LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
毕业论文
题目 LTE 小区间的干扰
摘要
LTE(Long Term Evolution)即长期演进。之所以需要从3G 演进到LTE ，是由于近年来移动用户对高速率数据业务的要求，同时新型无线宽带接入系统的快速发展，给3G 系统设备商和运营商造成了很大的压力。在LTE 系统设计之初，其目标和需求就非常明确：降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围、降低运营成本。
为了满足下一代无线通信系统低延时、高速率以及高速移动性等要求，3GPP 提出了 LTE(Long Term Evolution)技术。但小区内的多流干扰（Multi-stream interference,MSI ）和小区间的干扰（Inter-Cell Interference ，ICI ），是制约系统性能提升的一个瓶颈。因而，对 LTE系统干扰消除技术的研究具有深远的意义。
干扰是影响网络质量的主要因素之一，对通话质量、掉话、切换、拥塞以及网络的覆盖、容量等均有显著影响。如何降低或消除干扰是网络规划、优化的重要任务之一。对于小区间的干扰，本文首先分析比较了LTE 系统中提出的三种小区间干扰抑制技术。本文重点分析了CoMP 中的 JP （Joint Processing）联合处理预编码方法，仿真分析了BD 预编码方法，验证了 JP 预编码方法在 LTE 小区间干扰消除中的有效性。
关键词：LTE 多流干扰小区间干扰CoMP 联合预编码
Abstract
LTE (Long Term Evolution) Long Term Evolution.The need for the evolution from 3G to LTE, mobile users in recent years due to the high rate of data service requirements, while the rapid development of new wireless broadband access systems to the 3G system equipment manufacturers and operators caused a lot of pressure. In the LTE system design at the beginning, its goals and needs is very clear: to reduce latency and improve the user data transfer rate, improve system capacity and coverage and reduce operating costs.
In order to meet the next generation of wireless communication systems low latency, high-speed and high-speed mobility requirements, 3GPP proposed LTE (Long Term Evolution) technology. However, multi-stream interference (Multi-stream interference, MSI) within the cell and interference (Inter-Cell Interference, ICI) between cells, is an upgrade of the system performance bottleneck. Thus, research on the LTE system interference cancellation technology has far-reaching significance.
Interference is one of the main factors affecting the quality of the network, call quality, dropped calls, handover, congestion and network coverage, capacity, etc. were significantly affected. How to reduce or eliminate the interference of network planning, optimization of one of the important tasks. For inter-cell interference, this paper analyzes and compares the LTE system between the three proposed cell interference suppression technology. This article focuses on the analysis of CoMP JP (Joint Processing) joint processing pre-coding method, simulation analysis of the BD pre-coding method to verify the validity JP pre-coding method to eliminate interference between the LTE cell.
Keywords : LTE multi-stream interference between cell interference CoMP joint precoding.
目录
摘要 ........................................................................................................................................... 0
第一章绪论 ............................................................................................................................... 1
1.1 引言 . ............................................................................................................................... 1
1.2 LTE系统中小区间干扰消除技术研究现状 . .................................................................. 2
1.3 论文的研究内容和结构安排 ........................................................................................ 4
第二章 LTE 系统及其关键技术.............................................................................................. 5
2.1 LTE 简介 ......................................................................................................................... 5
2.2 LTE 系统架构 ................................................................................................................. 6
2.3 LTE 技术特点 ................................................................................................................. 6
2.4 LTE 物理层概述 ............................................................................................................. 7
2.5 LTE 技术概要 ............................................................................................................... 10
2.6 本章小结 . ..................................................................................................................... 11
第三章 LTE 系统中小区间干扰消除技术研究 . .................................................................... 12
3.1 LTE 系统中的小区间干扰抑制技术 . ........................................................................... 12
3.1.1 小区间干扰随机化 ............................................................................................... 14
3.1.2 小区间干扰消除 ................................................................................................... 16
3.1.3 小区间干扰协调/回避 ......................................................................................... 17
3.2 LTE 系统中小区间干扰抑制技术—CoMP 技术 ...................................................... 18
3.2.1 联合传输／处理(JP，Joint Processing) ............................................................... 19
3.2.2 协作调度／Beamforming . .................................................................................... 20
3.3 CoMP-JP 预编码算研究法 . .......................................................................................... 21
3.3.1 CoMP-JP 系统模型 . ............................................................................................... 21
3.3.2 BD 算法 ................................................................................................................. 22
3.3.3 仿真结果及分析 ................................................................................................... 23
3.4 本章小结 . ..................................................................................................................... 26
第四章总结与展望 ................................................................................................................. 28
4.1 全文总结 . ..................................................................................................................... 28
4.2 不足及展望 .................................................................................................................. 28
致谢 ......................................................................................................................................... 29
参考文献 ................................................................................................................................. 30
第一章绪论
1.1 引言
移动通信技术的快速发展及其与宽带无线接入技术的融合，使得人们对移动通信宽带化的需求日趋迫切。为了满足下一代无线通信系统低时延、高速率、宽频带以及高速移动性等要求，3GPP 提出了 LTE（Long Term Evolution,长期演进）。
LTE 系统是 TD-SCDMA 和 WCDMA 系统的长期演进形式，采用成熟先进的 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，正交频分复用) 技术，OFDM 技术是把频率选择性衰落信道在频域内转换成平坦信道，能够有效的对抗多径传播，OFDM 技术解决了高速传输数据的技术难点。
为了满足LTE 在高系统容量和高速率方面的需求，LTE 系统支持下行
MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出) 技术，MIMO 技术，即利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，多天线系统可以极大地提高系统容量和频谱效率。MIMO 在空间能够产生独立并行的信道，可以同时传输多路数据流，这样可以大大提高系统的传输速率，即在系统带宽不增加的情况下可以成倍的提高系统的容量和频谱利用率，MIMO 为增大系统容量开辟了新的途径。目前，世界各国学者都在对 MIMO 的理论、性能、算法和实现等进行着广泛的研究，MIMO 技术已经成为通信技术中的一个热点。
MIMO 技术和OFDM 技术两者结合在一起形成 MIMO-OFDM 系统，能够提高链路的可靠性和传输速率。LTE 系统中的干扰是影响LTE 系统容量和系统性能的重要因素之一。其中两个重要的干扰是多流干扰（Multi-stream interference,MSI ）和小区间干扰（Inter-Cell Interference，ICI ）。而CoMP 中的联合处理技术Joint processing technology(JP)的核心优势是能够消除小区间干扰。
1.2 LTE系统中小区间干扰消除技术研究现状
小区间干扰是移动通信系统的一个固有问题，对于小区间的干扰，主要包括干扰随机化、干扰消除和干扰协调，现有的解决办法通常是采用频率复用，复用系数只有 1、3、7 等几个特定的选择。复用系数=1 即相邻小区都使用相同的频率资源，这时在小区边缘的干扰很严重。如果采用的频率复用系数较大（如 3 或
7）可以有效地抑制小区间干扰，但频谱效率将减低到 1/3 或 1/7。新一代移动通信系统要求有很高的频谱效率，因此希望频谱复用系数尽可能地接近 1。与 CDMA 技术相比 OFDM 技术很好地解决了小区内干扰的问题。但是作为代价，OFDM 系统的小区间干扰可能比 CDMA 系统更加严重。如果相邻的两个小区在边缘重叠部分使用相同的频谱资源，则会产生较强的 ICI 。
目前在 TD-LTE 系统中主要提出了三种小区间干扰抑制技术：(1)小区间干扰随机化； (2)小区间干扰协调／回避；(3)小区间干扰消除。干扰随机化通过比如加扰、交织，跳频、扩频、动态调度等方式，使系统在时间和频率两个维度的干扰平均化；干扰消除利用干扰的有色特性，对干扰进行一定程度的抑制，即：通过UE 的多个天线对空间有色干扰进行抑制；干扰协调对小区边缘可用的时频资源作一定的限制，正交化或半正交化，是一种主动的控制干扰技术，理想的协调是分配正交的资源，但这种资源通常有限；非理想的协调可以通过控制干扰的功率，降低干扰。
LTE 系统中小区间干扰更加严重，已有的干扰抑制技术不能很好的为边缘用户提供更好的服务质量，在 LTE 中采用了协同多点传输和接收(Coordinated Multi-Pointtransmission ／reception ，CoMP) 技术来解决该问题。CoMP 技术通过多个小区之间的联合处理或协作调度来降低邻区的干扰，提高小区边缘用户接收信号的质量，从而有效地提高了系统容量和边缘用户的频谱效率。本质上来讲，CoMP 技术是 MIMO 技术在多个协作小区下的应用，其基本思想是利用空间信道上的差异性来进行信号的传输。通过多个小区之间的协作处理来实现小区间干扰的抑制或消除。
从而为减小LTE 系统小区边缘的干扰提高小区边缘的频谱效率，LTE 系统
中重点考虑了协作多点传输/接收（Cooperative multi-point，CoMP ），并把它作为一种提高系统容量和提高小区边缘频谱效率的关键技术之一。
现有的移动通信网络(如 3G 系统) 中小区中心的用户和小区边缘的用户在系统性能和数据传输速率上有很大的差异，不但影响了小区系统的容量，而且使用户在小区中心和小区边缘得到的服务质量波动很大。因此，新一代无线通信系统中，小区边缘性能的提高将作为主要的技术指标之一。
LTE 特有的OFDMA 接入方式，使本小区内的用户信息承载在相互正交的不同载波上，因此所有的干扰来自于其他小区。对于小区中心的用户来说．其本身离基站的距离就比较近，而外小区的干扰信号距离又较远，则其信干噪比相对较大：但是对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其信干噪比相对就较小，导致虽然小区整体的吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量较差．吞吐量较低。因此，在LTE 中，小区间干扰抑制技术非常重要。
LTE 网络干扰树状图：
1.3 论文的研究内容和结构安排
对 LTE 中的干扰消除技术做了深入研究并取得以下进展：
分析比较了各种LTE 中的小区间干扰抑制方案，重点分析了 LTE 中的CoMP-JP 预编码技术，最后通过对CoMP-JP 预编码技术的仿真分析，验证了CoMP-JP 预编码技术消除小区间干扰的有效性。
论文各章的安排如下：
第一章给出了论文的研究背景，简述了 LTE 中的小区间干扰研究的现状、进展以及典型应用，最后给出了论文的结构安排。
第二章简要介绍了 LTE 中的基本理论和关键技术。
第三章介绍了 LTE 中的三种小区间干扰抑制技术，分析比较了它们的优缺点。然后介绍了 LTE 中的CoMP 技术，详细分析了CoMP 中的 JP 预编码方法，并给出了实验结果和性能比较。
第四章总结全文，并展望了下一步研究方向。
第二章 LTE 系统及其关键技术
2.1 LTE 简介
为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务的需求，3GPP 在 2004作年底启动了其长期演进（Long Term Evolution LTE）技术的标准化工作。这项技术主要为了达到以下几个目标：（1）保持 3GPP 在移动通信领域的技术及标准优势；（2）填补 3G 和 4G 移动通信技术之间的技术差距；（3）希望继续使用 3G 移动通信系统的频谱，继续保持频谱资源上的优势；（4）解决 3G 移动通信系统中专利过分集中的问题。
LTE 系统支持的最大带宽从 5MHz 扩展到 20MHz ，在这样的带宽下，下行峰值速率可达到 100Mb/s，上行峰值速率可达到 50Mb/s。除了支持 20MHz 的最大带宽，LTE 系统还能够支持 1.4MHz 、3MHz 、5MHz 、10MHz 、15MHz 等系统带宽，以及成对的和非成对的频段部署，以保证系统在部署上的灵活性。由于码分多址(CDMA)技术带宽大于 5MHz 时，系统的实现过于复杂。为此，3GPP 采用了新的核心传输技术，即 OFDM/FDMA 技术，该技术将较宽的频带分成若干较窄的子带进行并行发送，不但能够简单地实现宽带传输，还能够对抗频率选择性衰落。另外，OFDM 的各个子载波之间是相互正交的，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。为了提高用户的数据速率，LTE 采用了 MIMO 技术，通过并行地发射多个数据流来获得较高的数据速率。关于网络架构，LTE 系统为了降低时延，取消了重要的网元——无线网络控制器(RNC)，使网络架构向“扁平化”方向发展。
LTE 的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时延的减少、用户数据速率的提高、系统容量和小区覆盖的改善以及运营成本的降低。
自 2004 年 11月启动LTE 项目以来，3GPP 以频繁的会议全力推进 LTE 的研究工作。仅半年就完成了需求的制定，在 2006 年 9 月完成了研究阶段的工作，2008年年底基本完成工作阶段的标准制定工作。
2.2 LTE 系统架构
LTE 在 3GPP 原有系统架构上进行了演进，对 3GPP 系统的NodeB 、RNC 、CN 进行了功能上的整合，把NodeB 和 RNC 合并为eNodeB ，使系统简化为eNodeB 和演进后的接入网 E-UTRAN 。演进后的系统仅存在分组交换域。
图 2.1 LTE 系统架构
整个 LTE 系统由核心网（EPC ）、基站（eNodeB ）、和用户（UE ）三部分组成。其中 EPC 负责核心网部分，EPC 的信令处理部分称为 MME ，数据处理部分称为SAE Gateway；eNodeB 负责接入网部分，也称为 E-UTRAN 。EPC 与eNodeB 之间通过 S1 接口连接，eNodeB 之间通过 X2 接口连接，UE 与eNodeB 之间通过Uu 接口连接。与 3G 系统的网络架构相比，LTE 系统把NodeB 和 RNC 合并为eNodeB ，使系统简化为eNodeB 和 EPC 两种网元，网络架构更加趋于扁平化。这种扁平化的网络架构能够降低用户数据的传输时延和呼叫建立的时延，并且由于逻辑节点的减少，也使 OPEX 和 CAPEX 得到了降低。
2.3 LTE 技术特点
为了在未来移动通信激烈的竞争中处于有利的位置，移动运营商对 LTE 提出了要求，为此，在 3GPP 中对演进型系统的市场需求进行了详细的讨论。与 3G 系统相比，LTE 系统主要具有如下的技术特点：
(1)显著的提高峰值传输数据速率，例如下行链路达到100Mb/s，上行链路达
到50Mb/s；
(2)在保持目前基站位置不变的情况下，提高小区边缘比特速率；
(3)显著的提高频谱效率，例如达到3GPP R6版本的2~4倍；
(4)无线接入网的时延低于10ms ；
(5)显著的降低控制面时延（从空闲态跃迁到激活态时延小于100ms （不包括寻呼时间））；
(6)支持灵活的系统带宽配置，支持1.4MHz 、3MHz 、5MHz 、10MHz 、15MHz 、20MHz 带宽，支持成对和非成对频谱；
(7)支持现有3G 系统和非3G 系统与LTE 系统网络间的互连互通；
(8)更好的支持增强型MBMS ；
(9)系统不仅能为低速移动终端提供最优服务，并且也应支持高速移动终端，能为速度>350km/h的用户提供100kbps 的接入服务；
(10)实现合理的终端复杂度、成本、功耗；
(11)取消CS 域，CS 域业务在PS 域实现，如VOIP ；
这些技术特点比较全面地描述了 LTE 系统在各个方向上的设计目标，为具体的系统设计工作奠定了良好的基础。
2.4 LTE 物理层概述
LTE 物理层采用OFDM 为多址方案，采用的子载波的宽度为15kHz ，根据子载波数目的不同（72-1200）可以实现不同的系统带宽（1.4-20MHz ）。根据上下行通信和设备特点的不同，在下行方向上采用多载波的OFDM 多址方式，在上行方向上采用单载波的 SC —FDMA 多址方式。采用频分双工（ Frequency DivisionDuplex,FDD ）模式支持成对的频谱，采用时分双工（Time Division Duplex,TDD ）模式支持不成对的频谱，另外为了充分利用许多零散频段，降低终端价格，减少功率损耗，延长电池的使用时间，在LTE 中采用了H-FDD 方式。FDD 、TDD 、以及H-FDD 双工方式的原理如图2.2所示：
图 2.2 LTE 支持的三种双工方式
在 LTE 中定义了物理资源块（Physical Resource Block,PRB）作为空中接口物理资源分配的单位。1 个 PRB 在频域上包含 12 个连续的子载波，在时域上包含 7个连续的 OFDM 符号（在扩展 CP 的情况下为 6 个）。即频域宽度为 180kHz, 时间长度为 0.5ms （1 个时隙）的物理资源。物理资源块的结构如下图所示。
图 2.3 下行资源栅格
在空中接口上，LTE 系统中定义了无线帧来进行信号的传输，LTE 支持两种帧结构—类型 1 和类型 2，每个帧结构都是 10ms ，其中类型 1 用于 FDD ，类型 2 用于 TDD 。
在类型 1 中，每个无线帧分为 10 个子帧，每个子帧的长度为 1ms ，另外，每个子帧又分为两个长度为 0.5ms 的时隙，如图 2.4 所示。
图 2.4 LTE帧结构类型 1
在类型 2 中，每个无线帧被分为两个长度为 5ms 的半帧，每个半帧由 5 个子帧组成，每个子帧也是 1ms ，5个子帧中有 4 个普通子帧和1 个特殊子帧。每个普通子帧又分为两个长度为 0.5ms 的时隙，而特殊子帧由3 个特殊时隙（UpPTS 、GP 、DwPTS ）组成。如图 2.5 所示。
图 2.5 LTE 帧结构类型 2（5ms 切换周期）
信道编码后，LTE 物理层的基带处理过程包括加扰、调制、层映射、预编码以及针对各个物理天线端口的资源映射和 OFDM 信号的生成。如图 2.6 所示。
图 2.6 物理层数据处理过程
其中，加扰的操作是使用扰码对经过信道编码后的数据进行逐比特的加扰，