基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術研究

宋智源，孟德香，程楠，陳彥名

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 前言

3GPP TD-LTE標準正在進一步修訂中。其根本的需求目標是更快的傳輸速率[1]。系統(tǒng)為實現(xiàn)更快的傳輸速率需要使用較密集的頻率復用度，為了保證此時用戶的QoS，需要考慮TD-LTE系統(tǒng)的干擾抑制能力和干擾抑制技術的引入需求。

TD-LTE系統(tǒng)中采用的是正交頻分復用（OFDMA）技術。該技術控制TD-LTE的小區(qū)內(nèi)干擾和小區(qū)間干擾的效果有較大的差異。主要原因為OFDMA內(nèi)子載波間具有正交特性，在一個小區(qū)內(nèi)分配給每一個用戶的子載波與其他用戶的子載波不會產(chǎn)生干擾。而且在TDLTE相同中通過增加循環(huán)前綴和設置子載波間隔可以使多徑效應和多普勒頻移帶來的干擾處于可控范圍內(nèi)。小區(qū)內(nèi)干擾在TD-LTE的總干擾中只占據(jù)很微小的比例。而OFDMA技術沒有小區(qū)間干擾抑制的機制，當系統(tǒng)使用的頻率復用因子越接近1，小區(qū)間干擾就越嚴重。因此在TD-LTE系統(tǒng)小區(qū)間干擾成為主要的干擾因素。在文中所提到的干擾抑制技術也是指專用于處理小區(qū)間干擾[2]。

小區(qū)間干擾抑制技術相關的無線資源包括時間，頻率和功率[3]。當小區(qū)之間的時間同步能夠得到嚴格保證時，小區(qū)間干擾抑制技術主要是通過對頻率和功率的管理來消除干擾。但現(xiàn)有的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術提高小區(qū)邊緣用戶吞吐量的同時卻降低了系統(tǒng)的頻譜利用率[4～6]。而且其固有的資源調(diào)整靈活度較低，技術方案比較單一，網(wǎng)絡內(nèi)信令開銷較大的缺陷都限制了TD-LTE網(wǎng)絡性能的進一步提升。

本文提出了一種適用于TD-LTE上行鏈路的基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術。該技術具有規(guī)劃分布式和網(wǎng)絡自適應的特性。主要優(yōu)勢包括通過對網(wǎng)絡的預規(guī)劃，設置無線資源的優(yōu)先級和調(diào)度次序，能降低干擾抑制技術的實現(xiàn)復雜度。分布式是指各小區(qū)間協(xié)調(diào)弱相關，能夠降低網(wǎng)絡接口的信息交互量，減小網(wǎng)絡開銷。自適應能力使該干擾抑制技術有效地適應網(wǎng)絡環(huán)境的變化。最后給出系統(tǒng)仿真的性能對比。

2 基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術

一個健壯的TD-LTE網(wǎng)絡需要其應用的干擾協(xié)調(diào)技術具有：適應頻譜動態(tài)變化；降低系統(tǒng)實現(xiàn)難度和基站處理復雜度；合理控制小區(qū)間干擾水平及其波動；提高小區(qū)邊緣的信號質量；增強資源調(diào)度的執(zhí)行效率等特性。

對網(wǎng)絡中干擾的控制通常需要在多小區(qū)間協(xié)同資源的管理調(diào)度。由于各個小區(qū)容量與覆蓋要求不同、資源配置不同、用戶類型與業(yè)務種類要求不同，導致資源管理調(diào)度算法非常復雜，是一個典型的多目標非線性最優(yōu)化問題，很難求得最小網(wǎng)絡干擾值和干擾波動的數(shù)學解。特別是大規(guī)模組網(wǎng)時，相互關聯(lián)的小區(qū)數(shù)目眾多，協(xié)同調(diào)度算法復雜度太大，全網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度很難實現(xiàn)。

在干擾管理上采用對資源的時頻二維共同規(guī)劃。不僅能極大地降低算法的復雜度，而且在實際網(wǎng)絡中的可實現(xiàn)性好。為了提高對每條鏈路動態(tài)變化的適應能力，增強資源規(guī)劃的靈活性和性能，將資源規(guī)劃與資源調(diào)度相結合，在此基礎上提出了基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術。該干擾協(xié)調(diào)技術主要包括如下3個步驟。

2.1 資源塊調(diào)度次序規(guī)劃

LTE系統(tǒng)內(nèi)資源塊的調(diào)度次序規(guī)劃基于資源塊的優(yōu)先級排列順序。

在LTE系統(tǒng)中不同的信道帶寬對應可以使用不同的資源塊數(shù)量，如表1所示。

表1 LTE不同信道帶寬的傳輸帶寬配置

資源塊優(yōu)先級算法：根據(jù)頻率規(guī)劃的基本思想，遵循相鄰小區(qū)的資源塊之間時頻間隔越大干擾越小的原理，在小區(qū)組網(wǎng)時，資源塊組的復用距離遠近成為最關鍵的因素。復用距離遠的資源塊組的優(yōu)先級高，復用距離近的優(yōu)先級低。

圖1中為經(jīng)過資源塊排序后，不同小區(qū)內(nèi)資源塊使用效果示意圖。具體效果如圖的右部分所示。右部分為一個三扇區(qū)的小區(qū)內(nèi)資源塊使用效果，三個扇區(qū)使用相同的資源塊資源，不同的資源塊用不同的顏色代表。可以看出在不同的扇區(qū)內(nèi)，同一資源塊的使用位置各不相同。這樣從空間上增大了同號資源塊的間隔，降低了干擾的水平。同時，不同的資源塊較為穩(wěn)定地分布在小區(qū)的不同范圍內(nèi)，避免了資源塊隨用戶在小區(qū)內(nèi)移動帶來干擾波動性的增大。

在完成所有小區(qū)的資源塊優(yōu)先級排序后，可以按照優(yōu)先級順序規(guī)劃不同小區(qū)的資源塊調(diào)度順序，也可根據(jù)各小區(qū)的情況，將若干資源塊捆綁成資源塊組，按照資源塊組的順序進行規(guī)劃調(diào)度，這樣在實現(xiàn)降低干擾發(fā)生的同時減小調(diào)度過程的復雜度。

圖1 資源塊優(yōu)先級算法效果示意圖

2.2 基于干擾評估的用戶調(diào)度規(guī)劃

干擾抑制技術的核心思想是最小化資源使用的 “碰撞”概率。由于用戶在小區(qū)內(nèi)的分布隨機性和移動性，在使用相同資源塊的情況下，用戶受到的干擾水平也是不同的，邊緣用戶由于與鄰小區(qū)較近，其受到的干擾也相對較大。因此，如果能夠根據(jù)某種準則對小區(qū)內(nèi)的動態(tài)用戶進行資源塊的調(diào)度排序并匹配小區(qū)資源塊優(yōu)先級順序來使用，將高優(yōu)先級資源塊調(diào)度給干擾較大的邊緣用戶，而將低優(yōu)先級的資源塊調(diào)度給干擾較小的用戶，將能夠有效的實現(xiàn)動態(tài)干擾抑制，最大限度的提升系統(tǒng)性能。

這里我們分別考慮了兩種不同的用戶調(diào)度方案如圖2，即基于鏈路增益的調(diào)度方法和基于總干擾的調(diào)度方法。

圖2 （a）基于干擾水平的調(diào)度方法；（b）基于鏈路增益的調(diào)度方法

對于上行鏈路，小區(qū)間干擾主要來自鄰扇區(qū)不同位置的用戶?；诳偢蓴_的調(diào)度方法如圖2（a）所示，服務扇區(qū)內(nèi)的用戶調(diào)度應以小區(qū)內(nèi)用戶到各扇區(qū)基站的總干擾值為調(diào)度準則，即對用戶按到其他基站總干擾值進行排序，將高優(yōu)先級資源塊調(diào)度給高干擾值的用戶使用，從而能夠有效降低其對其他扇區(qū)的干擾貢獻，提升整體網(wǎng)絡的性能。需要說明的是，雖然在實現(xiàn)這種上行干擾的計算是可以等效通過測量鄰近扇區(qū)基站的導頻信號功率來等效獲取，但計算各用戶到所有扇區(qū)的干擾值幾乎是不可能也是沒有必要的。因此一種可行的方案是采取計算扇區(qū)1干擾最嚴重的相鄰基站扇區(qū)，即圖2（a）所示相鄰6個基站對應的扇區(qū)的總干擾值為排序的依據(jù)。

然而在實際應用中，上述基于總干擾的調(diào)度方法需要通過小區(qū)內(nèi)所有用戶實時計算總干擾并上報給服務基站，再由服務基站進行排序調(diào)度，因此其信令開銷和時延都會相對較大，這對其可應用性造成了一定的影響。在一般情況下，受到相鄰扇區(qū)或對相鄰扇區(qū)干擾嚴重的用戶都處于小區(qū)邊緣，而中心用戶由于離基站較近，干擾也相對較小?；谶@種考慮，從邊緣用戶性能和易實現(xiàn)的角度出發(fā)，采用鏈路增益指標為資源塊的調(diào)度依據(jù)將是另一種適合的選擇，如圖2（b）。即對于同一扇區(qū)的每個用戶，服務基站根據(jù)上行功率計算每個用戶到該小區(qū)服務基站的鏈路增益并進行從小到大排序，通過將高優(yōu)先級資源塊調(diào)度給增益較小的邊緣用戶的方式獲取邊緣用戶的性能收益。

2.3 基于優(yōu)先級排序的動態(tài)資源調(diào)度

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術能夠根據(jù)網(wǎng)絡容量和鏈路性能的變化相應進行動態(tài)資源調(diào)度。當系統(tǒng)網(wǎng)絡的容量增大時，基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術可以相應地增加低優(yōu)先級的資源塊；系統(tǒng)網(wǎng)絡容量減小時，該方案可以逐步減少低優(yōu)先級的資源塊的使用。當用戶的鏈路增益下降時，動態(tài)調(diào)度可以使用高功率的高優(yōu)先級的資源塊以保證用戶性能；用戶的鏈路增益增大時，動態(tài)調(diào)度低發(fā)射功率的低優(yōu)先級資源塊以降低對相鄰小區(qū)的干擾。

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術實現(xiàn)了時頻二維聯(lián)合的資源規(guī)劃。為了滿足用戶需求、方便系統(tǒng)配置，可將若干個資源塊捆綁成一個資源塊組進行調(diào)度。資源塊組的調(diào)度是按照優(yōu)先級順序來進行的，不同扇區(qū)內(nèi)的相同資源塊組號的優(yōu)先級不同，從而不同扇區(qū)內(nèi)使用的載波頻率（時隙符號）相同的資源塊的概率大為降低，能夠有效減少同頻干擾程度。用戶對資源塊組的調(diào)度遵循鏈路增益由小到大的用戶使用優(yōu)先級由高到低的資源塊組的原則。能夠在最大程度上保證不同鏈路增益的用戶擁有相對公平的信道質量，確保了小區(qū)邊緣用戶的性能，并降低了用戶對相鄰小區(qū)內(nèi)用戶的干擾水平。

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術在吸取了傳統(tǒng)頻率規(guī)劃方法優(yōu)點的基礎上，采用動態(tài)調(diào)度的方法進一步提高了網(wǎng)絡的吞吐性能。當同一簇內(nèi)的用戶較少或較平均分散在各小區(qū)內(nèi)時，各小區(qū)的用戶會調(diào)度相應的高優(yōu)先級資源塊組，避免干擾的產(chǎn)生。當用戶數(shù)增大時，按照各小區(qū)內(nèi)資源塊組優(yōu)先級由高到低的順序實時調(diào)度，簇的規(guī)模同步減小直至達到資源塊復用因子等于1。同樣對于TD-LTE幀分為上行幀和下行幀，以及每個方向的幀可分為業(yè)務承載、管理與控制等具有不同覆蓋與容量特性的情況，可以針對TD-LTE系統(tǒng)幀中不同組成部分的不同要求，分別進行單獨的資源塊規(guī)劃。本規(guī)劃方法的動態(tài)自適應調(diào)整實現(xiàn)簡單，當系統(tǒng)業(yè)務和網(wǎng)絡容量變化時不需要對網(wǎng)絡進行重新配置。

在TD-LTE系統(tǒng)中，系統(tǒng)的分組業(yè)務具有波動性大和不均衡的特點，因此盲目地增加或減小對資源塊的調(diào)度會產(chǎn)生具有較大波動性的干擾。對這個問題，基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術借用軟資源塊復用方法，進一步提升TD-LTE系統(tǒng)的干擾控制效果。其基本思想依據(jù)各個小區(qū)內(nèi)不同優(yōu)先級的資源塊組的復用距離不同、干擾程度也不一樣的情況結合功率控制規(guī)劃用戶對資源塊組的調(diào)度。

3 仿真和數(shù)值分析

3.1 仿真條件

使用Monte Carlo仿真方法來檢驗基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術算法的性能。系統(tǒng)模型和仿真參數(shù)均來自于3GPP的TR36.942[7]。對參數(shù)的選擇在表2中列出。

在仿真中將采用3種方案：基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術分別使用基于鏈路增益的調(diào)度方法和基于總干擾的調(diào)度方法與隨機資源塊調(diào)度技術的比對。隨機資源塊調(diào)度是指每次調(diào)度的用戶在所有用戶中隨機選取，前后調(diào)度時刻在用戶選擇上完全獨立。

表2 模型仿真參數(shù)

上行鏈路功率控制是基于同一路徑增益的閉環(huán)循環(huán)：

其中Pmax為終端允許發(fā)射的最大功率（24dBm），M是上行Grant中指示分配的資源塊數(shù)，Po是用戶特定的參數(shù)，分辨率為1dB，動態(tài)范圍[-126dBm,24dBm]，α是小區(qū)特定的路損補償參數(shù)，PL是根據(jù)下行導頻測量路損，Δmsc為有RRC配置的表的示值。由RRC配置，Δmsc也可被置為零，MCS在上行Grant中指示，ΔPUSCH是UE特定的校正因子。

校正因子可以按如下公式產(chǎn)生：

其中SINRTarget為目標信干噪比，ESINRest為基站端接收的有效信干噪比，表示為：

SINR(i)為時刻i時的接收信噪比，ε為遺忘因子。

3.2 數(shù)值結果比對和分析

仿真性能比較分別從SINR、小區(qū)邊緣吞吐量、小區(qū)吞吐量干噪比（IoT）均值4個方面進行比較。

我們給出了一組基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術和采用簡單干擾控制處理的隨機資源塊調(diào)度方案的性能仿真。隨機調(diào)度方案的干擾控制處理措施有部分功率控制、簡單過載OI處理。

圖3 70%負載情況下3種方案的SINR分布

圖4 70%負載情況下3種方案的吞吐量

圖3～6分別給出了在1×1×3組網(wǎng)方式下，采用傳統(tǒng)的隨機調(diào)度方法以及基于資源塊排序的兩種調(diào)度方法在不同負載情況下的SINR分布、吞吐量及5%邊緣吞吐量。從圖示結果中可以明顯看到，相比較傳統(tǒng)隨機調(diào)度方法，基于用戶鏈路增益排序調(diào)度和基于用戶的總干擾排序調(diào)度兩種TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)方案均能較大提高小區(qū)用戶的整體SINR分布，提升小區(qū)吞吐量，體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。在上行滿負載的情況下，基于用戶鏈路增益排序調(diào)度的方法和基于用戶的總干擾排序調(diào)度的方法能夠獲得基本一致的性能提升。相對于隨機調(diào)度方案，50%的SINR約提高了2dB；基于用戶鏈路增益的調(diào)度方案的平均吞吐量提高了約18%，基于用戶的總干擾排序調(diào)度方案的平均吞吐量提高了約22%；基于用戶鏈路增益的調(diào)度方案的5%邊緣吞吐量提高了約35%，基于用戶的總干擾排序調(diào)度方案的5%邊緣吞吐量提高了約27%。

圖5 70%負載情況下3種方案的5%邊緣吞吐量

圖6 70%負載情況下3種方案IoT

性能結果顯示基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術具有很好的干擾控制特性，可以有效地帶來系統(tǒng)整體吞吐量和邊緣用戶性能的提升。

4 結論

通過干擾控制、抑制網(wǎng)絡干擾水平，是實現(xiàn)TDLTE同頻組網(wǎng)的關鍵條件。

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術實現(xiàn)了時域和頻域資源的動態(tài)規(guī)劃和調(diào)度。Monte Carlo仿真結果證實了該技術能夠增強TD-LTE系統(tǒng)的性能，尤其是小區(qū)邊緣的性能。該技術具有組網(wǎng)復雜度低、可實現(xiàn)性強、干擾控制性能憂的特點。而且，該技術能夠很好地和其他小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術結合以獲得更佳的性能。

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術通過對LTE系統(tǒng)資源的預規(guī)劃，確定各個小區(qū)內(nèi)資源塊的使用次序。在此基礎上，根據(jù)小區(qū)容量、用戶與基站間的距離損耗等因素，進行資源管理調(diào)度，從而實現(xiàn)全網(wǎng)協(xié)同無線資源管理與調(diào)度。

基于規(guī)劃的TD-LTE時頻聯(lián)合干擾協(xié)調(diào)技術的資源管理系統(tǒng)不僅通過無線資源規(guī)劃實現(xiàn)了全網(wǎng)范圍內(nèi)的協(xié)同資源管理，降低網(wǎng)內(nèi)干擾，提高網(wǎng)絡性能，而且涉及的算法復雜度低，解決了協(xié)同資源管理調(diào)度過于復雜的問題，實現(xiàn)簡單，應用方便。

對于目前非常熱門的無線電感知和頻譜共享研究領域，該技術完全可以通過在基站側對共享頻譜的資源塊規(guī)劃實現(xiàn)頻譜共享場景下TD-LTE組網(wǎng)的干擾抑制問題的解決。

[1] 3GPP. Physical Layer Aspects for Evolved UTRA, TR25.913,V7.3.0[S].

[2] Qu J J, Long Z W. The capacity characteristic and influence factor of TD-LTE[J]. Telecommunications Science, 48-52.

[3] 3GPP. (2006). Physical Layer Aspects for Evolved UTRA, TR 25.814 V7.1.0[S].

[4] 3GPP. (2005). Inter-cell Interference Handling for E-UTRA, TSGRAN WG1#42[S].

[5] 3GPP. (2005). Interference Coordination in New OFDM DL Air interface,TSG-RAN WG1 #41[S].

[6] 3GPP. (2005). Interference Mitigation Considerations and Results on Frequency Reuse, TSG-RAN WG1#42[S].

[7] 3GPP. (2008). Radio Frequency (RF) System Scenarios, TS 36.942,V8.0.0[S].

[8] 3GPP. (2008). Requirements for Further Advancement for E-UTRA(LTE-Advanced), TR 36.913[S].