TD-LTE系统同频干扰和组网方案的研究与应用

TD-LTE系统同频干扰和组网方案的研究与应用摘要从2011年至今，运营商在全国重点城市开展了TD-LTE规模试验，对关键的网络功能、网络性能及端到端支持能力进行深入的测试验证。由于TD-LTE在我国尚处于试验阶段，商用频段并不明确，由此造成其组网方案存在多种可能性，其中同频组网方式是规模试验阶段重点验证的关键技术。如何全面地评估同频组网的性能，是TD-LTE发展的重点问题。与2G,3G等移动通信系统相比，TD-LTE的OFDM,MIMO等关键技术给TD-LTE的干扰特性带来很多新的变化;同时随着TD-LTE频谱资源的发放，在组网方式上也存在多种选择方案。随着技术的不断深入及应用条件越来越成熟，TD-LTE已经由最初的标准提出、系统开发、概念验证阶段进入到了整网性能验证、组网技术研究的新时一期。本文围绕TD-LTE系统同频干扰特性及解决及解决方案、同频组网中各信道干扰分析仿真和解决方案，以及同频组网、异频组网和移频组网方案的特点、适用场景和组网应用建议进行了研究与验证:本文通过对TD-LTE帧结构的分析，对目前TD-LTE系统存在的干扰进行了归类，并着重研究了TD-LTE系统同频干扰特性，提出了干扰随机化、干扰抑制和干扰避免的集中抗同频干扰解决方案。通过对TD-LTE同频组网中针对不同物理控制信道分别进行了研究，分析了各物理控制信道的帧结构、码序列特征，给出了各控制信道同频干扰下的仿真结果，对其解调门限和检测成功率进行了分析，并列举了可能造成控制信道同频组网受限的几点因素;通过业务信道同频组网对数据、导频的干扰的研究，归纳了实现业务信道同频组网的几种主要方案，如ICIC机制、功控机制、调度机制等，并着重对ICIC技术进行了仿真，对比了不同ICIC方式下的网络性能指标及受限条件;通过TD-LTE规模试验中同频组网条件下的网络测试结果，验证了同频组网下的网络性能，充分肯定了同频组网的可行性，并证实了在多种抗同频干扰技术及对应的参数配置作用下，网络性能基本达到商用网络的KPI要求。但在研究中也得知，同频组网对于小区覆盖范围、小区边缘用户吞吐量及网络负载较重情况下的网络还有一定的影响，后续需要继续对算法及网络规划手段进行跟踪研究。为了比较全面地说明同频组网的特点，本文通过对TD-LTE同频组网、异频组网和移频组网方案理论分析、仿真对比及实测结果对比研究，证实了同频组网高频谱效率的优势，但从其和异频组网、移频组网的对比看出，在网络性能方面还有一定的差距。同时探讨了在频率资源允许的情况下，异频组网和移频组网的适用场景和频率规划，对未来TD-LTE发展的不同阶段，各组网方式的引入和演进给出了建议。关键词:TD-LTE同频干扰同频组网异频组网移频组网第一章绪论1.1项目背景TD-LTE是国际电联采纳的LTE两大标准之一,作为3.9G的LTE标准存在FDD和TDD两种双工模式。TD-LTE标准是对TD-SCDMA标准一些关键技术的继承和进一步创新,其下行速率可达到100Mbps,上行速率达到50Mbps,是TD-SCDMA的50倍,大大提升了用户体验。TD-LTE最大的特点是支持使用非对称频段,而频谱资源如今已经成为了所有运营商寸土必争的战略资源,TD-LTE在灵活部署上的优势显露无遗。作为主要由中国提出的LTE标准,TD-LTE作为在国内先行的下一代移动网络技术演进标准,获得了业界广泛的关注和支持。从2008年开始,在国内就针对TD-LTE进行了大量的概念验证及小规模试验,并获得了比较全面而可靠的研究成果和应用经验。不同于TD-SCDMA网络的是,TD-LTE标准并是只在中国一枝独秀,在海外已经有多家运营商已经部署?或正在考虑部署TD-LTE商用网络。随着TD-LTE技术的不断发展及对网络验证的不断深化,组网技术逐步成为研究的重点方向之一。由于TD-LTE运营商获得的频谱资源有限,在保证用户体验和有效利用频谱的考虑下,使用同频组网是目前最佳的选择。从2011年5月肝始,M运营商在国内6个规模较大城市开展了TD-LTE规模试验,每个城市约部署220个基站,由两家TD-LTE系统厂商共同建设,用于进行TD-LTE端到端的技术验证及专项课题研究。根据国家无线电管理委员会的批示,本次试验使用的频段如下:室内:2320?2370MHz,共50MHz(E频段)室外:2575?2615MHz,共40MHz(D频段,2570~2570MHz/2615MHz~2620MHz为频率保护带)为了更好地体现TD-LTE的技术优势,M运营商希望整网支持使用20MHz的载波带宽,以达到与FDDLTE同等水平的网络指标。但由于频率资源的限制,暂时无法部署3扇区20MHz的异频组网网络。在每个试验城市,每系统厂商最终各使用相邻的20MHz频段,在室外进行同频组网方式部署连片覆盖的测试区域。众所周知,同频组网不可避免地会带来系统干扰,因此对于同频组网技术的干扰分析与解决是TD-LTE能否成功的重中之重;同时,在不同频谱资源条件下,除了同频组网还有哪些组网方式,如何灵活组网也是未来网络部署?的重点研究课题。1.2项目任务及目标本文将就TD-LTE同频组网干扰与组网方案的研究与应用进行深入地探讨和分析验证。对于TD-LTE同频组网干扰,本文将重点分析干扰的分类及干扰的解决方案,并对其中的关键技术进行仿真验证,并将对同频组网时TD-LTE各信道的干扰进行分析和仿真,分析同频组网情况下各信道的受限情况。并通过规模试验网络的实际测试结果验证同频组网的可行性及干扰解决方案的实际效果。对于TD-LTE组网方案,本文将通过比较同频组网、异频组网和移频组网的特点,通过仿真及测试数据对比各组网方案的性能及应用场景,为今后的网络部署提供参考意见。1.3作者的主要工作本文分析了TD-LTE同频组网下的干扰特性,并对关键干扰解决方案进行了实际仿真及现网测试,对同频组网可行性及性能进行了深入的分析与验证。同时,考虑到未来组网的可能性,本文同时对TD-LTE三种组网方案进行了深入的理论分析、系统仿真及实际测试,对不同组网方案的性能及部署应用进行了详细的对比和研究。1.4论文结构本文共分五章,内容安排如下:第一章绪论,介绍本课题的意义、任务、预期目标等;第二章TD-LTE系统同频干扰特性分析及解决方案,对TD-LTE系统干扰来源及分类、同频干扰解决方案进行了理论分析和仿真;第三章TD-LTE同频组网信道干扰及组网方案分析,对同频组网方案进行了介绍,并对同频组网下公共信道、控制信道和业务信道进行了干扰分析及仿真,同时重点介绍了ICIC、功控技术在业务信道同频组网中的应用;结合TD-LTE规模试验中同频组网的测试数据,对同频组网可行性及具体性能指标进行了重点分析验证;第四章TD-LTE系统组网技术对比,介绍了同频组网、异频组网和移频组网的方案,并通过系统仿真及现网实测结果,对三种组网方案的应用及未来部署的场景给出了具体分析及应用策略;第五章结论与展望,对本文工作进行了总结,并对同频组网方案后续的研究方向和不同组网方案的实际部署提出了规划建议。第二章TD-LTE系统同频干扰特性分析及解决方案第三章TD-LTE采用时分双工(TDD)模式。TDD模式在不对称业务模式下有很大的灵活性,并且TD-LTE不需要对称频段。由于在每个无线帧内可半静态分配上下行时隙的比例,因此无论对于对称或者不对称业务都可有效的利用频谱资源。2.1干扰的来源与分类2.1.1TD-LTE干扰综述TDD系统的干扰和FDD系统的有所不同。在FDD系统中只在UE和BS之间存在干扰。下行信道对其它的下行信道、上行信道对其它的上行信道有干扰,但是上下行信道之间由于频段不同并有间隔,不会互相干扰。在TDD系统中,上下行使用同一个载波,所以除了与上述FDD相似的情况外,在所有可能UE和BS之间的关系路径上,都可能存在各种干扰,具体的情况和干扰的比例,取决于不同小区的同步偏差和巾贞结构中时隙分配比例。就空间路径而言,考虑如下一个两小区(单载波)模型,如图2-1所示:图2-1两小区的电波传播情况图中描绘了所有可能的双向电波传播组合,其中有些是正常通信的路径,包括UE11-BS1,UE12-BS1,UE2-BS2。另外存在的就是干扰电波传播的路径,小区内的情况有UE11-UE12不同用户终端之间的干扰;在小区间是BS1-BS2基站间的干扰。在小区的边界,用户终端受到的干扰来自邻小区的基站和用户端,同时其也对邻小区的基站和用户终端造成干扰,即BS1-UE2,UE12-UE2,UE12-BS2。还有一些不能在图2-1图形中直观反映的干扰情况,例如同一运营商采用不同载波或者不同运营商采用不同载波,那么还需要在上述基础上增加考虑邻频干扰。另外不同双工方式的系统,譬如TDD和FDD之间由于频谱划分中有相邻的频段,而在未来实际组网时可能同一区域会多系统共存,或者会采用分层小区以达到对“热点”地区的充分覆盖,或者运营商为节约成本可能采用双系统共站址设计,则系统间的干扰也需要考虑。2.1.2TD-LTE干扰分类1.小区内干扰(单载波)在不考虑相邻蜂窝小区影响的前提下,单载波的小区内部主要考虑信号由于多传播、同步等原因形成的自身符号间干扰(ISI)、子载波间干扰(ICI);以及各信道在基带处理过程中,由于序列间相关性问题弓丨入的序列间干扰。(1)ISI和ICI在OFDM系统中,描述子载波间的正交性时,是认为一个积分周期中包含复指数的整数周期。而在时间色散信道条件下,如果OFDM符号中不插入CP,那么子载波间的正交性将或多或少有些影响,这是因为,针对一条径的解调相关间隔将与其他径的符号边界重叠(导致IS1)。这样的话,在一个积分周期中将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期,也包括其他径所对应的复指数的分数周期,从而影响子载波间的正交性。这样的话,在时间色散信道条件下,不仅在一个子载波上存在符号间干扰,也存在子载波之间的干扰[1】。LTE系统中对于ISI和ICI解决的方法是加入循环前缀(CP),使用循环前缀(CP)可以有效的降低符号间干扰以及子载波间干扰,如图2-2所示m:循环前缀的插入是指将OFDM符号的最后部分复制,并且插入到OFDM符号的前端。CP的插入使得OFDM符号的长度从7;变为7;+Tcp,其中7?是CP的长度。如图2-3所示,如果接收端的积分周期依旧为7;=1/A/,只要保证CP的长度大于时延扩展值,那么子载波间的JH交性将获得保证。图2-3循环前级的插入对于采用IFFT实现的OFDM调制,CP的插入实际上是将IFFT输出块中最后Wcp个采样点复制,并插入到块的前端,以使得IFFT输出的块长从变为N+NCP。插入CP可以有效的降低OFDM信号对于时问色散信道的敏感性,同时,也存在一些缺点:功率损失:只有7;/(r?+r?0的接收信号功率真正应用于OFDM解调;带宽损失:CP的插入使得OFDM符号速率降低,但是信号的传输带宽没有变换(2)序列间干扰本节内容对应与后续章节中控制信道和业务信道之间的干扰分析;包括扰码、M序列、ZC序列等[3]。2.小区间干扰3.区间干扰主要考虑载波间(同频邻频)干扰、远端干扰以及由于小区同步偏差引起的干扰。(1)同邻频干扰移动通信系统的干扰是影响无线网络接入、容量等系统指标的重要因素之一。它不仅影响了网络的正常运行,而且影响了用户的使用质量,是用户申告的主要原因之一。蜂窝系统的设计使频率可以实现灵活复用,无疑大大增加了系统的容量,但与此同时也不可避免地加大了系统干扰的复杂程度。这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰等。1)同频干扰同频干扰,即当无用信号和有用信号使用相同的载频时,无用信号对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。随着同频复用度的提升,小区的分裂使覆盖面积收敛,同时站间距缩小,从而导致同频干扰上升值高于接收机噪声和其它干扰,成为对小区的主要约束。这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比C/I小于信道解调门限时,就会直接影响到信道质量,甚至产生掉话或使用户无法建立连接。2)邻频干扰邻频干扰