高速铁路场景中LTE系统干扰消除技术的研究分析
【摘 要】 高速铁路场景中列车高速移动，多普勒频移严重，导致LTE系统的无线链路性能很差，因此需要找到物理层降低干扰的方案。通过对小区间干扰消除以及小区间干扰协调技术方案进行研究，提出了干扰抑制合并(IRC)技术和准空白子帧(ABS)技术两种方案，并通过仿真验证了这两种方案对LTE系统无线链路性能的增强。
【关键词】 高速场景 干扰抑制合并 小区间干扰协调
[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
高铁通信传输环境一般有弯道弧度较小、环境开阔、列车移动速度快和基站为条形分布等特点，这些环境因素导致了传播特性的不同，具体如下：
(1)基站距离铁路近，基站与列车运行所形成夹角小，列车速度快，导致多普勒频移大;
(2)由于车速快，信道传播环境变化也较快，不同的传播环境导致信道估计的难度加大;
(3)由于列车所属小区的频繁变换，小区间干扰就显得更为明显。
其中，多普勒频移校正是突出的一大难题。由于列车的高速移动，多普勒频移严重等因素导致无线链路很不稳定，性能变差，所以要找到物理层降低干扰的方案。
LTE系统下行引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)接入方式，使小区内的用户信息承载在相互正交的不同载波上，因此小区间干扰成为LTE系统的主要干扰来源，小区间干扰抑制技术就显得格外重要。小区间干扰抑制方案主要分为三种，即小区间干扰随机化、小区间干扰消除、小区间干扰协调。本文将主要对小区间干扰消除以及小区间干扰协调技术方案进行深入研究。
2 技术介绍
2.1 干扰抑制合并技术
IRC(Interference Rejection Combining，干扰抑制合并)技术是小区间干扰消除的主要方法。该算法是通过估计出干扰(认为是有色噪声)和噪声的相关矩阵，从而对干扰起到一种抑制作用的分集合并技术。
天线间干扰是相关的，IRC算法是直接估计出干扰(有色噪声)和噪声的相关矩阵来计算。IRC在计算权向量矩阵时考虑了干扰(非对角元素)的影响，合并后提高了SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比)，因此IRC对非白噪声的干扰有抑制或者对消的作用，从而适用于干扰受限场景。
IRC算法的关键就是计算干扰加噪声的协方差矩阵，故对于其估计的准确性会对IRC算法的性能产生很大的影响。如果接收端已知干扰信号的信道状态信息，那么根据IRC原理，可以较好地减小误码率。但由于实际接收端无法已知干扰信号的信道信息，只能采用接收信号的自相关矩阵近似估计干扰与噪声的协方差矩阵，并进行时域与频域上的平均或者直接采用干扰与噪声计算协方差矩阵。
2.2 小区间干扰协调技术
ICIC(Inter-Cell Interference Coordination，小区间干扰协调)技术的基本思想是通过管理无线资源使小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理方法。具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，限制时频资源的使用或在一定时频资源上限制其发射功率等。
3 系统模型与理论方案
3.1 最大SINR准则
以一个发送端有1根天线、接收端有N根天线的SIMO系统为例，推导权向量的表达式，信号接收模型为：
(1)
其中， y是N×1维的接收信号向量; H是N×1维的信道矩阵; u是1×1维的发送信号向量;x是N×1维的噪声与干扰的和向量。
设w为N×1维的权向量矩阵，则目标函数为：
(2)
其中，Ruu是噪声与干扰和向量的相关矩阵。
由广义瑞利商定理可知，当w为矩阵最大特征值对应的特征向量时，SINR最大，即：
(3)
由于H是列向量，故只有一个非零的特征值 ，此特征值对应的特征向量为，因此：
(4)
3.2 系统模型
本文讨论具有两根发射天线和两根接收天线的SFBC编码方式的系统模型。其中，噪声为高斯白噪声，并加入一个干扰源，因此系统模型可以表示为：
(5)
其中，R是接收信号向量;H是用户信道矩阵;X是用户信号向量;G是干扰信道矩阵;Z是干扰信号向量;N是高斯噪声向量。
IRC算法充分考虑了小区干扰，将干扰与噪声的协方差矩阵估计出来，实现对干扰的抑制。
根据SFBC编码方式，可以得到：
(6)
其中，、、、分别表示Rx1与Rx2上接收到的第k个及第(k+1)个载波上的符号;H11、H12、H21、H22分别表示Tx1到Rx1、Tx1到Rx2、Tx2到Rx1、Tx2到Rx2的信道状态。
由此可得，干扰与噪声的协方差矩阵为：
(7)
根据最大SINR准则，，可得：
(8)
(9)
由此得到了发送信号的估计信号。
3.3 小区间干扰协调方案
小区间干扰协调技术的理论方案是在时频资源的协调方面，采用准空白子帧(ABS)技术，在宏基站中配置ABS子帧，协调时频资源，从而降低宏小区之间的干扰。
ABS子帧配置方案有两种：一种是ABS冲突导频配置;另一种是ABS非冲突导频配置。如图1所示：
图1 ABS冲突/非冲突导频配置方案
因此可以通过仿真，对比将干扰小区的子帧配置成常规子帧或ABS子帧时的误包率曲线，从而得到ABS技术在干扰抑制方面的效果。
4 仿真方法与结果
4.1 仿真平台介绍
本次仿真所使用的是LTE系统PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)链路级平台，该平台的单链路结构如图2所示：
在此基础上，加入一个干扰小区信号，如图3所示：
本次仿真所使用的参数如表1所示：
表1 仿真使用的参数
编码方式 咬尾卷积码 码速率 1/3
信道模型 Jakes模型 天线数 2发2收
分集方式 SFBC编码 用户所占资源 2CCE
信道带宽 20M 信道估计方法 MMSE信道估计
4.2 仿真结果
本文分别对干扰信号功率为1/4/7dB三种场景进行了仿真，仿真结果显示了干扰抑制合并(IRC)技术和小区间干扰协调(ICIC)技术在消除小区间干扰的作用。
通过仿真结果分析，可以得到干扰抑制合并(IRC)技术和小区间干扰协调(ICIC)技术对误包率增益曲线的改善情况。
由图4可知：
(1)干扰信号功率为1dB场景下，误包率曲线的增益约为5dB;
(2)干扰信号功率为4dB场景下，误包率曲线的增益约为6dB;
(3)干扰信号功率为7dB场景下，误包率曲线的增益约为8dB。
这说明，随着干扰信号功率的增加，干扰抑制合并技术对提高误包率曲线增益的效果得到了增强。
由图5可知：
(1)干扰信号功率为1dB场景下，加入ABS子帧后，导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为3dB，非导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为8dB;
(2)干扰信号功率为4dB场景下，加入ABS子帧后，导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为3dB，非导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为10dB;
(3)干扰信号功率为7dB场景下，加入ABS子帧后，导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为3dB，非导频冲突情况下的误包率曲线的增益约为12dB。
这是由于导频冲突情况下，干扰信号严重影响了信道估计的准确性;而非导频冲突情况下，干扰信号只是对传输的数据有较小的影响。因此，非导频冲突情况的误包率性能要好于导频冲突情况。
5 结论
综上所述，干扰抑制合并技术与小区间干扰协调技术在改善高速铁路无线链路性能上有较为明显的效果，笔者建议可以采用这两种方案在物理层上消除干扰，从而增加高铁通信的稳定性。
参考文献：
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