時(shí)隙配置下TD－LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾抑制仿真研究

陳鵬飛，李錦川，譚國平

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 通信與信息系統(tǒng)研究所，江蘇 南京210098）

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線通信的接入網(wǎng)向核心分組網(wǎng)的傳輸出現(xiàn)了許多更靈活的方式，諸如基于IP傳輸?shù)募彝セ疽约帮w蜂窩基站等微蜂窩基站［1］。家庭基站［2］（毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，femtocell）是近年來根據(jù)移動通信技術(shù)發(fā)展以及無線寬帶化需求推出的超小型移動服務(wù)基站，主要用來解決移動通信室內(nèi)覆蓋問題。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將原來全部由宏基站承載的移動網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分流到新型基站。

在使用TDD 技術(shù)的TD－LTE系統(tǒng)［3］中，用戶上傳和下載過程所需的上下行傳輸時(shí)隙配置大不相同，傳統(tǒng)的上下行傳輸對稱的配置會造成資源的浪費(fèi)。根據(jù)自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)來靈活進(jìn)行上下行時(shí)隙配置對提高基站的資源利用率有重大的意義。使用TDD 技術(shù)的TD－LTE系統(tǒng)比其它系統(tǒng)有著頻譜利用率高、上下行傳輸時(shí)隙比例靈活配置等特點(diǎn)［4，5］，但是由于在TD－LTE系統(tǒng)基站之間進(jìn)行靈活的上下行傳輸時(shí)隙配置［6，7］會造成相鄰基站之間出現(xiàn)干擾，包括上下行時(shí)隙配置相同時(shí)產(chǎn)生的常規(guī)時(shí)隙干擾和傳輸時(shí)隙不一致產(chǎn)生的交叉時(shí)隙干擾，從而造成復(fù)雜的干擾場景［8］，因此靈活時(shí)隙配置技術(shù)一直未在TDD 系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

為了讓靈活時(shí)隙配置技術(shù)更好的應(yīng)用到TD－LTE 系統(tǒng)中，本文對家庭基站用戶分布范圍、功控技術(shù)［9］以及頻率復(fù)用技術(shù)［10］在不同時(shí)隙配置下的干擾抑制性能進(jìn)行仿真，并對結(jié)果進(jìn)行分析比較。這3種干擾抑制方案都不同程度地對干擾產(chǎn)生抑制作用，通過比較最終得出家庭基站間靈活的頻率復(fù)用技術(shù)對進(jìn)行靈活時(shí)隙配置的干擾抑制更有進(jìn)一步的研究價(jià)值。

1 上行干擾系統(tǒng)仿真方案

本章將根據(jù)TD－LTE系統(tǒng)的具體系統(tǒng)配置，建立包括調(diào)度、功率控制、HARQ 傳輸?shù)燃夹g(shù)在內(nèi)的TD－LTE 系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，研究在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，在宏基站與家庭基站之間使用不同的系統(tǒng)上下行時(shí)隙配置條件下，家庭基站系統(tǒng)的上行傳輸干擾與頻譜效率等系統(tǒng)性能參數(shù)的分布情況；改變仿真條件，對比家庭基站用戶的分布范圍以及現(xiàn)有的上行功率控制技術(shù)、部分頻率規(guī)劃技術(shù)對家庭基站干擾抑制性能的影響。

1.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，本系統(tǒng)仿真設(shè)置7個(gè)三扇區(qū)制的宏基站，每個(gè)基站的扇區(qū)下布置20個(gè)宏基站用戶，在中心基站的3個(gè)扇區(qū)分別隨機(jī)布置一個(gè)家庭基站的雙排模型，每個(gè)雙排模型的每橫排隨機(jī)放置1個(gè)家庭基站，每個(gè)家庭基站下面按照不同的要求隨機(jī)放置2個(gè)家庭基站用戶。宏基站之間的距離為500m，基站上行發(fā)射天線數(shù)為1，上行接收天線數(shù)為2。

本仿真采用與實(shí)際跟接近的家庭基站雙排模型，每個(gè)雙排模型包含兩個(gè)房屋群，每個(gè)房屋群含有2排房間，每排房間有10個(gè)房間，一共40個(gè)房間。雙排模型的每個(gè)房間的長寬均為10m，其中房屋群之間的距離為10m；雙排模型可以選擇層數(shù)1－10，本文默認(rèn)為一層房間。在雙排模型中每個(gè)房間內(nèi)隨機(jī)布置一個(gè)家庭基站，家庭用戶可以與家庭基站在同一個(gè)房間，也可以放入其它房間；設(shè)置一個(gè)家庭基站開通率，即雙排模型中只有一部分家庭基站工作。宏基站用戶按照一定的比例分布于雙排模型內(nèi)部房間內(nèi)；宏基站用戶在室內(nèi)外的布置都是隨機(jī)的均勻分布。由于家庭基站布置的隨機(jī)性，該仿真每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本都重復(fù)實(shí)驗(yàn)8次后做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以使家庭基站能盡可能分布在宏基站的扇區(qū)的不同位置，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加全面。

如表1和表2所示為本仿真系統(tǒng)參數(shù)配置。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)配置信息表

表2 系統(tǒng)仿真信號損耗模型

1.2 仿真流程

該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的初始化階段，需要輸入相關(guān)的諸如系統(tǒng)上下行時(shí)隙配置參數(shù)、系統(tǒng)的仿真時(shí)間等控制參數(shù)，以及布置宏基站及宏基站用戶、家庭基站及家庭基站用戶，初始化小尺度的多徑干擾信道，計(jì)算各個(gè)基站之間、用戶與基站之間的路徑損耗等數(shù)據(jù)。

圖2是該仿真平臺的運(yùn)行處理部分流程圖，其主要模擬了TD－LTE物理層的若干關(guān)鍵技術(shù)，首先是HARQ 技術(shù)，在每個(gè)TTI（transmission time interval，傳輸時(shí)間間隔，為1ms，即一個(gè)上下行傳輸時(shí)隙的時(shí)間長度），首先判斷該時(shí)刻是用戶上行傳輸時(shí)刻還是檢測HARQ 通道時(shí)刻，如果是用戶上行傳輸時(shí)刻，則系統(tǒng)對每一個(gè)基站進(jìn)行調(diào)度、功控、干擾計(jì)算以及接收機(jī)處理等過程，如果是檢測HARQ通道時(shí)刻，則進(jìn)行小區(qū)用戶的更新，以便為用戶上行傳輸時(shí)刻進(jìn)行用戶資源塊調(diào)度做好準(zhǔn)備。該TD－LTE 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的宏基站與家庭基站的處理過程是相互獨(dú)立的，除了在干擾模塊以外，其它模塊二者是分開處理的。

圖2 系統(tǒng)仿真運(yùn)行處理部分流程

2 干擾抑制方案仿真結(jié)果與分析

本系統(tǒng)仿真主要研究在宏基站與家庭基站在常規(guī)時(shí)隙與交叉時(shí)隙條件下的家庭基站的上行干擾情況以及家庭基站的頻譜效率，對比家庭基站用戶分布范圍、家庭基站使用功控技術(shù)、以及系統(tǒng)頻譜復(fù)用技術(shù)對家庭基站系統(tǒng)的干擾抑制性能的影響。由于該系統(tǒng)仿真使用的家庭基站雙排模型，家庭基站發(fā)射功率較小，家庭基站穿墻損耗較大，因此其對宏基站影響較小；但是由于宏基站的用戶可能分布于家庭基站室內(nèi)且宏基站的下行傳輸功率是其上行傳輸功率的最大值的數(shù)十倍，其在交叉時(shí)隙以及常規(guī)時(shí)隙對家庭基站影響較大，因此此處選擇家庭基站作為研究對象。

2.1 家庭基站用戶的分布范圍仿真與分析

場景一：家庭基站用戶僅分布在放置家庭基站的房間；

場景二：家庭基站用戶可以隨機(jī)分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間。

如圖3所示，在場景一下，家庭基站與宏基站的交叉時(shí)隙與常規(guī)時(shí)隙信干噪比概率分布曲線差距較小，僅在高信噪比 （約15dB以上）開始出現(xiàn)差距，因此可看出此場景下家庭基站系統(tǒng)性能下降不多，干擾抑制能力較強(qiáng)；在場景二下，交叉時(shí)隙家庭基站的信干噪比分布曲線向低信噪比移動約5dB，此場景下家庭基站的用戶在交叉時(shí)隙的干擾抑制能力下降。

圖3 不同用戶位置對應(yīng)的信干噪比

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)榧彝セ镜挠脩舴植挤秶兇笾?，其用戶到家庭基站的路徑損耗變大，再加上陰影衰落、穿墻損耗的增加，會使家庭基站收到用戶的發(fā)射信號會隨著家庭基站用戶分布范圍擴(kuò)大而減小，因此在相同的干擾場景下，其抗干擾能力進(jìn)一步減弱。

2.2 上行功率控制方案仿真與分析

家庭基站用戶可以隨機(jī)分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間；

場景一：家庭基站使用上行功率控制技術(shù)；

場景二：家庭基站不使用上行功率控制技術(shù)。

由圖4可看出，在常規(guī)時(shí)隙，家庭基站進(jìn)行功率控制的干擾分布曲線比家庭基站不進(jìn)行功率控制的干擾分布曲線約有1dB的差距，而在交叉時(shí)隙，二者僅在較低的上行傳輸信干噪比條件下（－5dB－5dB），家庭基站進(jìn)行功率控制能略微提升其干擾抑制性能。

圖4 上行功率控制用戶信干噪比分布

TD－LTE基站系統(tǒng)的小區(qū)內(nèi)上行功率控制技術(shù)主要可以根據(jù)小區(qū)內(nèi)不同用戶的信道條件，自動調(diào)節(jié)用戶的發(fā)射功率。一方面在用戶信道條件較好的情況下，可以減少用戶上行發(fā)射功率，雖然可以使用戶上行傳輸信干噪比略微下降，但是在不影響系統(tǒng)性能的前提下，達(dá)到小區(qū)用戶節(jié)能的目的；另一方面，在用戶的信道條件較差的情況下，可以提高用戶的上行發(fā)射功率，以遏止干擾信號。但是由于TD－LTE系統(tǒng)功率控制的最大值不能超過用戶的最大發(fā)射功率，因此小區(qū)內(nèi)上行功率控制對小區(qū)用戶干擾抑制的能力有限。

2.3 家庭基站部分頻率復(fù)用技術(shù)仿真與分析

家庭基站用戶可以隨機(jī)分布在放置家庭基站的房間的室內(nèi)或相鄰的房間；

場景一：單個(gè)家庭基站用戶每次使用全部的24個(gè)資源塊進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景二：每個(gè)家庭基站用戶使用全部24個(gè)資源塊中連續(xù)6個(gè)進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景三：每個(gè)家庭基站用戶使用全部24個(gè)資源塊中連續(xù)9個(gè)進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；

場景四：每個(gè)家庭基站用戶使用全部24個(gè)資源塊中連續(xù)12個(gè)進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；

如圖5所示，在使用頻率復(fù)用技術(shù)之后，隨著單個(gè)家庭基站使用的頻譜資源的數(shù)量的增多，在常規(guī)時(shí)隙，其用戶上行傳輸信干噪比分布概率曲線向低信干噪比移動的幅度小于交叉時(shí)隙，在一定程度上提高了抗干擾性能；在交叉時(shí)隙，兩者的信干噪比分布曲線基本一致。

圖5 家庭基站上行傳輸信干噪比分布

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于在家庭基站之間進(jìn)行部分頻率復(fù)用之后，它們之間只存在較少的干擾，在一定程度上減少了家庭基站的干擾信號；單個(gè)家庭基站的使用的資源塊數(shù)量減少，其單個(gè)資源塊的發(fā)射功率較之全頻率復(fù)用的發(fā)射功率增加，因此其抗干擾能力提升，在較少的頻譜資源上的頻譜效率有所提高；單個(gè)家庭基站使用的載頻帶寬變小，雖然其抗噪聲能力增加，但是其整體吞吐量有所下降。

2.4 結(jié) 論

由以上分析可以看出，家庭基站用戶分布范圍越大，其抗干擾性能越低，特別是在與宏基站出現(xiàn)交叉時(shí)隙的場景下，其抗干擾能力下降十分明顯；上行功率控制的常規(guī)時(shí)隙與交叉時(shí)隙抗干擾能力相差較小，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以達(dá)到節(jié)能的目的，即通過減少上行發(fā)射功率，在不影響系統(tǒng)性能的前提下使用戶上行傳輸信干噪比略微下降，但提高用戶上行發(fā)射功率受到TD－LTE 系統(tǒng)功率控制的最大值不能超過用戶的最大發(fā)射功率這個(gè)限制，因此小區(qū)內(nèi)上行功率控制對小區(qū)用戶干擾抑制能力有限；在常規(guī)時(shí)隙，家庭基站使用部分頻率復(fù)用技術(shù)，均會提高家庭基站的干擾抑制性能；在交叉時(shí)隙，家庭基站使用較少的資源塊的時(shí)候，其干擾抑制性能有所提高，但是家庭基站使用的系統(tǒng)資源塊大約在12個(gè)的時(shí)候，該技術(shù)基本不能提高家庭基站的干擾抑制性能。另外，家庭基站之間進(jìn)行部分頻率復(fù)用后，可犧牲一定的小區(qū)吞吐量來獲得常規(guī)時(shí)隙和交叉時(shí)隙條件下較好的干擾抑制性能。靈活的部分頻率復(fù)用技術(shù)，即根據(jù)與宏基站的干擾不同，設(shè)置家庭基站不同的資源塊復(fù)用數(shù)量，對系統(tǒng)的抗干擾能力有所提高。該技術(shù)符合家庭基站使用環(huán)境，值得進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3 結(jié)束語

本文講述了TD－LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行干擾系統(tǒng)仿真平臺使用的系統(tǒng)模型、基站布置方案、基站配置參數(shù)等；然后通過仿真圖對比了家庭基站用戶分布范圍、功控技術(shù)、以及頻率復(fù)用技術(shù)對家庭基站系統(tǒng)的干擾抑制性能的影響。研究結(jié)果表明：家庭基站用戶的分布范圍會影響家庭基站的干擾抑制性能，且家庭基站間靈活的頻率復(fù)用技術(shù)可以有效的提升家庭基站干擾抑制性能，值得進(jìn)一步研究。下一步可繼續(xù)完善TD－LTE系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行干擾仿真平臺，并加入下行仿真內(nèi)容；研究更多TD－LTE 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活時(shí)隙配置時(shí)的干擾抑制方案。

［1］TIAN Yingnan，ZHANG Xin，WANG Jing，et al.LTE femtocell interference management research ［J］.Mobile Communication，2010，8 （8）：52－57 （in Chinese）. ［田英男，張欣，王靜，等.LTE 家庭基站干擾管理研究 ［J］.移動通信，2010，8 （8）：52－57.］

［2］3GPP TR 23.830V9.0.0.Technical specification group services and system aspects，architecture aspects of home NodeB and home eNodeB［S］.3GPP TSG－RAN WG1＃66，2011.

［3］WANG Lingkan，LIN Xiaoxuan，CHEN Wei.TD－LTE technology development and its application ［J］.Mobile Communication，2011，6 （6）：56－58 （in Chinese）.［王令侃，林曉軒，陳煒.TD－LTE技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用 ［J］.移動通信，2011，6（6）：56－58.］

［4］Intel，3GPP R1－112229，Interference environment and DL－UL traffic asymmetry in LTE－TDD systems［S］.3GPP TSG－RAN WG1＃66，2011.

［5］Renesas Mobile Europe Ltd，3GPP R1－112321.Discussion on simulation assumptions for TDD DL－UL interference management and traffic adaptation［S］.3GPP TSG－RAN WG1＃66，2011.

［6］MENG Wei，MENG Zhengda.TD－SCDMA system dynamic channel allocation technology research ［J］.Computer Knowledge and Technology，2008，4 （4）：812－814 （in Chinese）.［孟偉，孟正大.TD－SCDMA 系統(tǒng)中動態(tài)信道分配技術(shù)研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2008，4 （4）：812－814.］

［7］SHI Wenxiao，ZHAO Yezhen，ZHAO Song，et al.Fast dynamic channel allocation scheme based on TD－SCDMA system［J］.Journal of Jilin University，2008，38 （4）：955－959 （in Chinese）.［石文孝，趙業(yè)禎，趙嵩，等.基于TD－SCDMA 系統(tǒng)的快速動態(tài)信道分配方案 ［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38（4）：955－959.］

［8］HTC，3GPP R1－112599，Possible enhancements to LTE TDD for DL－UL interference management and traffic adaptation ［S］.3GPP TSG－RAN WG1＃66，2011.

［9］CHEN Jun，PENG Mugen，WANG Wenbo.Research of TDLTE system power control technology ［J］.Data Communication，2010，4 （4）：28－31 （in Chinese）.［陳俊，彭木根，王文博.TD－LTE 系統(tǒng)功率控制技術(shù)的研究 ［J］.數(shù)據(jù)通信，2010，4 （4）：28－31.］

［10］ZHU Qiang，HU Hengjie，YANG Menghan，et al.TDLTE frequency reuse and interference coordination ［J］.Mobile Communication，2010，5 （5）：36－40 （in Chinese）.［朱強(qiáng)，胡恒杰，楊夢涵，等.TD－LTE 頻率復(fù)用與干擾協(xié)調(diào)［J］.移動通信，2010，5 （5）：36－40.］