的SINR会维持不变或提高，而发射功率被减小的子频带上的SINR则会减小。

c）全频率复用。全频率复用与SFR和FFR中对一组连续的PRB采用统一的资源使用和发射功率限制不同，全频率复用对时频资源的使用和发射功率的限制以PRB为单位，可以单独对某个PRB进行调度和功率限制，以避免高功率干扰对边缘用户产生严重影响。在全频率复用方案中，并不区分IC和OC资源，利用测量到的高干扰PRB资源指示，在eNodeB端进行PRB协调调度，系统可以使用小区内频谱资源，即频率复用因子为1。全频率复用具有频谱利用率高，通过灵活资源调度有效避免和降低小区间干扰的优势。但是同时需要快速测量和反馈信号，及复杂的调度机制将给系统带来巨大信令开销和额外复杂度。

2.2 ICIC的仿真结论

分别对采用了ICIC机制的FFR和SFR算法与不采用ICIC机制的FR=1的情况进行了SINR，对整体频谱利用率和边缘频谱利用率进行了仿真对比，其结果如图1、2、3所示。

a）采用FFR和SFR后，上行和下行的SINR都有所改善。其中FFR改善比SFR改善更明显。

b）由于上行链路采用了功率控制机制，FFR和SFR 2种ICIC机制在上行链路的表现要好于下行，ICIC与功率控制机制相配合能更好地发挥作用。

c）相对于FR=1，SFR和FFR边缘频谱利用率均有所提高，但是相对于FFR来说SFR以更低的整体频谱利用率的损失，获得了和FFR相近的边缘频谱利用率的增益，因此建议采用SFR的方式。

d）FFR和SFR在系统低负载时，增益非常有限；在系统中高负荷时对边缘频谱利用率有明显增益；在中等负荷时，对边缘频谱利用率增益最大。

3 eICIC基本原理及性能分析

3.1 eICIC的基本概念

为了解决容量问题，业界提出了异构网络的概念。异构网络是指在原有的宏基站覆盖区域内引入了低功率节点（LPN），形成同覆盖的不同节点类型的异构系统，主要解决LTE/LTE Advanced室内和热点场景的覆盖增强与优化问题。LPN包括微微蜂窝（Pico⁃cell）、HeNB（Femtocell）以及用于信号中继传输的中继节点。相对传统的宏基站LPN发射功率更小，便于灵活部署；另一方面，LPN的覆盖范围小，可以更加方便地利用LTE潜在的高频段频谱。不同类型LPN的发射功率及覆盖范围差别较大，可以满足未来网络部署不同场景的需求。然而，异构网络中LPN的引入使得系统拓扑结构更加复杂，在同频组网的方式下多种类型节点共同竞争相同无线资源，形成了全新的干扰环境，使用R8/R9中的ICIC方法难以达到理想的效果。因此，3GPP子R10阶段引入了增强的ICIC，即eICIC。主要讨论的方案有CRE、ABS和Femto场景下的功率控制。

a）CRE方案，利用RSRP偏置的设定，使Picocell的小区范围扩大，更多的UE能够接入Picocell，从而降低边缘用户的干扰，并达到分担宏小区负荷的目的。

b）时域解决方案重点在如何使得传统节点和低功率节点之间在时域资源上保持正交性。例如使用“几乎全空的子帧”方案，即只传输公共导频，不传输下行控制和数据的子帧，在干扰小区的部分子帧上分配ABS，而被干扰小区在ABS子帧对应的子帧上调度受到严重干扰的UE，从而降低了2个小区之间的干扰。

c）除了ABS方案外，Femtocell还可采用功率控制方案，功率控制信息需要通过OAM信令传输。

3.2 eICIC仿真结论

3.2.1 Macro-Pico场景

仿真基于Macro-Pico场景中，通过设置eICIC不同参数来统计小区频谱利用率、小区边缘频谱利用率、平均用户吞吐率、边缘用户吞吐率等，从而对比不同配置下的eICIC性能，以及同一算法的不同配置最佳参数取值，同时需要考虑LPN在Macro小区中的相对位置。假设配置1表示用户均匀分布，配置4b表示用户分布在热点区域，其结果如图4和图5所示。

采用CRE方案后（CRE的偏置设置为6 dB），LPN接入的用户数明显增多，说明LPN覆盖范围扩大，有效地分担了宏网络负载。

从图4可以看出，不论是配置1还是配置4b，相同的偏置设置下不同的ABS分配比例达到的性能不同。偏置越大，为了达到较优的系统性能，ABS分配比例也应较大。但是，偏置设置越大，被干扰小区边缘的用户越邻近干扰小区，受到的干扰越大，边缘用户的吞吐量也越低。从整体频谱利用率来看，CRE配置12和18 dB时，整体频谱利用率开始下降。一般来说CRE配置为9 dB及其以下的偏置值为较合理的范围。

从图5中可知，Pico的部署位置会影响宏小区覆盖范围内的平均频谱利用率，距离为1/3R、1/2R、2/3R时，宏小区覆盖范围内的平均频谱利用率依次提升，距离为3/4R时略有下降；Pico位于2/3R时性能表现最优。在2/3R位置，小区边缘用户频谱利用率提升较显著。

3.2.2 Macro-Femto场景

主要对引入Femto后对系统SINR变化的影响，以及Femto部署密度的影响和Femto采用功率控制几种情况进行了仿真。从仿真结果可以看出：

a）当网络引入Femto并且其配置率R=0.2时，整个异构网络中终端的SINR明显提升，其中LPN覆盖范围内的终端SINR最好；Macro小区在引入Femto后终端的SINR会有所下降。

b）随着Femto配置率的增大，宏小区的用户SINR有所降低。同时，随着Femto配置率的增大，Femto之间的干扰以及Femto用户之间的干扰现象将更为严重，Femto小区的用户SINR逐渐降低。

c）采用对Femto进行功率控制的方案对Macro边缘用户的性能改善不明显，可能还需要其他辅助手段配合使用来进一步降低对Macro的干扰，例如ABS；另外就是合理部署Femto位置，尽量降低对宏基站的干扰。

4 网络部署建议

为了最大限度地提高频率资源的利用率，建议优先采用同频组网。宏基站主要应用于室外的广覆盖，部分室外对室内的覆盖，以及容量需求比较大的室内覆盖；Pico基站应用于特殊场景（如CBD、商场、市内交通枢纽等）覆盖、盲区和弱覆盖的增强，以及对宏小区进行负载分流等；Femto主要应用于室内覆盖及特殊区域覆盖（如企业、政府等），是Marco网络覆盖增强和容量提升的手段之一。

对于宏基站部署，在网络建设初期，系统负荷相对较低时，可采用频率选择性调度方案来降低系统干扰。对于偏远农村地区，也可以采用窄带的FR=3的异频组网方式来增加覆盖距离，降低建网成本。当用户发展到一定规模，LTE形成连片覆盖，且系统负荷相对较高时，可开通ICIC功能，采用ICIC方案来降低系统干扰。在半静态/动态ICIC尚未成熟时，建议采用静态SFR的方式；待半静态/动态ICIC技术成熟后，可结合X2接口的信令负荷来选择采用半静态或动态ICIC方案。由于半静态或者动态ICIC需要eNodeB之间通过X2接口交互系统负载信息和RB占用情况，而3GPP对ICIC的具体算法没有进行统一，各厂家的ICIC算法各有差异，很难进行异厂家之间协作。因此网络建设过程中，应尽量保证成片区域单个厂家连续覆盖。在不同厂家边界，采用静态ICIC或异频方案，通过网络规划，使相邻基站之间边缘使用不同的频率资源，从而降低小区间干扰。

对于Pico基站的部署，需要充分考虑Pico在宏小区中所处的位置，分析需分担的宏小区负载容量，以实现Pico偏置的合理配置，并根据CRE偏置配置情况，合理配置ABS比例；同时需要引入IC处理、接收端打孔处理和传输侧REmuting等方案来降低残留CRS干扰。

对于Femto部署，由于Femto容易对周围的Macro小区产生干扰，目前Macro+Femto场景的eICIC方案主要有基于时分的eICIC和功率控制，前者是通过OAM来实现静态或半静态的ABS配置来降低Femto对Mac⁃ro小区的干扰，后者是通过对Femto进行功控来降低干扰。仿真结果表明：通过对Femto进行功率控制的方案对Macro边缘用户的性能改善不明显，可能还需要其他辅助手段配合使用来进一步降低对Macro的干扰，例如ABS。另外就是合理部署Femto位置，尽量降低对Macro的干扰。

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