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宽带OFDM系统的干扰协调技术
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在基于OFDM的蜂窝移动通信网络中，影响系统性能的主要干扰来自小区间干扰。小区间的干扰协调技术是提高系统性能的有效手段之一。首先，给出了干扰协调的软频率复用原理。然后，按照资源在时域上调度粒度的不同将干扰协调技术分为三类，即静态干扰协调、动态干扰协调和半静态干扰协调，并分析了各自的优缺点。最后，通过两个干扰协调方案实例说明干扰协调在3G长期演进系统中的应用。
由于具有高频谱利用率并且能有效解决宽带无线通信系统中的码间干扰问题，正交频分复用（OFDM）技术已经被广泛认为必将应用于未来的宽带无线通信系统中，包括3G长期演进系统（3GLTE）等[1]。在以OFDMA为多址接入方式构建的蜂窝移动通信网络中，也可以做到频率复用因子为1，即整个系统覆盖范围内的所有小区可以使用相同的频带为本小区内的用户提供服务。在OFDM系统中，各子信道之间的正交性有严格的要求。虽然由于载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰，但是可以在物理层通过采用先进的无线信号处理算法使这种干扰降到最低。因此，一般认为OFDMA系统中的小区内干扰很小，而影响系统性能的主要干扰来自小区间干扰。
图1（a）所示为OFDM系统上行链路的干扰情况。移动终端T1与T2的服务基站分别是NodeBA与NodeB B。T1和T2分别通过在上行无线链路传输数据而获得系统的服务。假设Node B A分配给T1用于上行传输的子载波集合为S1，Node B B分配给T2用于上行传输的子载波集合为S2，S1与S2的交集为S。如果S不是空集，如图1（a）所示，Node B B在接收T2发送的上行信号时，在集合S内的子载波将会同时收到T1发送的无线信号。对于T2和Node B B来说，这些来自T1的信号就是干扰。如果T1与T2之间的距离很小（例如T1、T2都处于两个服务小区覆盖区域的重叠部分），小区间的干扰将会很强烈。当这种情况发生在三个毗邻小区覆盖区域的重叠部分时，小区间的干扰将更为严重。如果从信号接收端。Node B B的角度来考虑，严重的小区间干扰将导致接收机无法正确解调出T2发送的上行信号，从而出现上行传输错误事件的发生。过多的传输错误将会导致系统服务性能的急剧下降，使系统无法达到用户对系统服务性能的要求。T1和Node B A也会遇到类似的情况。下行链路的小区间干扰问题的分析与上行链路类似，如图1（b）所示。当然，如果S是一个空集，上述的这些情况都不会发生，但是对于频率复用因子为1的OFDMA系统来说，S为空集的概率极小。因此，如何降低小区间的干扰，以提高系统的服务性能，特别是小区边缘区域的性能，是OFDM系统中亟待解决的重要技术问题。
图1 OFDM系统链路干扰分析
一、小区间干扰协调的基本原理
目前关于OFDM系统中小区间干扰抑制技术的研究主要包括干扰随机化、干扰消除、宏分集和干扰协调等[2]。其中，小区间的干扰协调技术是讨论的重点。
干扰协调又称为"干扰避免"、"软频率复用"或"部分频率复用"，是目前3GLTE正在考虑的方法之一[3]，该方法将频率资源分为若干个频率复用集。小区中心的用户可以采用较低的功率发射和接收，相邻小区的中心区域用户即使占用相同的频率也不会造成较强的小区间干扰，因此小区中心区域用户被分配在复用因子为1的频率复用集。而小区边缘区域的用户需要采用较高的功率发送和接收信号，有可能造成较强的小区间干扰，因此小区边缘区域用户被分配在频率复用因子为N的频率复用集。
小区间的干扰协调技术通过对系统资源的有效分配，减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间和频率上的冲突，降低干扰数量级，提高信号的接收信噪比，从而提高系统小区边缘的服务质量，甚至整个系统的服务质量。
干扰协调的基本原理如图2所示，其中（a）图是频率资源在空间上的分配方案，（b）图是频率资源的划分方案[8,9]。
图2 干扰协调基本原理
设S为OFDM系统所使用的带宽内所有子载波的集合，按照图2（b）的频率资源划分方案，S被等分成三个子集S1、S2和S3，并且这三个子集内的子载波互不重叠。如图2（a）所示，每个小区被划分成内外两层，划分的依据可以是无线链路的质量等。子载波集S1、S2或S3分配到系统中的各小区，例如S1对应小区1，S2对应小区2，S3对应小区3，等等。在资源分配阶段确定用户使用的传输子载波时，对于内层区域的一个移动终端来说，可以被分配到的子载波（组）是集合S中的任一子载波或子集，也就是说小区内层区域的频率复用因子可以为1。而对外层区域的一个移动终端来说，它能被分到的子载波（组）只能是某一个子集Sn（S1、S2或S3），即频率复用因子只能达到3。同时，在把Sn（S1、S2或S3）匹配到每一个对应的小区时应遵守一个原则：确保相邻的三个小区匹配到的子集合组必须是S1、S2、S3的一个排列组合，即可以是（S1，S2，S3）、（S2，S3，S1）或（S3，S2，S1）等。
通过这样的频率资源划分方法和频率资源空间分配方案，可以确保相邻小区的边缘区域被分配到的子载波互不重叠，从而使处于该区域内的移动终端受到的小区间干扰降到一个很低的程度，提高了小区边缘的服务质量。由此可见，干扰协调技术的主要目的是提高系统对小区边缘移动终端的服务质量。图2所示是小区边缘复用因子为3的情况。如果采用更高的小区边缘复用因子（例如7、9等），可以进一步降低小区间的干扰，但是会导致频谱利用率的降低。
由于具有高频谱利用率并且能有效解决宽带无线通信系统中的码间干扰问题，正交频分复用（OFDM）技术已经被广泛认为必将应用于未来的宽带无线通信系统中，包括3G长期演进系统（3GLTE）等[1]。在以OFDMA为多址接入方式构建的蜂窝移动通信网络中，也可以做到频率复用因子为1，即整个系统覆盖范围内的所有小区可以使用相同的频带为本小区内的用户提供服务。在OFDM系统中，各子信道之间的正交性有严格的要求。虽然由于载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰，但是可以在物理层通过采用先进的无线信号处理算法使这种干扰降到最低。因此，一般认为OFDMA系统中的小区内干扰很小，而影响系统性能的主要干扰来自小区间干扰。
图1（a）所示为OFDM系统上行链路的干扰情况。移动终端T1与T2的服务基站分别是NodeBA与NodeB B。T1和T2分别通过在上行无线链路传输数据而获得系统的服务。假设Node B A分配给T1用于上行传输的子载波集合为S1，Node B B分配给T2用于上行传输的子载波集合为S2，S1与S2的交集为S。如果S不是空集，如图1（a）所示，Node B B在接收T2发送的上行信号时，在集合S内的子载波将会同时收到T1发送的无线信号。对于T2和Node B B来说，这些来自T1的信号就是干扰。如果T1与T2之间的距离很小（例如T1、T2都处于两个服务小区覆盖区域的重叠部分），小区间的干扰将会很强烈。当这种情况发生在三个毗邻小区覆盖区域的重叠部分时，小区间的干扰将更为严重。如果从信号接收端。Node B B的角度来考虑，严重的小区间干扰将导致接收机无法正确解调出T2发送的上行信号，从而出现上行传输错误事件的发生。过多的传输错误将会导致系统服务性能的急剧下降，使系统无法达到用户对系统服务性能的要求。T1和Node B A也会遇到类似的情况。下行链路的小区间干扰问题的分析与上行链路类似，如图1（b）所示。当然，如果S是一个空集，上述的这些情况都不会发生，但是对于频率复用因子为1的OFDMA系统来说，S为空集的概率极小。因此，如何降低小区间的干扰，以提高系统的服务性能，特别是小区边缘区域的性能，是OFDM系统中亟待解决的重要技术问题。
图1 OFDM系统链路干扰分析
一、小区间干扰协调的基本原理
目前关于OFDM系统中小区间干扰抑制技术的研究主要包括干扰随机化、干扰消除、宏分集和干扰协调等[2]。其中，小区间的干扰协调技术是讨论的重点。
干扰协调又称为"干扰避免"、"软频率复用"或"部分频率复用"，是目前3GLTE正在考虑的方法之一[3]，该方法将频率资源分为若干个频率复用集。小区中心的用户可以采用较低的功率发射和接收，相邻小区的中心区域用户即使占用相同的频率也不会造成较强的小区间干扰，因此小区中心区域用户被分配在复用因子为1的频率复用集。而小区边缘区域的用户需要采用较高的功率发送和接收信号，有可能造成较强的小区间干扰，因此小区边缘区域用户被分配在频率复用因子为N的频率复用集。
小区间的干扰协调技术通过对系统资源的有效分配，减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间和频率上的冲突，降低干扰数量级，提高信号的接收信噪比，从而提高系统小区边缘的服务质量，甚至整个系统的服务质量。
干扰协调的基本原理如图2所示，其中（a）图是频率资源在空间上的分配方案，（b）图是频率资源的划分方案[8,9]。
图2 干扰协调基本原理
设S为OFDM系统所使用的带宽内所有子载波的集合，按照图2（b）的频率资源划分方案，S被等分成三个子集S1、S2和S3，并且这三个子集内的子载波互不重叠。如图2（a）所示，每个小区被划分成内外两层，划分的依据可以是无线链路的质量等。子载波集S1、S2或S3分配到系统中的各小区，例如S1对应小区1，S2对应小区2，S3对应小区3，等等。在资源分配阶段确定用户使用的传输子载波时，对于内层区域的一个移动终端来说，可以被分配到的子载波（组）是集合S中的任一子载波或子集，也就是说小区内层区域的频率复用因子可以为1。而对外层区域的一个移动终端来说，它能被分到的子载波（组）只能是某一个子集Sn（S1、S2或S3），即频率复用因子只能达到3。同时，在把Sn（S1、S2或S3）匹配到每一个对应的小区时应遵守一个原则：确保相邻的三个小区匹配到的子集合组必须是S1、S2、S3的一个排列组合，即可以是（S1，S2，S3）、（S2，S3，S1）或（S3，S2，S1）等。
通过这样的频率资源划分方法和频率资源空间分配方案，可以确保相邻小区的边缘区域被分配到的子载波互不重叠，从而使处于该区域内的移动终端受到的小区间干扰降到一个很低的程度，提高了小区边缘的服务质量。由此可见，干扰协调技术的主要目的是提高系统对小区边缘移动终端的服务质量。图2所示是小区边缘复用因子为3的情况。如果采用更高的小区边缘复用因子（例如7、9等），可以进一步降低小区间的干扰，但是会导致频谱利用率的降低。
