LTE頻率規劃:LTE同頻組網的可行性,公共信道/信號,控制信道,數據信道,LTE

對於運營商來說，頻率資源不僅決定了網路的質量，也決定了業務能否滿足要求、技術優勢能否得到發揮等關鍵問題。在頻率資源日趨緊缺的情況下，如何提高頻率的利用率成為每個運營商的當務之急。對LTE來說，同頻組網是提高其頻譜利用率的重要手段。嚴格的同頻組網指頻率復用因子為1的組網方式，可以最大化頻譜利用效率。這對於需要大頻寬部署且頻率資源緊張的LTE系統來說具有極其重要的意義。但是嚴格的同頻組網方式會使小區邊緣用戶受到的嚴重的同頻干擾，影響到小區邊緣用戶體驗、小區的吞吐量和覆蓋等。本詞條將從LTE同頻組網的可行性分析入手，進而分析LTE同頻組網干擾解決方案，最後給出網路部署建議。

基本介紹

中文名：長期演進技術頻率規劃
外文名：LTE frequency planning
套用學科：通信

LTE同頻組網的可行性,公共信道/信號,控制信道,數據信道,LTE同頻組網的干擾解決方案,干擾隨機化,干擾消除,小區間干擾協調,網路部署建議,

LTE同頻組網的可行性

同頻組網系統最大的挑戰是鄰近小區間的同頻干擾，對小區邊緣用戶的性能將造成很大的影響。同頻組網系統是否可行主要取決於在現有抗干擾手段下同頻干擾是否在可控制範圍內。衡量LTE系統的同頻組網能力最重要的指標是同頻組網條件下的覆蓋率水平，也就是網路中SINR（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，信號與干擾加噪聲比）水平滿足解調門限要求的覆蓋百分比。採用蒙特卡洛靜態仿真得到LTE同頻組網時上行和下行的用戶SINR累積分布曲線如圖1和圖2所示。從圖中可以看出上、下行鏈路97%以上的覆蓋區域的SINR大於−5dB。在LTE系統中，公共信道、控制信道和數據信道的設計特點和功能各不相同，下面將從這3個方面來分析同頻組網的可行性。

SINR（dB）

公共信道/信號

公共信道/信號包括廣播信道和重要的公共信號，如導頻信號和同步信號。這些信號/信道如果在同頻組網條件不能正常工作，會直接影響LTE系統的可用性。在LTE系統中，PBCH、PSS、SSS和RS總是在特定的符號和子載波中傳輸，因此本小區的PBCH、PSS、SSS和RS只分別受到其他小區同類信道的干擾，而不會受到其他類型信道的干擾。同時，PSS採用了長度為62的頻域ZC序列，SSS採用了長度為62的二進制序列，對噪聲的抑制達到約17.9dB，具有足夠的抗同頻干擾能力。下行RS採用了頻率位移、擾碼和功率增強方法，上行RS採用零相關序列和序列位移方法，其抗同頻干擾能力在上、下行數據仿真和測試中已得到驗證。PBCH採用了卷積信道編碼、QPSK、速率匹配和4次重傳，在RAN4標準定義的FDD模式下1×2天線配置下終端解調門限為−6.1dB，2×2天線配置下終端解調門限為−4.8。從圖2中可以看出，其所對應的覆蓋率水平達到95%以上，可以滿足同頻組網的需要。

控制信道

這裡的控制信道主要包括上行控制信道（PUCCH、PRACH）和下行控制信道（PDCCH、PCFICH、PHICH），這些信道對傳輸質量和時延都有很高的要求，能否正常地解調這些信道將關係到整個系統的通信質量。根據鏈路級仿真結果，得到各控制信道的解調門限如表1所列上下行各控制信道解調門限，相應的仿真假設如表2所列鏈路級基本仿真假設。

表1 上下行各控制信道解調門限

控制信道	解調門限/dB
PDCCH（Format1a，8CCE）	−4.8
PDCCH（Format2c，8CCE）	−3.1
PCFICH	−5.8
PHICH	−5.9
PUCCH（Format1）	−6.8
PUCCH（Format1a）	−6.8
PUCCH（Format2）	−5.5
PRACH（Format2）	−10.45

表2 鏈路級基本仿真假設

參數
系統頻寬	10MHz
天線配置	2TX，2RX
無線信道	[SCME，ePA]
熱噪聲	−174dBm/Hz

1．PCFICH、PHICH、PRACH

在R8標準中，PCFICH將2bit的數據採用塊編碼到32bit，經QPSK調製後形成16個QPSK符號，映射到資源塊時採用了頻率分集，並且其頻域起始位置與小區ID有關，較好地避免了不同小區間PCFICH的干擾。另外，PCFICH還採用了小區特定加擾和發射分集技術。從表1的仿真結果可知，PCFICH信道達到BLER=1%的解調門限SINR為−5.8dB，對應到圖2中，得到PCFICH信道覆蓋率為95%以上。

PHICH信道的傳輸以PHICH組的形式來組織，1個PHICH組內的多個PHICH信道占用相同的時頻資源，採用不同的正交擴頻碼復用。如果小區邊緣的SINR很低，可以使相同的物理資源上復用的用戶減少，提高它的解調能力，這樣PHICH抗干擾的能力可以自適應地調整。PHICH還採用小區特定加擾和發射分集技術。這兩個控制信道都具有較強的抗同頻干擾能力。表1所列的仿真結果表明，PHICH信道達到BLER=1%的解調門限SINR為−5.9dB，滿足95%以上的覆蓋率。

PRACH是物理層接入信道，即前導preamble，由具有零相關區的Zadoff-Chu序列產生，具有較強的抗干擾能力。表1的仿真結果表明，PRACH信道的解調門限約為−10dB，其在圖1中對應的覆蓋率水平達到99.9%以上。

2．PUCCH、PDCCH

PUCCH和PDCCH直接決定了LTE系統可支持的最大用戶數量。由於PUCCH的頻域寬度有較大的靈活性，可以根據需要占用更多的RB。另外上行信令還可以通過PUSCH傳輸，因此上行用戶數量不是整個系統的瓶頸。表1仿真結果也表明，PUCCH信道的解調門限小於−5.5dB，覆蓋率水平在97%以上，滿足同頻組網條件。

而PDCCH最大只能占下行資源的20%左右（3符號/子幀），不同的用戶可採用不同的擴頻比，即1個用戶的PDCCH可以占用1個、2個、4個或8個CCE，並且不同的DCI格式的DCI原始信息比特是不同的，這導致了PDCCH的解調能力不同。如果小區邊緣的SINR很低，可以採用大的擴頻比提高它的解調能力，PDCCH抗干擾的能力可以自適應地調整。在8CCE水平下，DCI格式為Format1a時的解調門限為−4.8，對應的覆蓋率約為95%；DCI格式為Format2c時的解調門限為−3.1，對應的覆蓋率約為94%。然而在2CCE水平下，3GPP定義的終端解調門限為4.3dB，對應的覆蓋率急劇下降，因此若要滿足同頻組網要求，分配給每個用戶的CCE需要更多，因而系統可支持的最大用戶數就會減少。如果保證用戶數，在頻寬較小時，將會出現邊緣用戶的CCE資源不夠的情況，導致同頻組網性能變差。為了增強PDCCH的抗同頻干擾能力，應該對PDCCH實現更好的最佳化，如準確的CCE格式自適應、PDCCH功率分配（即將發射功率向低SINR用戶傾斜）、充分利用SPS等。

數據信道

同頻組網的優勢主要體現在數據信道上，理論上它可以使系統的頻率利用率達到1。在實際套用中，為了減少干擾，頻率利用率無法達到1，但是仍然明顯高於傳統的3頻點蜂窩網。仿真結果表明，在同頻組網環境下，LTE的下行頻譜效率能達到R6HSDPA的3倍多，上行頻譜效率達到R6HSUPA的2倍多，滿足LTE標準化之初人們對LTE系統的期望的設計目標。但是由於多流MIMO技術只能用於小區中心區域，使得LTE在小區中心區域的性能提高幅度高於小區邊緣，因而如何提高小區邊緣用戶的性能成為同頻組網的一大研究熱點。本文後續章節將著重介紹數據信道的同頻組網干擾解決方案。

LTE同頻組網的干擾解決方案

LTE標準中關於宏蜂窩同頻組網的內容集中在R8/9中，主要涉及業務信道的抗同頻干擾方法。關於異構網的干擾解決方案主要集中在R10/11中。主要的小區間干擾抑制技術有干擾隨機化技術、干擾消除技術和小區間干擾協調技術。

干擾隨機化

干擾隨機化不能降低干擾的能量，但能將干擾隨機化為“白噪聲”，從而抑制小區間干擾的危害，因此又稱為“干擾白化”。干擾隨機化的方法包括加擾、交織和跳頻等。這些技術已經成熟地套用在2G和3G系統中。

干擾消除

干擾消除技術來源於多用戶檢測技術，可以將干擾小區的信號解調、解碼，然後將來自該小區的干擾複製、減去。小區間干擾消除技術對小區的資源沒有限制，可以實現相鄰小區的用戶使用同樣的時頻資源，即允許頻率復用因子為1。

小區間干擾協調

ICIC通過管理無線資源使得小區間干擾得到控制，是一種考慮多個小區中資源使用和負載等情況而進行的多小區無線資源管理功能，上下行ICIC方法可以不同。具體而言，ICIC以小區間協調的方式對各個小區中無線資源的使用進行限制，包括限制哪些時頻資源可用，或者在一定的時頻資源上限制其發射功率。

小區間干擾協調（ICIC）技術使用靈活，實現簡單，仿真效果較好，是目前LTE系統抗同頻干擾的主流技術。

1．ICIC的分類

（1）從資源更新頻率方面進行分類

從對無線資源使用的限制進行更新的頻率來看，ICIC可以分為如下四大類。

①靜態協調：對無線資源的使用限制進行重新配置的時間規模為若干天，幾乎不需要基站之間互動信息。

②半靜態協調：對無線資源的使用限制進行重新配置的時間規模為秒級或更長，基站之間信息傳遞的頻率為幾十秒或分鐘級。

③動態協調：對無線資源的使用限制進行重新配置的時間規模為幾十或幾百毫秒，基站之間信息傳遞的頻率類似。

④協作調度：對無線資源的使用限制進行重新配置的時間規模為TTI級別（幾毫秒），由於X2接口的時延限制，在基站間無法傳遞信息。

對於網路規劃來講，採用靜態小區間干擾協調是最為單純和簡單的手段。另外的3種方式由於需要相對複雜的算法和流程來配合，對於規劃來講，沒有完全可靠的預估模式，設備性能和最佳化手段也受到了具體算法能力的制約。因此在實際套用時，需要更合理地根據設備算法的成熟度和網路規劃最佳化的可行性進行綜合權衡和評估，以採用最為合理的方式，既能給規劃最佳化帶來便利，又能最大程度的利用算法的優越性。

（2）ICIC從資源限制方式方面進行分類

從對無線資源使用的限制方式來看，ICIC方法又可以分為如下三大類。

①部分頻率復用（FractionalFrequencyReuse：FFR）。與普通頻率復用相比，部分頻率復用是指在某些子頻帶上的頻率復用因子為1，而在另外一些子頻帶上的頻率復用因子大於1。基站根據分配的頻段結合調度算法動態調度中心用戶和邊緣用戶的使用頻段。對於上行和下行來說，都是基站調度，沒有本質的差別。從功率分配的角度看，有一個子頻帶被所有小區等功率使用（即頻率重用因子為1），而其餘子頻帶的功率分配在相鄰小區間協調，從而在每個小區創造一個小區間干擾較低的子頻帶，成為小區邊緣頻帶。FFR方案可以被進一步分為全功率隔離（FFRFI）和部分功率隔離（FFRPI）。全功率隔離意味著每個小區不能在其相鄰小區的小區邊緣頻帶上傳送數據，從而以減少可用資源為代價抑制了相鄰小區的小區間干擾，如圖4（a）所示，對於部分頻率隔離而言，所有小區都可以使用所有系統頻寬。因此，可用的頻率資源與重用因子為1時相同，這與下面講到到軟頻率復用（SoftFrequencyReuse：SFR）類似。在FFRPI方案中，通過為小區邊緣頻帶分配較大發射功率，並相應減少其他子頻帶上的發射功率從而保持總發射功率的方式增強信道質量，如圖4（b）所示。實際組網時，需要根據具體網路的需求，合理規劃頻率部分復用的比例，但是不可避免地會出現部分頻譜浪費的問題。因此首先要視不同小區的實際情況不同，單獨考慮其頻率復用比例，當業務需求隨著場景、時間的變化時，部分頻率復用的比例如何根據業務需求進行調整，是最佳化工作必須重視的問題。當然，在用戶負載較高時，肯定會比較難於協調。

②軟頻率復用（SFR）。與普通頻率復用相比，軟頻率復用（SFR）對某些子頻帶上的功率只是部分減少，而不是完全限制使用。因此對於SFR，需要調節某些子帶上的功率。綜合上述方法，對SFR進行如下定義：每個小區使用整個頻帶，但根據特定的頻率復用方案，在各個子頻帶上有兩種不同的功率分配方法：①某個特定的子頻帶上發射功率被減小，其餘子頻帶上使用相等的全功率發射；②某個特定的子頻帶上使用全功率發射，其餘子頻帶上發射功率被減小。總體來說，SFR與頻率復用因子為1的情況相同，可使用所有可用頻率資源傳輸。但與前者不同的是，不同子頻帶上的平均SINR不再完全相同。每個小區全功率發射的子頻帶上的SINR會維持不變或提高，而發射功率被減小的子頻帶上的SINR則會減小。

③全頻率復用（FullFrequencyReuse：FFR）。全頻率復用與SFR和FFR中對一組連續的PRB採用統一的資源使用和發射功率限制不同，全頻率復用對時頻資源的使用和發射功率的限制以PRB為單位，可以單獨對某個PRB進行調度和功率限制，以避免高功率干擾對邊緣用戶產生嚴重影響。在全頻率復用方案中，並不區分IC和OC資源，利用測量到高干擾PRB資源指示，eNodeB端進行PRB協調調度，系統可以使用小區內頻譜資源，即頻率復用因子為1。

2．ICIC的不同分類方式小結

3種頻率復用模式的區別如表3所示。

表3 ICIC不同頻率復用模式的比較

ICIC實現方式			FFR	SFR	全頻率復用
資源規劃單元			連續多個RB組成的子頻帶		單個RB
頻帶劃分	IC資源	使用資源	部分正交頻帶	全部頻帶	無IC、OC資源劃分
		復用係數	1	1
	OC資源	使用資源	部分正交頻帶	部分正交頻帶
		復用係數	大於1	大於1
	頻帶使用特點		不同小區邊緣用戶使用相互正交的子頻帶		不同小區用戶使用相互正交的RB，或結合功控使用同一RB
功率控制			無功控	可結合功控	可結合功控

表4給出了ICIC不同頻率復用方案與協調周期的對應關係，其中協作調度對資源重配的時間規模為TTI級別，並且會更細化資源的分配，因而不存在軟頻率復用或部分頻率復用的模式。而靜態協調的資源使用基本固定，其分配不會細化到PRB的級別，因此不存在全頻率復用的模式。對於靜態協調、半靜態協調和動態協調，由於ICIC方案只規定在一段時間內對時頻資源的使用和發射功率的限制情況，因此還需要與每個小區的調度算法相結合，實現用戶數據到具體資源的映射。

表4 ICIC方案對應關係表

	靜態協調	半靜態協調	動態協調	協作調度
部分頻率復用	√	√	√	×
軟頻率復用	√	√	√	×
全頻率復用	×	√	√	√

R8/R9中關於ICIC技術的標準化內容如下。

（1）上行ICIC技術

上行採用動態ICIC技術，可通過X2接口傳送高干擾指示HII和過載指示OI信息。HII用於指出分配給邊緣用戶的可能會造成較大幹擾的PRB，通過資源調度避免碰撞，減少干擾。OI用於指出那些已經受到較大幹擾的PRB，防止其再被分配給邊緣用戶。OI和HII都是事件觸發，觸發主要基於HII門限和OI門限。OI有2個門限值，用於區別3類干擾等級。因此HII只要1bit，而OI則需要2～5bit構成。HII和OI最小更新周期為20ms，都具有頻率選擇性，顆粒度為1個PRB，對不同的鄰小區可傳送不同的HII。

（2）下行ICIC技術

下行採用RNTP參數指示每個PRB的功率信息，通過傳輸RNTP參數可以將本小區PRB的功率信息提前通知鄰小區，鄰小區根據接收到的功率信息進行干擾協調，從而降低小區間的干擾。由於LTE最終決定下行業務信道不採用功率控制，導致ICIC的干擾控制效果受到很大限制。標準中RNTP只使用1bit指示某個PRB是否被占用了，R8支持eNB間互動RNTP信息，並且討論了功率門限。

網路部署建議

在實際網路部署中，由於LTE可用頻率資源有限，為了最大限度地提高頻率資源的利用率，建議優先採用同頻組網。

在網路建設初期系統負荷相對較低時，廠商ICIC功能還不太完善，可採用頻選調度方案來降低系統干擾。

當用戶發展到一定規模，系統負荷相對較高時，可開通ICIC功能，採用ICIC方案來降低小區間干擾。在半靜態/動態ICIG尚未成熟時，建議採用靜態SFR的方式，待半靜態/動態ICIC技術成熟後，可結合X2接口的信令負荷來選擇採用半靜態或動態ICIC方案。

由於動態ICIC或半靜態ICBC需要eNodeB之間通過X2接口互動系統負載信息和RB占用情況，而3GPP對ICIC的具體算法沒有進行統一，各廠家的ICIC算法各有差異，異廠商之間進行協作比較困難。因此在網路建設過程中，應儘量保證成片區域單個廠商連續覆蓋。在不同廠商邊界，可採用靜態ICIC方案或者異頻方式，通過規劃使相鄰基站之間邊緣用戶儘量採用不同的RB資源塊。

LTE頻率規劃