相关专题：
摘要：针对4G移动通信系统提出的提高频谱利用率、同频组网的需求，文章从频率复用问题入手，提出了一种软分数频率复用方案。软分数频率复用方案包括3种表现形式，在实际应用中，可以根据物理层链路增益选择适当的表现形式。文章以第2种表现形式为例介绍了采用该方案的频率复用方法。研究表明，使用软分数频率复用方案，系统的频率复用系数可以达到1/3～1。软分数频率复用方案解决了同频组网问题，并已经在上海4G实验网中得到了良好的应用。
关键词：频率复用；蜂窝网络；软分数频率复用
Abstract:Asoftfractionalfrequency reuse scheme is proposed to fulfill full frequency reuse for the 4G mobile communications system. This scheme can be implemented in three types, which could be chose in practical applications according to the link gain of the physical layer. The implementation of soft fractional frequency reuse in one of the three types is studied. The study results show that the frequency reuse factor of this scheme may reach 1/3-1. The simplified form of this scheme has been applied in the 4G experimental network in Shanghai successfully, and provides a way to fulfill full frequency reuse in systems.
Keywords:frequencyreuse;cellular network; soft fractional frequency reuse
基金项目：国家自然科学基金重大项目(60496312)；国家“863”计划项目(2003AA12331004、2006AA01Z260)
移动通信迄今为止已经发展了3代系统，第1代为采用频分多址(FDMA)的模拟移动通信系统，该系统采用很低的频率复用系数，即复用系数远小于1，如7小区频率复用，复用系数为1/7；第2代为数字移动通信系统，其中采用时分多址(TDMA)的数字移动通信系统，如全球移动通信系统(GSM)，其频率复用系数较第1代有了很大的提高，可以达到1/4～1/3；第2代码分多址(CDMA)[1]系统及第3代数字移动通信系统，如宽带码分多址(WCDMA)系统，其频率复用系数可以达到1，这提高了频谱利用率，降低了网络部署的成本，因此对于未来的3G增强(E3G)、第4代(4G)移动通信系统，人们仍然希望采用频率复用系数为1或者较高的频率复用系数。
3G系统的三大主流标准都是基于CDMA技术的。随着对E3G技术如正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)等技术的深入研究，MIMO以其高通信容量等优势将成为E3G、4G的基本技术。正交频分多址(OFDMA)也以其频谱效率高等优点被业界认可，并有可能成为E3G、4G采用的基本多址技术。国际标准化组织第3代移动通信合作长期演进计划(3GPP LTE)[2]已经明确了在E3G系统中下行链路的多址技术将采用OFDMA[3]。同时，大量研究机构表明不再使用CDMA作为基本的多址技术，转而使用OFDMA作为多址技术。而OFDMA这种基于频分多址的多址技术带来了关于频率复用技术新的挑战，如果不能有效解决采用OFDMA技术的系统中多小区间干扰问题以及同频组网、提高频率利用率的问题，以OFDMA技术为基础的E3G、4G系统必将面临应用上的困难。
因此，在E3G、4G系统中基于频分多址的频率复用方案成为研究重点之一。在3GPP LTE关于E3G系统的讨论中，关于频率复用方案的研究已经展开[4-5]。本文提出了软分数频率复用方案，该方案提供了一种解决E3G、4G移动通信系统频率复用的途径，其简单形式已成功应用于上海4G实验网中，取得了良好的性能。
本文在第2部分介绍软分数频率复用方案的系统模型，第3部分介绍软分数频率复用方案的3种表现形式，并且分析软分数频率复用方案表现形式Ⅱ的特点，第4部分介绍在4G实验网中的应用，最后给予出总结。
1 系统模型
将所述无线蜂窝网络中的每个小区中的用户分为两组，1组为小区边缘用户，1组为小区中心用户；将整个可用频段分为两个不重叠的部分G 和F，将F分为3个频段F1、F2、F3，分别为两两相邻的小区1、小区2、小区3的小区边缘用户的可用频段；将每个小区边缘分为12个边缘区域，将这12个边缘区域分为两类，分别称为第1类边缘区域和第2类边缘区域，第1类边缘区域即两两相邻的3个小区交界处的边缘区域(见图1中标记为“1”、“2”、“3”的边缘区域)，第2类边缘区域即除第1类边缘区域的其他边缘区域(参见图1中标记为“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”的边缘区域)。由于边缘用户所处的通信环境恶劣，虚线圆内的9个边缘区域是频率规划的主要研究对象。
2 软分数频率复用方案
通过简要分析，可以得出图1中9个边缘区域C1—C9的频率规划如表1所示：
表1所示的频率规划方法就是采用软分数频率复用方案的频率分配结果。下面以形式Ⅱ为例进行详细的介绍。
如图2所示，软分数频率复用方案表现形式Ⅱ的频率规划为：
G和F的子集为小区中心用户的可用频率；对小区边缘用户的频率规划为：令
(u1=f1∪f4，u2=f 2∪f 6，u 3=f 3∪f 5，u4=f 7∪f 9，u5=f 8)，其中uj?奂F 表示互不相交的频段集合，每个频率集合中的频率可以是连续的也可以是不连续的。其中频率集合u 1、u 2、u 3中的频率分别分配给小区1、小区2、小区3的边缘，对位于其边缘的用户提供服务。u 4、u 5的分配为：
(1)为图1中数字“4”表示的区域再分配一段频段集合u 4，对位于该区域的用户提供服务。
(2)为图1中数字“8”表示的区域再分配一段频段集合u 5，对位于该区域的用户提供服务。
(3)为图1中数字“5”表示的区域再分配一段频段u 5，对位于该区域的用户提供服务。
(4)为图1中数字“7”表示的区域再分配一段频段u 4，对位于该区域的用户提供服务。
软分数频率复用方案表现形式Ⅱ的特点：
(1)增强小区边缘用户性能，同时提高频率复用率；
(2)区域4、区域8、区域5、区域7分别优先从u 4、u 5、u 4、u 5中选可用频率，对位于其区域的用户提供服务，若这些集合中的频率还不满足要求，则可以根据实际情况分别考虑从u 1、u 2、u 3、u 3中选可用频率；而同属于第2类边缘区域的区域9和区域6则只能分别从u 1、u 2中选可用频率，对位于其区域的用户提供服务，但它们可以分别和区域1和区域2协调可用频率。
(3)当系统的小区边缘用户之间的干扰比较严重时，可以通过减少频率集合u 4、u 5、中的频率和适当的增加边缘区域的面积，来抑制小区边缘用户之间的干扰。当小区边缘用户之间几乎不存在干扰或干扰不严重时，可以通过适当的调整频率集合u 4、u 5中的频率和减小边缘区域的面积，以提高频率复用率。
3 在上海FuTURE4GTDD实验网中的应用
软分数频率复用方案的简化形式已经在上海FuTURE 4G TDD实验网中得到了很好的应用。如图3所示，试验网中共有2个接入点(AP)设备，分别为AP1和AP2，阶梯教室与金色阳光处的分布式天线阵与AP1相连，招待所与图书馆处的分布式天线阵与AP2相连，每处站址均架设4根天线。图3下部蓝色线条构成的区域表示小区1，图3上部绿色线条构成的区域表示小区2。
软分数频率复用方案在上海4G实验网中的应用描述如下：
(1)当小区1中只有用户MT1时，MT1占用小区1全部频谱资源，用户速率可以达100 Mb/s。
(2)当小区1中有2个用户MT1和MT2时，两个用户各占用小区1的一半频率资源，此时2个用户的速率各为50 Mb/s。
(3)当位于小区１中的MT1、MT2在小区1内移动时，两个用户各占用小区1的一半频率资源，此时2个用户速率各为50 Mb/s。
(4)当位于小区１中的MT2移动到切换区域(仍与小区1连接)时，2个用户分别占用小区1的一半频率资源，此时2个用户速率各为50 Mb/s。
(5)当MT2移动到切换区域(与小区2连接)时，2个用户分别占用小区1和小区2的一半频率资源，此时2个用户速率各为50 Mb/s，此时频率复用系数为0.5。
(6)当MT1、MT2分别在小区1、小区2中移动到合适位置时(如MT1在阶梯教室附近，MT2在图书馆附近)，两个用户可以分别占用两个小区的全部频率资源，用户速率同时为100 Mb/s，此时频率复用系数为1。
此即两小区的软分数频率复用的一个简单的应用。
4 结束语
针对4G移动通信系统提出的提高频谱利用率、同频组网的需求，本文提出了一种软分数频率复用方案。软分数频率复用方案包括3种表现形式，在实际应用中，可以根据物理层链路增益选择合适的表现形式。软分数频率复用方案在上海FuTURE 4G TDD通信试验网中已经成功实现了软分数频率复用的简单形式。研究表明，使用软分数频率复用方案，系统的频率复用系数可以达到1/3到1，为同频组网、提高频率利用率提供了一种良好的解决方案。
5 参考文献
[1]LEEJS, MILLER L E. CDMA systems engineering handbook [M]. New York, NY,USA: Artech House, 1998.
[2]3GPPTR25.913 v7.3.0. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) [S]. 2006.
[3]3GPP,TR25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for Evolved UTRA [S]. 2006.
[4]3GPPR1-050896.Description and simulations of interference management technique for OFDMA based E-UTRA downlink evaluation [S].2005.
[5]3GPPR1-050841.Further analysis of soft frequency reuse scheme [S]. 2005.
作者简介：
许方敏，北京邮电大学无线新技术研究所在读博士研究生，研究方向为先进移动通信系统及其关键技术，包括无线资源管理策略、干扰抑制策略等。陶小峰，北京邮电大学无线新技术研究所副所长、博士、副教授，国家“863”计划通信技术主题FuTURE未来移动通信计划TDD特别工作组组长。已发表论文51篇，其中SCI、EI、ISTP检索论文35篇；申请发明专利16项，其中2项已授权；出版专著2部。许晓东，北京邮电大学无线新技术研究所在读博士研究生，研究方向为先进移动通信系统及其关键技术，包括广义分布式网络架构、无线资源管理策略、3G增强及其标准化工作等。已发表论文10篇。
