隨著HSDPA、HSUPA等技術(shù)的發(fā)展，為了保證3GPP在今后很長的一段時(shí)間內(nèi)具有競(jìng)爭(zhēng)性，必須考慮3GPP無線接入技術(shù)的長期演進(jìn)。在3GPP TR25.814中指出，3GPP長期演進(jìn)的主要內(nèi)容包括縮短傳輸延遲、提高用戶數(shù)據(jù)速率及系統(tǒng)容量和覆蓋、減少運(yùn)營商的成本等。

　　【摘 要】針對(duì)LTE系統(tǒng)小區(qū)間干擾不可避免的問題，重點(diǎn)介紹基于交織多址接入(IDMA)的干擾消除，闡述了小區(qū)間干擾消除系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)與原理，并給出了LTE系統(tǒng)基于IDMA的干擾消除仿真以及數(shù)據(jù)分析。

　　【關(guān)鍵詞】專業(yè)論文指導(dǎo),LTE IDMA,小區(qū)間干擾,干擾消除

　　1 引言

　　對(duì)于運(yùn)營商來說，無線接入技術(shù)和接入網(wǎng)絡(luò)最重要的性能指標(biāo)是頻譜利用率、業(yè)務(wù)QoS保障。為了達(dá)到高的頻譜效率，在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)要盡量使頻譜復(fù)用因子接近1。為了提供令人滿意的服務(wù)，需要保證用戶，特別是小區(qū)邊緣用戶的QoS。由于3GPP LTE采用OFDM/OFDMA作為傳輸技術(shù)，而OFDM系統(tǒng)是通過正交頻率子信道區(qū)分用戶，因此基本可以避免小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾。但小區(qū)間即基站之間在同頻組網(wǎng)下，上下行鏈路將會(huì)存在干擾，所以目前人們討論的LTE干擾管理主要是針對(duì)小區(qū)間的干擾管理。下行干擾是相鄰小區(qū)基站的下行信號(hào)對(duì)本小區(qū)位于邊緣區(qū)域的用戶的干擾;上行干擾是本小區(qū)基站受到臨近小區(qū)邊緣用戶的上行信號(hào)的干擾。為提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的頻譜利用率，必須有效減輕小區(qū)間干擾。

　　2 LTE系統(tǒng)小區(qū)間干擾抑制方法介紹

　　小區(qū)間干擾(ICI，Inter-Cell Interference)是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)固有問題。傳統(tǒng)的解決方法是采用頻率復(fù)用，復(fù)用系數(shù)只有特定的幾個(gè)選擇，如1、3、7等。復(fù)用系數(shù)為 l即相鄰小區(qū)都使用相同的頻率資源，這時(shí)在小區(qū)邊緣的干擾很嚴(yán)重;較低的復(fù)用系數(shù)(3或7)可以有效地抑制ICI，但頻譜效率將減低到1/3或1/7。

　　LTE特有的OFDMA接入方式使本小區(qū)內(nèi)的用戶信息承載在相互正交的不同載波上，因此所有的干擾來自于其他小區(qū)。對(duì)于小區(qū)中心的用戶來說，其本身離基站的距離就比較近，而外小區(qū)的干擾信號(hào)距離又較遠(yuǎn)，則其信噪比相對(duì)較大;但是對(duì)于小區(qū)邊緣的用戶，由于相鄰小區(qū)占用同樣載波資源的用戶對(duì)其干擾較大，加之本身距離基站較遠(yuǎn)，其信噪比相對(duì)就較小，導(dǎo)致雖然小區(qū)整體的吞吐量較高，但是小區(qū)邊緣的用戶服務(wù)質(zhì)量較差，吞吐量較低。因此在LTE中，小區(qū)間干擾抑制技術(shù)非常重要。

　　在LTE的研究和標(biāo)準(zhǔn)化過程中，根據(jù)抑制干擾采用的技術(shù)手段不同，主要形成了以下三類干擾抑制技術(shù)：

　　(1)干擾隨機(jī)化：是通過隨機(jī)化干擾信號(hào)來進(jìn)行干擾壓制的一類技術(shù);

　　(2)干擾協(xié)調(diào)/避免：是通過在小區(qū)間合理分配資源，盡量使相鄰小區(qū)間所用資源正交，從而減少小區(qū)間干擾;

　　(3)干擾消除：是通過在用戶端利用處理增益來進(jìn)行干擾壓制的一類技術(shù)。

　　干擾消除的想法最初是在CDMA系統(tǒng)中提出，可以將干擾小區(qū)的信號(hào)解調(diào)、解碼，然后將來自該小區(qū)的干擾重構(gòu)、刪除。LTE雖然采用OFDM的接人方式，但仍然引入了干擾消除的概念。小區(qū)間干擾消除的實(shí)現(xiàn)方法主要有以下兩種：

　　(1)利用在接收端的多天線空間抑制方法來進(jìn)行干擾刪除，相關(guān)的檢測(cè)算法在多輸入多輸出(MIMO)的研究中已經(jīng)被廣泛采用;

　　(2)基于IDMA的小區(qū)間干擾消除。

　　本文將重點(diǎn)討論基于IDMA的干擾消除技術(shù)，如圖1所示，IDMA可以通過偽隨機(jī)交織器產(chǎn)生不同的交織圖案，并分配給不同的小區(qū)，接收機(jī)采用不同的交織圖案解交織，即可將目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)分別解出，然后在總的接收信號(hào)中減去干擾信號(hào)。

　　3 IDMA系統(tǒng)基本原理

　　3.1 IDMA系統(tǒng)模型

　　IDMA實(shí)質(zhì)上是一種擴(kuò)頻多址系統(tǒng)，因此其基本結(jié)構(gòu)與CDMA相似。但不同的是卷積碼編碼的CDMA系統(tǒng)方案中，交織器是放在擴(kuò)頻器的前面，主要用于打亂信息序列和抑制突發(fā)性干擾;而在IDMA系統(tǒng)中，交織器放在擴(kuò)頻器的后面，是基于編碼擴(kuò)頻后的碼片級(jí)交織，不但可以抑制突發(fā)性干擾，同時(shí)還可以區(qū)分用戶 A。如圖2所示：

　　3.2 IDMA發(fā)送與接收結(jié)構(gòu)

　　考慮同時(shí)存在K個(gè)用戶情況下的IDMA方案，其發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)如圖3所示：

　　IDMA原理的關(guān)鍵是不同用戶所分配的交織器πk必須各不相同，假設(shè)交織獨(dú)立并隨機(jī)生成。交織器打亂了原來編碼序列的順序，從而使得相鄰的碼片近似不相關(guān)，這樣接收端采用迭代的結(jié)構(gòu)，使在chip級(jí)檢測(cè)出原始信號(hào)變得容易。

　　如圖3所示，接收端采用次優(yōu)檢測(cè)結(jié)構(gòu)，主要由基本信號(hào)估計(jì)器(ESE)和K個(gè)單用戶后驗(yàn)概率譯碼器(DEC)組成。多址接入和編碼限制在ESE和DEC中是分開處理的。ESE和DEC的輸出信息是關(guān)于{xk(j)}的對(duì)數(shù)似然比(LLRS)外信息輸出為A：

　　ESE和DEC模塊產(chǎn)生的外信息通過利用下標(biāo)來區(qū)別，分別表示為eESE(xk(j))和eDEC(xk(j))。對(duì)于ESE，式(1)中的y表示接受通道的輸出;對(duì)于DEC，式(1)中的y是ESE輸出的信息解交織后所形成。一個(gè)全局的片到片的Turbo型迭代接收過程對(duì)ESE和DEC所輸出的 LLRs進(jìn)行處理。

　　3.3 IDMA的特點(diǎn)

　　碼分多址技術(shù)(CDMA)所有用戶的數(shù)據(jù)在時(shí)間上和頻率上重疊，不同用戶的數(shù)據(jù)通過不同的正交擴(kuò)頻碼來區(qū)分。由于擴(kuò)頻技術(shù)的引入，可以得到擴(kuò)頻處理增益，這樣在信噪比一定的情況下可以提高信道容量。但是在實(shí)際系統(tǒng)中，多徑延遲會(huì)引入 MAI，即CDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限的自干擾系統(tǒng)，并且隨著用戶數(shù)的增多，多用戶干擾MUI問題日益嚴(yán)重。而高速數(shù)據(jù)通信是無線通信發(fā)展趨勢(shì)，為滿足這一要求必須使用高碼率、高階調(diào)制以及多天線技術(shù)，這種背景下CDMA會(huì)因?yàn)閿U(kuò)頻序列不夠而大大限制了用戶容量。IDMA系統(tǒng)不但繼承了CDMA系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)如抗衰落特性等，而且還不受碼資源限制，使其優(yōu)勢(shì)尤為突出。 　　從本質(zhì)上來說，IDMA具有以下特點(diǎn)：

　　(1)沒有經(jīng)過擴(kuò)頻處理，不同用戶使用了不同的交織圖案，即通過不同交織方案來識(shí)別用戶，因此不受信道化碼等碼資源的限制;

　　(2)交織多址是碼片級(jí)交織Chip-level Interleave)，內(nèi)含了與比特交織編碼調(diào)制BICM(Bit Interleaving Coding and Modulation)相同的機(jī)制，所以具有與BICM相同的優(yōu)點(diǎn)，即更高的分集階數(shù)(Diversity Order);

　　(3)交織多址通過編碼方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，具有最大化的編碼增益;

　　(4)交織多址更適合與迭代檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過迭代，交織多址能夠發(fā)揮出分集階數(shù)高、編碼增益大的優(yōu)勢(shì)，取得比CDMA更優(yōu)越的性能。

　　4 IDMA技術(shù)及其在干擾消除中的應(yīng)用

　　IDMA技術(shù)作為多用戶多徑傳輸?shù)氖讉�(gè)重要技術(shù)，其基本原理是用不同的交織方式作為一種多址方式來區(qū)分用戶，通過和信道編譯碼的結(jié)合，采用選代的結(jié)構(gòu)，在chip級(jí)檢測(cè)出原始信號(hào)。近年來，IDMA技術(shù)作為LTE系統(tǒng)多址接入方案，已被證明以IDMA為基礎(chǔ)的小區(qū)間干擾消除可以提供超過50%的小區(qū)邊緣平均吞吐量增益，5%以上的整體平均吞吐量增益。

　　4.1 小區(qū)間干擾消除系統(tǒng)模型

　　在常規(guī)的IDMA干擾消除方案中，所有干擾基站的信號(hào)估計(jì)和所有的干擾信號(hào)都被設(shè)為高斯噪聲。這樣在估算一切干擾基站的信號(hào)時(shí)就會(huì)增大運(yùn)算復(fù)雜度，而且當(dāng)存在較強(qiáng)干擾信號(hào)時(shí)，高斯噪聲的假設(shè)可能不適用。于是將干擾基站分為強(qiáng)干擾基站(S-BS)和弱干擾基站(W-BS)。從弱干擾基站發(fā)出的干擾信號(hào)將被視為高斯噪聲，而從強(qiáng)干擾基站發(fā)出的干擾信號(hào)將使用迭代檢測(cè)的方法進(jìn)行抑制。同時(shí)，在實(shí)際的應(yīng)用中，可以讓UE檢測(cè)附近相鄰的基站功率，通過功率大小來分辨出強(qiáng)干擾基站。

　　LTE物理層應(yīng)用于基站信號(hào)傳輸，假設(shè)發(fā)送器和接收器只設(shè)置為單一天線，如圖4所示：

　　需注意的是，圖4只表示了一個(gè)UE和干擾基站，為了簡(jiǎn)化，其他的干擾基站和UE均未表示出來。

　　在實(shí)際的系統(tǒng)中，要考慮基站中本地振蕩器之間的頻率偏移以及從目標(biāo)基站和干擾基站接收到的信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間偏移(OFDM符號(hào)時(shí)間偏移)。因此，為了簡(jiǎn)化評(píng)估，可以假設(shè)頻率偏移已經(jīng)小到可以忽略，同時(shí)目標(biāo)基站和干擾基站之間能夠互相協(xié)調(diào)傳輸時(shí)間，那么時(shí)間偏移也可以忽略。

　　假設(shè)信號(hào)檢測(cè)和小區(qū)間干擾消除是塊與塊進(jìn)行處理，每一塊包含J個(gè)OFDM符號(hào)，也就是數(shù)據(jù)幀長度。在接收端，在FFT(快速傅立葉變換)是適用于接收信號(hào)。讓rm(j)表示為第m個(gè)子載波、第j個(gè)OFDM符號(hào)的信號(hào)，為了不失去一般性，進(jìn)一步假設(shè)子載波獨(dú)立處理。因此，放下m的依賴性，則接收到的信號(hào)可表示為：

　　其中，N為使用相同子載波的基站數(shù)目;hn為第n個(gè)用戶的信道相關(guān)系數(shù);{n(j)}為方差σ2=N0/2的高斯白噪聲過程的采樣值。假設(shè)接收端已知信號(hào)系數(shù)hn，通過測(cè)量所有基站的信號(hào)功率，目標(biāo)UE將所有的基站分為服務(wù)基站、S-BSs和W-BSs，則接收信號(hào)公式可改寫為：

　　其中，式(3)的前半部分為服務(wù)基站和S-BSs的信號(hào)疊加，所以S-BSs的數(shù)目為(P-1)。

　　4.2 小區(qū)間干擾消除迭代信號(hào)檢測(cè)

　　假設(shè)對(duì)于目標(biāo)終端，服務(wù)基站和S-BSs的交織編碼是已知的。如圖5所示，交織碼片級(jí)接收端包括一個(gè)基本信號(hào)估計(jì)器ESE和P個(gè)單用戶后驗(yàn)概率(APP，A Posteriori Probability)譯碼器DEC組成。

　　用{eESE(xk(j))}和{eDEC(xk(j))}分別表示ESE和DEC模塊產(chǎn)生的外信息。由兩個(gè)模塊之間的信息交互來完成迭代接收過程。在模擬的信號(hào)檢測(cè)中，每比特信息不僅包括目標(biāo)信號(hào)，而且還要S-BSs的干擾信號(hào)，不斷在軟輸出ESE和軟輸入軟輸出DEC之間迭代處理，直至達(dá)到最佳信號(hào)狀態(tài)。

　　為了簡(jiǎn)單化，采用同步的BPSK調(diào)制進(jìn)行分析。通過中心極限定理，ζk(j)可被近似為均值為0、方差為Var(ζk(j))的高斯隨機(jī)變量。r(j)可用以下條件高斯概率密度函數(shù)來表示：

　　為了不失一般性，假設(shè)基站k為服務(wù)基站，則關(guān)于xk(j)的先驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比(LLRS)可表示為：

　　對(duì)于ESE的輸出為對(duì)數(shù)似然比(LLRS)外信息可表示為：

　　根據(jù)式(6)可得：

　　根據(jù)以下條件概率的公式：

　　通過一些簡(jiǎn)單的計(jì)算可得：

　　從式(10)可以看出，為了消去S-BSs的干擾，軟輸出ESE不僅從目標(biāo)信號(hào)還從S-BSs的信號(hào)提取接收目標(biāo)信號(hào)r(j)、信道系數(shù){hk，k=1，2，…，p}和先驗(yàn)LLRs{eDEC(xk(j))}來計(jì)算LLRs外信息{eESE(xk(j))}。

　　(2)譯碼器DEC模塊

　　DEC模塊以ESE模塊的輸出作為輸入，實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)概率APP譯碼。APP譯碼是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行操作，這里只考慮在圖4中信道編碼器的其中一個(gè)特別案例，就是由連續(xù)串連的字碼編碼器CFEC和長度為s的重復(fù)碼編碼器CREP。從性能的角度來看，這個(gè)方案并不優(yōu)化，其中重復(fù)碼的使用證明這是一個(gè)比較簡(jiǎn)陋的代碼。但是，這個(gè)模型也有靈活性相關(guān)的優(yōu)勢(shì)所在。

　　5 基于IDMA干擾消除系統(tǒng)仿真

　　6 總結(jié)

　　通過將相鄰小區(qū)干擾基站分為強(qiáng)干擾基站和弱干擾基站，在實(shí)際應(yīng)用中，小區(qū)邊緣UE可以對(duì)相鄰小區(qū)的功率進(jìn)行分析來加以區(qū)分。本文的仿真主要是針對(duì)S-BSs的干擾消除，采用 IDMA技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理及消除，由于相鄰小區(qū)基站數(shù)目有限，計(jì)算的復(fù)雜度是不高的，并且效果明顯，從而解決了UE干擾嚴(yán)重的問題。

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