隨著HSDPA、HSUPA等技術的發展，為了保證3GPP在今后很長的一段時間內具有競爭性，必須考慮3GPP無線接入技術的長期演進。在3GPP TR25.814中指出，3GPP長期演進的主要內容包括縮短傳輸延遲、提高用戶數據速率及系統容量和覆蓋、減少運營商的成本等。

　　【摘 要】針對LTE系統小區間干擾不可避免的問題，重點介紹基于交織多址接入(IDMA)的干擾消除，闡述了小區間干擾消除系統模型結構與原理，并給出了LTE系統基于IDMA的干擾消除仿真以及數據分析。

　　【關鍵詞】專業論文指導,LTE IDMA,小區間干擾,干擾消除

　　1 引言

　　對于運營商來說，無線接入技術和接入網絡最重要的性能指標是頻譜利用率、業務QoS保障。為了達到高的頻譜效率，在部署網絡時要盡量使頻譜復用因子接近1。為了提供令人滿意的服務，需要保證用戶，特別是小區邊緣用戶的QoS。由于3GPP LTE采用OFDM/OFDMA作為傳輸技術，而OFDM系統是通過正交頻率子信道區分用戶，因此基本可以避免小區內用戶之間的干擾。但小區間即基站之間在同頻組網下，上下行鏈路將會存在干擾，所以目前人們討論的LTE干擾管理主要是針對小區間的干擾管理。下行干擾是相鄰小區基站的下行信號對本小區位于邊緣區域的用戶的干擾;上行干擾是本小區基站受到臨近小區邊緣用戶的上行信號的干擾。為提高小區邊緣用戶的數據速率以及系統的頻譜利用率，必須有效減輕小區間干擾。

　　2 LTE系統小區間干擾抑制方法介紹

　　小區間干擾(ICI，Inter-Cell Interference)是蜂窩移動通信系統的一個固有問題。傳統的解決方法是采用頻率復用，復用系數只有特定的幾個選擇，如1、3、7等。復用系數為 l即相鄰小區都使用相同的頻率資源，這時在小區邊緣的干擾很嚴重;較低的復用系數(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接入方式使本小區內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。對于小區中心的用戶來說，其本身離基站的距離就比較近，而外小區的干擾信號距離又較遠，則其信噪比相對較大;但是對于小區邊緣的用戶，由于相鄰小區占用同樣載波資源的用戶對其干擾較大，加之本身距離基站較遠，其信噪比相對就較小，導致雖然小區整體的吞吐量較高，但是小區邊緣的用戶服務質量較差，吞吐量較低。因此在LTE中，小區間干擾抑制技術非常重要。

　　在LTE的研究和標準化過程中，根據抑制干擾采用的技術手段不同，主要形成了以下三類干擾抑制技術：

　　(1)干擾隨機化：是通過隨機化干擾信號來進行干擾壓制的一類技術;

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

　　(3)干擾消除：是通過在用戶端利用處理增益來進行干擾壓制的一類技術。

　　干擾消除的想法最初是在CDMA系統中提出，可以將干擾小區的信號解調、解碼，然后將來自該小區的干擾重構、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。小區間干擾消除的實現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行干擾刪除，相關的檢測算法在多輸入多輸出(MIMO)的研究中已經被廣泛采用;

　　(2)基于IDMA的小區間干擾消除。

　　本文將重點討論基于IDMA的干擾消除技術，如圖1所示，IDMA可以通過偽隨機交織器產生不同的交織圖案，并分配給不同的小區，接收機采用不同的交織圖案解交織，即可將目標信號和干擾信號分別解出，然后在總的接收信號中減去干擾信號。

　　3 IDMA系統基本原理

　　3.1 IDMA系統模型

　　IDMA實質上是一種擴頻多址系統，因此其基本結構與CDMA相似。但不同的是卷積碼編碼的CDMA系統方案中，交織器是放在擴頻器的前面，主要用于打亂信息序列和抑制突發性干擾;而在IDMA系統中，交織器放在擴頻器的后面，是基于編碼擴頻后的碼片級交織，不但可以抑制突發性干擾，同時還可以區分用戶 A。如圖2所示：

　　3.2 IDMA發送與接收結構

　　考慮同時存在K個用戶情況下的IDMA方案，其發送和接收結構如圖3所示：

　　IDMA原理的關鍵是不同用戶所分配的交織器πk必須各不相同，假設交織獨立并隨機生成。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，這樣接收端采用迭代的結構，使在chip級檢測出原始信號變得容易。

　　如圖3所示，接收端采用次優檢測結構，主要由基本信號估計器(ESE)和K個單用戶后驗概率譯碼器(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的輸出信息是關于{xk(j)}的對數似然比(LLRS)外信息輸出為A：

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

　　3.3 IDMA的特點

　　碼分多址技術(CDMA)所有用戶的數據在時間上和頻率上重疊，不同用戶的數據通過不同的正交擴頻碼來區分。由于擴頻技術的引入，可以得到擴頻處理增益，這樣在信噪比一定的情況下可以提高信道容量。但是在實際系統中，多徑延遲會引入 MAI，即CDMA系統是一個干擾受限的自干擾系統，并且隨著用戶數的增多，多用戶干擾MUI問題日益嚴重。而高速數據通信是無線通信發展趨勢，為滿足這一要求必須使用高碼率、高階調制以及多天線技術，這種背景下CDMA會因為擴頻序列不夠而大大限制了用戶容量。IDMA系統不但繼承了CDMA系統的很多優點如抗衰落特性等，而且還不受碼資源限制，使其優勢尤為突出。 　　從本質上來說，IDMA具有以下特點：

　　(1)沒有經過擴頻處理，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)交織多址是碼片級交織Chip-level Interleave)，內含了與比特交織編碼調制BICM(Bit Interleaving Coding and Modulation)相同的機制，所以具有與BICM相同的優點，即更高的分集階數(Diversity Order);

　　(3)交織多址通過編碼方式實現擴頻，具有最大化的編碼增益;

　　(4)交織多址更適合與迭代檢測技術相結合，通過迭代，交織多址能夠發揮出分集階數高、編碼增益大的優勢，取得比CDMA更優越的性能。

　　4 IDMA技術及其在干擾消除中的應用

　　IDMA技術作為多用戶多徑傳輸的首個重要技術，其基本原理是用不同的交織方式作為一種多址方式來區分用戶，通過和信道編譯碼的結合，采用選代的結構，在chip級檢測出原始信號。近年來，IDMA技術作為LTE系統多址接入方案，已被證明以IDMA為基礎的小區間干擾消除可以提供超過50%的小區邊緣平均吞吐量增益，5%以上的整體平均吞吐量增益。

　　4.1 小區間干擾消除系統模型

　　在常規的IDMA干擾消除方案中，所有干擾基站的信號估計和所有的干擾信號都被設為高斯噪聲。這樣在估算一切干擾基站的信號時就會增大運算復雜度，而且當存在較強干擾信號時，高斯噪聲的假設可能不適用。于是將干擾基站分為強干擾基站(S-BS)和弱干擾基站(W-BS)。從弱干擾基站發出的干擾信號將被視為高斯噪聲，而從強干擾基站發出的干擾信號將使用迭代檢測的方法進行抑制。同時，在實際的應用中，可以讓UE檢測附近相鄰的基站功率，通過功率大小來分辨出強干擾基站。

　　LTE物理層應用于基站信號傳輸，假設發送器和接收器只設置為單一天線，如圖4所示：

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

　　在實際的系統中，要考慮基站中本地振蕩器之間的頻率偏移以及從目標基站和干擾基站接收到的信號傳輸的時間偏移(OFDM符號時間偏移)。因此，為了簡化評估，可以假設頻率偏移已經小到可以忽略，同時目標基站和干擾基站之間能夠互相協調傳輸時間，那么時間偏移也可以忽略。

　　假設信號檢測和小區間干擾消除是塊與塊進行處理，每一塊包含J個OFDM符號，也就是數據幀長度。在接收端，在FFT(快速傅立葉變換)是適用于接收信號。讓rm(j)表示為第m個子載波、第j個OFDM符號的信號，為了不失去一般性，進一步假設子載波獨立處理。因此，放下m的依賴性，則接收到的信號可表示為：

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

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

　　4.2 小區間干擾消除迭代信號檢測

　　假設對于目標終端，服務基站和S-BSs的交織編碼是已知的。如圖5所示，交織碼片級接收端包括一個基本信號估計器ESE和P個單用戶后驗概率(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模塊產生的外信息。由兩個模塊之間的信息交互來完成迭代接收過程。在模擬的信號檢測中，每比特信息不僅包括目標信號，而且還要S-BSs的干擾信號，不斷在軟輸出ESE和軟輸入軟輸出DEC之間迭代處理，直至達到最佳信號狀態。

　　為了簡單化，采用同步的BPSK調制進行分析。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))的高斯隨機變量。r(j)可用以下條件高斯概率密度函數來表示：

　　為了不失一般性，假設基站k為服務基站，則關于xk(j)的先驗對數似然比(LLRS)可表示為：

　　對于ESE的輸出為對數似然比(LLRS)外信息可表示為：

　　根據式(6)可得：

　　根據以下條件概率的公式：

　　通過一些簡單的計算可得：

　　從式(10)可以看出，為了消去S-BSs的干擾，軟輸出ESE不僅從目標信號還從S-BSs的信號提取接收目標信號r(j)、信道系數{hk，k=1，2，…，p}和先驗LLRs{eDEC(xk(j))}來計算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，實現后驗概率APP譯碼。APP譯碼是一個標準的運行操作，這里只考慮在圖4中信道編碼器的其中一個特別案例，就是由連續串連的字碼編碼器CFEC和長度為s的重復碼編碼器CREP。從性能的角度來看，這個方案并不優化，其中重復碼的使用證明這是一個比較簡陋的代碼。但是，這個模型也有靈活性相關的優勢所在。

　　5 基于IDMA干擾消除系統仿真

　　6 總結

　　通過將相鄰小區干擾基站分為強干擾基站和弱干擾基站，在實際應用中，小區邊緣UE可以對相鄰小區的功率進行分析來加以區分。本文的仿真主要是針對S-BSs的干擾消除，采用 IDMA技術對其進行處理及消除，由于相鄰小區基站數目有限，計算的復雜度是不高的，并且效果明顯，從而解決了UE干擾嚴重的問題。

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