在基于OFDM" title="OFDM">OFDM的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,，影響系統(tǒng)性能的主要干擾來自小區(qū)間干擾。小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)" title="干擾協(xié)調(diào)">干擾協(xié)調(diào)技術(shù)是提高系統(tǒng)性能的有效手段之一,。首先,，給出了干擾協(xié)調(diào)的軟頻率復(fù)用原理。然后,，按照資源在時(shí)域上調(diào)度粒度的不同將干擾協(xié)調(diào)技術(shù)分為三類,，即靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)和半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào),，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn),。最后，通過兩個(gè)干擾協(xié)調(diào)方案實(shí)例說明干擾協(xié)調(diào)在3G長期演進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用,。

由于具有高頻譜利用率并且能有效解決寬帶" title="寬帶">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(rèn)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(jìn)系統(tǒng)（3GLTE）等[1],。在以O(shè)FDMA為多址接入方式構(gòu)建的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,，也可以做到頻率復(fù)用因子為1，即整個(gè)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(huì)造成子信道間的干擾,，但是可以在物理層通過采用先進(jìn)的無線信號處理算法使這種干擾降到最低,。因此，一般認(rèn)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(dòng)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(shí),，在集合S內(nèi)的子載波將會(huì)同時(shí)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?。ɡ鏣1、T2都處于兩個(gè)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(huì)很強(qiáng)烈,。當(dāng)這種情況發(fā)生在三個(gè)毗鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域的重疊部分時(shí)，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(jī)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(cuò)誤事件的發(fā)生,。過多的傳輸錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)性能的急劇下降，使系統(tǒng)無法達(dá)到用戶對系統(tǒng)服務(wù)性能的要求,。T1和Node B A也會(huì)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(gè)空集，上述的這些情況都不會(huì)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(jī)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(diǎn),。

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(gè)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(huì)造成較強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(gè)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(gè)子集S1、S2和S3,，并且這三個(gè)子集內(nèi)的子載波互不重疊,。如圖2（a）所示，每個(gè)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(shí)，對于內(nèi)層區(qū)域的一個(gè)移動(dòng)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(gè)移動(dòng)終端來說,，它能被分到的子載波（組）只能是某一個(gè)子集Sn（S1,、S2或S3），即頻率復(fù)用因子只能達(dá)到3,。同時(shí),，在把Sn（S1、S2或S3）匹配到每一個(gè)對應(yīng)的小區(qū)時(shí)應(yīng)遵守一個(gè)原則：確保相鄰的三個(gè)小區(qū)匹配到的子集合組必須是S1、S2,、S3的一個(gè)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(dòng)終端受到的小區(qū)間干擾降到一個(gè)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(dòng)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(jìn)一步降低小區(qū)間的干擾,，但是會(huì)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(shí)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(shí)間的變化而變化,。按照S的分割隨時(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)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(huì)隨著傳輸時(shí)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(gè)小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源在整個(gè)時(shí)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,。

     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(jìn)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(shí)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(gè)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行一次頻率資源分割時(shí)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(diǎn),，例如當(dāng)OFDM系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)的負(fù)載隨著時(shí)間的推進(jìn)而劇烈變化時(shí),，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(fù)荷狀態(tài)而小區(qū)中央處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí),，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(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)

    動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)指集合S的分割隨時(shí)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(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化。也就是說,，在動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,，每個(gè)小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源都會(huì)隨著時(shí)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(shí)各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波,；在TTI2時(shí)，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(shí),，與TTI 2時(shí)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(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)

    在動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,，小區(qū)內(nèi)負(fù)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(fù)載的變化。但是它也存在缺點(diǎn),，由于從集合S到S1,、S2、S3的分割需要在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,，不能在某一個(gè)小區(qū)單獨(dú)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(gè)TTI內(nèi)都進(jìn)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(fù)作用，同時(shí)每個(gè)TTI內(nèi)進(jìn)行S的分割也將增大系統(tǒng)的傳輸時(shí)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(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法各自的優(yōu)缺點(diǎn),，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(shí)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(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化,，但是S分割的變化不像動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法中變化得那么頻繁，也不是在每個(gè)TTI都會(huì)發(fā)生變化,，一般要經(jīng)過多個(gè)TTI才會(huì)進(jìn)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(shí)各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波；在TTIm時(shí),，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(shí)間間隔內(nèi)沒有發(fā)生變化；而在ITI m+1時(shí),，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(gè)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(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)的一個(gè)折衷，它融合了二者的優(yōu)點(diǎn),，摒棄了它們的缺點(diǎn),。在半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中，一方面,，小區(qū)內(nèi)負(fù)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(fù)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(gè)TTI都進(jìn)行,，S的重新分割完全可以只在系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載分布或者其變化比較大的時(shí)候才進(jìn)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(gè)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(gè)完整方案[5]，這種方案可以認(rèn)為采用的是靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)技術(shù),。整個(gè)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(gè)互不相交的子集Sn（n=1，2,，…,，N），每一個(gè)Sn與一個(gè)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(dòng)終端,，被分配到的傳輸子載波可以是集合S的任何一個(gè)子集合,。而對于外層區(qū)域的移動(dòng)終端，以扇區(qū)C1為考察對象,，當(dāng)扇區(qū)C6內(nèi)有一個(gè)移動(dòng)終端（圖中的T1）運(yùn)動(dòng)到扇區(qū)邊緣區(qū)域靠近扇區(qū)C1時(shí),，扇區(qū)C6將只會(huì)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(gè)扇區(qū)，處在其邊緣區(qū)域的用戶只可能分配整個(gè)系統(tǒng)資源的一部分,，這樣可以確保分別處于兩個(gè)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(huì)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(shí)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(diǎn)：①固定的頻域資源分割不能適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的分布隨著時(shí)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(fù)載低、小區(qū)邊緣負(fù)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(gè)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(gè)頻率資源由15個(gè)小的傳輸塊Smn（m=1，2,，3,；n=1，2,，3,，4，5）組成,，每5個(gè)小的傳輸塊組成一個(gè)傳輸塊組Sm（m=1,，2，3）,，在資源分配時(shí)依次對應(yīng)一個(gè)小區(qū),。

    圖7  干擾協(xié)調(diào)方案實(shí)例2

    對于每一個(gè)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(dòng)終端使用，如果C_1的邊緣區(qū)域負(fù)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?yàn)椋篠25,、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(gè)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(fù)荷,；C_2的邊緣區(qū)域輕度負(fù)荷；C_1的邊緣區(qū)域中度負(fù)荷,。相鄰的小區(qū)邊緣在資源分配時(shí)會(huì)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(diǎn)在于：①在某些情況下（比如一個(gè)小區(qū)邊緣負(fù)荷較高,，毗鄰的兩個(gè)小區(qū)邊緣負(fù)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(shí)對集合S進(jìn)行一次分割,，在這一點(diǎn)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(fù)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(dòng)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(dòng)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(huì)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,。

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