影响TD-LTE组网的关键技术研究

程楠，孟德香，王西点

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

影响TD-LTE组网的关键技术研究

程楠，孟德香，王西点

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文将针对TD-LTE系统的特点，对影响TD-LTE组网干扰控制的关键技术，如资源调度、功率控制以及频率复用等方面深入探讨，分析其对TD-LTE组网干扰的影响方面和程度，并提出控制TD-LTE组网干扰的核心技术，对目前TD-LTE即将大规模应用的情况下，具有重大的意义。

TD-LTE；资源调度；功率控制；频率复用

1 前言

目前，TD-LTE已经在中国建立了试验网，未来即将大规模部署，是目前应用前景最广阔的无线技术之一。研究TD-LTE组网干扰具有重大的意义。下面将对影响TD-LTE组网干扰控制的关键技术，如资源调度，功率控制以及频率复用等方面深入探讨。

2 调度算法

对于LTE系统，分组调度是为了提高网络的总体吞吐量和频谱效率，常用的调度算法，如轮询（RR）算法，最大C/I（max C/I）算法，正比公平（PF）算法等基本思想都可以应用到LTE中，而且在LTE标准化过程中，系统性能仿真假设大多采用了PF调度算法。

目前，LTE采用OFDMA和 SC-FDMA技术，时间和频率是LTE中主要控制的两类资源，基本的资源分配方法有以下两种：

（1） 集中式资源分配：为用户分配连续的子载波或者资源块。这种资源分配方式适合于低速移动的用户，通过选择质量较好的子载波，提高系统资源的利用率和用户峰值速率。从业务的角度讲，这种方式比较适合于数据量大，突发特征明显的非实时业务。这种方式的一个缺点就是需要调度器获取比较详细的CQI信息。

（2） 分布式资源分配：为用户分配离散的子载波和资源块。这种方式适合于移动的用户，此类用户信息条件变化剧烈，很难采用集中式资源分布，从业务的角度讲，比较适合突发特征不明显的业务，如VoIP，可以减少信令开销。

在TD-LTE系统中关于调度粒度问题的讨论，主要涉及以下两种方案。

（1） 基于UE的调度。调度器在分配资源时，以UE为单位进行。然后按照一定的规则在UE的不同RB之间进一步划分资源。

（2） 基于RB的调度。调度器在分配资源时，以RB为单位进行，直接为每个RB分配资源。

下行方向，数据缓冲区位于eNode B。eNode B能够准确的知道每个UE，每个RB对应的缓冲区数据量，因此一般采用基于RB的调度，以便于更好的满足RB的QoS要求。

而在上行方向上，UE是数据发送端，调度器则位于eNode B，如果是基于UE的调度，eNode B只需要控制为UE分配的资源总量或者允许传输的数据总量。UE则按照预定义的规则在不同的RB之间分配资源，一般都是保证优先级最高的RB传输最多的数据量。UE需要向eNode B汇报其缓冲区的数据总量以及优先级最高的RB对应的缓冲区数据量等信息。这种方式的主要优点在于，控制简单，信令开销比较小；其主要缺点在于调度器无法对不同QoS要求的上行业务流进行更加精确的调度和控制，优先级次高的业务流可能长时间得不到传输。

如果上行是基于RB的调度，则调度器需要为UE的每个业务流（RB）分配上行资源或允许传输的数据量，UE根据调度器的判决结果组装传输块。采用这种方式时，一般要求UE汇报所有RB对应的缓冲区的数据量，另外，基站发送的资源分配指示也需要针对每个RB进行。这种方式的主要优点在于调度器可以对每个RB的QoS进行更加精确的控制和管理，缺点是控制复杂，上下行的控制信令开销都比较大。

目前LTE支持基于RB的调度请求和基于UE的上行资源调度。

在LTE组网的过程中，资源调度是影响干扰的关键因素之一，因为资源调度是根据规则将资源块分配给用户，如果分配不得当，会造成邻小区的用户使用同一个资源，从而形成较大的干扰。

资源调度的最根本的准则是最小化资源使用“碰撞”概率，如图1所示，在资源总数是4的情况下，在4D的复用距离下，小区m和小区n资源调度的碰撞概率可以是0，此时干扰也很小，随着复用距离的减小，资源总数有限的情况下，小区m和小区n资源调度的碰撞概率逐步增加，干扰逐渐加大。

图1 资源调度避免碰撞（D表示单位复用距离）

而资源调度采用不同的方案，也会对干扰和系统性能造成不同的影响，从以下的仿真结果可以看出不同的调度方案对干扰和系统性能的影响，仿真中的调度方案采用的是PF方案和RR方案，从表1仿真结果可以看出，PF方案的系统频谱效率和5%用户频谱效率要高于RR方案的，但是其带来的干扰均值和干扰方差均要大于RR方案，这是因为，基站根据用户优先级进行PF调度的算法虽然可以有效提高系统和边缘用户的频谱效率；然而，PF调度算法为了保证用户间的公平性，尽可能的将资源为边缘用户服务，也就是说边缘用户相比于RR算法将得到更多的调度机会，而边缘用户是产生小区间干扰的主要来源，因此PF算法相比于RR算法其小区间的干扰更大。

表1 仿真结果

从以上分析可以看出，在LTE组网过程中，资源调度对于控制干扰有至关重要的作用，需要良好的调度算法，才能既取得好的系统性能，并且干扰较小。

3 功率控制

由于LTE采用OFDMA和 SC-FDMA技术，一个小区内发送给不同UE的下行信号之间是相互正交的，因此不存在CDMA系统的“远近效应”和自干扰现象。因此，LTE系统的干扰主要来自小区间干扰。

在LTE组网过程中，功率控制不仅是为了对路损、阴影的补偿，减少发射功率，降低功耗，还有在系统内干扰严重时，通过调节终端功率，抑制小区内和小区间干扰。因为对多小区而言，用户加大发射功率意味着对邻小区的干扰，如果每个小区一味的增加用户（尤其是小区边缘用户）发射功率，系统的整体性能会下降。因此业界提出了带有惩罚函数的基于非合作博弈论的功率控制，即在功控时，不仅要考虑增加本小区用户的SINR，还要考虑整个系统的性能，其他小区的干扰。而对于LTE的这种慢功控跟不上快衰的变化的情况，业界提出在LTE中采用部分功率控制（Fractional Power Control，FPC）来解决。FPC是一种开环功率控制算法，其只对慢衰落进行补偿。

在本文中，我们主要采用仿真来验证功率控制对于LTE组网的性能影响，主要是针对启动功率控制和关闭功率控制两种算法进行性能仿真，采用RR调度算法。

从表2结果可以看出，功率控制可以有效节省用户的发射功率，边缘用户受到的干扰降低，提高了边缘用户的频谱效率，然而，系统频谱效率在功率控制的情况下有较大损失，损失原因可能是由于中心用户在功率控制条件下不再以最大的发射功率发射信号，中心用户的吞吐量降低。从抗干扰的角度看，功率控制使平均干噪比IoT（Interference over Thermal noise）降低，但是由于大多数用户的功率不是最大功率发射，而是动态变化的，因此干扰的方差有所增加。

4 频率复用

干扰是蜂窝移动通信系统的一个固有问题，其形成原因是各个小区中使用相同频率资源的用户会相互干扰。在移动通信系统中，通常采用频率复用来解决小区间干扰。频率规划的基本单位是小区簇，以簇为单位在覆盖区域内进行频率复用。簇内各小区分布方式和频率分配方案决定了频率复用模式。

表2 功率仿真结果

LTE系统采用OFDM技术，在OFDMA系统中，单个载波信道由多个相互正交的子载波组成，子载波分组构成子信道，系统资源管理在频域上是基于子信道进行处理。不同子信道的子载波是相互正交的。真实的移动环境中，在上行方向，不同用户的移动性带来其使用的子载波发生频域偏移，不同用户同时使用的不同子载波间的正交性在一定程度上被破坏。通过精心的系统参数设计，LTE系统在中低速移动环境下，多谱勒效应的影响基本可以忽略。在下行方向，由于用户收到的子载波间频偏一致，使得正交性继续保持。因此，实际应用环境下，LTE系统各子载波间可认为是相互正交的，LTE系统的子载波/资源块复用可采用与频率复用相同的方法，也可设计出不同的复用模式。

为了便于描述，本文复用方式仍采用（c×n×s）表示，其中c为每簇中的基站数，s是每基站的扇区数。与频率复用方式相比，不同之处在于n，n是复用的总资源块数。

LTE支持的调制方式有QPSK、16QAM、64QAM等，编码码率有1/2、1/3、2/3、3/4等。不同频率复用方式的边缘SINR不同，不同调制编码方式对SINR的要求也不相同，从而不同复用方式、不同调制编码方式的覆盖效果也不相同。图2总结了几种典型频率复用方式、调制编码方式的覆盖率，清晰地说明了典型复用方式、典型调制编码方式的覆盖效果，即基站间距是1 000 m，(1×1×1)、(1×3×1)和(1×3×3)频率复用方式下75%和95%时间下的覆盖效果。

从图2可以看出，频率复用因子为3（即1×3×3复用）时，具有较好的覆盖效果（75%时间覆盖率为100%，95%时间覆盖率为81.2%）。在复用因子为1（即1×3×1复用）时，覆盖效果较差（75%时间覆盖率为76.6%，95%时间覆盖率为21.5%），存在明显覆盖空洞，小区边缘覆盖效果较差。为了提高频率的使用效率，业界又提出了部分频率复用，用于控制干扰，实现更好的覆盖效果。

图2 LTE系统在(1×1×1)、(1×3×1)和(1×3×3)频率复用方式下的覆盖效果图

5 小结

本文对资源调度，功率控制、频率复用等对TDLTE组网干扰控制有影响的关键技术进行了分析，可看出资源调度中不同的调度方案影响组网干扰的均值和方差，功率控制可以通过降低边缘用户的发射功率，有效降低干扰的均值和方差。而采用合适的频率复用技术可大大降低干扰均值和方差，是解决组网干扰最好的手段。

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Effect of key technology on TD-LTE networking

CHENG Nan, MENG De-xiang, WANG Xi-dian
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

There is a big difference between TD-LTE system network planning and existing networks. The article will focus on TD-LTE system’s key technologies to reduce interference. The study is important under the circumstance that TD-LTE will be a large-scale deployment.

TD-LTE; resource scheduling; power control; frequency reuse

TN929.5

A

1008-5599（2013）09-0004-04

2013-07-29