程楠，孟德香，王西點(diǎn)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

影響TD-LTE組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

程楠，孟德香，王西點(diǎn)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

本文將針對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)影響TD-LTE組網(wǎng)干擾控制的關(guān)鍵技術(shù)，如資源調(diào)度、功率控制以及頻率復(fù)用等方面深入探討，分析其對(duì)TD-LTE組網(wǎng)干擾的影響方面和程度，并提出控制TD-LTE組網(wǎng)干擾的核心技術(shù)，對(duì)目前TD-LTE即將大規(guī)模應(yīng)用的情況下，具有重大的意義。

TD-LTE；資源調(diào)度；功率控制；頻率復(fù)用

1 前言

目前，TD-LTE已經(jīng)在中國(guó)建立了試驗(yàn)網(wǎng)，未來(lái)即將大規(guī)模部署，是目前應(yīng)用前景最廣闊的無(wú)線技術(shù)之一。研究TD-LTE組網(wǎng)干擾具有重大的意義。下面將對(duì)影響TD-LTE組網(wǎng)干擾控制的關(guān)鍵技術(shù)，如資源調(diào)度，功率控制以及頻率復(fù)用等方面深入探討。

2 調(diào)度算法

對(duì)于LTE系統(tǒng)，分組調(diào)度是為了提高網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量和頻譜效率，常用的調(diào)度算法，如輪詢(xún)（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應(yīng)用到LTE中，而且在LTE標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，系統(tǒng)性能仿真假設(shè)大多采用了PF調(diào)度算法。

目前，LTE采用OFDMA和 SC-FDMA技術(shù)，時(shí)間和頻率是LTE中主要控制的兩類(lèi)資源，基本的資源分配方法有以下兩種：

（1） 集中式資源分配：為用戶(hù)分配連續(xù)的子載波或者資源塊。這種資源分配方式適合于低速移動(dòng)的用戶(hù)，通過(guò)選擇質(zhì)量較好的子載波，提高系統(tǒng)資源的利用率和用戶(hù)峰值速率。從業(yè)務(wù)的角度講，這種方式比較適合于數(shù)據(jù)量大，突發(fā)特征明顯的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。這種方式的一個(gè)缺點(diǎn)就是需要調(diào)度器獲取比較詳細(xì)的CQI信息。

（2） 分布式資源分配：為用戶(hù)分配離散的子載波和資源塊。這種方式適合于移動(dòng)的用戶(hù)，此類(lèi)用戶(hù)信息條件變化劇烈，很難采用集中式資源分布，從業(yè)務(wù)的角度講，比較適合突發(fā)特征不明顯的業(yè)務(wù)，如VoIP，可以減少信令開(kāi)銷(xiāo)。

在TD-LTE系統(tǒng)中關(guān)于調(diào)度粒度問(wèn)題的討論，主要涉及以下兩種方案。

（1） 基于UE的調(diào)度。調(diào)度器在分配資源時(shí)，以UE為單位進(jìn)行。然后按照一定的規(guī)則在UE的不同RB之間進(jìn)一步劃分資源。

（2） 基于RB的調(diào)度。調(diào)度器在分配資源時(shí)，以RB為單位進(jìn)行，直接為每個(gè)RB分配資源。

下行方向，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位于eNode B。eNode B能夠準(zhǔn)確的知道每個(gè)UE，每個(gè)RB對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量，因此一般采用基于RB的調(diào)度，以便于更好的滿足RB的QoS要求。

而在上行方向上，UE是數(shù)據(jù)發(fā)送端，調(diào)度器則位于eNode B，如果是基于UE的調(diào)度，eNode B只需要控制為UE分配的資源總量或者允許傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量。UE則按照預(yù)定義的規(guī)則在不同的RB之間分配資源，一般都是保證優(yōu)先級(jí)最高的RB傳輸最多的數(shù)據(jù)量。UE需要向eNode B匯報(bào)其緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)總量以及優(yōu)先級(jí)最高的RB對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量等信息。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于，控制簡(jiǎn)單，信令開(kāi)銷(xiāo)比較??；其主要缺點(diǎn)在于調(diào)度器無(wú)法對(duì)不同QoS要求的上行業(yè)務(wù)流進(jìn)行更加精確的調(diào)度和控制，優(yōu)先級(jí)次高的業(yè)務(wù)流可能長(zhǎng)時(shí)間得不到傳輸。

如果上行是基于RB的調(diào)度，則調(diào)度器需要為UE的每個(gè)業(yè)務(wù)流（RB）分配上行資源或允許傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，UE根據(jù)調(diào)度器的判決結(jié)果組裝傳輸塊。采用這種方式時(shí)，一般要求UE匯報(bào)所有RB對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量，另外，基站發(fā)送的資源分配指示也需要針對(duì)每個(gè)RB進(jìn)行。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)度器可以對(duì)每個(gè)RB的QoS進(jìn)行更加精確的控制和管理，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，上下行的控制信令開(kāi)銷(xiāo)都比較大。

目前LTE支持基于RB的調(diào)度請(qǐng)求和基于UE的上行資源調(diào)度。

在LTE組網(wǎng)的過(guò)程中，資源調(diào)度是影響干擾的關(guān)鍵因素之一，因?yàn)橘Y源調(diào)度是根據(jù)規(guī)則將資源塊分配給用戶(hù)，如果分配不得當(dāng)，會(huì)造成鄰小區(qū)的用戶(hù)使用同一個(gè)資源，從而形成較大的干擾。

資源調(diào)度的最根本的準(zhǔn)則是最小化資源使用“碰撞”概率，如圖1所示，在資源總數(shù)是4的情況下，在4D的復(fù)用距離下，小區(qū)m和小區(qū)n資源調(diào)度的碰撞概率可以是0，此時(shí)干擾也很小，隨著復(fù)用距離的減小，資源總數(shù)有限的情況下，小區(qū)m和小區(qū)n資源調(diào)度的碰撞概率逐步增加，干擾逐漸加大。

圖1 資源調(diào)度避免碰撞（D表示單位復(fù)用距離）

而資源調(diào)度采用不同的方案，也會(huì)對(duì)干擾和系統(tǒng)性能造成不同的影響，從以下的仿真結(jié)果可以看出不同的調(diào)度方案對(duì)干擾和系統(tǒng)性能的影響，仿真中的調(diào)度方案采用的是PF方案和RR方案，從表1仿真結(jié)果可以看出，PF方案的系統(tǒng)頻譜效率和5%用戶(hù)頻譜效率要高于RR方案的，但是其帶來(lái)的干擾均值和干擾方差均要大于RR方案，這是因?yàn)?，基站根?jù)用戶(hù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行PF調(diào)度的算法雖然可以有效提高系統(tǒng)和邊緣用戶(hù)的頻譜效率；然而，PF調(diào)度算法為了保證用戶(hù)間的公平性，盡可能的將資源為邊緣用戶(hù)服務(wù)，也就是說(shuō)邊緣用戶(hù)相比于RR算法將得到更多的調(diào)度機(jī)會(huì)，而邊緣用戶(hù)是產(chǎn)生小區(qū)間干擾的主要來(lái)源，因此PF算法相比于RR算法其小區(qū)間的干擾更大。

表1 仿真結(jié)果

從以上分析可以看出，在LTE組網(wǎng)過(guò)程中，資源調(diào)度對(duì)于控制干擾有至關(guān)重要的作用，需要良好的調(diào)度算法，才能既取得好的系統(tǒng)性能，并且干擾較小。

3 功率控制

由于LTE采用OFDMA和 SC-FDMA技術(shù)，一個(gè)小區(qū)內(nèi)發(fā)送給不同UE的下行信號(hào)之間是相互正交的，因此不存在CDMA系統(tǒng)的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”和自干擾現(xiàn)象。因此，LTE系統(tǒng)的干擾主要來(lái)自小區(qū)間干擾。

在LTE組網(wǎng)過(guò)程中，功率控制不僅是為了對(duì)路損、陰影的補(bǔ)償，減少發(fā)射功率，降低功耗，還有在系統(tǒng)內(nèi)干擾嚴(yán)重時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)終端功率，抑制小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾。因?yàn)閷?duì)多小區(qū)而言，用戶(hù)加大發(fā)射功率意味著對(duì)鄰小區(qū)的干擾，如果每個(gè)小區(qū)一味的增加用戶(hù)（尤其是小區(qū)邊緣用戶(hù)）發(fā)射功率，系統(tǒng)的整體性能會(huì)下降。因此業(yè)界提出了帶有懲罰函數(shù)的基于非合作博弈論的功率控制，即在功控時(shí)，不僅要考慮增加本小區(qū)用戶(hù)的SINR，還要考慮整個(gè)系統(tǒng)的性能，其他小區(qū)的干擾。而對(duì)于LTE的這種慢功控跟不上快衰的變化的情況，業(yè)界提出在LTE中采用部分功率控制（Fractional Power Control，F(xiàn)PC）來(lái)解決。FPC是一種開(kāi)環(huán)功率控制算法，其只對(duì)慢衰落進(jìn)行補(bǔ)償。

在本文中，我們主要采用仿真來(lái)驗(yàn)證功率控制對(duì)于LTE組網(wǎng)的性能影響，主要是針對(duì)啟動(dòng)功率控制和關(guān)閉功率控制兩種算法進(jìn)行性能仿真，采用RR調(diào)度算法。

從表2結(jié)果可以看出，功率控制可以有效節(jié)省用戶(hù)的發(fā)射功率，邊緣用戶(hù)受到的干擾降低，提高了邊緣用戶(hù)的頻譜效率，然而，系統(tǒng)頻譜效率在功率控制的情況下有較大損失，損失原因可能是由于中心用戶(hù)在功率控制條件下不再以最大的發(fā)射功率發(fā)射信號(hào)，中心用戶(hù)的吞吐量降低。從抗干擾的角度看，功率控制使平均干噪比IoT（Interference over Thermal noise）降低，但是由于大多數(shù)用戶(hù)的功率不是最大功率發(fā)射，而是動(dòng)態(tài)變化的，因此干擾的方差有所增加。

4 頻率復(fù)用

干擾是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)固有問(wèn)題，其形成原因是各個(gè)小區(qū)中使用相同頻率資源的用戶(hù)會(huì)相互干擾。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常采用頻率復(fù)用來(lái)解決小區(qū)間干擾。頻率規(guī)劃的基本單位是小區(qū)簇，以簇為單位在覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行頻率復(fù)用。簇內(nèi)各小區(qū)分布方式和頻率分配方案決定了頻率復(fù)用模式。

表2 功率仿真結(jié)果

LTE系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，在OFDMA系統(tǒng)中，單個(gè)載波信道由多個(gè)相互正交的子載波組成，子載波分組構(gòu)成子信道，系統(tǒng)資源管理在頻域上是基于子信道進(jìn)行處理。不同子信道的子載波是相互正交的。真實(shí)的移動(dòng)環(huán)境中，在上行方向，不同用戶(hù)的移動(dòng)性帶來(lái)其使用的子載波發(fā)生頻域偏移，不同用戶(hù)同時(shí)使用的不同子載波間的正交性在一定程度上被破壞。通過(guò)精心的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，LTE系統(tǒng)在中低速移動(dòng)環(huán)境下，多譜勒效應(yīng)的影響基本可以忽略。在下行方向，由于用戶(hù)收到的子載波間頻偏一致，使得正交性繼續(xù)保持。因此，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，LTE系統(tǒng)各子載波間可認(rèn)為是相互正交的，LTE系統(tǒng)的子載波/資源塊復(fù)用可采用與頻率復(fù)用相同的方法，也可設(shè)計(jì)出不同的復(fù)用模式。

為了便于描述，本文復(fù)用方式仍采用（c×n×s）表示，其中c為每簇中的基站數(shù)，s是每基站的扇區(qū)數(shù)。與頻率復(fù)用方式相比，不同之處在于n，n是復(fù)用的總資源塊數(shù)。

LTE支持的調(diào)制方式有QPSK、16QAM、64QAM等，編碼碼率有1/2、1/3、2/3、3/4等。不同頻率復(fù)用方式的邊緣SINR不同，不同調(diào)制編碼方式對(duì)SINR的要求也不相同，從而不同復(fù)用方式、不同調(diào)制編碼方式的覆蓋效果也不相同。圖2總結(jié)了幾種典型頻率復(fù)用方式、調(diào)制編碼方式的覆蓋率，清晰地說(shuō)明了典型復(fù)用方式、典型調(diào)制編碼方式的覆蓋效果，即基站間距是1 000 m，(1×1×1)、(1×3×1)和(1×3×3)頻率復(fù)用方式下75%和95%時(shí)間下的覆蓋效果。

從圖2可以看出，頻率復(fù)用因子為3（即1×3×3復(fù)用）時(shí)，具有較好的覆蓋效果（75%時(shí)間覆蓋率為100%，95%時(shí)間覆蓋率為81.2%）。在復(fù)用因子為1（即1×3×1復(fù)用）時(shí)，覆蓋效果較差（75%時(shí)間覆蓋率為76.6%，95%時(shí)間覆蓋率為21.5%），存在明顯覆蓋空洞，小區(qū)邊緣覆蓋效果較差。為了提高頻率的使用效率，業(yè)界又提出了部分頻率復(fù)用，用于控制干擾，實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋效果。

圖2 LTE系統(tǒng)在(1×1×1)、(1×3×1)和(1×3×3)頻率復(fù)用方式下的覆蓋效果圖

5 小結(jié)

本文對(duì)資源調(diào)度，功率控制、頻率復(fù)用等對(duì)TDLTE組網(wǎng)干擾控制有影響的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，可看出資源調(diào)度中不同的調(diào)度方案影響組網(wǎng)干擾的均值和方差，功率控制可以通過(guò)降低邊緣用戶(hù)的發(fā)射功率，有效降低干擾的均值和方差。而采用合適的頻率復(fù)用技術(shù)可大大降低干擾均值和方差，是解決組網(wǎng)干擾最好的手段。

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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