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1、引言
现有的蜂窝移动通信系统（如3G系统）提供的数据速率在小区中心和小区边缘有很大的差异，不仅影响了整个系统的容量，而且使用户在不同的位置得到的服务质量有很大的波动。因此，目前正在研发的新一代宽带无线通信系统，如3GPP LTE、IEEE 802.20、B3G等，都不约而同地将提高小区边缘性能作为主要的指标之一。
本文首先对目前正在研究的几种提高小区边缘性能的典型技术进行介绍。在此基础上，将对小区干扰消除技术带来的OFDM系统设计问题进行研究，并提出可行的解决方案。最后，将提出一种新的基于小区干扰消除和干扰协调的混合方法。
2、小区间干扰问题
小区间干扰（inter-cell interference，ICI）是蜂窝移动通信系统的一个固有问题，传统的解决办法是采用频率复用，复用系数只有特定的几个选择，如1、3、7等。复用系数为1即表示相邻小区都使用相同的频率资源，这时在小区边缘干扰很严重。较高的复用系数（3或7）可以有效地抑制ICI，但频谱效率将降低到1/3或1/7。
未来的宽带移动通信系统对频谱效率的要求很高，因此希望频谱复用系数尽可能地接近1。OFDM技术比CDMA技术更好地解决了小区间干扰的问题。但是作为代价，OFDM系统带来的ICI问题可能比CDMA系统更加严重。如果两个相邻小区在它们的结合部使用相同的频谱资源，则会产生较强的ICI。
3、小区间干扰抑制技术
目前正在研究的用于OFDM系统的ICI抑制技术包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和宏分集等。
干扰随机化不能降低干扰的能量，但能将干扰随机化为“白噪声”，从而抑制ICI的危害，因此又称为“干扰白化”。干扰随机化的方法包括：加扰、交织多址（IDMA）和跳频等。
干扰协调又称为“软频率复用”或“部分频率复用”，IEEE802.20 MBFDD／MBTDD就采用了这种技术，LTE也正在考虑这种方法。这种方法将频率资源分为若干个复用集，小区中心的用户可以采用较低的功率发射和接收，即使占用相同的频率也不会造成较强的ICI，因此被分配在复用系数为1的复用集；小区边缘的用户需要采用较高的功率发送和接收，有可能造成较强的ICI，因此被分配在频率复用系数为N的复用集。这种技术的缺陷是小区边缘的频率资源受到限制，难以支持大量用户和很高的数据速率。
ICI消除技术来源于多用户检测技术，可以将干扰小区的信号解调、解码，然后将来自该小区的ICI复制、减去。基于IDMA的ICI消除技术，是指通过伪随机交织器产生不同的交织图案并分配给不同的小区，接收机采用不同的交织图案解交织，就可以将目标信号和干扰信号分别解出，然后进行ICI消除。这种技术和迭代接收机技术相结合，可以获得显著的性能增益。ICI消除与ICI协调相比优势在于，对小区边缘的频率资源没有限制，可以实现小区边缘频谱效率为1和总频谱效率为1。
宏分集技术的基础是软切换，可以将多个小区发射／接收的信号进行合并，从而获得分集增益，改进链路的质量。但在下行采用宏分集技术会带来难以解决的“同步问题”，因此不适用于单播业务。上行运用宏分集技术没有“同步问题”，但却需要一个“中心节点”（如UMTS系统中的RNC）来对多个基站的接收信号进行合并，和未来无线移动通信网络“扁平化”、“分散化”的趋势背道而驰。
其他的技术，例如MIMO、智能天线、部分功控等，也可以用于ICI抑制。
4、小区间干扰消除技术的系统设计
ICI消除技术可以显著改善小区边缘的系统性能，但同时也将对OFDM系统的设计，如资源块分配、信道估计、同步、信令带来额外的问题。本节将主要以下行OFDM系统为例，研究ICI消除技术的系统设计问题。
4.1 资源块分配
为了能有效地解调、解码干扰小区的信号，要求在每个干扰消除的周期内，干扰小区和被干扰小区在重叠的频谱上发送给各自终端的信号必须包含且仅包含一个完整的信道编码块。
图1包括了3种资源块分配的情况。第1种情况下，干扰小区中的一个编码块和被干扰小区的一个编码块正好重叠，如图1（a）所示，此时ICI干扰消除可以采用简单的“双用户检测”法。在第2种情况下，被干扰小区中的一个编码块和干扰小区的2个编码块重叠，如图1（b）所示，此时虽然仍可以进行ICI干扰消除，但必须要采用相对复杂的“3用户检测”法。在第3种情况下，被干扰小区中的一个编码块只对应于干扰小区的一个不完全的编码块，如图1（c）所示，此时由于干扰信号无法被正确解码，因此无法采用ICI消除。
综上所述，只有满足图1（a）中的资源块分配情形，才能支持低复杂度的ICI消除。如何保证这一点呢?基于两种情形来考虑这个问题：有小区间信令支持和无小区间信令支持。如果有小区间信令的支持，相邻小区可以通过相互协商确定一种相同的资源块分配方案。但是这种协商可能相当复杂，而且基站之间很难实现频繁的直接信令交互，即使能够实现，也会大大增加系统的处理延时和复杂度。因此需要考虑如何在没有小区间信令支持的情况下满足图1（a）中的要求。
显而易见，满足要求的资源块分配只能基于某种预定义的方式。最简单的预定义分配方式即两个小区都采用固定大小的频谱资源块划分，如图2所示。首先需要定义一种“干扰消除资源块（ICRB）”，ICRB包含若干个基本资源块，大小根据典型的业务负载大小确定。每个采用ICI消除的终端的编码块占用一个ICRB，这样任何一对占用重叠频率资源的终端都一定满足图1（a）中的资源分配。这种资源分配方式的缺陷是所有采用ICI消除的终端都只能分配单一的带宽，即使精心选择ICRB的大小，也无法适应各种业务的需求。
这里首先提出一种新的资源分配方法，使那些需要占用比ICRB更大带宽的终端可以采用ICI消除技术。对于那些所需带宽小于ICRB的终端，虽然无法采用ICI消除技术，但仍可以采用其他的ICI抑制技术，如干扰随机化、干扰协调等。
新方法基于编码块分割的原理，如图3所示。对于需要占用更大带宽的终端，可以将这个终端的数据分成若干个独立编码块分别编码，每个编码块正好占用一个ICRB。一个终端占用的资源可以分配到相邻的ICRB中（如图3中小区A的终端3），也可以分配到分散的ICRB中（如图3中小区B的终端1）。应该适当地选择ICRB的大小，如果ICRB的尺寸过大，则只有很小一部分终端可以采用ICI消除技术。如果ICRB的尺寸过小，则可能由于编码块过短，造成信道编码增益的显著损失。
采用如图3所示的资源分割方式，不同带宽的用户都占用若干大小相同的ICRB，且ICI消除在每个ICRB内分别进行，因此图1（a）中的资源分配要求也总是能满足的。这样ICI消除技术就可以应用于不同带宽（只要大于ICRB）的业务。
在采用相同ICRB的基础上，干扰小区和被干扰小区在相同的频率资源中可以采用不同的调制编码方式和编码速率。当然如果这些参数也相同，ICI消除的算法可以更加简化。
4.2 小区间同步
ICI消除要求干扰的OFDM子帧和被干扰的OFDM子帧相互对齐，以在相同的周期内对干扰和被干扰信号进行解调、解码。因此ICI消除技术只能在各基站间相互同步的系统中使用。另外，即使各基站的发射时钟是同步的，由于从相邻基站到达终端的距离不同，终端从这些基站接收的下行信号之间仍然有一定的时间偏差。但是这种“不同步”造成的“自干扰”相对ICI而言很小，只会带来微弱的额外影响。
4.3 信道估计和导频设计
为了检测干扰小区的信号，终端除了对本小区进行信道估计，还需要对干扰小区进行信道估计。这种信道估计需要在ICI环境下进行，因此需要特殊的导频设计。也就是说，相邻小区间需要采用正交或半正交的导频，以使导频之间相关性尽可能小。
另一个关键问题是被干扰小区需要知道干扰小区的导频结构。在OFDM系统中，相邻小区的导频可以在相同的时/频位置插入，也可以在不同的时/频位置插入。前一种情况下，导频的正交性在码域实现，即相邻小区的导频可以乘以不同的正交码。后一种情况下，导频的正交性在频域或时域实现，即相邻小区的导频在频域上或时域上是交错放置的。但无论哪种情况，每个小区采用的导频正交码或导频时／频域位置都是预先定义好的，被干扰小区只要识别出干扰小区的小区ID，就可以知道该小区的导频信息。
4.4 多小区测量和识别
被干扰小区如果要采用ICI消除技术，首先需要知道干扰小区的导频信息。如果采用基于IDMA的ICI消除技术，还要知道干扰小区使用的交织图案。这些信息是完全静态的小区信息，是和该小区的ID一一对应的。
因此，导频和交织图案的识别完全可以通过正常的小区搜索／识别过程实现。正常的小区搜索操作需要周期性地测量、比较周围小区的接收信号能量，并根据其强度进行排序，然后选择“最强小区”作为服务小区。因此这个测量过程不仅能用于选择服务小区，还可以用于“识别”其他几个“次强小区”（即干扰小区）。只要知道了干扰小区的小区ID，它们的导频信息和交织图案也就已知，因此不需要额外的信令支持。
4.5 信令的要求
由于ICI消除技术需要知道干扰小区的信号格式（调制编码方式、编码速率等），因此如何将这些信息传递给被干扰的终端是一个关键问题。可以通过基站之间的信令将这些信息传送给被干扰小区的基站，然后再通过该小区的下行控制信道传送给终端。但这样做将大大增加系统的复杂度和信令开销，同时，基站间也无法做到频繁的信令交互。
其实上述信号信息完全可以通过解调干扰基站正常的下行控制信道得到。只要干扰小区的导频信息已知，被干扰终端就可以直接解调干扰小区的控制信道，从而得到所需的信号格式信息，因此不需要额外的基站间信令传递。
上行的情况不同于下行。由于最强的干扰终端可能是不断变化的，上行没有下行那样的周期性测量机制，因此需要UE不断地在控制信道中发送UE的识别信息（如交织图案）。另外，信号格式在上行本来并不一定需要发送，因为很多情况下这些格式并不是由终端自己确定的，而是由基站分配的。但如果要采用ICI消除技术，终端必须始终不断地发送信号格式信息，以通知其他有可能被自己干扰的基站。
5、ICI消除技术和ICI协调技术的结合
ICI消除技术可以显著改善小区边缘的系统性能，并实现频率复用系数为1，但在频率资源块的分配方面受到一定的限制，尤其难以应用于带宽较小的业务（如VoIP）。另一方面，ICI协调技术虽然可以应用于各种带宽的业务，但在小区边缘能够提供的峰值速率和系统容量受限，当两个相邻小区在它们的结合部都有较高的频谱需求时就无法进行协调，无法实现真正的频率复用系数为1。因此本文在这里提出了一种将两种ICI抑制技术合并起来的混合方法，可以使这两种技术的优势相互补充，避免它们的缺陷，形成一种优化的ICI抑制方案。
混合方法的原理如图4所示。首先，在每个小区的中心，由于发射／接收功率较小，不会产生强烈的ICI，系统可以对全部频率资源进行随意分配。而在小区边缘，系统需将所有可用的频率资源分为两部分：ICI协调频段和ICI消除频段。在ICI消除频段内，各小区仍可以随意使用全部的频率资源（即频率复用系数为1），但所有在该频段内的用户的频率资源分配必须按照§4.1中规定的两种方式进行。在ICI协调频段内，各小区只能按照一定的频率复用系数（在图4中等于3）使用一部分频率资源。
在采用这种混合方法时，系统可以将带宽需求较大（大于ICRB）的用户安排在ICI消除频段内（如图4中的白点所示），并按照§4.1规定的方式给它们分配资源块。而将其他带宽需求较小（小于ICRB）的用户安排在ICI协调频段内，按照设定好的频率复用方式给它们分配资源。这样由于带宽较大的用户可以复用相同的频率资源，系统的频谱效率得以最大化，同时减轻了干扰协调的“负担”，使更多带宽小的用户可以得到有效的“协调”。
另外，当小区边缘的带宽需求较小时，ICI消除频段内的频率资源完全可以用于小区中心的用户。ICI协调频段和ICI消除频段的大小也可以根据该地区的实际部署情况进行调整。如果大带宽的用户较多，则可以使ICI消除频段所占的比例较大，极端情况下可以在全部频率资源中都采用ICI消除。如果小带宽的用户较多。则可以使ICI协调频段所占的比例较大，极端情况下可以在全部频率资源中都采用ICI协调。
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----《电信科学》
