寬帶OFDM系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)
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由于具有高頻譜利用率并且能有效解決寬帶無線通信系統(tǒng)中的碼間干擾問題，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)已經(jīng)被廣泛認為必將應(yīng)用于未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，包括3G長期演進系統(tǒng)（3GLTE）等[1]。在以OFDMA為多址接入方式構(gòu)建的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中，也可以做到頻率復(fù)用因子為1，即整個系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的所有小區(qū)可以使用相同的頻帶為本小區(qū)內(nèi)的用戶提供服務(wù)。在OFDM系統(tǒng)中，各子信道之間的正交性有嚴(yán)格的要求。雖然由于載波頻率和相位的偏移等因素會造成子信道間的干擾，但是可以在物理層通過采用先進的無線信號處理算法使這種干擾降到最低。因此，一般認為OFDMA系統(tǒng)中的小區(qū)內(nèi)干擾很小，而影響系統(tǒng)性能的主要干擾來自小區(qū)間干擾。
圖1（a）所示為OFDM系統(tǒng)上行鏈路的干擾情況。移動終端T1與T2的服務(wù)基站分別是NodeBA與NodeB B。T1和T2分別通過在上行無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)而獲得系統(tǒng)的服務(wù)。假設(shè)Node B A分配給T1用于上行傳輸?shù)淖虞d波集合為S1，Node B B分配給T2用于上行傳輸?shù)淖虞d波集合為S2，S1與S2的交集為S。如果S不是空集，如圖1（a）所示，Node B B在接收T2發(fā)送的上行信號時，在集合S內(nèi)的子載波將會同時收到T1發(fā)送的無線信號。對于T2和Node B B來說，這些來自T1的信號就是干擾。如果T1與T2之間的距離很小（例如T1、T2都處于兩個服務(wù)小區(qū)覆蓋區(qū)域的重疊部分），小區(qū)間的干擾將會很強烈。當(dāng)這種情況發(fā)生在三個毗鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域的重疊部分時，小區(qū)間的干擾將更為嚴(yán)重。如果從信號接收端。Node B B的角度來考慮，嚴(yán)重的小區(qū)間干擾將導(dǎo)致接收機無法正確解調(diào)出T2發(fā)送的上行信號，從而出現(xiàn)上行傳輸錯誤事件的發(fā)生。過多的傳輸錯誤將會導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)性能的急劇下降，使系統(tǒng)無法達到用戶對系統(tǒng)服務(wù)性能的要求。T1和Node B A也會遇到類似的情況。下行鏈路的小區(qū)間干擾問題的分析與上行鏈路類似，如圖1（b）所示。當(dāng)然，如果S是一個空集，上述的這些情況都不會發(fā)生，但是對于頻率復(fù)用因子為1的OFDMA系統(tǒng)來說，S為空集的概率極小。因此，如何降低小區(qū)間的干擾，以提高系統(tǒng)的服務(wù)性能，特別是小區(qū)邊緣區(qū)域的性能，是OFDM系統(tǒng)中亟待解決的重要技術(shù)問題。
圖1 OFDM系統(tǒng)鏈路干擾分析
一、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的基本原理
目前關(guān)于OFDM系統(tǒng)中小區(qū)間干擾抑制技術(shù)的研究主要包括干擾隨機化、干擾消除、宏分集和干擾協(xié)調(diào)等[2]。其中，小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)是討論的重點。
干擾協(xié)調(diào)又稱為“干擾避免”、“軟頻率復(fù)用”或“部分頻率復(fù)用”，是目前3GLTE正在考慮的方法之一[3]，該方法將頻率資源分為若干個頻率復(fù)用集。小區(qū)中心的用戶可以采用較低的功率發(fā)射和接收，相鄰小區(qū)的中心區(qū)域用戶即使占用相同的頻率也不會造成較強的小區(qū)間干擾，因此小區(qū)中心區(qū)域用戶被分配在復(fù)用因子為1的頻率復(fù)用集。而小區(qū)邊緣區(qū)域的用戶需要采用較高的功率發(fā)送和接收信號，有可能造成較強的小區(qū)間干擾，因此小區(qū)邊緣區(qū)域用戶被分配在頻率復(fù)用因子為N的頻率復(fù)用集。
小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)通過對系統(tǒng)資源的有效分配，減小相鄰小區(qū)邊緣區(qū)域使用的資源在時間和頻率上的沖突，降低干擾數(shù)量級，提高信號的接收信噪比，從而提高系統(tǒng)小區(qū)邊緣的服務(wù)質(zhì)量，甚至整個系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。
干擾協(xié)調(diào)的基本原理如圖2所示，其中（a）圖是頻率資源在空間上的分配方案，（b）圖是頻率資源的劃分方案[8,9]。
圖2 干擾協(xié)調(diào)基本原理
設(shè)S為OFDM系統(tǒng)所使用的帶寬內(nèi)所有子載波的集合，按照圖2（b）的頻率資源劃分方案，S被等分成三個子集S1、S2和S3，并且這三個子集內(nèi)的子載波互不重疊。如圖2（a）所示，每個小區(qū)被劃分成內(nèi)外兩層，劃分的依據(jù)可以是無線鏈路的質(zhì)量等。子載波集S1、S2或S3分配到系統(tǒng)中的各小區(qū)，例如S1對應(yīng)小區(qū)1，S2對應(yīng)小區(qū)2，S3對應(yīng)小區(qū)3，等等。在資源分配階段確定用戶使用的傳輸子載波時，對于內(nèi)層區(qū)域的一個移動終端來說，可以被分配到的子載波（組）是集合S中的任一子載波或子集，也就是說小區(qū)內(nèi)層區(qū)域的頻率復(fù)用因子可以為1。而對外層區(qū)域的一個移動終端來說，它能被分到的子載波（組）只能是某一個子集Sn（S1、S2或S3），即頻率復(fù)用因子只能達到3。同時，在把Sn（S1、S2或S3）匹配到每一個對應(yīng)的小區(qū)時應(yīng)遵守一個原則：確保相鄰的三個小區(qū)匹配到的子集合組必須是S1、S2、S3的一個排列組合，即可以是（S1，S2，S3）、（S2，S3，S1）或（S3，S2，S1）等。
通過這樣的頻率資源劃分方法和頻率資源空間分配方案，可以確保相鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域被分配到的子載波互不重疊，從而使處于該區(qū)域內(nèi)的移動終端受到的小區(qū)間干擾降到一個很低的程度，提高了小區(qū)邊緣的服務(wù)質(zhì)量。由此可見，干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的主要目的是提高系統(tǒng)對小區(qū)邊緣移動終端的服務(wù)質(zhì)量。圖2所示是小區(qū)邊緣復(fù)用因子為3的情況。如果采用更高的小區(qū)邊緣復(fù)用因子（例如7、9等），可以進一步降低小區(qū)間的干擾，但是會導(dǎo)致頻譜利用率的降低。
二、典型干擾協(xié)調(diào)方法
以上基本原理介紹的例子中僅僅考慮了將集合S等分成子集合S1、S2和S3的情況，而實際情況中。S的分割也可以是非等分的，即S1、S2和S3可以隨著時間的變化而變化。按照S的分割隨時間的變化關(guān)系，干擾協(xié)調(diào)技術(shù)可以分為：靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)、動態(tài)干擾協(xié)調(diào)和半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)[4]，以下分別進行介紹。
1.靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)指集合S的分割不隨時間的變化而變化，也即Sn（S1、S2和S3）在系統(tǒng)的初始化階段就已經(jīng)確定，并且不會隨著傳輸時間間隔（TTI：TransmissionTimeInterval）的變化而變化。由此可見，在靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，每個小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源在整個時間軸上是固定不變的。如圖3所示，各小區(qū)C_n（n=1，2，3…，7）用于干擾協(xié)調(diào)的資源在TTI1、TTI m和TTI n上保持一致，沒有發(fā)生變化。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353450.htm圖3 靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)簡單易行，通過在系統(tǒng)初始化階段進行一次頻率資源規(guī)劃再輔以一定的資源分配算法即可以實現(xiàn)對小區(qū)間干擾的抑制。除了在系統(tǒng)初始化階段對整個OFDM系統(tǒng)進行一次頻率資源分割時需要一些信令開銷外，在后續(xù)的過程中不需要NodeB之間或者NodeB和無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）之間額外的信令開銷，這使靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方法效率比較高。但它也存在明顯的缺點，例如當(dāng)OFDM系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)的負載隨著時間的推進而劇烈變化時，靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法顯得很不靈活；當(dāng)小區(qū)邊緣處于高負荷狀態(tài)而小區(qū)中央處于低負荷狀態(tài)時，靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法帶來的小區(qū)邊緣性能提高也很有限。
2.動態(tài)干擾協(xié)調(diào)
動態(tài)干擾協(xié)調(diào)指集合S的分割隨時間的變化而變化，即Sn（S1、S2和S3）在系統(tǒng)的初始化階段確定后，隨著TTI的增加也會發(fā)生動態(tài)的變化。也就是說，在動態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，每個小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源都會隨著時間的變化而增加或者減少。如圖4所示，系統(tǒng)初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波；在TTI2時，小區(qū)1用于干擾協(xié)調(diào)的資源減少了，小區(qū)2、4、6用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了，而小區(qū)3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源并沒有發(fā)生變化；在TTI3時，與TTI 2時的情況相比，小區(qū)1、3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了，而小區(qū)2、4、6用于干擾協(xié)調(diào)的資源明顯減少。
圖4 動態(tài)干擾協(xié)調(diào)
在動態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，小區(qū)內(nèi)負載的分布或者變化促使各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源發(fā)生變化，所以此方法可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負載的變化。但是它也存在缺點，由于從集合S到S1、S2、S3的分割需要在整個系統(tǒng)內(nèi)進行，不能在某一個小區(qū)單獨調(diào)整，這就需要NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開銷；如果S的劃分在每個TTI內(nèi)都進行一次，過多的信令開銷將導(dǎo)致系統(tǒng)效率的嚴(yán)重降低，對系統(tǒng)性能的提高甚至起負作用，同時每個TTI內(nèi)進行S的分割也將增大系統(tǒng)的傳輸時延。
3.半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
考慮到靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法和動態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法各自的優(yōu)缺點，產(chǎn)生了半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法。在半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，集合S的分割也是隨時間的變化而變化，即Sn（S1、S2和S3）在系統(tǒng)的初始化階段確定之后，隨TTI的增加也會發(fā)生動態(tài)的變化，但是S分割的變化不像動態(tài)協(xié)調(diào)方法中變化得那么頻繁，也不是在每個TTI都會發(fā)生變化，一般要經(jīng)過多個TTI才會進行一次集合S到S1、S2、S3的重新分割。如圖5所示，系統(tǒng)初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波；在TTIm時，各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源仍與TTI1一致，即在TTI 1～TTI m這段時間間隔內(nèi)沒有發(fā)生變化；而在ITI m+1時，小區(qū)1用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了，小區(qū)3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源減少了，而小區(qū)2、4、6的這部分資源并沒有發(fā)生變化。也就是說集合S的這次分割發(fā)生的間隔為m個TTI。
圖5 半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法可以看作是靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)與動態(tài)干擾協(xié)調(diào)的一個折衷，它融合了二者的優(yōu)點，摒棄了它們的缺點。在半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，一方面，小區(qū)內(nèi)負載的分布或者變化促使各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源發(fā)生變化，可見它可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負載的變化；另一方面，從集合S到S1、S2、S3的重新分割不需要在每個TTI都進行，S的重新分割完全可以只在系統(tǒng)內(nèi)負載分布或者其變化比較大的時候才進行，這就有效地減小了NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開銷，提高了系統(tǒng)效率。這種方法可以在一定程度上提高整個系統(tǒng)的性能，尤其是小區(qū)邊緣的性能。
三、干擾協(xié)調(diào)方案舉例
前面介紹了干擾協(xié)調(diào)方法的基本原理和分類，下面將介紹兩種具體的干擾協(xié)調(diào)方案。
1.方案一
圖6給出了上、下行干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的一個完整方案[5]，這種方案可以認為采用的是靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。整個頻域資源S在系統(tǒng)初始化階段被分割為N（考慮到系統(tǒng)的完全覆蓋，N=7或N=9）個互不相交的子集Sn（n=1，2，…，N），每一個Sn與一個扇區(qū)Cn相對應(yīng)，所有扇區(qū)都被劃分為內(nèi)、外兩層。對于內(nèi)層的移動終端，被分配到的傳輸子載波可以是集合S的任何一個子集合。而對于外層區(qū)域的移動終端，以扇區(qū)C1為考察對象，當(dāng)扇區(qū)C6內(nèi)有一個移動終端（圖中的T1）運動到扇區(qū)邊緣區(qū)域靠近扇區(qū)C1時，扇區(qū)C6將只會在集合S1中分配相應(yīng)資源給該終端傳輸數(shù)據(jù)。與扇區(qū)C1相鄰的其他扇區(qū)（如C2、C3、C4、C5、C7、）的情況也是如此。這也就是說對于每一個扇區(qū)，處在其邊緣區(qū)域的用戶只可能分配整個系統(tǒng)資源的一部分，這樣可以確保分別處于兩個相鄰扇區(qū)的邊緣區(qū)域的用戶所分配到的頻域資源不會相交，從而可以在一定程度上減輕小區(qū)間的干擾。在這種方案中，扇區(qū)的內(nèi)層區(qū)域頻率復(fù)用因子為1，外層頻率復(fù)用因子為N。
圖6 干擾協(xié)調(diào)方案實例1
由于該方案是一種靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方法，所以存在和靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)同樣的缺點：①固定的頻域資源分割不能適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負載的分布隨著時間的變化而變化的情況；②固定的頻域資源劃分不能適應(yīng)小區(qū)中心負載低、小區(qū)邊緣負載高的情況；③未考慮扇區(qū)的內(nèi)、外層按照什么樣的原則劃分。
2.方案二
圖7是另一種干擾協(xié)調(diào)方案[6]，（a）圖給出了這種方案的頻率資源規(guī)劃方法，（b）圖給出了某次調(diào)度后三個毗鄰小區(qū)資源在小區(qū)邊緣的分配情況。
在小區(qū)劃分為內(nèi)、外兩層方面，本方案與前面干擾協(xié)調(diào)基本原理部分介紹的劃分方法一致。在小區(qū)的頻率資源規(guī)劃方面，如圖7（a）所示，假設(shè)整個頻率資源由15個小的傳輸塊Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）組成，每5個小的傳輸塊組成一個傳輸塊組Sm（m=1，2，3），在資源分配時依次對應(yīng)一個小區(qū)。
圖7 干擾協(xié)調(diào)方案實例2
對于每一個小區(qū)來說，它的內(nèi)層頻率復(fù)用因子還是可以為1，也就是可以分配Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）中的任意資源。小區(qū)邊緣區(qū)域的資源分配規(guī)則，以小區(qū)1（C_1）為例，首先可以將S1n（n=1，2，3，4，5）中資源的分配給該區(qū)域內(nèi)的移動終端使用，如果C_1的邊緣區(qū)域負載比較高，它就可以從S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用資源分配給該區(qū)域內(nèi)的終端使用。C_1從S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用資源的順序為：S25、S35、S24、S34、S23、S33、S22、S32、S21、S31。其他小區(qū)（如C_2、C_3）的資源分配方式也是如此（包括小區(qū)的內(nèi)、外層區(qū)域）。
在圖7（b）中可以看到某次資源分配結(jié)束后，三個毗鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域資源分配情況：C_3的邊緣區(qū)域滿負荷；C_2的邊緣區(qū)域輕度負荷；C_1的邊緣區(qū)域中度負荷。相鄰的小區(qū)邊緣在資源分配時會出現(xiàn)部分資源交疊的情況。
通過前面的分析可以看出，這種方案的優(yōu)點在于：①在某些情況下（比如一個小區(qū)邊緣負荷較高，毗鄰的兩個小區(qū)邊緣負載較低），可以提高小區(qū)邊緣的性能；②只需要在系統(tǒng)初始化時對集合S進行一次分割，在這一點上類似于靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方案。但是，如果毗鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域負載狀況不像前面所說的那樣匹配，由于依然有毗鄰小區(qū)干擾源的存在，小區(qū)邊緣性能的提高不是很明顯。
四、結(jié)語
未來的寬帶移動通信系統(tǒng)對頻譜效率的要求很高，因此期望頻譜復(fù)用系數(shù)盡可能地接近1。由此產(chǎn)生的小區(qū)間干擾問題是影響蜂窩移動通信系統(tǒng)性能的重要問題。干擾協(xié)調(diào)技術(shù)作為一種有效的小區(qū)間干擾抑制技術(shù)，將會提高3GLTE系統(tǒng)的性能，特別是小區(qū)邊緣區(qū)域用戶的性能。
參考文獻
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編輯：小宇
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