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摘要 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（3G LTE）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Node B A与Node B 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3G LTE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。
二、典型干扰协调方法
以上基本原理介绍的例子中仅仅考虑了将集合S等分成子集合S1、S2和S3的情况，而实际情况中。S的分割也可以是非等分的，即S1、S2和S3可以随着时间的变化而变化。按照S的分割随时间的变化关系，干扰协调技术可以分为：静态干扰协调、动态干扰协调和半静态干扰协调[4]，以下分别进行介绍。
1.静态干扰协调
静态干扰协调指集合S的分割不随时间的变化而变化，也即Sn（S1、S2和S3）在系统的初始化阶段就已经确定，并且不会随着传输时间间隔（TTI：Transmission Time Interval）的变化而变化。由此可见，在静态干扰协调方法中，每个小区用于干扰协调的资源在整个时间轴上是固定不变的。如图3所示，各小区C_n（n=1，2，3…，7）用于干扰协调的资源在TTI 1、TTI m和TTI n上保持一致，没有发生变化。
图3 静态干扰协调
静态干扰协调简单易行，通过在系统初始化阶段进行一次频率资源规划再辅以一定的资源分配算法即可以实现对小区间干扰的抑制。除了在系统初始化阶段对整个OFDM系统进行一次频率资源分割时需要一些信令开销外，在后续的过程中不需要Node B之间或者Node B和无线网络控制器（RNC）之间额外的信令开销，这使静态的干扰协调方法效率比较高。但它也存在明显的缺点，例如当OFDM系统内各小区的负载随着时间的推进而剧烈变化时，静态干扰协调方法显得很不灵活；当小区边缘处于高负荷状态而小区中央处于低负荷状态时，静态干扰协调方法带来的小区边缘性能提高也很有限。
2.动态干扰协调
动态干扰协调指集合S的分割随时间的变化而变化，即Sn（S1、S2和S3）在系统的初始化阶段确定后，随着TTI的增加也会发生动态的变化。也就是说，在动态干扰协调方法中，每个小区用于干扰协调的资源都会随着时间的变化而增加或者减少。如图4所示，系统初始化阶段的频率资源分割确定了TTI 1时各小区用于干扰协调的子载波；在TTI 2时，小区1用于干扰协调的资源减少了，小区2、4、6用于干扰协调的资源增加了，而小区3、5、7用于干扰协调的资源并没有发生变化；在TTI 3时，与TTI 2时的情况相比，小区1、3、5、7用于干扰协调的资源增加了，而小区2、4、6用于干扰协调的资源明显减少。
图4 动态干扰协调
在动态干扰协调方法中，小区内负载的分布或者变化促使各小区用于干扰协调的资源发生变化，所以此方法可以很好地适应系统内负载的变化。但是它也存在缺点，由于从集合S到S1、S2、S3的分割需要在整个系统内进行，不能在某一个小区单独调整，这就需要Node B之间或者Node B和RNC之间额外的信令开销；如果S的划分在每个TTI内都进行一次，过多的信令开销将导致系统效率的严重降低，对系统性能的提高甚至起负作用，同时每个TTI内进行S的分割也将增大系统的传输时延。
3.半静态干扰协调
考虑到静态干扰协调方法和动态干扰协调方法各自的优缺点，产生了半静态干扰协调方法。在半静态干扰协调方法中，集合S的分割也是随时间的变化而变化，即Sn（S1、S2和S3）在系统的初始化阶段确定之后，随TTI的增加也会发生动态的变化，但是S分割的变化不像动态协调方法中变化得那么频繁，也不是在每个TTI都会发生变化，一般要经过多个TTI才会进行一次集合S到S1、S2、S3的重新分割。如图5所示，系统初始化阶段的频率资源分割确定了TTI 1时各小区用于干扰协调的子载波；在TTI m时，各小区用于干扰协调的资源仍与TTI 1一致，即在TTI 1～TTI m这段时间间隔内没有发生变化；而在ITI m+1时，小区1用于干扰协调的资源增加了，小区3、5、7用于干扰协调的资源减少了，而小区2、4、6的这部分资源并没有发生变化。也就是说集合S的这次分割发生的间隔为m个TTI。
图5 半静态干扰协调
半静态干扰协调方法可以看作是静态干扰协调与动态干扰协调的一个折衷，它融合了二者的优点，摒弃了它们的缺点。在半静态干扰协调方法中，一方面，小区内负载的分布或者变化促使各小区用于干扰协调的资源发生变化，可见它可以很好地适应系统内负载的变化；另一方面，从集合S到S1、S2、S3的重新分割不需要在每个TTI都进行，S的重新分割完全可以只在系统内负载分布或者其变化比较大的时候才进行，这就有效地减小了Node B之间或者Node B和RNC之间额外的信令开销，提高了系统效率。这种方法可以在一定程度上提高整个系统的性能，尤其是小区边缘的性能。
三、干扰协调方案举例
前面介绍了干扰协调方法的基本原理和分类，下面将介绍两种具体的干扰协调方案。
1.方案一
图6给出了上、下行干扰协调技术的一个完整方案[5]，这种方案可以认为采用的是静态干扰协调技术。整个频域资源S在系统初始化阶段被分割为N（考虑到系统的完全覆盖，N=7或N=9）个互不相交的子集Sn（n=1，2，…，N），每一个Sn与一个扇区Cn相对应，所有扇区都被划分为内、外两层。对于内层的移动终端，被分配到的传输子载波可以是集合S的任何一个子集合。而对于外层区域的移动终端，以扇区C1为考察对象，当扇区C6内有一个移动终端（图中的T1）运动到扇区边缘区域靠近扇区C1时，扇区C6将只会在集合S1中分配相应资源给该终端传输数据。与扇区C1相邻的其他扇区（如C2、C3、C4、C5、C7、）的情况也是如此。这也就是说对于每一个扇区，处在其边缘区域的用户只可能分配整个系统资源的一部分，这样可以确保分别处于两个相邻扇区的边缘区域的用户所分配到的频域资源不会相交，从而可以在一定程度上减轻小区间的干扰。在这种方案中，扇区的内层区域频率复用因子为1，外层频率复用因子为N。
图6 干扰协调方案实例 1
由于该方案是一种静态的干扰协调方法，所以存在和静态干扰协调同样的缺点：①固定的频域资源分割不能适应系统内负载的分布随着时间的变化而变化的情况；②固定的频域资源划分不能适应小区中心负载低、小区边缘负载高的情况；③未考虑扇区的内、外层按照什么样的原则划分。
2.方案二
图7是另一种干扰协调方案[6]，（a）图给出了这种方案的频率资源规划方法，（b）图给出了某次调度后三个毗邻小区资源在小区边缘的分配情况。
在小区划分为内、外两层方面，本方案与前面干扰协调基本原理部分介绍的划分方法一致。在小区的频率资源规划方面，如图7（a）所示，假设整个频率资源由15个小的传输块Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）组成，每5个小的传输块组成一个传输块组Sm（m=1，2，3），在资源分配时依次对应一个小区。
图7 干扰协调方案实例 2
对于每一个小区来说，它的内层频率复用因子还是可以为1，也就是可以分配Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）中的任意资源。小区边缘区域的资源分配规则，以小区1（C_1）为例，首先可以将S1n（n=1，2，3，4，5）中资源的分配给该区域内的移动终端使用，如果C_1的边缘区域负载比较高，它就可以从S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用资源分配给该区域内的终端使用。C_1从S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用资源的顺序为：S25、S35、S24、S34、S23、S33、S22、S32、S21、S31。其他小区（如C_2、C_3）的资源分配方式也是如此（包括小区的内、外层区域）。
在图7（b）中可以看到某次资源分配结束后，三个毗邻小区的边缘区域资源分配情况：C_3的边缘区域满负荷；C_2的边缘区域轻度负荷；C_1的边缘区域中度负荷。相邻的小区边缘在资源分配时会出现部分资源交叠的情况。
通过前面的分析可以看出，这种方案的优点在于：①在某些情况下（比如一个小区边缘负荷较高，毗邻的两个小区边缘负载较低），可以提高小区边缘的性能；②只需要在系统初始化时对集合S进行一次分割，在这一点上类似于静态的干扰协调方案。但是，如果毗邻小区的边缘区域负载状况不像前面所说的那样匹配，由于依然有毗邻小区干扰源的存在，小区边缘性能的提高不是很明显。
四、结语
未来的宽带移动通信系统对频谱效率的要求很高，因此期望频谱复用系数尽可能地接近1。由此产生的小区间干扰问题是影响蜂窝移动通信系统性能的重要问题。干扰协调技术作为一种有效的小区间干扰抑制技术，将会提高3G LTE系统的性能，特别是小区边缘区域用户的性能。
参考文献
1 3GPP TR 25.814 v7.1.0 (2006-09).Physical Layer Aspects for Evolved Universal Terrestrial Radio Access(UTRA)(Release 7)
2 沈嘉.OFDM系统的小区间干扰抑制技术研究.电信科学，2006(10)：
3 3GPP，R1-050507.Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE.Huawei，TSG RAN WG1Meeting#41 Meeting(SFR)
4 3GPP，R1-051059.Inter-Cell Interference Mitigation for EURTA.Texas Instruments.TSG RAN WG1
5 3GPP,R1-050695.Interference Coordination for Evolved UTRA Uplink Access.Alcatel，TSG-RAN WG1#42 Meeting(case 1)
6 3GPP，R1-050833.Interference Mitigation in Evolved UTRA/UTRAN.LG Electronics，TSG-RAN WG1#42 Meeting(case 2)
