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0 f d m a 系统干扰抑制与子载波分配 摘要 o f d m 宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的 接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。i e e e 8 0 2 1 6 系列规范( 也 被称为、矾m a x ) 的制定，为了适应宽带无线接入的快速发展，就是采 用了这种技术。本文主要的研究方向就是基于o f d m 系统。 为了提高用户量，提高用户的接入速度以及多种业务并存给系统 的无线资源管理提出了新的要求。其中很重要的一点就是小区边缘的 用户性能。本文将主要从提高小区边缘用户的接入数量以及性能方面 入手，对改善小区边缘用户的性能提出了新的方案，并进行仿真比较 结果，仿真的工具主要是v c + + 以及m 棚a b 。 0 f i ) m 系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然 的小区间多址。如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间 干扰。本文将采用干扰协调的方法进行解决。 干扰协调又称为“软频率复用”或“部分频率复用”，这种方 法将频率资源分为若干个复用集。在软频率复用方案中，在每个小区 内所有子载波分为两组。其中一组称为中心子载波组，另一组称为边 缘子载波组。中心子载波组覆盖小区中心区域；边缘子载波组覆盖小 区边缘区域，相邻小区的边缘子载波保持正交性，本文着重讨论中心 和边缘的比率以及子载波组的分配。可以得到中心半径为整个小区半 径的0 8 倍的时候是最佳的。 0 f d m a 系统中另外一个要点就是子载波组的调度问题，本文主 要研究了单小区和多小区不同情况下的讨论。并在多小区情况下，对 三种调度方案进行了仿真比较研究。三种方案中最大用户输出算法比 较倾向于提高小区的总吞吐量，平均用户数率算法倾向于用户的公平 性，使每个用户都享有同样的平均速率，比例公平算法很好的平衡了 两者的关系，在满足一定公平性的情况下，小区有着较高的吞吐量。 关键词：o 兀) m 干扰抑制0 f d m a 软频率复用子载波调度 o f d m - ai n t e r f e r e n c ed e p r e s s i o na n d s u b c a r i u e ra s s i g n m e n t a sa no p t i m u mv e r s i o no ft h em u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ns c h e m e ，t h e 0 n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( 0 f d 旧 t r a n s m i s s i o n s c h e m ei sap r o m i s i n gc a n d i d a t ef o ra c h i e v i n gh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o n i nm o b i l ee n v i r o n m e n t t h es e r i e si e e e8 0 2 1 6h a v ed e p l o y e dt h i s t e c h n o l 0 2 vt oa c c o m m o d a t et h en e e d sf o rf a s ta c c e s so fs u b s c r i b e r s t h e r e s e a r c ho ft h i st e x ti sb a s e d 彻t h e0 f d mt e c h n o l o g v f o ra c c o m m o d a t i n gm o r cs u b s c r i b e r sa c c e s s 狮di m p r o v i n gq u a l i t y o ft h es u b s c r i b e r s ，t h en e t w o r kn e e d si m p i d v i n gf a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t 0 n es i g n i f i c a n tt h i n gi st oi m p r o v eq u a l i t yo fm ee d g e s u b s c r i b e r s t h i st e x tf b c i i s e so nt h eb a l a n c eo ft h ec c l lt h r o u g h p u ta n d t h ee d g eu s e rd a t ar a t e u lm e t h o d sw i l lb es i m u l a t e da n da n a l v z e db vt h e t o o l so fv c + + 柚dm a t l a b 0 f d ms v s t e ma s s u r e st h e0 n h o 盛o n a l i t vo fs u bc a r r i e r si nt h eo n e c e l l ，b u td on o tp m m i s et h e0 n h o g o n a l i t yo fs u bc a r r i e r si nt h ea l lc e l l s t h e r e f b r e s u bc a r r i e r sf a c cs e r i o u si n t e r | - e r e n c ef r o mt h es u bc a r r i e r so f t h ea d j a c e n tc e 儿si nt h es a m ef r e q u e n 哆w eu s es o f tf r e q u e n c yf e u s e s c h e m e 1 nt h e p r o p o s e d s o f t f e q u e n c y r e u s es c h e m e ，s u b - c a r r i e r sa r e d i v i d e di n t om o 伊o u p si 1 1 e v e r yc e l l o n eg r o u pi s c a l l e dm a j o r s u b - c a r r i e r sg r o u p ，a n dt h eo t h e r0 n ei sc a l l e dm i n o rs u b c a r r i e r sg r o u p t h em a i o rs u b c a r r i e rc a nb eu s e dt oc o v e rt h ec e n c e ro ft h ec e ua r e a ， w h i l et h em i n o rs u b c a r r i e ri su s e do n l yi nc h eo i h e rp a r to ft h ec e l l t h i s t e x tf o c u s e so nt h er a i i ob e 咐c c nt h ec e n t e ra n dt h ee d g e a f t e rt h e s i m u l a t i o na n da n a l y s e s ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a ti ft h er a d i io ft h e w h o l ec e l li fr 0 8 ri sr e c o m m e n d e df o rt h ec e n t e rm d i i i n0 f d m a s y s t e m ，a n o t h e rp o i n ti sa s s i g n m e n to ft h es u b c a r r i e r 5 w er e s e a r c ht h ea s s i g r i m e n ti i lt h es i t u a t i o no fs i n g l ec e l la n dm u l i ic e l l s i nt h ee n v i r o n m e n to fm u l t ic e l l s ，w es t u d vt h r e es c h e m e st h a ta r em a x t h m u g h p u ts c h e m e ，p m p o n i o n a lf a i rs c h e m ea n df a i rr a t es c h e m e i n t h e s et h r e es c h e m e s ，m a xt h r o u g h p u ts c h e m ef o c u so nt h ec e ut h r o u g h p u t ， a n df a i rr a t es c h e m ef b c u so nt h ef h i m e s so ft h es u b s c r i b e r s a n d p r o p o f t i o n a lf a i fs c h e m eb a i a n c e st w os e c t s k e yw o r d s ： 0 f d m0 f d m a s o f tf r e q u e n c yr e u s e s u b c a r r i e r ss c b e d u l i n g 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期：盖丑翌：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论塞刁调于保密范围，适用本授权书。 本人签名：撞赴! 三 日期：兰翌2 ：! ：i 导师签名：了多知t 彳b 舟日期：，卫d 哇尹牛 2 北京邮电人学硕：论文第一章绪论 第一章绪论 1 1o f d m 技术的起源及发展 正交频分复用f l 】【7 】( o r t h o g o n a lf r c q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 【1 1 【7 】 是一种特殊的多载波调制( m c m ) 技术，其传送数据的基本原理是把数据流分成 几个并行的比特流，并将每个这样的数据流调制在相互正交的单个载波或副载波 上。 早在2 0 世纪6 0 年代早期，r w c h a n g 首次提出多路传输的窄频带正交 分解及合成的概念，阐明了我们现在称之为0 兀) m 的技术。o f i ) m 系统当时主 要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个0 兀) m 系统的结构非常复杂，从 而限制了其进一步推广。在这之后相当长的一段时问，0 f 【 m 技术的发展遇到 了很多难于解决的问题。首先，0 f d m 要求各个子载波之问相互正交；此外， 发射机和接收机振荡的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也是 o f d m 技术实现的制约条件。 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i i l 和p m e b e r t 首次建议使用离散傅立叶变换( d 兀1 和 离散傅立叶逆变换( i d f n 来实现基带调制和解调，简化了系统结构，使得0 f d m 技术更趋于实用化。现在的o f d m 系统j 下是利用快速傅立叶逆变换( i f f n 和快 速傅立叶变换( f f n 来对信息数据进行调制和解调。 s a l t z b e r g 对0 f 【) m 进行了性能分析，并得出这样的结沦，就是在o f d m 中 主要的限制是信道问干扰。为了应付i c i 和i s i 这两种干扰，p e l e d 和r u i z 提出 了在o h ) m 信号中添加周期前缀( c p ) 的方案，利用循环前缀消除j c i ，来保持子 载波间的正交性，将0 兀) m 向实用化推进了一大步。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着数字信号处理( d s p ) 技术和超大规模集成电路 ( v l s i ) 技术的发展，解决了i f i q ，f i 可的实现问题，随着高速m o d e m 采用的 6 4 1 2 8 ，2 5 6q a m 技术、格栅编码o r c l i i sc o d e ) 技术嘲、软判决技术( s o f id e c i s j o n ) 、 信道自适应技术、插入保护问隔、减少均衡计算等技术的逐步引入，0 f i ) m 技 术开始从理论向实际应用转化。 1 2o f i ) m 技术的研究现状以及应用 o f d m 具有抗频率选择性衰落和符号间干扰能力强、频谱利用率较高、数 据传输率高等优点，是一种非常适用于无线环境的高速数据传输技术，受到了人 北京邮l u 人学硕 ：论文 第一章绪论 们的广泛关注。 2 0 0 0 年3 月，o f d m 论坛( o f d m f b n i m ) 成立。由w i l n 公司倡导的0 f d m 论坛，是一个结合硬件制造商、软件公司与其它相关厂商的组织，共同致力于促 进单一、兼容的o 兀) m 标准，协调提交到i e e e 的0 f d m 提案。并专门讨论o f i ) m 在技术上、市场推广上的各方面问题，进一步推动o f d m 技术的商用化和市场 化。 同年7 月，i e e e 工业标准技术组织i e e e i s t 0 成立了宽带i i i t e m e t 论坛( b w d 宽带无线i i l t e m e t 论坛( b m a d b 柚dw i r e l e s si n t e m e tf o m m ，b w i f ) ，b w 是由一 些业界领先的公司组成的一个非营利团体，致力于制定单一、统一的宽带无线接 入的工业标准，提供低成本宽带无线接入技术。 0 f d m 论坛和b w i f 构成了0 f d m 的两大阵营。 国外各大通信设备制造公司纷纷对0 f d m 进行研究。井各白拥有了专利。 专利覆盖了0 f d m 的各项关键技术：同步、均衡、信道估计、发射、功率控制等。 其中，在发射、接收、同步方而的专利较多，而对功率控制和减小p a p r 的专利 较少。l m c c m ，c i s c o 等公司都推出了自己的o f d m 无线局域网产品。 o 兀) m 也是适用干无线环境下的高速传输技术，在宽带无线接入( b r o a d b a n d w i r c l e 蟠a c c e s s 。b w 中得到应用，一些公司开发的技术虽然都基于o f d m ，但 有各自的特色，形成一些专利技术，如c i s c 0 和l o s p a n 公司的v e c t o r0 f d m h 。 o f d m 在国内也引起了很大的研究兴趣，取得不少研究成果。同时，o f d m 技术己经应用于我国的数字电视传输系统。 0 f d m 技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大 优势迅速成为研究的热点并被多个国际规范采用。目前o f d m 技术己经在8 0 2 1 6 系列标准里应用。 1 3 本文的组织结构 第二章主要介绍了0 f d m 理论，包括o f d m 的系统框架，基于i f f l y f f t 的调制原理，0 f d m 系统在无线环境中的优势以及缺陷，0 f d m a 的基本概念以 及与以i j 接入方式相比的优点。 第三章简述了o f 【 m 系统中小区日j 产生同频干扰的原因，抑制小区问同频 干扰的方法，详细介绍软频率复用的几种方法，通过仿真的方法比较各种方法的 优缺点。 第四章对于其中一种方法的小区中心半径提出了几种不同的新方案，通过仿 真的方法比较方案的优缺点。 第五章小区系统资源调度有不同的方案，选取不同的方案侧重点有所不同。 2 北京邮电大学硕 ：论文 第一章绪论 对于各种不同的调度方案，进行同一情况下的仿真比较，最后得出各种方案的评 价。 最后一部分是本文的结束部分，对本文的工作进行总结，并指出需要进一步 研究的展望。 1 4 本文的主要工作以及研究 本文主要对o f d m 系统的小区边缘用户性能进行研究，对于现在提出的几 种改善小区边缘用户性能的方法进行了仿真比较，并在此基础上研究了对于小区 中心和边缘的半径比的改变对于小区性能以及边缘用户性能的影响，对此进行仿 真总结，提出了最优方案。 除此，本文对于小区资源的调度，也就是不同的子载波分配方案进行了仿真 比较，研究各种方法的优缺点。并且做了仿真比较，总结了各种子载波调度方案 的优缺点。 北京邮l u 人学硕 ：论文 第二章o f d w o f d m a 的原理及系统介绍 第二章o f d m o f d m a 的原理及系统介绍 2 1 基本的0 f d m 系统 0 f d m 系统是一个完整的通信系统采用了0 f d m 的调制方式，现在一般的 整体结构如图2 1 所示【1 0 】： - 亘捌蔼孔雾射僵菱h 吨亘倒蓉孙露新耍一 2 1 10 f d m 系统时域分析 图2 1o f 洲系统结构 多径效应是无线信道的一个重要特点，它使接收信号相互重叠，产生符号间 干扰( i s d 。特别是在高速数据传输中，信号持续时问很短，则信号带宽很宽，通 常会超过信道相干带宽，因为信道的时间弥散特性，将对接收信号产生频率选择 性衰落，导致系统性能下降。为了解决这个问题，人们提出了多载波调制( m c m ) 技术。 通过把高速率的信息数据进行串并变换，分割成若干路低速数据流，然后数 据流分成多个低速数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。在 接收端用同样数量的载波发送信号进行相干接收，获得低速率的信息数掘后：在 通过并串变换得到原来的高速信号。l l ” 下图分别是采用多载波调制( m c m ) 技术的发射端和接收端框图2 2 和图 2 3 ： 4 北京邮电人学硕t ：论文第二章o f d m ，o f d m a 的原理及系统介绍 图2 2 多载波调制发射端 图2 3 多载波调制接收端 0 h ) m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非 平坦的，而0 f d m 技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信 道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波进行传输，这样， 尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦 的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，因此 就可以大大消除符号间干扰了。 图2 4 是0 兀) m 时域原理示意图【1 2 j ： 5 北京邮电人学硕1 ：论文第一二章o f d m o f d m a 的原理及系统介绍 l 2 【刁 n 1 i2 th 卜 。 。u n b 一 图2 4o f d m 时域原理图 与图2 1 不同之处在于，为了保持各个子信道白j 的正交性，相邻的子信道的 频率间隔为1 i 。 | t f i 。鹭。 j 式2 一l 正是一个0 f d m 符号的时间。 图2 3 中，输入为高速串行信息数据码元l ，2 ，n ，经串并( s p ) 变换后 为n 路低速并行码元，再分别调制在n 个正交子载波上，最后在时域波形上相 加并发送至信道。 因为加入了保护间隔，实际并行码元信号周期l ) 以即大于串行信息码 元周期的n 倍，n 为给定带宽中所选用的子载波数。 根据o 兀，m 时域原理示意图，可以得出一个具有n 个子载波的o f d m 系统， 其经过高频调制后的符号表达式为【1 3 l ： 一皇弘郇川) c x p 【舭础争船z s ( f ) 一g o 一，l i ) c x p 【舭+ 七等) 】 船2 其对应的基带形式为 = 耋弘郇川) e x p ( 争 址s 式中，d 。为q a m 或p s k 调制后的复信号。g o ) 是一个持续时间为t 的矩 形脉冲，正则是一个o f d m 信号的持续时间。正为高频载波的频率。 6 辟肌 北京邮电人学硕l ：论文第一二章o f d m o f d m a 的原理及系统介绍 可得出一个0 f 【) m 符号的子载波频谱图： e- 2o2 颤率t 臼一化 图2 5o f 蹦符号的子载波频谱 3 1 20 f d m 系统频域分析 o f d m 技术是由多载波调制( m c m ) 技术发展而来，是一种特殊的多载波调 制技术。传统的多载波系统把整个带宽分割后被送到子信道中，频带没有重叠， 其频谱利用率很低。o f 【 m 频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波 间保持正交，允许频谱相互重叠，提高了频谱利用率。 设有n 个子载波，则0 f d m 的频谱利用率情况如图2 6 ： l23 图2 60 f 蹦符号频谱 n 1n 若干个子信道占正h z 的带宽，一个子信道的符号速率为rb a u d ，h z ，总的 符号速率，正b 卸d ，因此频带利用率，7 如式2 4 为： 7 青 量 2 o 2 o o 一孽 乱 4 北京邮电人学硕j j 论文第二章0 f d m 脚m a 的原理及系统介绍 7 7 2 半2 攀劫熹船。 当一* 时，频带利用率的极限为2 rb a u d ，h z 。由此可见，0 f d m 系统的 频带利用率是很高的，约为不采用频谱重叠前的两倍。但是在实际中，由于需要 添加保护间隔，还要分配一些子载波用于其他用途，使得实际频带利用率会降低 一些。 2 2o f d m 系统的优缺点 0 f d m 系统优点： ( 1 ) 抗多径衰落和码问干扰i s i 能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波 传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间 长得多，使o f d m 对脉冲噪声( 1 i i l d u l s e n o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强，同 时也有效地减小了因无线信道的时间弥散带来的l s i ，采用在保护日j 隔中插入循 环6 口缀( c p ) 使i s i 的影响更小。通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落 能力。0 f d m 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重， 就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到 提高f 1 3 1 。 ( 2 ) 各个子信道的正交调制和解调可以选用i f 兀，f f t 方法来实现，随着大 规模集成电路与d s p 技术的发展，i h 叩和n 叮非常容易实现1 4 j ( 3 ) 0 f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由 于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以o f d m 能动态地与之相适 应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信，既可用于移动的 无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现 场之间的信号跳换，解决其中的信息冲突问题因此o f d m 技术特别适合在高层 建筑物、居民密集和地理上突出的地方使用1 1 ” ( 4 ) 0 f d m 技术具有抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力。在单载波系统 中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有 很小一部分载波会受到干扰。0 f d m 技术适用于多径衰落信道中的高速数据传 8 北京邮电人学硕：论文第二章o f d m ，o f d m a 的原理及系统介绍 输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子 载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，对这些子信道还可以采 用纠错码来进行纠错，因此系统总的误码率性能要好得多1 1 6 1 。 ( 5 ) 信道利用率很高，这样无线系统的容量也就更大，这一点在频谱资源有 限的无线环境中尤为重要。0 f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，相邻 子信道的频谱有l 2 重叠。当子载波个数很大时，系统的频带利用率趋于极限1 1 7 l 。 ( 6 ) o f d m 系统可以方便地与其它接入方式结合使用，比如多载波码分多 址m c c d m a ，跳频0 f d m a ，o 兀 m 皿m a 等，拓展了o f i ) m 的应用环境【1 8 】。 o 兀) m 的缺点： ( 1 ) 对定时和频率偏移敏感，精确定时和减小频偏对0 f d m 尤为重要。因 为如果做不到这点，0 f i ) m 的正交性将无法保证，就必然引起各子载波之间的 相互干扰及符号间干扰i 。 ( 2 ) 0 f 【) m 技术比c d m a 技术更好地解决了小区内干扰的问题。但是作为 代价，o 兀) m 系统带来的i c i 问题可能比c d m a 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i c i l 2 0 1 。 2 3o f d m a 接入方式 频分多址【2 l 】( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) ，码分多址【j ( c d m a ) 是现在无线通信系统中多用户共享无线通信有效带宽的主要接入技术。0 f i ) m 和 上述多种技术的结合可以使多个用户共享无线资源，获得较高的系统容量。而 0 f d m a 自身也是一种多址技术。 2 3 1o f d m + f d m a f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t j p l e 舭e s s ) 是将可利用的信道带宽划分为一 定数目的频率不相重叠的子信道，并且基于用户的需求对这些子信道进行分配。 在有线信道中为多个用户提供语音和数据传输时普遍采用频分多址技术。 f d m a 是一种相当成熟的多址接入技术，已经发展了数十年。它将不同的 载波频率分配给用户，保护带宽的存在使得在相邻的调制载波没有重叠部分，干 扰较小。 0 f d m h m a i 驯多址接入方案将传输带宽划分成正交的子载波集，通过不 同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源分配给特定用户后，用户将使用 带宽资源直到结束。如图2 7 所示： 9 北京邮i 乜人学硕j ：论文 第r 二章o f i ) m 0 f d m a 的原理及系统介绍 图2 7f d 姒示意图 灰色、白色以及深灰色代表不同的子载波集，它们在频率上正交的。 0 f d m f d m a 方案可以看成是总资源在频率上分割，从而实现多用户接入。这 是一种以频率来区分用户的多址接入方式。 2 3 20 f d m + t d m a o f i ) m + t d m a 【2 5 1 中，在一段时间内将全部的资源分配也就是所有子载波分 配给一个特定的用户，即在每个t d m a 帧内，所有子载波在几个时隙内为某个 用户独占。这种0 f i ) m + t d m a 的时间、带宽分配资源方式，可看作将全部资源 ( 时间、带宽) 在时间轴上进行分割。如图所示，在以时间和频率为坐标轴的二 维平面中，深灰色、白色以及灰色时频格所代表的不同部分，分别被分配给3 个不同用户。每个用户占用的o 兀，m 符号内拥有的全部带宽资源，这是一种以 时间为划分用户的接入方式。 1 0 北京邮电人学硕i 二论文 第二章o f d w o f d m a 的原理及系统介绍 图2 8t d m 示意图 l 0 f i ) m + 1 d m a 方案将特定0 f i ) m 符号内全部带宽分配给一个用户，这种分 配方式存在带宽资源浪费，频带利用率低，灵活性差等缺点，但是对于设备实现 的角度，相对简单。 2 3 3o f d m a 在0 f d m a 【2 5 】中可以通过为每个用户在不同的时间片提供不同的可用子载 波来实现多用户接入。这样其实o f i ) m a 是结合了传统的f i ) m a 和t d m a 的特 点，其中有些不同的是：o f d m a 不需要像传统的f d m a 需要保护频段。 北京邮i u 人学硕i j 论文 第二章o f d m o f d m a 的原理及系统介绍 图2 90 f d m a 示意图 其中不同的颜色代表了不同的用户，在不同的时间占用了不同的频谱资源。 每个时隙可以包括一个或多个o f 【) m 符号。在每个时隙结束后，小区资源将会 被从新分布，这就是与o f d m f d m a 的不同之处。 在o f d m a 方案中还能引入跳频技术【矧，即在每个时隙中，可以根据跳频 图2 1 0 样来选择每个用户所使用的子载波频率。这样，可以相对的容易消除小 区内的干扰。 图2 1 0o f d m a 跳频示意图 北京邮| u 大学硕：论文第二章o f d m o f d m a 的原理及系统介绍 0 m m a 的另外一种思考方式可以是每个时间片中的每个子载波可以看成 是一个个体，去选择不同的用户，具体的调度方案会在以后章节中进行详细的讨 论。 北京邮f 乜人学硕i ：论文 第三章o 兀) m 系统小区间干扰抑制 第三章o f d m 系统小区间干扰抑制 3 1o f d m 小区干扰产生与抑制思想 o f d m 系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间 多址i 韧。每个小区都使用相同的频率，小区边缘的用户存在很强的同频干扰， 性能急剧下降。 小区间干扰( i n t c 卜c e l li n t c m r e n c c ，i c i ) 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i c i ，但频谱效率将降低到 l 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 。0 f d m 技术可以比c d m a 技术更好地解决了小区内干扰的问题。 但是作为代价，o f d m 系统带来的i c i 问题可能比c d m a 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i c i ，影响 用户使用。 如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰( w i m a x 系统就 因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难) l 捌。目前正在研究的用于 o f d m 系统的i c i 抑制技术包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和宏分集等。 3 1 1 干扰随机化 干扰随机化1 2 9 1 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i c l 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( i d m a ) 和跳频等。 3 1 2 宏分集 宏分集【刈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u m t s 系统中的r n c ) 来对多个基站 1 4 北京邮电人学硕i ：论文 第三章o f d m 系统小区间干扰抑制 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。 3 1 3 干扰消除 i c i 消除技术p l j 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i c i 复制、减去。基于m m a 的j c i 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l c i 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。l c i 消除与i c i 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 。干扰消除的方法是很完美的方法，不过基于现在的状况，要 实现性能优异的干扰消除还十分困难。 3 1 4 干扰协调 干扰协调【3 2 l 又称为“软频率复用”或“部分频率复用”，正e e 8 0 2 2 0 m b f d d m 啪d 就采用了这种技术，l 1 匝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l a ，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i c i ， 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。这种方法的优点是对于小 区边缘和中心的用户公平性得到很好的体现。 3 2 干扰抑制的几种方案比较 对于以上几种干扰抑制思想的实现，很多公司都有自己的干扰抑制方案。本 文在这里研究了几个公司的方案，并讨论各个方案的优缺点，并从中选出方案进 行仿真得出方案的最佳性能。 3 2 1 三扇区子频带分配方案 此方案1 3 3 1 的将总的可用带宽分为若干个块( 仿真中按扇区划分为3 块) ， 同一小区不同区域使用不同的频率块。不同区域的用户使用不同的子载波。使相 邻小区使用相同子载波的用户相隔开，减少干扰，频率复用因子为l 。小区内所 北京邮i b 人学硕i ：论文 第三章0 f d m 系统小区问干扰抑制 有子载波等功率分配，即边缘用户和中心用户所使用的子载波使用相同的功率。 图3 1 三扇区子频带方案示意图 方案优缺点：这种方案在小区内实现了使用所有的频率。充分利用了子载波， 设备实现复杂度较低，这些都是这个方案的优点。这个方案的缺点是邻小区的同 频干扰虽然得到了一定抑制，但相对于其他方案还是比较强的，无论小区用户数 的多少，邻小区的同频干扰强度不会改变。 3 2 2 基于资源优先级的分配方案 基于资源优先级分配方案【州的干扰抑制其主要思想是将总的可用带宽分为 若干个块，并且将各个块分配不同的优先级，且相邻小区对同一频率的优先级设 定不同，从而有效减小n o d e b 问的发生同频干扰的概率。块的数目最少可为3 个( 如下图所示) ，当n o d e b 中更多用户需要资源调节( 干扰抑制) 时，可以将 总的可用带宽分成更多的块。 在相邻小区中，对于不同的频率块赋予不同的优先级，如下图所示，为了在 3 个相邻小区内抑制小区间干扰，整个带宽被分为3 个频带块来抑制小区间干扰。 1 6 北京邮电人学硕i ：论文第三章o f d m 系统小区间干扰抑制 图3 2 不同小区的资源优先级 f r e q u e n c y 通过这种在相邻小区内为不同频率块分配不同的优先级的方法，有效降低了 同一频率块在相邻小区内的复用。 图3 31 3 吞吐量小区资源分配图 f r e q u e n c y 图3 3 给出了图3 2 所指的一个资源分配例子，尤其是在每个小区系统负载 为1 3 的情况下的资源分配方案。在这种情况下，如图3 3 所示，在3 个相邻小 区内频域资源分配不重叠，因此，在理想情况下，相邻小区间干扰可以完全避免。 图3 4 给出了在小区系统负载为2 3 情况下的资源分配方案。这时，在3 个相邻 小区内频域资源复用旧不可避免了。然而，3 小区并不会同时使用同一频率块， 1 7 北京邮电人学硕 ：论文 第三章o f d m 系统小区问干扰抑制 于是，最差的情况可以避免。 图3 42 3 吞吐量小区资源分配图 方案的优缺点：此方案的优点是在用户数较少的时候，也就是小区吞吐量较 小的时候，整个系统有很优秀的表现，因为采用了系数为3 的频率复用，当随着 小区吞吐量的增加，系统的小区间干扰会很比较快的加大。 3 2 3 基于u e 所需功率 小区分为三扇区，在同一扇区内可以使用小区内的所有资源。扇区内根据路 径损耗划分为三个部分，不同区域使用不同子载波。在整个小区内等分功率，即 先将总共率三等分分给三扇区，然后在所有子载波上等分功率。采用扇区增益模 型【矧。 北京邮电= 学硕i 二论文 第三章o 兀) m 系统小区间干扰抑制 图3 5 基于u e 功率的分配方案 方案的优缺点：此方案三部分等分功率，等于加入了功率的分配方案，相对 系统性能会更加优越，但此方案是功率上不同的分配使小区内子载波受到的干扰 减小，受到干扰的减小幅度有限。 3 2 4 边缘指定频带方案 思想：边缘指定频带方案【埘干扰集中化，也就是在每个小区的频带中指定 一个子频带，把小区间的干扰都集中到这一子频带上。 分析：具体方案如下。 1 9 北京邮电人学顾j ：论文 第三章0 f d m 系统小区问干扰抑制 图3 6 小区边缘指定频带示意图 如图3 6 所示，在一个3 3 的小区中，每个扇区都使用全部频带进行通信， 用t ，互，虿表示9 个小区，每个小区都指定相应的只作为承载干扰的子频带。 比如说，小区1 为e 。 以小区1 为例，为减少对1 区基站的干扰，当与1 相邻的小区( 2 ，7 ) 中 的用户到达与1 相邻的边界区域时，通过基站之间的信令交互，将该用户上行链 路的通信频带切换到e 频带上。因此，对于1 区的基站来说，e 频带上的干扰 大大增加了，但e ，只受的干扰大大减少。换句话说，也就是将原本均匀 分布在全部频带上的干扰都集中到e 这个子频带上了，如下图3 7 所示： 图3 7 小区频率干扰示意图 o nb yi n t e r f e r e n a t i o n 北京邮电人学硕t ：论文第三章o f d m 系统小区间干扰抑制 切换的步骤是：如图1 ，以小区石为例，小区内的移动台z 移动到小区边缘， 假设此时互上行链路使用的频带为五。 小区1 通过移动台正发出的导频信号，识别出来自小区6 在五上的干扰，将 此干扰的强度通过信令告知小区石的基站。 小小区石的基站通过信令得到各小区的报告，将与五通信的频带从e 切换 到受干扰最严重的小区所指定的频带上。在此例中为e 。 优点： 1 在这种方式下，小区内可用的频带减少了1 9 ，影响较小。 2 采用这种方式可以避免在上行链路中使用宏分集。 3 2 5 软频率复用方案 在每个小区内所有子载波分为两组。其中一组称为中心子载波组，另一组称 为边缘子载波组。中心子载波组覆盖小区中心区域；边缘子载波组覆盖小区边缘 区域，如图3 所示( 蓝色代表小区中心区域，其他颜色代表小区边缘区域) 。相 邻小区的边缘子载波保持正交性( 不重叠) 。因此，软频率复用【卅( s f r ) 是频 率复用因子1 和3 的折中。 图3 8 软频率复用方案 虽然相邻小区间的子载波相互正交，但过多的边缘子载波会导致整个小区可 用资源的减少，从而影响整个小区的系统吞吐量。因此，在不影响小区边缘用户 性能的l j i 提下应使频率复用因子尽量小。为了最小化频率复用因子，中心子载波 数目和边缘子载波数目的比率必须最优化。 假设小区半径r ，u 翻，中心区域半径为o 觚，总负载为d 。因此中心区 域负载为： 仉d 月( 0 躲) 2 式3 一l 北京邮电人学硕1 ：论文 第三章o f d m 系统小区间干扰抑制 边缘区域负载为： 仉一3 d 一【r 2 - ( o 2 ) 仇和叩：的比率为： 仇q ：- ( o 脒) 2 巾2 一( o 2 卜o 6 式3 2 式3 3 因此4 0 的子载波属于中心子载波组，6 0 的子载波属于边缘子载波组。 北京邮电人学硕j ：论文第四章软频牢复用方案的详细讨论 第四章软频率复用方案的详细讨论 软频率复用方案是各种方案中比较考虑周全的方案，我们将更细致的分析这 种方案的展佳中心比。 图4 1 软频率复用 如图4 1 ，中心蓝色区域半径可以改变，将对系统的性能有所影响。小区中 心半径的不同选取，小区的吞吐量，小区边缘用户的性能将随之改变。本章将会 进行仿真和讨论总结。 4 1 小区中心半径的选取及子载波分配 小区半径假设为只，小区中心半径选取为肠豇5 ，总附载为d ，小区内的用 户是按面积进行平均分配。 小区中心的负载仇为式4 1 ： 叩1 一d 玎( 0 6 r ) 2 小区边缘的总负载q ：为式4 2 ： 吼- 3 d 玎 r 2 一( o 6 r ) 2 】) ，j i 和，7 z 的比率为式4 3 ： 式4 1 式4 2 町- 仉。( 0 醐) 2 ，d r 2 一( o 6 r ) 2 卜o 5 6 2 5 式4 3 北京邮电人学顾1 ：论文 第四章软频率复用方案的详细讨论 子载波总共选取1 0 2 4 个，除去分配给上行信道和其他信令开销以及保护间 隔对于子载波的占用数后，分配给下行信道共6 0 1 个子载波【3 8 】，为了减