LTE系统基于IDMA的干扰消除

吴梓颖

【摘 要】针对LTE系统小区间干扰不可避免的问题，重点介绍基于交织多址接入（IDMA）的干扰消除，阐述了小区间干扰消除系统模型结构与原理，并给出了LTE系统基于IDMA的干扰消除仿真以及数据分析。

【关键词】LTE IDMA 小区间干扰 干扰消除

1 引言

随着HSDPA、HSUPA等技术的发展，为了保证3GPP在今后很长的一段时间内具有竞争性，必须考虑3GPP无线接入技术的长期演进。在3GPP TR25.814中指出，3GPP长期演进的主要内容包括缩短传输延迟、提高用户数据速率及系统容量和覆盖、减少运营商的成本等。

对于运营商来说，无线接入技术和接入网络最重要的性能指标是频谱利用率、业务QoS保障。为了达到高的频谱效率，在部署网络时要尽量使频谱复用因子接近1。为了提供令人满意的服务，需要保证用户，特别是小区边缘用户的QoS。由于3GPP LTE采用OFDM/OFDMA作为传输技术，而OFDM系统是通过正交频率子信道区分用户，因此基本可以避免小区内用户之间的干扰。但小区间即基站之间在同频组网下，上下行链路将会存在干扰，所以目前人们讨论的LTE干扰管理主要是针对小区间的干扰管理。下行干扰是相邻小区基站的下行信号对本小区位于边缘区域的用户的干扰；上行干扰是本小区基站受到临近小区边缘用户的上行信号的干扰。为提高小区边缘用户的数据速率以及系统的频谱利用率，必须有效减轻小区间干扰。

2 LTE系统小区间干扰抑制方法介绍

小区间干扰（ICI，Inter-Cell Interference）是蜂窝移动通信系统的一个固有问题。传统的解决方法是采用频率复用，复用系数只有特定的几个选择，如1、3、7等。复用系数为l即相邻小区都使用相同的频率资源，这时在小区边缘的干扰很严重；较低的复用系数（3或7）可以有效地抑制ICI，但频谱效率将减低到1/3或1/7。

LTE特有的OFDMA接入方式使本小区内的用户信息承载在相互正交的不同载波上，因此所有的干扰来自于其他小区。对于小区中心的用户来说，其本身离基站的距离就比较近，而外小区的干扰信号距离又较远，则其信噪比相对较大；但是对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰较大，加之本身距离基站较远，其信噪比相对就较小，导致虽然小区整体的吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量较差，吞吐量较低。因此在LTE中，小区间干扰抑制技术非常重要。

在LTE的研究和标准化过程中，根据抑制干扰采用的技术手段不同，主要形成了以下三类干扰抑制技术：

（1）干扰随机化：是通过随机化干扰信号来进行干扰压制的一类技术；

（2）干扰协调/避免：是通过在小区间合理分配资源，尽量使相邻小区间所用资源正交，从而减少小区间干扰；

（3）干扰消除：是通过在用户端利用处理增益来进行干扰压制的一类技术。

干扰消除的想法最初是在CDMA系统中提出，可以将干扰小区的信号解调、解码，然后将来自该小区的干扰重构、删除。LTE虽然采用OFDM的接人方式，但仍然引入了干扰消除的概念。小区间干扰消除的实现方法主要有以下两种：

（1）利用在接收端的多天线空间抑制方法来进行干扰删除，相关的检测算法在多输入多输出（MIMO）的研究中已经被广泛采用；

（2）基于IDMA的小区间干扰消除。

本文将重点讨论基于IDMA的干扰消除技术，如图1所示，IDMA可以通过伪随机交织器产生不同的交织图案，并分配给不同的小区，接收机采用不同的交织图案解交织，即可将目标信号和干扰信号分别解出，然后在总的接收信号中减去干扰信号。

3 IDMA系统基本原理

3.1 IDMA系统模型

IDMA实质上是一种扩频多址系统，因此其基本结构与CDMA相似。但不同的是卷积码编码的CDMA系统方案中，交织器是放在扩频器的前面，主要用于打乱信息序列和抑制突发性干扰；而在IDMA系统中，交织器放在扩频器的后面，是基于编码扩频后的码片级交织，不但可以抑制突发性干扰，同时还可以区分用户A。如图2所示：

3.2 IDMA发送与接收结构

考虑同时存在K个用户情况下的IDMA方案，其发送和接收结构如图3所示：

IDMA原理的关键是不同用户所分配的交织器πk必须各不相同，假设交织独立并随机生成。交织器打乱了原来编码序列的顺序，从而使得相邻的码片近似不相关，这样接收端采用迭代的结构，使在chip级检测出原始信号变得容易。

如图3所示，接收端采用次优检测结构，主要由基本信号估计器（ESE）和K个单用户后验概率译码器（DEC）组成。多址接入和编码限制在ESE和DEC中是分开处理的。ESE和DEC的输出信息是关于{xk（j）}的对数似然比（LLRS）外信息输出为A：

ESE和DEC模块产生的外信息通过利用下标来区别，分别表示为eESE（xk（j））和eDEC（xk（j））。对于ESE，式（1）中的y表示接受通道的输出；对于DEC，式（1）中的y是ESE输出的信息解交织后所形成。一个全局的片到片的Turbo型迭代接收过程对ESE和DEC所输出的LLRs进行处理。

3.3 IDMA的特点

码分多址技术（CDMA）所有用户的数据在时间上和频率上重叠，不同用户的数据通过不同的正交扩频码来区分。由于扩频技术的引入，可以得到扩频处理增益，这样在信噪比一定的情况下可以提高信道容量。但是在实际系统中，多径延迟会引入MAI，即CDMA系统是一个干扰受限的自干扰系统，并且随着用户数的增多，多用户干扰MUI问题日益严重。而高速数据通信是无线通信发展趋势，为满足这一要求必须使用高码率、高阶调制以及多天线技术，这种背景下CDMA会因为扩频序列不够而大大限制了用户容量。IDMA系统不但继承了CDMA系统的很多优点如抗衰落特性等，而且还不受码资源限制，使其优势尤为突出。endprint

从本质上来说，IDMA具有以下特点：

（1）没有经过扩频处理，不同用户使用了不同的交织图案，即通过不同交织方案来识别用户，因此不受信道化码等码资源的限制；

（2）交织多址是码片级交织Chip-level Interleave），内含了与比特交织编码调制BICM（Bit Interleaving Coding and Modulation）相同的机制，所以具有与BICM相同的优点，即更高的分集阶数（Diversity Order）；

（3）交织多址通过编码方式实现扩频，具有最大化的编码增益；

（4）交织多址更适合与迭代检测技术相结合，通过迭代，交织多址能够发挥出分集阶数高、编码增益大的优势，取得比CDMA更优越的性能。

4 IDMA技术及其在干扰消除中的应用

IDMA技术作为多用户多径传输的首个重要技术，其基本原理是用不同的交织方式作为一种多址方式来区分用户，通过和信道编译码的结合，采用选代的结构，在chip级检测出原始信号。近年来，IDMA技术作为LTE系统多址接入方案，已被证明以IDMA为基础的小区间干扰消除可以提供超过50%的小区边缘平均吞吐量增益，5%以上的整体平均吞吐量增益。

4.1 小区间干扰消除系统模型

在常规的IDMA干扰消除方案中，所有干扰基站的信号估计和所有的干扰信号都被设为高斯噪声。这样在估算一切干扰基站的信号时就会增大运算复杂度，而且当存在较强干扰信号时，高斯噪声的假设可能不适用。于是将干扰基站分为强干扰基站（S-BS）和弱干扰基站（W-BS）。从弱干扰基站发出的干扰信号将被视为高斯噪声，而从强干扰基站发出的干扰信号将使用迭代检测的方法进行抑制。同时，在实际的应用中，可以让UE检测附近相邻的基站功率，通过功率大小来分辨出强干扰基站。

LTE物理层应用于基站信号传输，假设发送器和接收器只设置为单一天线，如图4所示：

需注意的是，图4只表示了一个UE和干扰基站，为了简化，其他的干扰基站和UE均未表示出来。

在实际的系统中，要考虑基站中本地振荡器之间的频率偏移以及从目标基站和干扰基站接收到的信号传输的时间偏移（OFDM符号时间偏移）。因此，为了简化评估，可以假设频率偏移已经小到可以忽略，同时目标基站和干扰基站之间能够互相协调传输时间，那么时间偏移也可以忽略。

假设信号检测和小区间干扰消除是块与块进行处理，每一块包含J个OFDM符号，也就是数据帧长度。在接收端，在FFT（快速傅立叶变换）是适用于接收信号。让rm（j）表示为第m个子载波、第j个OFDM符号的信号，为了不失去一般性，进一步假设子载波独立处理。因此，放下m的依赖性，则接收到的信号可表示为：

其中，N为使用相同子载波的基站数目；hn为第n个用户的信道相关系数；{n（j）}为方差σ2=N0/2的高斯白噪声过程的采样值。假设接收端已知信号系数hn，通过测量所有基站的信号功率，目标UE将所有的基站分为服务基站、S-BSs和W-BSs，则接收信号公式可改写为：

其中，式（3）的前半部分为服务基站和S-BSs的信号叠加，所以S-BSs的数目为（P-1）。

4.2 小区间干扰消除迭代信号检测

假设对于目标终端，服务基站和S-BSs的交织编码是已知的。如图5所示，交织码片级接收端包括一个基本信号估计器ESE和P个单用户后验概率（APP，A Posteriori Probability）译码器DEC组成。

用{eESE（xk（j））}和{eDEC（xk（j））}分别表示ESE和DEC模块产生的外信息。由两个模块之间的信息交互来完成迭代接收过程。在模拟的信号检测中，每比特信息不仅包括目标信号，而且还要S-BSs的干扰信号，不断在软输出ESE和软输入软输出DEC之间迭代处理，直至达到最佳信号状态。

为了简单化，采用同步的BPSK调制进行分析。通过中心极限定理，ζk（j）可被近似为均值为0、方差为Var（ζk（j））的高斯随机变量。r（j）可用以下条件高斯概率密度函数来表示：

为了不失一般性，假设基站k为服务基站，则关于xk（j）的先验对数似然比（LLRS）可表示为：

对于ESE的输出为对数似然比（LLRS）外信息可表示为：

根据式（6）可得：

根据以下条件概率的公式：

通过一些简单的计算可得：

从式（10）可以看出，为了消去S-BSs的干扰，软输出ESE不仅从目标信号还从S-BSs的信号提取接收目标信号r（j）、信道系数{hk，k=1，2，…，p}和先验LLRs{eDEC（xk（j））}来计算LLRs外信息{eESE（xk（j））}。

（2）译码器DEC模块

DEC模块以ESE模块的输出作为输入，实现后验概率APP译码。APP译码是一个标准的运行操作，这里只考虑在图4中信道编码器的其中一个特别案例，就是由连续串连的字码编码器CFEC和长度为s的重复码编码器CREP。从性能的角度来看，这个方案并不优化，其中重复码的使用证明这是一个比较简陋的代码。但是，这个模型也有灵活性相关的优势所在。

5 基于IDMA干扰消除系统仿真

6 总结

通过将相邻小区干扰基站分为强干扰基站和弱干扰基站，在实际应用中，小区边缘UE可以对相邻小区的功率进行分析来加以区分。本文的仿真主要是针对S-BSs的干扰消除，采用IDMA技术对其进行处理及消除，由于相邻小区基站数目有限，计算的复杂度是不高的，并且效果明显，从而解决了UE干扰严重的问题。

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