高速鐵路場景中LTE系統干擾消除技術的研究分析
【摘 要】 高速鐵路場景中列車高速移動，多普勒頻移嚴重，導致LTE系統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。通過對小區間干擾消除以及小區間干擾協調技術方案進行研究，提出了干擾抑制合并(IRC)技術和準空白子幀(ABS)技術兩種方案，并通過仿真驗證了這兩種方案對LTE系統無線鏈路性能的增強。
【關鍵詞】 高速場景 干擾抑制合并 小區間干擾協調
[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
高鐵通信傳輸環境一般有彎道弧度較小、環境開闊、列車移動速度快和基站為條形分布等特點，這些環境因素導致了傳播特性的不同，具體如下：
(1)基站距離鐵路近，基站與列車運行所形成夾角小，列車速度快，導致多普勒頻移大;
(2)由于車速快，信道傳播環境變化也較快，不同的傳播環境導致信道估計的難度加大;
(3)由于列車所屬小區的頻繁變換，小區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，多普勒頻移嚴重等因素導致無線鏈路很不穩定，性能變差，所以要找到物理層降低干擾的方案。
LTE系統下行引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址)接入方式，使小區內的用戶信息承載在相互正交的不同載波上，因此小區間干擾成為LTE系統的主要干擾來源，小區間干擾抑制技術就顯得格外重要。小區間干擾抑制方案主要分為三種，即小區間干擾隨機化、小區間干擾消除、小區間干擾協調。本文將主要對小區間干擾消除以及小區間干擾協調技術方案進行深入研究。
2 技術介紹
2.1 干擾抑制合并技術
IRC(Interference Rejection Combining，干擾抑制合并)技術是小區間干擾消除的主要方法。該算法是通過估計出干擾(認為是有色噪聲)和噪聲的相關矩陣，從而對干擾起到一種抑制作用的分集合并技術。
天線間干擾是相關的，IRC算法是直接估計出干擾(有色噪聲)和噪聲的相關矩陣來計算。IRC在計算權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算法的關鍵就是計算干擾加噪聲的協方差矩陣，故對于其估計的準確性會對IRC算法的性能產生很大的影響。如果接收端已知干擾信號的信道狀態信息，那么根據IRC原理，可以較好地減小誤碼率。但由于實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矩陣近似估計干擾與噪聲的協方差矩陣，并進行時域與頻域上的平均或者直接采用干擾與噪聲計算協方差矩陣。
2.2 小區間干擾協調技術
ICIC(Inter-Cell Interference Coordination，小區間干擾協調)技術的基本思想是通過管理無線資源使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方法。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，限制時頻資源的使用或在一定時頻資源上限制其發射功率等。
3 系統模型與理論方案
3.1 最大SINR準則
以一個發送端有1根天線、接收端有N根天線的SIMO系統為例，推導權向量的表達式，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維的發送信號向量;x是N×1維的噪聲與干擾的和向量。
設w為N×1維的權向量矩陣，則目標函數為：
(2)
其中，Ruu是噪聲與干擾和向量的相關矩陣。
由廣義瑞利商定理可知，當w為矩陣最大特征值對應的特征向量時，SINR最大，即：
(3)
由于H是列向量，故只有一個非零的特征值 ，此特征值對應的特征向量為，因此：
(4)
3.2 系統模型
本文討論具有兩根發射天線和兩根接收天線的SFBC編碼方式的系統模型。其中，噪聲為高斯白噪聲，并加入一個干擾源，因此系統模型可以表示為：
(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干擾，將干擾與噪聲的協方差矩陣估計出來，實現對干擾的抑制。
根據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。
由此可得，干擾與噪聲的協方差矩陣為：
(7)
根據最大SINR準則，，可得：
(8)
(9)
由此得到了發送信號的估計信號。
3.3 小區間干擾協調方案
小區間干擾協調技術的理論方案是在時頻資源的協調方面，采用準空白子幀(ABS)技術，在宏基站中配置ABS子幀，協調時頻資源，從而降低宏小區之間的干擾。
ABS子幀配置方案有兩種：一種是ABS沖突導頻配置;另一種是ABS非沖突導頻配置。如圖1所示：
圖1 ABS沖突/非沖突導頻配置方案
因此可以通過仿真，對比將干擾小區的子幀配置成常規子幀或ABS子幀時的誤包率曲線，從而得到ABS技術在干擾抑制方面的效果。
4 仿真方法與結果
4.1 仿真平臺介紹
本次仿真所使用的是LTE系統PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)鏈路級平臺，該平臺的單鏈路結構如圖2所示：
在此基礎上，加入一個干擾小區信號，如圖3所示：
本次仿真所使用的參數如表1所示：
表1 仿真使用的參數
編碼方式 咬尾卷積碼 碼速率 1/3
信道模型 Jakes模型 天線數 2發2收
分集方式 SFBC編碼 用戶所占資源 2CCE
信道帶寬 20M 信道估計方法 MMSE信道估計
4.2 仿真結果
本文分別對干擾信號功率為1/4/7dB三種場景進行了仿真，仿真結果顯示了干擾抑制合并(IRC)技術和小區間干擾協調(ICIC)技術在消除小區間干擾的作用。
通過仿真結果分析，可以得到干擾抑制合并(IRC)技術和小區間干擾協調(ICIC)技術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，干擾抑制合并技術對提高誤包率曲線增益的效果得到了增強。
由圖5可知：
(1)干擾信號功率為1dB場景下，加入ABS子幀后，導頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導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，導頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導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，導頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為3dB，非導頻沖突情況下的誤包率曲線的增益約為12dB。
這是由于導頻沖突情況下，干擾信號嚴重影響了信道估計的準確性;而非導頻沖突情況下，干擾信號只是對傳輸的數據有較小的影響。因此，非導頻沖突情況的誤包率性能要好于導頻沖突情況。
5 結論
綜上所述，干擾抑制合并技術與小區間干擾協調技術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定性。
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