时隙配置下TD－LTE异构网络干扰抑制仿真研究

陈鹏飞，李锦川，谭国平

（河海大学 计算机与信息学院 通信与信息系统研究所，江苏 南京210098）

0 引 言

随着技术的发展，无线通信的接入网向核心分组网的传输出现了许多更灵活的方式，诸如基于IP传输的家庭基站以及飞蜂窝基站等微蜂窝基站［1］。家庭基站［2］（毫微微蜂窝网络，femtocell）是近年来根据移动通信技术发展以及无线宽带化需求推出的超小型移动服务基站，主要用来解决移动通信室内覆盖问题。异构网络的出现将原来全部由宏基站承载的移动网络负载分流到新型基站。

在使用TDD 技术的TD－LTE系统［3］中，用户上传和下载过程所需的上下行传输时隙配置大不相同，传统的上下行传输对称的配置会造成资源的浪费。根据自身的业务特点来灵活进行上下行时隙配置对提高基站的资源利用率有重大的意义。使用TDD 技术的TD－LTE系统比其它系统有着频谱利用率高、上下行传输时隙比例灵活配置等特点［4，5］，但是由于在TD－LTE系统基站之间进行灵活的上下行传输时隙配置［6，7］会造成相邻基站之间出现干扰，包括上下行时隙配置相同时产生的常规时隙干扰和传输时隙不一致产生的交叉时隙干扰，从而造成复杂的干扰场景［8］，因此灵活时隙配置技术一直未在TDD 系统中得到应用。

为了让灵活时隙配置技术更好的应用到TD－LTE 系统中，本文对家庭基站用户分布范围、功控技术［9］以及频率复用技术［10］在不同时隙配置下的干扰抑制性能进行仿真，并对结果进行分析比较。这3种干扰抑制方案都不同程度地对干扰产生抑制作用，通过比较最终得出家庭基站间灵活的频率复用技术对进行灵活时隙配置的干扰抑制更有进一步的研究价值。

1 上行干扰系统仿真方案

本章将根据TD－LTE系统的具体系统配置，建立包括调度、功率控制、HARQ 传输等技术在内的TD－LTE 系统异构网络仿真平台，研究在异构网络中，在宏基站与家庭基站之间使用不同的系统上下行时隙配置条件下，家庭基站系统的上行传输干扰与频谱效率等系统性能参数的分布情况；改变仿真条件，对比家庭基站用户的分布范围以及现有的上行功率控制技术、部分频率规划技术对家庭基站干扰抑制性能的影响。

1.1 仿真模型与参数设置

如图1所示，本系统仿真设置7个三扇区制的宏基站，每个基站的扇区下布置20个宏基站用户，在中心基站的3个扇区分别随机布置一个家庭基站的双排模型，每个双排模型的每横排随机放置1个家庭基站，每个家庭基站下面按照不同的要求随机放置2个家庭基站用户。宏基站之间的距离为500m，基站上行发射天线数为1，上行接收天线数为2。

本仿真采用与实际跟接近的家庭基站双排模型，每个双排模型包含两个房屋群，每个房屋群含有2排房间，每排房间有10个房间，一共40个房间。双排模型的每个房间的长宽均为10m，其中房屋群之间的距离为10m；双排模型可以选择层数1－10，本文默认为一层房间。在双排模型中每个房间内随机布置一个家庭基站，家庭用户可以与家庭基站在同一个房间，也可以放入其它房间；设置一个家庭基站开通率，即双排模型中只有一部分家庭基站工作。宏基站用户按照一定的比例分布于双排模型内部房间内；宏基站用户在室内外的布置都是随机的均匀分布。由于家庭基站布置的随机性，该仿真每个实验样本都重复实验8次后做数据统计分析，以使家庭基站能尽可能分布在宏基站的扇区的不同位置，使实验结果更加全面。

如表1和表2所示为本仿真系统参数配置。

表1 仿真系统参数配置信息表

表2 系统仿真信号损耗模型

1.2 仿真流程

该异构网络仿真平台的初始化阶段，需要输入相关的诸如系统上下行时隙配置参数、系统的仿真时间等控制参数，以及布置宏基站及宏基站用户、家庭基站及家庭基站用户，初始化小尺度的多径干扰信道，计算各个基站之间、用户与基站之间的路径损耗等数据。

图2是该仿真平台的运行处理部分流程图，其主要模拟了TD－LTE物理层的若干关键技术，首先是HARQ 技术，在每个TTI（transmission time interval，传输时间间隔，为1ms，即一个上下行传输时隙的时间长度），首先判断该时刻是用户上行传输时刻还是检测HARQ 通道时刻，如果是用户上行传输时刻，则系统对每一个基站进行调度、功控、干扰计算以及接收机处理等过程，如果是检测HARQ通道时刻，则进行小区用户的更新，以便为用户上行传输时刻进行用户资源块调度做好准备。该TD－LTE 异构网络仿真平台的宏基站与家庭基站的处理过程是相互独立的，除了在干扰模块以外，其它模块二者是分开处理的。

图2 系统仿真运行处理部分流程

2 干扰抑制方案仿真结果与分析

本系统仿真主要研究在宏基站与家庭基站在常规时隙与交叉时隙条件下的家庭基站的上行干扰情况以及家庭基站的频谱效率，对比家庭基站用户分布范围、家庭基站使用功控技术、以及系统频谱复用技术对家庭基站系统的干扰抑制性能的影响。由于该系统仿真使用的家庭基站双排模型，家庭基站发射功率较小，家庭基站穿墙损耗较大，因此其对宏基站影响较小；但是由于宏基站的用户可能分布于家庭基站室内且宏基站的下行传输功率是其上行传输功率的最大值的数十倍，其在交叉时隙以及常规时隙对家庭基站影响较大，因此此处选择家庭基站作为研究对象。

2.1 家庭基站用户的分布范围仿真与分析

场景一：家庭基站用户仅分布在放置家庭基站的房间；

场景二：家庭基站用户可以随机分布在放置家庭基站的房间的室内或相邻的房间。

如图3所示，在场景一下，家庭基站与宏基站的交叉时隙与常规时隙信干噪比概率分布曲线差距较小，仅在高信噪比 （约15dB以上）开始出现差距，因此可看出此场景下家庭基站系统性能下降不多，干扰抑制能力较强；在场景二下，交叉时隙家庭基站的信干噪比分布曲线向低信噪比移动约5dB，此场景下家庭基站的用户在交叉时隙的干扰抑制能力下降。

图3 不同用户位置对应的信干噪比

出现上述现象是因为家庭基站的用户分布范围变大之后，其用户到家庭基站的路径损耗变大，再加上阴影衰落、穿墙损耗的增加，会使家庭基站收到用户的发射信号会随着家庭基站用户分布范围扩大而减小，因此在相同的干扰场景下，其抗干扰能力进一步减弱。

2.2 上行功率控制方案仿真与分析

家庭基站用户可以随机分布在放置家庭基站的房间的室内或相邻的房间；

场景一：家庭基站使用上行功率控制技术；

场景二：家庭基站不使用上行功率控制技术。

由图4可看出，在常规时隙，家庭基站进行功率控制的干扰分布曲线比家庭基站不进行功率控制的干扰分布曲线约有1dB的差距，而在交叉时隙，二者仅在较低的上行传输信干噪比条件下（－5dB－5dB），家庭基站进行功率控制能略微提升其干扰抑制性能。

图4 上行功率控制用户信干噪比分布

TD－LTE基站系统的小区内上行功率控制技术主要可以根据小区内不同用户的信道条件，自动调节用户的发射功率。一方面在用户信道条件较好的情况下，可以减少用户上行发射功率，虽然可以使用户上行传输信干噪比略微下降，但是在不影响系统性能的前提下，达到小区用户节能的目的；另一方面，在用户的信道条件较差的情况下，可以提高用户的上行发射功率，以遏止干扰信号。但是由于TD－LTE系统功率控制的最大值不能超过用户的最大发射功率，因此小区内上行功率控制对小区用户干扰抑制的能力有限。

2.3 家庭基站部分频率复用技术仿真与分析

家庭基站用户可以随机分布在放置家庭基站的房间的室内或相邻的房间；

场景一：单个家庭基站用户每次使用全部的24个资源块进行上行数据传输；

场景二：每个家庭基站用户使用全部24个资源块中连续6个进行上行数据传输；

场景三：每个家庭基站用户使用全部24个资源块中连续9个进行上行数据传输；

场景四：每个家庭基站用户使用全部24个资源块中连续12个进行上行数据传输；

如图5所示，在使用频率复用技术之后，随着单个家庭基站使用的频谱资源的数量的增多，在常规时隙，其用户上行传输信干噪比分布概率曲线向低信干噪比移动的幅度小于交叉时隙，在一定程度上提高了抗干扰性能；在交叉时隙，两者的信干噪比分布曲线基本一致。

图5 家庭基站上行传输信干噪比分布

出现上述现象是由于在家庭基站之间进行部分频率复用之后，它们之间只存在较少的干扰，在一定程度上减少了家庭基站的干扰信号；单个家庭基站的使用的资源块数量减少，其单个资源块的发射功率较之全频率复用的发射功率增加，因此其抗干扰能力提升，在较少的频谱资源上的频谱效率有所提高；单个家庭基站使用的载频带宽变小，虽然其抗噪声能力增加，但是其整体吞吐量有所下降。

2.4 结 论

由以上分析可以看出，家庭基站用户分布范围越大，其抗干扰性能越低，特别是在与宏基站出现交叉时隙的场景下，其抗干扰能力下降十分明显；上行功率控制的常规时隙与交叉时隙抗干扰能力相差较小，根据这个特点可以达到节能的目的，即通过减少上行发射功率，在不影响系统性能的前提下使用户上行传输信干噪比略微下降，但提高用户上行发射功率受到TD－LTE 系统功率控制的最大值不能超过用户的最大发射功率这个限制，因此小区内上行功率控制对小区用户干扰抑制能力有限；在常规时隙，家庭基站使用部分频率复用技术，均会提高家庭基站的干扰抑制性能；在交叉时隙，家庭基站使用较少的资源块的时候，其干扰抑制性能有所提高，但是家庭基站使用的系统资源块大约在12个的时候，该技术基本不能提高家庭基站的干扰抑制性能。另外，家庭基站之间进行部分频率复用后，可牺牲一定的小区吞吐量来获得常规时隙和交叉时隙条件下较好的干扰抑制性能。灵活的部分频率复用技术，即根据与宏基站的干扰不同，设置家庭基站不同的资源块复用数量，对系统的抗干扰能力有所提高。该技术符合家庭基站使用环境，值得进一步进行研究。

3 结束语

本文讲述了TD－LTE异构网络上行干扰系统仿真平台使用的系统模型、基站布置方案、基站配置参数等；然后通过仿真图对比了家庭基站用户分布范围、功控技术、以及频率复用技术对家庭基站系统的干扰抑制性能的影响。研究结果表明：家庭基站用户的分布范围会影响家庭基站的干扰抑制性能，且家庭基站间灵活的频率复用技术可以有效的提升家庭基站干扰抑制性能，值得进一步研究。下一步可继续完善TD－LTE系统异构网络上行干扰仿真平台，并加入下行仿真内容；研究更多TD－LTE 异构网络进行灵活时隙配置时的干扰抑制方案。

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