沈振漢,黃華燦

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程院,福建泉州 362021)

B3G小區(qū)間干擾抑制技術(shù)

沈振漢,黃華燦

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程院,福建泉州 362021)

分析可用于或已經(jīng)用于長(zhǎng)期演進(jìn)(L TE)無線通信系統(tǒng)的小區(qū)間干擾抑制技術(shù).探討解決潛在信號(hào)與干擾加噪聲比覆蓋中斷問題的技術(shù),包括功率控制技術(shù)、空分多址接入天線技術(shù)、干擾消除技術(shù)和譯碼技術(shù)等.研究認(rèn)為,干擾消除能帶來顯著的增益,但由于處理的復(fù)雜性,僅應(yīng)用于L TE上行鏈路中,并且還需要基站間毫秒級(jí)實(shí)時(shí)交換信息以實(shí)現(xiàn)L TE系統(tǒng)的最大增益;球面譯碼和臟紙編碼等譯碼技術(shù)能提供的相當(dāng)好的增益,但處理復(fù)雜度限制了其在UL鏈路上的應(yīng)用;功率控制技術(shù)和多入多出(M IMO)技術(shù)是基于基站間的技術(shù),具有潛在的性能增益和基站實(shí)現(xiàn)的可行性.

后三代;長(zhǎng)期演進(jìn);干擾抑制;小區(qū)間;信號(hào)與干擾加噪聲比

后三代(Beyond 3rd Generation,B3G)無線通信系統(tǒng)向著高頻譜效率和較高的QoS方向發(fā)展,在僅增加有限帶寬的情況下,實(shí)現(xiàn)大吞吐量數(shù)據(jù)服務(wù)顯然是需要正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的[1].OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頻譜的正交分割,降低了數(shù)據(jù)傳輸速率,提高了可靠性,更具優(yōu)勢(shì)的是它的對(duì)抗信道頻率選擇性的衰落能力.所以,未來的無線通信主要是基于OFDM技術(shù)的.以L TE(Long Term Evolution)為例,從頻譜利用角度講,采用OFDM技術(shù)可以使小區(qū)頻譜利用效率達(dá)到或者接近1.意味著小區(qū)內(nèi)的所有基站可以同時(shí)使用所有的時(shí)頻數(shù)據(jù)塊(RBs),但這只是理論上的情形.由于上行發(fā)射功率限制, B3G系統(tǒng)的小區(qū)半徑肯定要比以前的2G和3G系統(tǒng)要小,即使縮小小區(qū)半徑,在干擾受限情況下,L TE達(dá)到預(yù)期的頻譜效率也會(huì)大打折扣的.所以,基站和終端接收干擾抑制技術(shù)就顯得很有必要.大幅度提高頻譜效率和系統(tǒng)容量,意味著B3G系統(tǒng)鏈路傳輸受信道干擾和其他用戶干擾的可能性增加,從而給干擾抑制技術(shù)帶來更高的要求.無線通信系統(tǒng)演進(jìn)的關(guān)鍵就是干擾抑制技術(shù)的發(fā)展[2].本文針對(duì)小區(qū)間的干擾,提出干擾消除和調(diào)諧技術(shù),并結(jié)合L TE R8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可行性驗(yàn)證.

1 小區(qū)間干擾抑制方案

一般小區(qū)干擾需要在時(shí)間、頻率或空間上使不同小區(qū)的信號(hào)保持正交性,在接收端正交性遭到破環(huán)時(shí)可以采取主動(dòng)的措施,移除或抵消掉干擾信號(hào).另外,根據(jù)下行鏈路特性,可先跟蹤定位終端,再根據(jù)基站分布估計(jì)出離潛在的,引起干擾的所有基站的距離;在接收信號(hào)和干擾信號(hào)的信道衰落條件都已知的情況下,對(duì)感興趣信號(hào)的信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)進(jìn)行計(jì)算.

在AWGN信道條件下,由于接收信號(hào)和干擾信號(hào)經(jīng)歷相同衰落,這樣計(jì)算復(fù)雜度會(huì)減小.分析上行鏈路干擾不僅需要知道目標(biāo)移動(dòng)終端的位置,而且需要知道其他所有可能引起干擾的移動(dòng)終端的相對(duì)位置.這些終端的數(shù)目和位置都是隨機(jī)變量,故干擾抑制相對(duì)下行鏈路困難些.

L TE采用以O(shè)FDMA為多址接入方式而構(gòu)建的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,可以做到頻率復(fù)用因子為1.即整個(gè)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的所有小區(qū),使用相同的頻帶為本小區(qū)內(nèi)的用戶提供服務(wù).在OFDM系統(tǒng)中,各子信道之間的正交性有嚴(yán)格的要求.雖然由于載波頻率和相位的偏移等因素會(huì)造成子信道間的干擾,但是可以在物理層通過采用先進(jìn)的無線信號(hào)處理算法,使這種干擾降到最低.因此,L TE系統(tǒng)中的小區(qū)內(nèi)干擾很小,而影響系統(tǒng)性能的主要干擾來自小區(qū)間干擾.對(duì)此,L TE采用了干擾隨機(jī)化處理措施,對(duì)碼字進(jìn)行加擾,但沒有像CDMA系統(tǒng)那樣采用功率控制技術(shù).

L TE系統(tǒng)中采用頻率復(fù)用方式對(duì)小區(qū)間的干擾進(jìn)行協(xié)調(diào),可以適用于各種帶寬的業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,并且對(duì)抑制小區(qū)間的干擾、改善小區(qū)邊緣用戶傳輸質(zhì)量有很好的效果.L TE的系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的核心思想:采用頻率復(fù)用技術(shù),使得相鄰小區(qū)之間的干擾信號(hào)源的距離盡可能遠(yuǎn),從而抑制相鄰小區(qū)的干擾,達(dá)到改善傳輸質(zhì)量、提高吞吐量的效果.L TE上行方案中采用基于高干擾指示(H II)和過載指示(O I)信息的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)方案.

2 LTE小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)潛力技術(shù)

在小區(qū)間干擾存在情況下,部署靜態(tài)N=1的頻率復(fù)用OFDM系統(tǒng)面臨一個(gè)問題.即在一個(gè)部署滿負(fù)荷的時(shí)候,大多數(shù)覆蓋區(qū)域?qū)?huì)面臨負(fù)SINR水平,導(dǎo)致部署覆蓋區(qū)域內(nèi)的差異,有很多用戶將面臨負(fù)SINR的情況.需要注意的是,在一個(gè)滿負(fù)荷干擾受限蜂窩部署內(nèi),SINR惡化的嚴(yán)重程度將會(huì)與平均的路徑損失指數(shù)高度相關(guān).對(duì)于一個(gè)具有固定小區(qū)間距離的的蜂窩部署來說,具有5～6級(jí)的路徑損耗指數(shù)的高路徑損耗衍生環(huán)境,將比具有較低路徑損耗指數(shù)的面臨較少的總體干擾.

由于臨近小區(qū)的潛在干擾信號(hào)在前者情況下將會(huì)受到更加嚴(yán)重的衰落,而其衍生環(huán)境將會(huì)有明顯的SINR變化.因此,為了部署一個(gè)L TEOFDM系統(tǒng),需要對(duì)出現(xiàn)的負(fù)SINR覆蓋區(qū)域進(jìn)行緩和.

3 解決潛在SINR覆蓋中斷的技術(shù)

3.1 功率控制技術(shù)

目前,功率控制技術(shù)比較傾向于使用部分功率控制技術(shù)替代傳統(tǒng)的完整路徑功率控制技術(shù)[3].這是一個(gè)折衷方法,可通過功率控制以補(bǔ)償小區(qū)邊緣移動(dòng)終端部分路徑損耗,而不是整個(gè)路徑.在場(chǎng)景采用500～1 000 m小區(qū)間距離,帶寬10 MB的干擾受限環(huán)境下,使用部分功率控制可以比傳統(tǒng)的功率控制提高整體扇區(qū)的吞吐量20%;而如果采用的場(chǎng)景使用500 m級(jí)小區(qū)間距離,部分功率控制增加5%的小區(qū)邊緣吞吐量比傳統(tǒng)功率控制增加10%～15%.然而,在小區(qū)間距離為2 km級(jí)的宏小區(qū),整體的吞吐量的增益由于小區(qū)邊緣用戶吞吐量20%～30%的小損失而打折扣[3].

除了上述的eNodeB節(jié)點(diǎn)內(nèi)功率控制算法外,移動(dòng)終端的發(fā)射或接收功率還可以從網(wǎng)絡(luò)基站間或者宏多樣性角度出發(fā)進(jìn)行進(jìn)行優(yōu)化.這種方法可以和中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,定義幾個(gè)分布式的功率控制調(diào)度算法,優(yōu)化小區(qū)邊緣用戶吞吐量、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、最大-最小公平性,以及中間變量如PFS(Proportional Fair Share)或 HM F(Harmonic M ean Fairness)[4]是可能的.PFS和最小-最大算法已經(jīng)展示出30%～80%的潛在增益.

3.2 空分多址接入天線技術(shù)

在OFDMA系統(tǒng)中,由空分多址(SDMA)技術(shù)和多入多出(M IMO)技術(shù)帶來的增益已經(jīng)得到廣泛研究.在L TE標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)定義了一整套的SDMA和M IMO技術(shù),包括空分復(fù)用、循環(huán)延遲分集CCD、下行空頻分組編碼SFBC和上行多用戶M IMO技術(shù).這些技術(shù)的增益已經(jīng)通過仿真和嘗試性實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證.實(shí)際實(shí)現(xiàn)的不相關(guān)空間信道M IMO吞吐量增益,已經(jīng)被證明接近理論最大值(如2×2 M IMO信道的吞吐量增益為2,4×4 M IMO信道的吞吐量增益為4).

網(wǎng)絡(luò)M IMO概念涉及多個(gè)基站和一個(gè)移動(dòng)終端之間的多空間路徑.在下行鏈路中,多基站可以通過一個(gè)或多個(gè)M IMO路徑發(fā)射給一個(gè)移動(dòng)臺(tái);而在上行,一個(gè)移動(dòng)終端可以發(fā)送由一個(gè)或者多個(gè)基站接收,它的最簡(jiǎn)單形式是由每個(gè)基站和一個(gè)終端之間的單一路徑組成,網(wǎng)絡(luò)M IMO采用宏分集方式.從上行鏈路中,網(wǎng)絡(luò)M IMO可以和多用戶M IMO的干擾消除結(jié)合,使相鄰小區(qū)的移動(dòng)終端使用相同的RBs,以此來提高系統(tǒng)整體頻譜效率.

網(wǎng)絡(luò)M IMO還可以和接收算法如臟紙譯碼算法結(jié)合以提高整體效率,但其實(shí)現(xiàn)面臨基站之間信息交換的延遲的問題.在當(dāng)前L TE標(biāo)準(zhǔn)R8中,基站之間信息交換最小的X2延遲是20 m s.然而,RBs是典型以1 m s子幀為基進(jìn)行分配的,對(duì)臨近小區(qū)的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理是不現(xiàn)實(shí)的.

3.3 干擾消除技術(shù)

干擾消除技術(shù)可用運(yùn)用小區(qū)內(nèi)干擾消除,也可用于小區(qū)間干擾間消除.其基本理念是重新產(chǎn)生干擾信號(hào),然后從期望信號(hào)中間減去.這需要把接收信號(hào)采樣值存儲(chǔ)到緩存器里,從實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā),消除在基站端.調(diào)制符號(hào)是事先已知的信號(hào)如參考信號(hào),因?yàn)檫@樣不需要再對(duì)其解調(diào)和譯碼.具有最大系統(tǒng)容量增益的干擾消除的最高級(jí)形式,也需要把干擾從信號(hào)中消除[5].在OFDMA系統(tǒng)如L TE中實(shí)現(xiàn)干擾消除是可行的.雖然干擾消除技術(shù)可以應(yīng)用于上行和下行鏈路中,但是考慮到復(fù)雜度問題,其主要應(yīng)用于上行鏈路,并在基站接收器中實(shí)現(xiàn).

目前,L TE的當(dāng)前版本支持非實(shí)時(shí)干擾消除,通過基站間X2接口通信完成.干擾消除技術(shù)也可以消除來自多用戶M IMO(也稱虛擬M IMO)配置的L TE上行鏈路干擾.在此種情況下,兩個(gè)或多個(gè)用戶使用相同的或重疊的上行傳輸用的物理RBs集合,同時(shí)傳輸會(huì)引起相互間干擾,導(dǎo)致SINR性能下降,結(jié)果預(yù)期多用戶M IMO帶來的頻譜效率增益將會(huì)減少.

圖1 L TE上行鏈路干擾消除接收機(jī)原理Fig.1 Principle of reciever about L TEup link interference canceltation

圖1是一個(gè)典型的干擾消除L TE上行鏈路接收機(jī)的上層結(jié)構(gòu)圖.圖1中:移動(dòng)終端1是期望用戶設(shè)備;移動(dòng)終端2至移動(dòng)終端n是引起干擾的用戶端.干擾用戶可以來自小區(qū)內(nèi),也可以來自相鄰小區(qū).小區(qū)內(nèi)干擾情形有移動(dòng)終端故意調(diào)度小區(qū)內(nèi)相同的 RBs(多用戶M IMO),或者在過載情形下為小區(qū)內(nèi)所有的移動(dòng)終端分配相同的RB;小區(qū)間干擾情形主要是相鄰小區(qū)的移動(dòng)終端使用相同的RBs引起的.

干擾消除接收機(jī)要重新生成移動(dòng)終端2至移動(dòng)終端n引起的干擾,就需要對(duì)干擾信號(hào)和對(duì)應(yīng)的信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì).基站接收機(jī)要先獲得移動(dòng)終端2至移動(dòng)終端n采用的參考符號(hào)(RS)序列信息,然后估計(jì)出信道增益和相位,以及各個(gè)干擾信號(hào)的時(shí)間延遲.根據(jù)這些估計(jì),基站接收機(jī)可以重新產(chǎn)生移動(dòng)終端2至移動(dòng)終端n干擾信號(hào),然后從接收信號(hào)中減掉.如果信道估計(jì)精確,重新產(chǎn)生的干擾信號(hào)將是實(shí)際干擾信號(hào)的精確估計(jì),減除過程就能充分從移動(dòng)終端1信號(hào)中消除干擾.因此,所有衰落場(chǎng)景下可用的精確信道估計(jì)、頻率偏移量估計(jì)、時(shí)間延遲估計(jì)和接收信號(hào)功率估計(jì)都是必須的[5].最小均方估計(jì)、最大似然序列估計(jì)技術(shù)都是有效的信道估計(jì)方法.干擾重新產(chǎn)生和消除步驟需要保持連續(xù)性,以實(shí)現(xiàn)所能帶來的潛在容量和吞吐量?jī)?yōu)勢(shì).

3.4 譯碼技術(shù)

球面譯碼有接近于最大似然譯碼的性能,但其復(fù)雜度比最大似然譯碼顯著低.它的基本思想是:在碼空間內(nèi)搜索某個(gè)預(yù)定義半徑為R的N維超球面.R的取值范圍需要折衷考慮,因?yàn)樗阉鲝?fù)雜度會(huì)隨著R的范圍增大而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),而R的取值范圍減小,會(huì)使譯碼發(fā)生錯(cuò)誤的可能性增加,如正確的碼字點(diǎn)有可能不在搜索的半徑范圍內(nèi).研究分析表明,在采用高階調(diào)制如16QAM和64QAM較高SINR情況下,目前的處理器還是可以合理應(yīng)對(duì)球面譯碼算法的復(fù)雜性的[6].更進(jìn)一步的是,在不相關(guān)M IMO信道傳輸條件下,性能只比最大似然譯碼惡化不到1 dB.如果M IMO空間信道是相關(guān)的情況下,球面譯碼器的性能降低達(dá)5 dB,這取決于信道之間的相關(guān)性程度.

臟紙譯碼(DPC)是另外一個(gè)受到相當(dāng)關(guān)注的消除系統(tǒng)干擾的技術(shù),它可以在聯(lián)合譯碼不能實(shí)現(xiàn)的情況下采用.其本質(zhì)是對(duì)于每個(gè)傳輸進(jìn)行預(yù)編碼,期望的信號(hào)會(huì)被影射到了一個(gè)已知的碼字空間;接收機(jī)得到預(yù)編碼空間的信息,就可以在干擾存在的情況下使用網(wǎng)格類型的譯碼器與向量量化器的結(jié)合,成功譯碼期望信號(hào).研究結(jié)果[7]表明,DPC和2×2的M IMO結(jié)合比單獨(dú)只采用M IMO系統(tǒng)頻譜效率增加0.8 bit·(s·Hz)-1,比4×4M IMO增加1.35 bit·(s·Hz)-1,DPC性能也超過頻率復(fù)用方案.

為了達(dá)到DPC的理論最大增益,碼字中的符號(hào)數(shù)目需要達(dá)到104級(jí),結(jié)果向量量化器的復(fù)雜度不可避免,還導(dǎo)致譯碼器的復(fù)雜度隨著碼字長(zhǎng)度增加而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng).

4 結(jié)束語

目前,可以實(shí)現(xiàn)的成熟方法應(yīng)該考慮作為初始L TEUL和DL部署的基線特征,它們不僅顯著地提高整體容量,而且復(fù)雜度并未增加太大.在干擾消除技術(shù)、功率控制技術(shù)、M IMO技術(shù),以及球面譯碼和臟紙編碼等譯碼技術(shù)中,沒有一個(gè)單獨(dú)的技術(shù)是可以一勞永逸的.只有把這些技術(shù)結(jié)合起來使用,才能在重負(fù)載的L TE部署中獲得較大的N=1復(fù)用容量.短期內(nèi),諸如分?jǐn)?shù)功率控制和基于高SINR區(qū)域調(diào)度的自適應(yīng)分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用的結(jié)合,可以形成強(qiáng)大的L TE ICIC策略的基礎(chǔ).對(duì)于長(zhǎng)期的ICIC性能增益,可以通過使用基站間基于網(wǎng)絡(luò)算法,包括網(wǎng)絡(luò)M IMO、分布功率控制,以及編碼策略如球面譯碼或者臟紙編碼實(shí)現(xiàn).

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(責(zé)任編輯:黃曉楠英文審校:吳逢鐵)

Research of Inter-Cell Interference Suppression Technique for B3G System

SHEN Zhen-han,HUANG Hua-can
(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

The analysis of being used o r have been used for long term evolution(L TE)wireless communication system s Inter-cell interference suppression has been put forwarded.The problem of the interruption coverage in potential signal to interference plus noise ratio was investigated.Including power control technology,space division multiple access antenna techniques,interference cancellation techniques and decoding technology,etc..The research suggest that interference cancellation can bring a significant gain,but because its complexity to dealing with,it′s only applied to L TE up link,and the base stations also need real-time exchange of information between the millisecond L TE system in order to achieve maximum gain;spherical coding and dirty paper coding decoding technology can provide fairly good gain,but the complexity for dealing limit the UL link applications;power control technology and multiple input multiple output(M IMO) technology is base on the inter-base station technology with the potential performance gain and the feasibility of achievement on base stations.

beyond 3rd generation;long term evolution;interference suppression;Intercell;signal to interference plus noise ratio

TN 911.4;TN 914.5

A

1000-5013(2011)02-0165-04

2009-08-21

黃華燦(1948-),男,教授,主要從事視頻處理與傳輸及專用集成電路設(shè)計(jì)的研究.E-mail:hchuangqz@yahoo.com.cn.

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006T0006);福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006G3)