（信号与信息处理专业论文）wimax系统下行小区间同频干扰抑制算法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，宽带无线接入技术受到了人们的广泛关注。其中，基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的w i m a x 技术更是成为关注的热点。在w i m a x 系统中，相邻小 区之间的同频干扰，是影响系统性能的一个重要因素。本文通过研究w i m a x 系统中下行小区问同频干扰的抑制算法，旨在提高w i m a x 系统的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 性能。 首先，分析了i e e e8 0 2 1 6 协议中定义的子载波配置模式a m c ( a d j a c e n t s u b c a r r i e rp e r m u t a t i o n sf o ra m c ，连续子载波配置模式) 和p u s c ( p a r t i a lu s a g e o fs u b c h a n n e l s ，子信道部分使用) ，并介绍了o f d m a 系统中抑制小区间同频干 扰的主流算法f f r ( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ，部分频率复用) 。 其次，在灵活结合功率分配和频率复用的基础上，通过利用无线信道的时 间和频率选择性特点，提出了一种改进型f f r ( e r t h a n c e df f r ，e f f r ) 算法，并 通过建立w i m a x 系统的仿真平台进行了算法的性能比较。仿真实验结果表 明：e f f r 算法能在满足一定的系统频谱效率的基础上，有效地提高边缘用户 的数据吞吐量和系统的公平性，保障系统的q o s 性能。 然后，为了降低同频干扰对于w i m a x 系统频谱效率的影响，提出了一种 基于历史信息的随机波束成形算法( h i s t o r i c a lb a s e dr a n d o mb e a mf o r m i n g ， h r b f ) ，并通过结合e f f r 算法的特点，进一步提出了优化的e f f r h r b f 算 法。该算法对时间、频率、空间和功率等无线资源进行了综合利用。仿真结果 表明：h r b f 算法能有效地改善系统的频谱效率，而e f f r h r b f 算法可以使 系统的频谱效率和边缘用户的吞吐量都得到提高，该算法下系统的q o s 性能最 优。 最后，对全文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 关键词：小区间同频干扰，边缘用户，吞吐量，服务质量 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o n a n dw i m a xt e c h n i q u e ，w h i c hi sb a s e do ni e e e8 0 2 16p r o t o c o l ，i saf o c u so f c o n c e r n i nw i m a x s y s t e m ，i n t e r c e l l - i n t e r f e r e n c ei so n e o ft h ei m p o r t a n ti s s u e so n s y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nd o w n l i n k i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o na l g o r i t h m st oi m p r o v et h eo v e r a l lq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) p e r f o r m a n c ei n w i m a x s y s t e m f i r s t l y , b a s e d o nt h ea n a l y s i so fi e e e8 0 2 16p r o t o c o l ，a m c ( a d j a c e n t s u b c a r r i e rp e r m u t a t i o n sf o ra m c ) a n dp u s c ( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ) ，t w o b a s i cs u b c a r r i e rp e r m u t a t i o nm o d e s ，a r ed e s c r i b e d m e a n w h i l e ，f f r ( f r a c t i o n a l f r e q u e n c yr e u s e ) a l g o r i t h m ，t h em a i n s t r e a m i n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o nm e t h o di n o f d m as y s t e m ，i si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s e d o nt w oi m p r o v e di d e a s ：o p t i m i s mo fc o m b i n i n gp o w e r a l l o c a t i o nw i t hf r e q u e n c yr e u s e ，t i m e f r e q u e n c ys e l e c t i v i t yg a i n ，e f f ra l g o r i t h m ，t h e e n h a n c e dv e r s i o no ff f r ，h a sb e e np u tf o r w a r d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e d a l g o r i t h mh a sb e e ne v a l u a t e di nt h ew i m a x s i m u l a t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a te f f ra l g o r i t h m ，o nt h eb a s i so fm e e t i n gs p e c t r a le f f i c i e n c y ，c a ne n h a n c en o t o n l y t h et h r o u g h p u to fc e l le d g eu s e r ，b u ta l s o t h es y s t e mf a i r n e s sa n dq o s p e r f o r m a n c e i na d d i t i o n t od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo fi n t e r - c e l l - i n t e r f e r e n c eo nt h es p e c t r a l e m c i e n c yo fw i m a xs y s t e m ，h r b fa l g o r i t h m ，w h i c h i sb a s e do nh i s t o r i c a l i n f o 册a t i o no fr a n d o mb e a mf o r m i n gt e c h n i q u e ，h a sb e e np u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ， a no p t i m a la l g o r i t h m ：e f f r h r b f ，w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h em e r i t s o nt i m e ， f r e q u e n c y ，s p a c ea n dp o w e r ，i sp u tf o r w a r d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a th r b f c a ne n h a n c et h es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c ye f f e c t i v e l ya n de f f r h r b fi sh e l p f u lt o b o t hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dc e l le d g et h r o u g h p u t ，w h i c hh a sm o s tb e n e f i t st os y s t e m q o sp e r f o r m a n c e i i a b s t r a c t l a s tb u tn o tl e a s t ，c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r eg i v e na n ds e v e r a la s p e c t so f f u r t h e rr e s e a r c ha r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：i n t e r - c e l l - i n t e r f e r e n c e ，c e l le d g eu s e r ，t h r o u g h p u t ，q o s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名： 知，年弓月i1 日 贺毒手 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 熔串 v _ 2 0 0 矿年 弓月f 1 日 第1 章引言 1 1 研究背景与选题依据 第1 章引言 近几十年来，移动通信技术得到了飞速的发展。从第一代的模拟通信 a m p s 系统，到第二代的数字通信g s m 系统，从2 5 代过渡版本的g p r s 、 e d g e 系统，再到第三代的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及我国具有自主知识产权 的t d s c d m a 系统，移动通信经历了从模拟到数字、从窄带到宽带的一系列 演进过程。与此同时，人们对于移动通信的性能需求也日益增加，除了基本的 语音业务以外，人们对于手机上网以及视频点播的要求也日益强烈。目前，在 3 g 系统的需求中规定，在高速移动环境中支持1 4 4 k b p s 的数据传输速率，在步 行等慢速移动环境中支持的数据传输速率为3 8 4 k b p s ，在静止状态下支持 2 m b p s 的数据传输速率。但是，这样的数据传输速率依然无法满足人们的需 求。因此，如何在频谱资源有限的情况下，利用新的通信技术开发后3 g ( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 移动通信系统，使移动通信宽带化是不可避免的趋势。在 目前所出现的多种b 3 g 候选技术中，w i m a x 技术具有典型的代表意义。 全球微波接入互操作性( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ， w i m a x ) 技术是基于i e e e8 0 2 1 6 标准而实现的。i e e e8 0 2 1 6 标准又称为无 线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，w m a n ) 空中接口标准，主要 应用于无线城域网范围。迄今为止，它一共发布了两个重要的版本，它们分别 是支持固定无线接入的空中接口标准8 0 2 1 6 d 以及支持移动性的空中接口标准 8 0 2 1 6 e 堆】。由于具有快速、低成本搭建和易扩展等优点，w i m a x 技术被普遍 认为是未来最有前途的宽带无线接入技术之一。 与此同时，为了推进w i m a x 技术的不断发展，工作界相关公司于2 0 0 1 年 6 月在美国加州注册成立了w i m a x 论坛。该论坛旨在推动w i m a x 技术在全 球的发展和产业化应用，拥有包括微软、英特尔、北电、摩托罗拉、三星和国 内的中兴、华为等5 0 0 多家全球领先的著名企业作为成员和合作伙伴。 同其他b 3 g 候选技术一样，为了满足用户对于数据传输速率的需求，在 w i m a x 系统中，采用了小区间同频复用的频率规划方式，来提高系统的频谱 第1 章引言 效率。而相邻小区之间的同频干扰，会极大地降低各个小区内部边缘用户的数 据吞吐量和用户公平性性能，严重地影响w i m a x 系统的服务质量( q u a l t i yo f s e r v i c e ，q o s ) 。基于这一点，i e e e8 0 2 1 6 工作组已经在其下一个协议版本 8 0 2 1 6 m 的需求提案中把抑制相邻小区间的同频干扰作为一项重要的性能指标 口】。目前，w i m a x 技术的标准化和认证工作还处于完善阶段。其中，对于小 区间同频干扰的抑制研究工作也尚未结束。因此，本文在分析i e e e8 0 2 1 6 协 议的基础上，研究抑制小区间同频干扰的相关算法，来改善边缘用户的数据吞 吐量和用户之间的公平性，以提高w i m a x 系统整体的q o s 性能。 1 2 国内外研究现状 同频干扰的问题，在移动通信系统中由来已久，其主要分为小区内的同频 干扰和小区间的同频干扰。本文所研究的是来自相邻小区的小区间同频干扰。 因此，文中如果没有特别说明，一般都是指小区间的同频干扰。所谓小区间的 同频干扰( i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，是指在蜂窝系统所覆盖的一簇小区 中，由于同时使用相同频段的信道传输数据而造成的对相邻小区相同频段信道 上的干扰，也称为同信道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，c c i ) 。 一般而言，对于i c i 抑制的研究主要从g s m 系统开始，一直延续到现在。 在最初的g s m 系统中，是采用频率复用的方法来抑n 4 , 区间的同频干扰1 4 j 。该 方法通过在相邻的小区间采用整数倍的频率复用系数( 如3 或7 ) 来减弱同频干 扰的强度，有效地抑f 1 l j l c i 。在此基础上，出现了一些改进算法，s a l e hf a r u q u e 并1 1 s o u m a y ah a m o u d a 提出了采用非整数因子的频率复用方式，使得该类算法更 加灵活【5 - 7 】。此外，y o u n g j u n ec h o i 等人通过结合小区扇区化的思想，提出了基 于扇区天线方向性的频率复用方式【8 ，9 】。但是，上述算法都有一个比较明显的缺 点：较高的频率复用系数会大量地消耗频谱资源，极大地降低系统的频谱效 率。而在移动通信系统中，频谱资源是十分稀有的，应该珍惜。因此，在b 3 g 通信系统中，完全的小区间频率复用策略只是一种过渡方案。 随着多址接入技术的发展，移动通信系统从g s m 演进到了采用码分多址 接入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 的3 g 系统。在c d m a 系统中主 要采用了扩频通信技术来抑制干扰，该技术通过采用不同的扩频码来区分本小 区以及相邻小区间不同用户的信号，使得用户可以在同一时刻使用相同的频率 2 第1 章引言 来传输信掣1 0 】。但是，由于受到同步的不准确、扩频码的非正交性和空间信道 的多径特性等影响，导致各用户信号之间不能维持理想的正交特性，使得用户 间依然存在同频干扰。此外，由于c d m a 系统中存在独特的小区内多址干扰现 象，导致该系统本身是一个自干扰系统【1 1 1 。因此，在b 3 g 系统中，扩频通信不 能有效地抑制小区间的同频干扰。 近几年来，正交频分多址接入( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，o f d m a ) 技术逐渐受到了广泛的关注，该技术已经作为b 3 g 系统的候 选核心技术。在o f d m a 系统中，小区间的同频干扰抑制技术主要分为3 大类 【1 2 】： 第一类是小区间的干扰随机化技术【1 3 。1 7 】。干扰随机化的思想是：通过对来 自相邻小区的同频干扰进行随机化处理，达到干扰平均的效剁1 3 】。这样做的好 处是：将同频干扰随机化为“高斯白噪声”，减少出现强干扰的可能性，从而 抑制i c i 的危害。因此，该类算法又称为“干扰白化”，典型的方法有跳频 ( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 【1 4 。1 6 】和交织多址( i n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， i d m a ) 【l7 j 等。但是，干扰随机化算法有一个缺点：它只能起到平滑干扰的效 果，并没有从本质上减弱和消除干扰，所以该算法对于同频干扰的抑制效果不 太明显。 第二类是小区间的干扰消除技术【1 8 。2 6 】。干扰消除技术起源于多用户检测技 术，它的思想是：通过对来自相邻小区的干扰信号进行解调和解码，将来自该 小区的同频干扰进行复制并消除该干扰【2 0 1 。目前，典型的多用户检测算法有： 最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 算法【2 卜2 3 】和最大比例合并 ( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 算法【2 4 】等。在干扰消除技术中，根据消除 干扰的时间顺序，主要分为串行干扰消除和并行干扰消除两类技术。串行干扰 消除技术，是根据干扰的强度按由高到低的顺序依次消除来自相邻小区间的干 扰，它的缺点是时延比较大。而同时消除所有干扰源的并行干扰消除技术，则 可以解决时延问题，但它的处理负荷更大，对于接收端的要求也更高。由于干 扰消除技术中采用了信道估计、解调、译码等算法，所以复杂度比较高。同 时，该方法的消除效果只限于一些强干扰源，具有局限性。因此，这项技术在 实际应用中的效果也很有限。 第三类是小区问的干扰协调技术【2 7 3 2 1 。干扰协调技术是最近两年由3 g p p l t e 委员会首先提出的，典型的算法是部分频率复用( f r a c t i o n a lf r e q u e n c y 第1 章引言 r e u s e ，f f r ) 算法，或者叫做软频率复用算法，它对于单扇区和扇区化网络都 非常有效。f f r 算法的思想是：通过在相邻小区之间合理的分配无线资源，并 结合相应的资源调度方式，既提高了小区边缘用户的信道质量，又通过保障小 区边缘用户的优先级进一步增加了边缘用户获取资源的可能性，从而达到改善 边缘用户数据吞吐量的效果 3 3 - 3 6 】。一方面，干扰协调技术满足了边缘用户的业 务数据吞吐量需求，保障了用户之间的公平性原则和系统的整体q o s 性能；另 一方面，它使用灵活、实现简单。因此，该技术很快成为b 3 g 系统中小区间同 频干扰抑制的主流技术【3 7 , 3 8 】。但是，该技术也有两个缺点：一是为了照顾小区 内的边缘用户，而牺牲了小区内中心用户的数据吞吐量，使得系统的频谱效率 有所降低；二是没有充分利用无线信道的时间、频率和空间等资源的特性。 近年来，随着人们对于时间、频率和编码等通信资源的使用接近饱和，逐 渐出现了利用空间资源改善系统性能的趋势【3 2 1 。在b 3 g 通信系统中，已经明 确提出采用多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 和智能天线 技术的要求。其中，智能天线中的波束成形技术，是利用空间域的优势抑制小 区问同频干扰的有效方法【4 6 1 。它可以分为发送波束成形技术和接收波束成形 技术。由于基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 的处理能力比用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ， s s ) 更强，同时考虑到s s 对于外观的要求，本文主要研究b s 端的发送波束成 形，即下行发送波束成形技术。在目前的下行发送波束成形算法中，根据b s 端对于s s 端反馈信令的确知程度，主要可以分为2 大类：特征波束成形算法 【4 7 4 8 1 和随机波束成形算法【4 9 , 5 0 】。基站在采用特征发送波束成形时，需要知道信 号的信道状态信息，因此，b s 必须和s s 进行实时的沟通。这样，会增加系统 信令的交互负荷以及基站处理数据的复杂度。同时，由于b s 无法知道来自相 邻小区的干扰的信道状态信息，这样会导致估计误差，造成动态干扰并降低系 统的性能。因此，在实际系统中，通常基站采用随机发送波束成形算法。这种 算法的特点是：不需要大量的反馈信令。基站在采用随机发送波束成形时，产 生的波束方向是随机的。随着每个小区中用户数的增加，利用多用户分集的优 势，找到和该随机波束相匹配的用户信道的可能性会越来越大【5 1 , 5 2 】。通过改善 这部分用户的信道状态，随机发送波束成形算法可以提高整个系统的频谱效 率。但是，随机发送波束成形算法有一个缺点：由于没有考虑nd , 区边缘用户 的优先级，导致该算法对于提高边缘用户数据吞吐量的帮助不大，同时它也无 法保证用户之间的公平性。 4 第1 章引言 目前，在移动通信系统中，相邻小区间的同频干扰情况十分严重【5 3 , 5 4 】。而 在w i m a x 系统中，关于小区间同频干扰抑制的研究还刚刚起步。s e r g e y n m n i s e e v 和a t h a n a s i o s 等人分别从理论推导和网络建模及仿真两方面分析了小 区间同频干扰对于w i m a x 系统会产生较大的影响【5 5 5 8 1 。但是，在目前的i e e e 8 0 2 1 6 协议中，对于同频干扰的抑制考虑得还不够完善。在协议中，定义了一 种子信道部分使用( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ，p u s c ) 的子载波配置方式来 平滑相邻小区之间的同频干扰。但是，由于该方式类似于干扰随机化的效果， 所以它对于w i m a x 系统的同频干扰的抑制效果不是很明显。 此外，目前的小区间同频干扰的抑制技术主要集中在通信网络的某一层 中，对于跨层的联合优化设计考虑得还比较少。而合理的跨层资源分配，能有 效地提高w i m a x 系统的性能。 因此，如何在分析主流的小区间同频干扰抑制算法的基础上，结合m a c 层的分组调度和资源分配算法【5 9 , 6 0 及物理层的子载波功率分配算法【6 1 , 6 2 1 等技 术，通过合理利用通信网络的跨层设计，有效地抑制相邻小区间的同频干扰， 达到系统整体的最优化，是w i m a x 系统必须考虑的问题之一。 由此可见，在w i m a x 系统中，通过研究小区间的同频干扰抑制算法，可 以减小相邻小区间的同频干扰，提高边缘用户的数据吞吐量性能，改善用户之 间的公平性，从而改善系统的q o s 性能。因此，本课题既具有理论意义，又具 有实际应用价值。 1 3 主要研究内容 在w i m a x 系统中，相邻小区间的同频干扰会严重地影响系统的公平性和 频谱效率。因此，为了提高系统整体的q o s 性能，本文将在现有算法的基础 上，研究w i m a x 系统的下行小区间同频干扰的抑制算法。主要内容包括两个 部分： 首先，从改善系统公平性的角度出发，提出了一种基于跨层资源分配的 e f f r 算法。该算法通过对无线信道的功率、频率、时间以及分组调度的联合 控制，提高了小区内边缘用户的信道质量和业务优先级，保障了系统内不同用 户之间的公平性原则。在此基础上，通过建立w i m a x 系统的仿真场景，实现 了a m c ，p u s c ，f f r 和e f f r 等多种算法，并且分析和比较了各种算法下的 第1 章引言 边缘用户吞吐量、系统的频谱效率以及用户间的公平性等性能参数。 其次，从提高w i m a x 系统频谱效率的角度出发，通过利用智能天线中波 束成形技术的特点，在满足低交互信令的前提下，提出了基于历史信息的随机 波束成形h r b f 算法。在此基础上，通过和e f f r 算法灵活地结合，有效地扩 大了无线信道在空时频域以及功率分配的自由度，并且通过w i m a x 系统平 台对相关算法进行了仿真。 1 4 论文的组织结构 本文的结构组织如下： 第1 章概述了w i m a x 系统的发展历程和现状，提出了解决小区间同频干 扰的目的和意义；在此基础上，进一步阐述了目前国内外关于小区间同频干扰 抑制算法的研究现状；最后，介绍了主要的研究内容和论文的组织结构。 第2 章分析了w i m a x 系统的体系架构和小区间的同频干扰现象，并介绍 了w i m a x 系统中采用的两种基本的子载波配置模式以及o f d m a 系统中主流 的小区间同频干扰抑制算法，作为后续改进算法的比较对象。 第3 章从提高边缘用户吞吐量和改善系统用户公平性的角度出发，综合利 用时间、频率、功率和用户调度等多种无线资源，提出了e f f r 算法，在详细 分析该算法思想特点的基础上，通过w i m a x 系统的建模及仿真比较了该算法 的性能优势。 第4 章从提高系统频谱效率的角度出发，在充分考虑信令交互负荷的基础 上，提出了基于智能天线技术的h r b f 算法，并结合第3 章中的e f f r 算法实 现了联合的优化算法，进一步提高了系统的性能。 第5 章对全文进行了总结和展望，并提出了进一步的研究方向。 6 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 为了提高系统的频谱效率，在w i m a x 系统中采用同频复用的频率规划方 式。而小区间的同频干扰现象对于系统的整体性能，尤其是小区边缘用户的数 据吞吐量性能会产生很大的影响。因此，探索抑n d , 区间同频干扰的技术刻不 容缓。 首先，本章在简述w i m a x 系统体系结构的基础上，分析了w i m a x 系统 的小区间同频干扰现象。然后，介绍了w i m a x 系统的子载波配置模式。最 后，介绍了o f d m a 系统中的小区间同频干扰抑制算法：干扰随机化、干扰消 除和干扰协调技术。 2 1w i m a x 系统的体系结构 w i m a x 网络是以i e e e8 0 2 1 6 标准为参考模型而搭建的，i e e e8 0 2 1 6 协 议中具体标明了w i m a x 网络所涵盖的范围，具体内容如图2 1 所示【1 捌。 图2 1i e e e8 0 2 1 6 协议范围 7 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 从图2 1 中可以看出，i e e e8 0 2 1 6 协议是点到多点的宽带无线接入 ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 系统的空中接口规范，它包括媒体接入控 制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r ，m a c ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 两 个部分。 i e e e8 0 2 1 6 标准包括数据控制平面，在数据控制平面中总共定义了三类 业务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) ，它们分别是汇聚业务( c o n v e r g e n c e s e r v i c e ，c s ) s a p ，m a cs a p 和p h ys a p 。m a c 层又被分为3 个子层，分别 为特定业务汇聚子层，m a c 公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和加 密子层。 特定业务汇聚子层的主要功能是：负责将其业务接入点收到的来自外部网 络的服务数据单元( s e r v i c ed a t au n i t ，s d u ) 经过转换，然后映射成m a c s d u ，并且传递到m a cc p s 子层的业务接入点m a cs a p 。 m a cc p s 子层是m a c 层的核心部分，它的主要功能有：系统的接入控 制、资源分配、连接建立和维护以及移动性管理等。它通过m a cs a p 接收来 自各种c s 子层的数据，并且分类到特定的m a c 连接。同时，它对物理层所传 输和调度的数据实施服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 控制。通常，我们所 说的m a c 层主要就是指m a cc p s 。 此外，m a c 层还包括一个独立的加密子层，它的基本功能是：提供认证、 密钥交换和加解密处理。 物理层主要包括传输汇聚( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ，t c ) 子层和物理媒 介支持( p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t ，p m d ) 子层，通过p h ys a p 为m a c 层提供 服务。 在通信系统中，根据信源和信宿之间的关系，物理信道可以分为上行链路 和下行链路。上行链路，是由各个用户站发送数据给基站的，而下行链路j 下好 相反。在i e e e8 0 2 1 6 协议中，上行链路是基于时分多址( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 和按需分配多址( d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s ， d a m a ) 相结合的方式来发送数据。而下行链路则采用时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t d m ) 方式，b s 端产生的信息被复用成单个的数据流， 广播发送给小区内的所有s s 。每个s s 接收到广播消息后，在m a c 层中提取并 检查消息连接( c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ，c i d ) 信息，从而判断出发给自己的信 息，丢弃其他的信息。 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 在i e e e8 0 2 1 6 协议中，物理层根据上行链路和下行链路发送数据所使用的 频段的异同，分别支持时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x t d d ) 和频分双工 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 两种模式。 在w i m a x 系统中，物理层采用帧结构的方式来传输数据。每一帧都包括 一个下行子帧和一个上行子帧。在t d d 模式下，每一帧中总是先发送下行子 帧，然后再发送上行子帧，两者占用相同的频段，占用时间的比例可以自动调 节，具体如图2 2 所示。而在f d d 模式下，上行子帧和下行子帧同时发送，但占 用不同的频段。 日己肚卫 i 下行子帧 上行子帧 图2 2t d d 模式下的帧结构 2 2w i m a x 系统的小区间同频干扰分析 在w i m a x 系统中，共支持f d d 和t d d 两种模式。相对于f d d 模式而 言，t d d 模式具有如下的优势： ( 1 ) 上行信道和下行信道采用相同的频率发送数据，节省了频率资源，提高了 系统的频谱利用率； ( 2 ) 支持灵活的非对称的上下行业务发送，该方式特别适合下一代移动通信中 主流的数据业务类型； ( 3 ) 上行信道和下行信道的信道状态基本一致，具有相似性和互惠性，有利于 进行信道估计； ( 4 ) 支持动态而灵活的资源分配。 t d d 模式的这些优势，使它受到越来越多的关注。但是，由于上行信道和 下行信道使用了相同的频段来传输数据，导致t d d 模式下的同频干扰比f d d 模式更加严重。w i m a x 系统的小区间同频干扰情况如图2 3 所示。 9 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 s s l i 8 8 2 图2 3w i m a x 系统的小区间同频干扰 在w i m a x 系统中，一共有4 类小区间的同频干扰现象存在。它们分别 是：干扰小区下行信道对于目标小区下行信道的干扰( d l d l ) 、干扰小区 上行信道对于目标小区上行信道的干扰( u l u l ) 、干扰小区下行信道对于 目标小区上行信道的干扰( d l u l ) 、干扰小区上行信道对于目标小区下行 信道的干扰( u l d l ) 。 其中，前2 类同频干扰现象是在f d d 和t d d 模式下共同存在的，而第3 类和第4 类同频干扰是t d d 模式所特有的现象，具体如图2 4 所示。 吲匝丑至正五四阅 瞅匝卫至正盈圈闽 嘲匝丑至匦受圈阑 卜_ 忡卜_ i d lz o n ed i ju l u lz o n e 图2 4t d d 模式下的干扰类型 由于t d d 模式下的d l u l ，u l d l 这两类小区间同频干扰现象涉及到 相邻小区间的上下行异步现象，情况比较复杂，不适合对于同频干扰抑制算法 l o 一一 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 。- _ - - _ - - - _ - - _ _ _ - - _ _ - _ - - _ _ _ _ - - - - - - - _ _ ，二_ _ - _ - - 一 一 的本质研究。而在下一代移动通信系统中，下行数据业务是主流的业务类型， 因此，本文主要研究w i m a x 系统d l d l 的下行小区间同频干扰抑制算法。 2 3 w i m a x 系统的子载波配置模式 在w i m a x 系统中，采用诈交频分多址( o r t h o g o n a lf r e q u e n c vd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) 的资源分配方式。其中，分配的资源块大小是由时 域和频域所组成的。在时域上，分配的最小单元为时隙，由，z 个符号组成一个 时隙；而在频域上，分配的最小单元为子信道，由m 个子载波组成一个子信 道；其中，m 、，z 均为f 整数。因此，o f d m a 系统中每次分配的最小资源单 元为n 符号m 子载波，具体如图2 5 所示。 1 1 图2 5o f d m a 资源块分配方式 在w i m a x 系统中，共支持3 类不同的予载波配置模式，它们分别是连续 子载波配置模式( a d j a c e n ts u b c a r r i e rp e r m u t a t i o n sf o ra m c ，a m c ) 、子信道全 部使用模式( f u l lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ，f u s c ) 以及子信道部分使用模式 ( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ，p u s c ) 。 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 为了和后续的改进算法做比较，在此只介绍a m c 和p u s c 两种配置模 式。 a m c 模式：顾名思义，就是在分配资源时，用多个物理上连续的子载波组 成一个子信道，作为分配的最小频域资源单元。在a m c 模式中，相邻小区的 子载波序列号在同一个子信道上是相同的。由于a m c 模式下不同频段的子信 道之间的性能差异比较大，因此，该模式可以充分利用无线信道的频率选择性 特点，在不同的用户间合理地进行资源分配。 p u s c 模式：与a m c 模式不同，在p u s c 模式中，用多个物理上离散的子 载波组成一个子信道，作为分配的最小频域资源单元。p u s c 模式下的子信道 组成方式如图2 6 所示。 图2 6p u s c 子信道组成方式 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 如图2 6 所示，在p u s c 模式中，在相邻小区相对应的逻辑子信道上，不 同的小区采用不同的物理子载波随机序列号。p u s c 的特点是：充分利用了无 线信道的频率分集特性，通过采用跳频序列的特点，使得不同小区之间的同频 干扰被随机化，相邻子信道之间的性能差异比较小。该模式减小了出现强干扰 的可能性，它的作用类似于干扰随机化技术。 2 4o f d m a 系统的小区间同频干扰抑制算法 在o f d m a 系统中，由于相邻小区之间的同频干扰现象比较严重【5 3 , 5 4 】，造 成系统能够提供的数据速率在小区中心和小区边缘的差别比较大。这样，不仅 影响了系统的吞吐量，而且使得用户在不同位置的q o s 波动比较大【3 引。因此， 在下一代移动通信系统( 如3 g p pl t e ，w i m a x ) 中，如何抑制小区间的同频 干扰已经成为一个急需解决的问题。 目前，国内外研究人员已经提出了一些小区间同频干扰的抑制算法。这些 算法主要可以分为3 类：干扰随机化【1 3 17 1 、干扰消刚1 8 。2 6 1 和干扰协调【2 7 。2 1 。 干扰随机化技术，利用了统计意义上的随机化处理效果。它的具体思想 是：通过对来自相邻小区的同频干扰进行随机化处理，达到干扰平均的效果。 这类方法主要包括：交织多址( i n t e r l e a v ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，i d m a ) 和 跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 等。i e e e8 0 2 1 6 协议中所支持的p u s c 就属于 这类算法。这类算法实现比较简单。但是，由于这类算法只是把干扰平滑为 “高斯白噪声”，并没有从真j 下意义上减少干扰【37 1 。因此，它的效果不太明 显。 干扰消除技术，来源于多用户检测技术的思想。它的思想是：通过在接收 端采用不同的线性或非线性检测技术，对来自干扰小区的信号进行解调、解码 并予以消除。这类算法的复杂度太大，不太实用，而且它只能消除一部分强干 扰源。而在实际的系统中，弱干扰的数目在小区间的同频干扰中占主导地位 【37 1 。因此，这项技术在实际应用中的效果也很有限。 干扰协调技术，主要是通过在相邻的小区之间合理的分配频率和功率资源 来达到抑制同频干扰的效果。该类算法又叫部分频率复用( f r a c t i o n a l f r e q u e n c yr e u s e ，f f r ) 算法，它在资源分配时，通过相邻小区的b s 之间的协 第2 章w i m a x 系统的同频干扰及其抑制策略 调，采用正交的频率资源和不同的功率资源分配模式来减少小区间的同频干 扰。f f r 算法的主要思想如图2 7 所示。 囫小区1 边缘 亘小区2 ，4 ，6 边缘 皿小1 9 3 ，5 ，7 边缘 所有小区中心 图2 7 部分频率复用 如图2 7 所示，f f r 算法的思想是：在所有可以使用的频段中，每个小区 的频段被划分为两个不同的组。每个小区内的所有用户，根据相应的信道质量 和一定的判决准则，被划分为边缘用户和中心用户两大类。用户的信道质量定 义方式如式( 2 1 ) 所示： q ( i ) = f ( p a t h l o s s ( i ) ，s h a d o w f a d i n g ( i ) )( 2 1 ) 式中，g ( f ) 为第f 个用户的信道质量参数，该参数主要由第f 个用