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高速鐵路場景中LTE系統(tǒng)干擾消除技術(shù)的研究分析
【摘 要】 高速鐵路場景中列車高速移動，多普勒頻移嚴(yán)重，導(dǎo)致LTE系統(tǒng)的無線鏈路性能很差，因此需要找到物理層降低干擾的方案。通過對小區(qū)間干擾消除以及小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)方案進(jìn)行研究，提出了干擾抑制合并(IRC)技術(shù)和準(zhǔn)空白子幀(ABS)技術(shù)兩種方案，并通過仿真驗(yàn)證了這兩種方案對LTE系統(tǒng)無線鏈路性能的增強(qiáng)。
【關(guān)鍵詞】 高速場景 干擾抑制合并 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)
[Abstract] As Doppler frequency offset in high-speed railway scene results in poor wireless link performance for LTE system， this paper studies the technology scheme of the inter-cell interference elimination and coordination， and proposes a solution for interference rejection in the physical layer， with two technologies combination of Interference Rejection Combining (IRC) and Almost Blank Subframe (ABS). The simulation proves that the schemes mentioned before improves the radio link performance for LTE.
[Key words] high-speed railway scene interference rejection combining inter-cell interference coordination
1 引言
高鐵通信傳輸環(huán)境一般有彎道弧度較小、環(huán)境開闊、列車移動速度快和基站為條形分布等特點(diǎn)，這些環(huán)境因素導(dǎo)致了傳播特性的不同，具體如下：
(1)基站距離鐵路近，基站與列車運(yùn)行所形成夾角小，列車速度快，導(dǎo)致多普勒頻移大;
(2)由于車速快，信道傳播環(huán)境變化也較快，不同的傳播環(huán)境導(dǎo)致信道估計(jì)的難度加大;
(3)由于列車所屬小區(qū)的頻繁變換，小區(qū)間干擾就顯得更為明顯。
其中，多普勒頻移校正是突出的一大難題。由于列車的高速移動，多普勒頻移嚴(yán)重等因素導(dǎo)致無線鏈路很不穩(wěn)定，性能變差，所以要找到物理層降低干擾的方案。
LTE系統(tǒng)下行引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址)接入方式，使小區(qū)內(nèi)的用戶信息承載在相互正交的不同載波上，因此小區(qū)間干擾成為LTE系統(tǒng)的主要干擾來源，小區(qū)間干擾抑制技術(shù)就顯得格外重要。小區(qū)間干擾抑制方案主要分為三種，即小區(qū)間干擾隨機(jī)化、小區(qū)間干擾消除、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)。本文將主要對小區(qū)間干擾消除以及小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)方案進(jìn)行深入研究。
2 技術(shù)介紹
2.1 干擾抑制合并技術(shù)
IRC(Interference Rejection Combining，干擾抑制合并)技術(shù)是小區(qū)間干擾消除的主要方法。該算法是通過估計(jì)出干擾(認(rèn)為是有色噪聲)和噪聲的相關(guān)矩陣，從而對干擾起到一種抑制作用的分集合并技術(shù)。
天線間干擾是相關(guān)的，IRC算法是直接估計(jì)出干擾(有色噪聲)和噪聲的相關(guān)矩陣來計(jì)算。IRC在計(jì)算權(quán)向量矩陣時考慮了干擾(非對角元素)的影響，合并后提高了SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比)，因此IRC對非白噪聲的干擾有抑制或者對消的作用，從而適用于干擾受限場景。
IRC算法的關(guān)鍵就是計(jì)算干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣，故對于其估計(jì)的準(zhǔn)確性會對IRC算法的性能產(chǎn)生很大的影響。如果接收端已知干擾信號的信道狀態(tài)信息，那么根據(jù)IRC原理，可以較好地減小誤碼率。但由于實(shí)際接收端無法已知干擾信號的信道信息，只能采用接收信號的自相關(guān)矩陣近似估計(jì)干擾與噪聲的協(xié)方差矩陣，并進(jìn)行時域與頻域上的平均或者直接采用干擾與噪聲計(jì)算協(xié)方差矩陣。
2.2 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)
ICIC(Inter-Cell Interference Coordination，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào))技術(shù)的基本思想是通過管理無線資源使小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使用和負(fù)載等情況而進(jìn)行的多小區(qū)無線資源管理方法。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進(jìn)行限制，限制時頻資源的使用或在一定時頻資源上限制其發(fā)射功率等。
3 系統(tǒng)模型與理論方案
3.1 最大SINR準(zhǔn)則
以一個發(fā)送端有1根天線、接收端有N根天線的SIMO系統(tǒng)為例，推導(dǎo)權(quán)向量的表達(dá)式，信號接收模型為：
(1)
其中， y是N×1維的接收信號向量; H是N×1維的信道矩陣; u是1×1維的發(fā)送信號向量;x是N×1維的噪聲與干擾的和向量。
設(shè)w為N×1維的權(quán)向量矩陣，則目標(biāo)函數(shù)為：
(2)
其中，Ruu是噪聲與干擾和向量的相關(guān)矩陣。
由廣義瑞利商定理可知，當(dāng)w為矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量時，SINR最大，即：
(3)
由于H是列向量，故只有一個非零的特征值 ，此特征值對應(yīng)的特征向量為，因此：
(4)
3.2 系統(tǒng)模型
本文討論具有兩根發(fā)射天線和兩根接收天線的SFBC編碼方式的系統(tǒng)模型。其中，噪聲為高斯白噪聲，并加入一個干擾源，因此系統(tǒng)模型可以表示為：
(5)
其中，R是接收信號向量;H是用戶信道矩陣;X是用戶信號向量;G是干擾信道矩陣;Z是干擾信號向量;N是高斯噪聲向量。
IRC算法充分考慮了小區(qū)干擾，將干擾與噪聲的協(xié)方差矩陣估計(jì)出來，實(shí)現(xiàn)對干擾的抑制。
根據(jù)SFBC編碼方式，可以得到：
(6)
其中，、、、分別表示Rx1與Rx2上接收到的第k個及第(k+1)個載波上的符號;H11、H12、H21、H22分別表示Tx1到Rx1、Tx1到Rx2、Tx2到Rx1、Tx2到Rx2的信道狀態(tài)。
由此可得，干擾與噪聲的協(xié)方差矩陣為：
(7)
根據(jù)最大SINR準(zhǔn)則，，可得：
(8)
(9)
由此得到了發(fā)送信號的估計(jì)信號。
3.3 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)方案
小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的理論方案是在時頻資源的協(xié)調(diào)方面，采用準(zhǔn)空白子幀(ABS)技術(shù)，在宏基站中配置ABS子幀，協(xié)調(diào)時頻資源，從而降低宏小區(qū)之間的干擾。
ABS子幀配置方案有兩種：一種是ABS沖突導(dǎo)頻配置;另一種是ABS非沖突導(dǎo)頻配置。如圖1所示：
圖1 ABS沖突/非沖突導(dǎo)頻配置方案
因此可以通過仿真，對比將干擾小區(qū)的子幀配置成常規(guī)子幀或ABS子幀時的誤包率曲線，從而得到ABS技術(shù)在干擾抑制方面的效果。
4 仿真方法與結(jié)果
4.1 仿真平臺介紹
本次仿真所使用的是LTE系統(tǒng)PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)鏈路級平臺，該平臺的單鏈路結(jié)構(gòu)如圖2所示：
在此基礎(chǔ)上，加入一個干擾小區(qū)信號，如圖3所示：
本次仿真所使用的參數(shù)如表1所示：
表1 仿真使用的參數(shù)
編碼方式 咬尾卷積碼 碼速率 1/3
信道模型 Jakes模型 天線數(shù) 2發(fā)2收
分集方式 SFBC編碼 用戶所占資源 2CCE
信道帶寬 20M 信道估計(jì)方法 MMSE信道估計(jì)
4.2 仿真結(jié)果
本文分別對干擾信號功率為1/4/7dB三種場景進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示了干擾抑制合并(IRC)技術(shù)和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)技術(shù)在消除小區(qū)間干擾的作用。
通過仿真結(jié)果分析，可以得到干擾抑制合并(IRC)技術(shù)和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)技術(shù)對誤包率增益曲線的改善情況。
由圖4可知：
(1)干擾信號功率為1dB場景下，誤包率曲線的增益約為5dB;
(2)干擾信號功率為4dB場景下，誤包率曲線的增益約為6dB;
(3)干擾信號功率為7dB場景下，誤包率曲線的增益約為8dB。
這說明，隨著干擾信號功率的增加，干擾抑制合并技術(shù)對提高誤包率曲線增益的效果得到了增強(qiáng)。
由圖5可知：
(1)干擾信號功率為1dB場景下，加入ABS子幀后，導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為8dB;
(2)干擾信號功率為4dB場景下，加入ABS子幀后，導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為10dB;
(3)干擾信號功率為7dB場景下，加入ABS子幀后，導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導(dǎo)頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為12dB。
這是由于導(dǎo)頻沖突情況下，干擾信號嚴(yán)重影響了信道估計(jì)的準(zhǔn)確性;而非導(dǎo)頻沖突情況下，干擾信號只是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有較小的影響。因此，非導(dǎo)頻沖突情況的誤包率性能要好于導(dǎo)頻沖突情況。
5 結(jié)論
綜上所述，干擾抑制合并技術(shù)與小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)在改善高速鐵路無線鏈路性能上有較為明顯的效果，筆者建議可以采用這兩種方案在物理層上消除干擾，從而增加高鐵通信的穩(wěn)定性。
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