LTE 系统软频率复用改进方案性能评估✴

宋燕辉

（1.长沙通信职业技术学院移动通信系，长沙410015；2.华中科技大学电信系，武汉430074）

LTE 系统软频率复用改进方案性能评估✴

宋燕辉1，2

（1.长沙通信职业技术学院移动通信系，长沙410015；2.华中科技大学电信系，武汉430074）

软频率复用（SFR）被认为是一种有效的频率复用方案，可以协调小区间干扰，同时也可保持频谱效率。通过考虑各种业务负载及不同功率比的配置，研究在LTE下行传输时SFR的性能，除了小区边缘用户的性能，还评估了整个小区性能和小区中心用户性能，通过仿真对SFR的优势和局限性进行了较全面的验证，并与经典频率复用方案进行了比较。

LTE；小区间干扰协调；软频率复用；性能评估

1 引言

蜂窝系统中一个主要问题是由相邻小区频带重叠引起的小区间干扰，这将导致严重的系统性能下降，特别是对位于小区边缘的用户。小区间干扰问题早就引起重视，在一些传统的蜂窝系统中已经有一些解决的方案。例如：在传统的基于频分双工／时分复用（FDD／TDM）的系统，比如全球移动通信系统（GSM），采用部分频率复用技术来防止相邻小区使用同一频率；另一方面，码分多址（CDMA）系统，比如通用移动通信系统（UMTS）和CDMA2000系统，则使用不同的码来区分小区，从而减少小区间干扰［1］。然而，这些解决方案都不可能应用在基于正交频分多址（OFDMA）技术的未来移动通信系统4G中［2］。

LTE是3GPP确定的B3G／4G典型架构［3］，在LTE中，频谱效率被高度重视，目的是在无线资源变少的情况下提供更高的数据率。与传统的2G和3G系统中采用的频率复用模式不同，LTE期望在实践中达到频率复用效率接近1［4-5］。然而，由于移动终端传输功率的限制，在LTE中需要更小的小区部署来满足靠近基站和位于小区边缘用户更高的数据速率，因此，我们认为小区间干扰问题在影响LTE网络性能方面会变得更加严重。

要解决这个问题，已经提出许多解决方案，而软频率复用（SFR）被认为是在不损失频谱效率情况下能够有效进行小区间干扰协调的最具代表性的方案。作为一种主流的频率规划策略，SFR已经在一些主要文献被提出其改进方法［6-8］。尽管如此，SFR的很多特性尚未分析和研究，特别是，过去大多数工作主要局限于SFR能够提高小区边缘用户的性能，为弥补这一不足，本文给出一种综合分析SFR在LTE系统中的干扰协调能力的方案。

2 频率规划策略和系统模型

2.1 软频率复用

SFR目前被认为是减轻蜂窝系统小区间干扰最有效的频率规划策略之一，首先是应用于GSM系统，然后被3GPP LTE采纳，目的是提升小区边缘用户的性能。SFR的基本思想是在小区中心区域提供频率复用，在小区边缘区域提供更高的频率复用因子，而不是固定频率复用（HFR，如复用因子等于3）和部分频率复用（FFR），SFR能够在较低的频率复用因子（几乎接近于1）的情况下，没有大量频谱效率损失时减少小区间干扰。

在SFR中，可用频谱分为两个部分：小区边缘频带和小区中心频带，每一个小区中的用户也根据他们与基站的距离或其他因素分为两组：小区中心用户和小区边缘用户。小区边缘用户被限制使用小区边缘频带，而小区中心用户独占小区中心频带，也可使用小区边缘频带，但是优先级较低。图1（a）为一种正六边形七小区的频率规划图，小区中心用户可以使用整个频带，但小区边缘用户仅仅使用邻小区未覆盖的部分频带，小区边缘用户为了提高其数据率，需要更高的传输功率，而小区中心用户可以减少传输功率。SFR的功率分配如图1（b）所示。

图1 SFR方案的频率规划和功率分配Fig.1 The frequency planning and power allocation of the SFR scheme

2.2 LTE下行链路传输与吞吐量估算

上面的频率规划策略适用于LTE下行链路传输，由于LTE下行链路是基于OFDMA的，eNodeB（基站）是根据终端的每个传输时间间隔（TTI）调度无线资源的。在LTE中，最小的无线资源调度单位被定义为物理资源块（PRB），包括12个连续子载波和1个时隙（0.5ms）。

为了提高频谱效率，LTE采用多输入多输出（MIMO）模式，上行链路采用MIMO 4×4，下行链路采用MIMO 1×4。本文因为重点在于探讨有效的小区间干扰频率规划设计方法，只考虑单输入单输出（SISO）。此外，为了简单起见，我们考虑七小区网络结构，每个小区中心配置1副全向天线，当然，这些分析也能推广应用到MIMO模式和多扇区配置情况。

在实际中，自适应编码调制（ACM）方案根据现有信道状态信息（CSI）确定吞吐量，为了不失去共性，根据香农公式的信道容量，特定用户可达到的吞吐量为

式中，B为信道带宽，SNR是给定的信噪比，本文将B定义为PRB的带宽。公式（1）是未考虑小区间干扰因子香农理论公式，因此，香农公式的SNR可以替换成信号干扰噪声比（SINR），用户m的PRB n可以表示为

式中，Pm，n表示用户m从服务eNodeB n经过路径损耗后得到的有用功率，Pj，n表示邻小区eNodeB j的干扰功率，gm，n和gj，n是用户m从服务eNodeB n和邻小区eNodeB j获得的增益，N0为热噪声。公式（1）可以表示为

当发射信号为PRB n，用户m的吞吐量（单位为bit／s）可以表示为

式中，M为用户数，N为干扰小区的可用PRB总数。

3 性能分析和假设

本文的重点在于探讨小区间干扰性能，我们假设小区间干扰能成功消除。另外，同一个PRB在一个小区内不会分配给多个用户使用，可以避免小区内干扰。我们关注特定小区的性能评价，而不是最大化整个系统的性能，参考小区的性能取决于它的服务eNodeB及其他相邻eNodeB的资源配置决策，小区边缘吞吐量和小区中心吞吐量是评价参考小区分析平均吞吐量的主要参数，我们只考虑单频复用（FRone）与SFR相比较，而忽略HFR和FFR的影响，这也许无法得到高频谱利用效率，但在LTE网络中是可取的。

如前所述，FRone和SFR能使频率复用系数等于或接近于1，这意味着每一个小区都可以使用所有可用的无线资源而没有任何带宽的限制，通过这种方式，频谱利用率有望得到改善，然而，频率复用系数为1将不可避免地带来了严重的小区间干扰问题，从而降低系统性能。对于FRone，我们假设小区间干扰发生于用户最近的邻小区（分配相同的PRB），对于SFR，我们假设小区间干扰不会造成本小区中心用户影响邻小区中心用户，换句话说，即使小区中心用户使用同一个PRB，相互间也不干扰，原因在于SFR限制了中心用户的发射功率，小区中心用户和邻小区通常有足够的距离，确保比较大的路径损耗，从而接收到的干扰功率降低了，因此，SFR只考虑小区边缘用户和来自不同小区的中心用户使用相同PRB的干扰。

为了减少小区间干扰，SFR指定使用PRBs的小区边缘用户采用较高的发射功率，而小区中心用户采用较低的发射功率，我们假设FRone和SFR的总传输功率是一样的，都均匀分布在PRBs上。对于FRone，每个PRB的功率P=Ptotal／N，其中Ptotal是总传输功率，N为小区可用PRBs数量。对于SFR，每个边缘频带的PRB功率为Pedge，每个中心频带的PRB功率为αPedge，其中0＜α＜1作为功率比，Pedge可表示为

从而得到

通常，功率比α的值是个范围，而不是一个固定的数字。基本上，较高的功率比代表小区中心用户获得性能较好，小区边缘用户获得性能较差。

对于FRone，可以用两个简单的调度方法：机会公平和最佳信道调度，在机会公平方法中，在整个频带内每个用户访问PRB的机会是均等的，而在最佳信道调度方法中，PRB只分配给有最佳信道质量信息（CQI）的用户。对于SFR，只简单服从基本调度规则，本文目的是分析最传统的SFR在减少小区间干扰的能力，所以没有提出其他自适应调度方法。

4 仿真验证与结果分析

本文采用系统级仿真来评估SFR的性能，本仿真模型采用7个小区构成系统的中心小区为参考小区进行评估，每个小区内用户数相同，小区内用户随机移动，每一个小区内边缘用户数与中心用户数都是不均匀分布的。为了避免没有边缘用户或中心用户的个别小区，假设至少每个小区有一个小区边缘用户和一个小区中心用户，此外，FRone作为与SFR性能比较的参考对象。仿真遵循典型的下行传输模式，主要的仿真参数见表1。

表1 主要仿真参数Table 1 Main simulation parameters

首先，我们提出了参考小区比较全面吞吐量，注意在这种情况下，假设满负载，功率比为1／3。从图2可以看出，SFR通过有效的干扰消除可以使小区边缘用户吞吐量最大化，性能得到改善。然而，有比FRone更低吞吐量的小区中心用户，再看整个小区的吞吐量，SFR的吞吐量与采用最佳信道调度的FRone吞吐量相同，甚至略低。根据这些结果，我们有理由怀疑SFR是否能保证提高整个系统的吞吐量性能。

图2 基于满负载的小区整体吞吐量比较Fig.2 Overall throughput comparison under full traffic load

为了解决上述疑问，我们在不同的业务负载下评估3个方案的性能（FRone、理想SFR和SFR），所谓理想SFR是指小区间干扰可以等效为SINR来计算吞吐量。正如我们前面提到的，需要解决某种程度的小区间SFR干扰，达到完全没有小区间干扰只会发生在一个极端的例子，因此，其性能可以看成是SFR能逼近理想SFR上界，但是从来没有达到。除此之外，我们还仿真3种SFR方案，功率比分别为1／3、1／5、1／10，通过调整SFR功率比，可以进一步检查影响系统性能的功率分配问题。

小区边缘用户和小区中心用户在不同功率比和业务负载情况下的平均吞吐量如图3和图4所示。从图3可以看出，SFR在低业务负载时无法达到FRone的性能增益，这是因为在低业务负载情况下，PRB碰撞概率低，小区间干扰是有限的，因此带宽受限的SFR并不助于改善小区间干扰，然而，当业务负载增加，SFR明显优于RFone，从而保证有限带宽下的小区边缘用户的高吞吐量（在SFR中只有1／3带宽用于小区边缘用户），此外，采用功率比为1／10时明显比其他功率比情况效果更好。

图3 小区边缘用户不同业务负载的平均吞吐量比较Fig.3 Average throughput comparison for cell-edge users as a function of traffic load

图4 小区中心用户不同业务负载的平均吞吐量比较Fig.4 Average throughput comparison for cell-center users as a function of traffic load

从图4可以看出，SFR在中等业务负载以下时，小区中心用户性能较好，而当业务负载较高时，性能甚至比FRone更差，在这种情况下，对于小区中心用户，在功率比为1／3时，SFR性能最佳；不难看出，当业务负载达到0.6，吞吐量开始下降，功率比越小，吞吐量下降得越快。

根据图3和图4的结果，我们可以得出以下结论：首先，在以小区中心用户性能为代价情况下，SFR使得小区边缘用户性能得到显著改善；其次，与理想情况相比，SFR在增加小区边缘和小区中心用户吞吐量方面仍然有很大的空间，这些改善可以达到使用优化调度或自适应方法的效果；最后，SFR的小区边缘用户和小区中心用户性能受功率比影响大，因此，实现小区边缘用户和小区中心用户性能平衡的关键是采用适当的功率比。

SFR的性能评估在图5中得到进一步展示。图5显示在不同业务负载时参考小区吞吐量情况，可以看出，与FRone相比，一般SFR在吞吐量方面更优，尤其在中等负载情况下，采用1／3功率比的SFR性能较好。然而，在满负荷时，SFR性能较差，基于图2和图4得到的类似结果，我们可以得出结论：当整个网络满负载时，SFR对于小区间干扰协调没有多大贡献。

图5 参考小区不同业务负载的平均吞吐量比较Fig.5 Average throughput comparison for the reference cell as a function of traffic load

5 结束语

本文提出了一种在LTE网络中采用SFR的小区间干扰协调方案的综合性能分析方法，通过假设不同业务负载和动态功率比，分别对小区边缘用户和小区中心用户在不同吞吐量情况下的SFR性能进行了评估，通过详细的性能评估仿真，将SFR方案与传统的FRone方案进行了对比。仿真结果表明，在吞吐量显著改善的中等负载情况下，SFR可有效降低小区间干扰；当业务负载较高时，小区边缘吞吐量的改善是以牺牲小区中心用户性能为代价得到的，从而导致限制了小区平均吞吐量的改善；此外，SFR性能受小区边缘和小区中心用户的功率比影响。总之，SFR可以使小区边缘吞吐量最优，但不能保护受小区间干扰的整个小区性能，未来的研究重点将是提出先进的方法使SFR减少小区间干扰，从而使小区边缘和小区中心用户性能都取得更好的效果。

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Performance Estimation of Im proved Soft Frequency Reuse for Inter-cell Interference Coordination in LTE Networks

SONGYan-hui1，2
（1.Department of Mobile Communication，Changsha Telecommunications and Technology Vocational College，Changsha 410015，China；2.Department of Telecommunication，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Soft frequency reuse（SFR）is considered as an effective frequency reuse scheme for inter-cell interference coordination aswell asmaintaining spectrum efficiency.In this paper，the performance of SFR for LTE downlink transmission is investigated by considering issues of various traffic loads and different power ratio configurations.In addition to the cell-edge user performance，the overall cell performance and the cell-center user performance are both evaluated in terms of throughput estimation.Through simulation，the advantages and limitations of SFR are comprehensively examined and compared against the classical frequency reuse scheme.

LTE；inter-cell interference coordination（ICIC）；soft frequency reuse（SFR）；performance estimation

Colleges and University Teachers Domestic Visitor Project of Ministry of Educationa in 2011；Scientific Research Project of Hunan Province（11C0100）

the M.S.degree in 2008.She is now a senior engineer.Her research concernsmobile communication system.

1001-893X（2012）04-0503-05

2011-11-23；

2012-02-27

教育部2011年高等学校教师国内访问学者资助项目；湖南省教育厅基金项目（11C0100）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.016

宋燕辉（1978—），女，湖南浏阳人，2008年获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为移动通信系统。

Email：song.yanhui＠139.com

SONG Yan-hui was born in Liuyang，Hunan Province，in 1978.She