LTE小区边缘SINR

1概述LTE应用了没有软切换的100%频率复用，即频率复用因子N=1。因为可以预估，在小区边缘会有很大的干扰和较小的SINR。小区边缘的业务信道的性能可以借助跨小区干扰协调（Inter-CellInterferenceCoordination，ICIC）得以提升。然而，现在普遍认为，相比较而言，控制信道（如PDCCH信道）更加强健。现网部署中，N=1的大规模LTE异构网络在高负载的情况下将产生SINR的长尾分布；而高速移动将使得这个情况更加严重。小区边缘的SINR值是如此的差，以至于即便是最强健的控制信道如果没有ICIC的某些协助，也无法正确地工作。2小区边缘SINR模拟，试验网和现网在实际部署大规模的LTE网络之前，需要先通过系统级的模拟以及试验网络对网络的性能进行预估。3GPP的模型[1]被广泛应用于系统级的模拟（参见图1）。其中横轴是SINR值，纵轴是SINR的累积分布函数（CumulativeDistributionFunction，CDF）。从图中可以看出，SINR值几乎都小于20dB，SINR值小于0dB的区域占小区总面积约35%，而SINR值小于-8dB的几乎没有。图1在3GPP模型下，小区边缘的SINR值很少会低于-8dB一些显而易见的限制使得3GPP模型不适合于预估小区边缘的性能。这个模型太理想化了；在最好的情况下，也不可能找到一个只包括19个小区的LTE实际网络，并且都有一样的小区半径、一样的天线、一样的塔高和标准的用户分布。使用这个理想模型的效果就是，在一个大型现网测量得到的小区边缘SINR值（图2）比系统模拟产生的SINR值（图1）差很多。图2N=1的LTE实际网络的SINR值有更长的尾巴，甚至可低至-12dB绝大多数的试验网络只包含较少的几个基站；这么少的邻小区即便满负载工作，也不会产生多少外小区干扰。一些认为，如果距离目标小区较远的小区产生的外小区干扰影响不大。但是这种想法不是经常成立的；如果距离较远的小区处于目标小区的视距（LOS）范围内，则依然会带来不可忽略的干扰（见图3）。因此从试验网络中得到的数据也往往与实际不符：现网的小区边缘性能远差于在试验网络中的表现，特别是在高负载的情况下。图3特殊的3D地理环境导致了“没有主服务小区”问题SINR=SN+∑Ikk=1，其中S是接收到的有用信号强度，N是热噪声（常数），而∑Ikk=1是所有相邻小区产生的外小区干扰的总和。I越大，SINR值越小。图4显示了一个室内网部署。高楼的高层能够“看到（LOS）”地面上的很多小区。这些小区的信号在高层汇集起来是相当可观的，但是没有一个小区的信号超过其它小区，因此任何一个小区的SINR值是相当差的。图4高层建筑的“没有主服务小区（导频污染）”3移动性产生的影响高速移动的交通工具会遭遇更差的小区边缘SINR，原因是“切换滞后效应”。本质上来说，这是因为快速移动的UE经常得不到信号最好的小区的服务。要知道，切换只能在UE穿越小区边界时触发，而从切换触发到切换完成之间有一段时间的推移。当一个UE穿越小区边界时，在却换完成之前，由初始小区（servingcell）为其提供服务，而此时初始小区已经成为第二好或者第三好的小区。在切换完成前，UE是得不到最好的小区的服务的（图5）。之所以初始小区不再是最好的小区，原因在于切换触发的条件：A3事件，即一个新的候选小区的RSRP必须比初始小区的RSRP高一个幅度（Hysteresis）。因此，在切换触发的时刻，服务小区不是最好的小区，候选切换小区才是。另外，在A3事件之后一个切换触发定时器，因此移动速度越快，UE在获得最好小区的服务之前行进的距离就越长。图5影响LTE切换的因素然而，UE必须先和现在的服务小区交互消息（而不是那个最好的小区），而切换成功的前提是和成功完成和现有服务小区的这些消息的交互（图6）。图6LTE切换消息最常见的问题是在小区边缘，最好小区的SINR值已经比较差了，第二好或者第三好小区的SINR值则更差。图7显示了靠近小区边界的最好小区、第二好小区和第三好小区的重叠区域。3GPP的模拟只关心最好小区的SINR分布。然而在实际网络部署中，UE必须和第二好和第三好小区打交道，因此实际的状况更加不利。图7靠近小区边界的最好小区、第二好小区和第三好小区的重叠区域在这样差的场景下，和服务小区的消息交互的失败率是相当高的。图8显示的是不同的UE移动速度下模拟出来的小区边缘SINR数值。我们可以看到，高速移动的UE会体验到低至-30dB的小区边缘SINR；没有什么信道（即便是以强健著称的控制信道）能在这样恶劣的SINR条件下工作。图8低速UE和高速UE的SINR分布注意，图8是基于3GPP模型的模拟结果，而这个模型是理想化的：每个切花都有一个清晰划分的边界，且每个只有一个候选切换小区。但是在现网中，边界和目标小区都是非常模糊的，特别是在那些“没有主导小区”的区域（图9）。由于来自不同小区的SINR的快速变化，存在着很多小区边界，以及随时间而变化的切换目标小区（图10）。这种SINR的起伏正是切换触发条件中需要定义一个较大的比较幅度（Hysteresis）的原因，否则就会产生乒乓现象。然而，比较幅度（Hysteresis）的值越大，切换滞后效应越明显，从服务小区得到较差边缘SINR的情况就越严重。图9理想和实际的切换场景图10即便只有两个小区，仍然可能存在多个切换边界对于覆盖面积较小的基站内的快速移动的UE来说，切换滞后现象特别严重。有些人认为在市区环境中，由于频繁的红灯停车，不会出现高速UE在小基站中出现的情况。但是不幸的是这往往不是事实。在现代都市，高速道路可以贯穿市区，汽车可以长时间高速行驶；高速火车也可能高速穿越市区（图11）。图11市区环境下高速车辆行驶在小基站区域