（通信与信息系统专业论文）wimax系统小区间干扰控制.pdf

摘要 w i m a x ( w o r l d w i d ei 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 ) 系统是典型的o f d m 系统，是以i e e e8 0 2 1 6 协议标准为基础的宽带无线接入技术。它可以在固定和移 动的环境中满足数据、语音和视频等多级业务的服务质量要求，兼具了移动、宽 带和口化的特点，近年来发展迅速，逐渐成为宽带无线接入领域发展的热点之一。 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。如果采取传统的同频组网，系统将面临严重的小区间干扰。小区间干扰会严 重影响系统的容量和性能。本文对如何控制w i m a x 系统小区间的干扰展开讨论。 本文从小区间干扰产生的原因入手，分析了多种适应新的通信系统要求的干 扰控制方案。经过比较，确定将部分频率复用技术( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ， f f r ) 做为下行小区间干扰控制的主要方案。本文详细分析了f f r 技术的原理，技术 难点和解决方案。随后设计了一种适合w i m a x 系统的下行静态f f r 方案。该方案 将频率资源分成若干个子集，在小区中心的用户可以使用整个载波频宽，并采用 较低的功率发射；在小区边缘的用户使用的频率资源要在相邻小区间保持正交， 并采用较高的功率发射以确保连接的稳定和容量需求。仿真结果表明，采用静态 f f r 技术能够降低小区间的干扰，改善小区边缘用户的性能。 关键词：w i m a xo f d m小区间干扰控制部分频率复用 a b s t r a c t w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) i saw i r e l e s s b r o a d - b a n da c c e s st e c h n o l o g yb a s e do ni e e e8 0 2 16 ep r o t o c 0 1 i tc a l lb ew e l l i m p l e m e n t e di n 缸e do rm o b i l ec i r c u m s t a n c e s ，s a t i s f y i n gd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t si n m u l t i s e r v i c e s ，s u c h a sd a t a , v o i c e ，v i d e o ，e t c b e c a u s eo ft h ef e a t u r e so fm o b i l e ， w i d e - b a n d ，a n di p - b a s e ，w i m a xi sr a p i d l yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，a n db e c o m e sa h o t s p o ti nw i r e l e s sw i d e - b a n da c c e s st e c h n o l o g i e s o f d ms y s t e ma s s u r e st h eo r t h o g o n a l i t yo fs u b c a r r i e r si nt h eo n ec e l l ，b u td on o t p r o m i s et h eo r t h o g o n a l i t yo fs u b c a r r i e r si nt h ea l lc e l l s t h e r e f o r e ，s u b c a r r i e r sf a c e s e r i o u si n t e r f e r e n c ef r o mt h es u b c a r r i e r so ft h ea d j a c e n tc e l l si nt h es a l l l ef r e q u e n c y i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c em a ys u b s t a n t i a l l yd e g r a d et h ep e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yo ft h e s y s t e m n i sp a p e rf o c u s e so nh o wt or e d u c et h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ef o rw i m 匕气x s y s t e m 1 1 1 eo r i g i no fi n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ei si n t r o d u c e df i r s t l y a n da na n a l y s i so fs e v e r a l i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o ns t r a t e g i e s t h a tc a nb eu s e di nt h en e w t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sp r o v i d e d a f t e rc o m p a r i s o n ，f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ( f f r ) s c h e m ei sp r o p o s e dt om a n a g et h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ei nd o w n l i n k ad e t a i l e d a n a l y s i so ff f r sp r i n c i p l e ，t e c h n i c a lp r o b l e m sa n ds o l u t i o n si sp r o v i d e di nt h ep a p e r t h e n ，as t a t i cd o w n l i n kf f rs c h e m ei sd e s i g n e df o rw i m a xs y s t e ma n de v a l u a t e d t h r o u g hs i m u l a t i o n s i nt h ep r o p o s e df f rs c h e m e ，t h ew h o l es p e c t r u mi sd i v i d e di n t o s e v e r a ls u b s e t s t h eu s e r si nt h ec e n t r eo ft h ec e l lc a nu s et h ea l lt h eb a n d w i d t ha n d s h o u l db es e r v i c e dw i t hl o wt r a n s m i tp o w e r ；t h eu s e r sa tt h ee d g eo ft h ec e l ls h o u l du s e t h ef r e q u e n c yr e s o u r c e sw h i c ha s s u r et h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e nt h ea d ja c e n tc e l l s a n d e d g eu s e r ss h o u l db es e r v i c e d 谢廿1h i g ht r a n s m i tp o w e rt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h e c o n n e c t i o na n dc a p a c i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i cd o w n l i n kf f r s c h e m ec a nr e d u c et h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee d g e u s e r s k e y w o r d s ：w i m a xo f d m i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c em a n a g e m e n t f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 牛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍是西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公开论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 期 期 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术和网络技术的蓬勃发展，网络应用越来越广。互联网方便、 快捷、简单地将我们自身与整个社会的各方面紧密地结合起来。有线网络以其传 输速度高、产品的品牌、设备数量众多和技术发展快等优点，在市场上占有较大 的市场份额。然而，随着人们对网络的依赖越来越大，对网络的要求越来越高， 传统有线网络在发展的同时，也渐渐的暴露出自身内在的一系列问题。现在的社 会，无论政府、学校、生活小区、公共场所、甚至是街头巷尾，能够方便地接入 互联网已经成为一种必须。然而有线网络铺设工作存在着不灵活，成本高等固有 缺陷。如何对新建筑进行布网规划，如何对旧建筑进行改造、升级，如何在原有 的网络上进行扩容，以便能够容纳更多的用户，提供更快的接入速度，这些问题 向传统的有线网络提出了挑战。 近几年无线网络在全球范围之内迅猛发展，国内外企业对无线网络都十分关 注。据统计，无线网络的家庭用户市场比重由2 0 0 2 年的7 6 上升至u 2 0 0 5 年的1 8 9 ， 企业用户的市场比重由2 0 0 2 年的2 4 6 上升至u 2 0 0 5 年的3 9 2 。随着无线网络的纵 深发展，我们看到这样一个事实：无线网络不单纯是有线网络的延伸和补充，网 络的未来趋势将是无线和有线的融合，这种融合将为企业运营乃至社会经济环境 带来深刻的变化。 全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化是大势所趋。同有线接入 系统一样，无线接入系统经历了由窄带到宽带，由面向话音业务到面向数据、多 媒体业务的转变，随着数据业务在电信总业务的比例不断扩大，特别是随着i n t c r n e t 技术的迅猛发展，现有的有线接入系统远远不能满足人们的宽带业务需求；另一 方面随着电信市场的不断开放，新运营商的不断加入，形成了多方竞争的局面。 运营商面i 艋的问题是，采用何种技术才能快速而低成本的向用户提供高质量的宽 带电信业务。在这种背景下，宽带无线接入应运而生。 w i m a x 全称为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 ，即全球微波接入互 操作性，是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准【啦】的新的宽带无线接入城域网技术 ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 。它是针对微波频段提出的 一种新的空中接i z l 标准。w i m a x 基于无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ，w m a r 0 标准，这个标准由i e e e8 0 2 工作组制定，该标准同时被i e e e 和 e s t ih 口e r m a n 工作组接受。 2 w i m a x 系统小区间干扰控制 1 2i e e e8 0 2 1 6 和w i m a x 的背景 i e e e8 0 2 1 6 i 作组成立与1 9 9 8 年，主要任务是制定无线宽带系统的空中接口 标准。该工作组起初主要集中于制定1 0 g h z - - - 6 6 g h z 毫米波频段基于视距的点到多 点( p m p ) 的宽带无线系统，该工作组的第一个成果即最初的8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年1 2 月完成，最初的标准是基于单载波的物理层技术和突发时分( t d m ) 的m a c 层技术。其中，m a c 层的许多概念都源自于流行的光纤调制d o c s i s ( d a t ao v e r c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 标型3 1 。 i e e e8 0 2 1 6 工作组此后对该标准做了修订从而形成8 0 2 1 6 a 标准，该标准包括 了2 g h 卜1 1 g h z 频段内的非视距场景的应用，使用基于o f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制的物理层技术，同时，m a c 层也做了相应的修 改，比如：支持o f d m a ( 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 ea c c e s s ) 的接入技术。 在2 0 0 4 年基于8 0 2 1 6 a 的进一步修订形成了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 版本，该标准替代了之 前制定的所有标准，最终成为第一个w i m a x 方案的基础，我们将它称为固定 w i m a x 。在2 0 0 5 年1 2 月，i e e e 工作组完成并通过了i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 ，这是对 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 的修正，增加了对用户移动性能的支持。i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 成 为w i m a x 解决游牧和移动应用场景的方案基础，也就是本文所指的移动 w i m a x 2 。 表1 1 总结了各种i e e e8 0 2 1 6 的基本特征，这些标准提供了很多可供选择的设 计标准。比如有多种可选的物理层技术：基于单载波的物理层，基于o f d m 的物理 层和基于o f d m a 的物理层。类似地，标准同样在m a c 层结构、复用方式、使用频 段等方面存在多种选择。这些标准可以应用于各种应用和网络铺设场景，因此， 为系统设计者提供了丰富的设计选择。事实上，我们可以说i e e e 8 0 2 1 6 是一个标准 的集合而不是一个单独的标准。 由于互操作性的实际原因，这些标准的范围需要缩减，因此，需要定义一个 用于系统实现设计的更小选择范围。而w i m a x 论坛正是这样一个公共论坛：它定 义了有限数量的系统设计特征以及认证特征。根据i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 或者i e e e 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准，系统定义了可选和必选的物理层和m a c 特征。目前，w i m a x 论坛定义了两个系统描述：一个是基于i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4o f d m 物理层，称为固定 系统描述，而另一个则是基于i e e e8 0 2 1 6 e 。2 0 0 5 可变o f d m a 物理层，称为移动系 统描述。 第一章绪论 3 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列特征比较 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 8 0 2 1 6 e - 2 0 0 5 标准发布时间2 0 0 1 年1 2 月完成 2 0 0 4 年6 月完成2 0 0 5 年1 2 月完成 2 g h z 11 g h z ：固定接入 使用频段 1 0 g h z 6 6 g h z2 g h z 1 1 g h z 2 g h z 6 g h z ：移动接入 应用固定，视距固定，非视距固定移动，非视距 点对多点 点对多点点对多点 m a c 结构 m e s h m e s hm e s h 单载波，2 5 6 0 f d m单载波，2 5 6 0 f d m 传输模式单载波 或者2 0 4 8 0 f d m 或者可变o f d m q p s k ，1 6 q a mq p s k ，1 6 q a mq p s k ，1 6 q a m 调制方式 6 4 q a m6 4 q a m6 4 q a m b u r s tt d m ，i d m a b u r s tt d i 呵d m a 复用方式b u r s t 硼d m ，r d m a 0 阳m ao f d m a 双工方式 t d d 和f d dt d d 和f d dt d d 和f d d 2 5 6 一o f d m 可变o f d m w i m a x 实现无 固定w i m a x移动w i m a x 1 3 小区间干扰控制的背景 小区间干扰( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 是蜂窝移动通信系统的一个固有问题， 严重的影响着系统的容量，其形成原因是各个小区中使用相同频率资源的用户会 相互干扰。图1 1 m ) 为下行链路的干扰情况。b s l 和b s 2 分别为m s l 和m s 2 的服务基 站，假设b s l 给m s l 下行传输的子载波集合为s c l ，b s 2 给m s 2 下行传输的子载波 集合为s c 2 ，s c l 和s c 2 的交集为s c 。如果s c 不是空集，则m s l 在接收n b s l 发送 的下行信号时，将会同时收n b s 2 发送的无线信号。对于m s l 和b s l 来说，这些来 自b s 2 的信号就是干扰。如果m s l 和m s 2 之间的距离很小( 假设m s l 和m s 2 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，可能会导致m s l 无 法正确解调出b s l 发送的下行信号，进而导致系统服务性能的下降。上行链路( 图 1 1 ( a ) ) 也会遇到和下行链路类似的干扰问题。 降低小区间干扰对性能的影响是蜂窝系统设计的一个重要目标。小区间如果 干扰严重，将会极大地降低系统容量，特别是小区边缘用户的传输能力，从而影 响到系统的覆盖能力以及用户的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 。 4 w i m a x 系统小区间干扰控制 圈”卜一“一奎 圈|营有用信号舀 套、k s l ”一卜一“严套 1 4 论文组织和结构 本论文主要分为5 章： 第一章主要介绍宽带无线网络的发展，w i m a x 和i e e e8 0 2 。1 6 标准之间的关系 以及本论文研究的背景和主题。 第二章主要介绍基于i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准的w i m a x 系统的物理层和m a c 层框架和结构。 第三章简述了小区间产生同频干扰的原因，传统蜂窝系统为降低小区间干扰 采取的方法以及优缺点。分析了几种能提高频率复用率，适应新的通信系统要求 的干扰控制方案，并比较各种方案的优缺点。 第四章详细介绍了部分频率复用( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ，f f r ) 技术的原 理，分析了f f r 方案中的关键技术，设计了一种适合w i m a x 系统的下行f f r 方案， 并进行仿真分析。 第五章对本论文做了总结，以及对该课题中下一步研究工作做了展望。 第二章w i m a x 系统概述 2 1 1o f d m 基本原理 第二章w i m a x 系统概述 2 1w i m a x 系统物理层 o f d m 的英文全称是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 x i n g ，中文含义是 正交频分复用技术。o f d m 技术的主要思想是：将信道分为若干个正交子信道，将 高速数据信息转换为并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，在接 收端可以通过相关技术来分离叠加的正交信号，而不产生子信道间的干扰。由于 每个子信道上的信号带宽均小于信道的相干带宽，因此每个子信道可以看作是平 坦性衰落，从而可以消除符号间干扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是整个信 道带宽的一小部分，因此信道均衡变得相对容易。同时子载波之间的正交性使得 o f d m 信号经由多个子载波传送之后不会相互干扰，因此系统允许子载波频谱混 叠，这样就充分利用了频谱资源，频带利用率明显高于传统的f d m 调制方式。而 且在o f d m 系统中普遍采用添加循环前缀的方式来克服符号间的干扰，这样能很好 的适应无线通信中的多径环境。 o f d m 系统的基本模型4 】如图2 1 所示。 并 审 变 换 图2 1o f d m 系统基本模型框图 一个o f d m 符号之内包括了多个经过调制的子载波的合成信号，如果表示子 载波的个数，壤示o f d m 符号的宽度，喀( 扣o ，1 ，2 ，n - 1 ) 是分配给每个子载波 的数据符号，z = 正+ 参，是第f 个子载波的载波频率，则从f 2 开始的o f d m 符 号可以表示为： 6 w i m a x 系统小区间干扰控制 s ( f ) = n 1 4e x p ( _ ，2 万z ( f 一乇) ) i = 0 t s t t s + t 0 t ( 2 1 ) 图2 2 给出了一个o f d m 符号内包含4 个子载波的情况。其中所有的子载波都具 有相同的幅值和相位，在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的 幅值和相位都可能是不同的。从图2 2 可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周 期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可 以用来说明子载波之间的正交性，即如下公式所示： ；r e w ( j o o r ) e x p ( 一脚) 出= 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波的示例 由于子载波之间的正交性特性，我们可以对式( 2 1 ) 中的鳓个子载波进行解调， 然后在时间长度丁内进行积分，即： 铲孔1f t , e x v ( - j 2 万妒乞) ) - 篓q 唧( 伽争沙 = 亍1 刍n - i4 r e x p i 哪石( 孚) ( ) 鸹 ( 2 - 3 ) 根据上式可以看出，对第，个子载波进行解调可以恢复出期望符号，而对于其 他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别圳阿以产生整数倍个周期，所以其 积分结果为零。 22 ，i 、 栉 以 = m m 1 o o 0 一 d o ； o 以 o 一 们冀置phr可_ie-辱 第二章w i m a x 系统概述 7 这种正交性还可以从频域角度理解，根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期丁 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为确矩形脉冲的频谱与一 组位于各个子载波频率上的函数的占卷积。对于第f 个基带信号而言，其时域上是 一个矩形，因而在频域上是s l n c 函数的形式，这种函数的零点出现在频率为j 佛兰 数倍的位置上。 如图2 3 所示，相互覆盖的各个子载波经过矩形波形成型得到的符号s i n c 函数频 谱，在每一个子载波频率的最大值处，所有其它子载波的频谱恰好为零。因此， 可以从多个相互重叠的子载波符号频谱中提取出某个子载波信号，而不会受到其 他子载波的干扰。o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子载波频 谱之间不存在相互干扰。 幅度 ，、 、厂、 vv vv 7频率 幅度 趟救、 弋w蟛妙眵眵7 频率 ( a )( b ) 图2 3o f d m 子载波频谱正交示意图 o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换来实现。这里假设= 0 ， 对j ( f ) 进行丁的速率采样，即令f = k t n ( k = o ，1 ，n - 1 ) ，则有： 轳s ( k r m = 缶口，鼍( ，可2 z i k ) ( o 干扰抵消技术( i n t e r - c e u i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 干扰协调技术( i n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n a v o i d a n c e ) 3 1 i 干扰随机化技术 干扰随机化【l l 】是一种常用的技术，其在3 g 系统中得到广泛的应用。干扰随 机化技术的主要优点在于不会影响接收端调度和接收处理的复杂度。干扰随机化 技术通过将相邻小区的干扰白化，从而通过终端接收处理来降低干扰。 干扰随机化的具体方法有以下几种： 夺基于基站的扰码 夺各种跳频技术 1 8 w i m a x 系统小区间干扰控制 这两种技术基本上都能够实现干扰随机化的性能，但当系统满载时，干扰随 机化技术对系统性能的提升有限。 3 1 2 干扰抵消技术 i c i 消除技术【2 2 】可以将干扰小区的信号解调、解码，然后复制、减去来自该 小区的i c i 。以基于i d m a ( 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 ) 1 2 ，1 3 】的i c i 消除技术为例，可以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i c i 消除。 理论上，加扰的方法也可以用于多小区多址，但仿真结果 1 2 1 3 】表明，迭代i c i 消除无法在加扰的系统中取得明显性能增益，但在i d m a 系统中却可以取得很大 增益。 i c i 消除与i c i 协调相比的优势在于，对小区边缘的频率资源没有限制。相邻 小区即使在小区边缘也可以使用相同的频率资源，因此可以获得更高的小区边缘 频谱效率和总频谱效率。 i c i 消除的局限是：必须给进行i c i 消除的用户分配相同的频率资源。另外小 区之间必须保持同步，目标小区还必须知道干扰小区的导频结构，以便对干扰信 号进行信道估计。因此，i c i 消除方法的信令开销和实现复杂度都比较高。 3 1 3 干扰协调技术 干扰协调技术 1 4 】主要是在多个小区间对空间，时间和频率信道资源以及功率 进行协调，从而降低相邻小区间的干扰。干扰协调技术是一种基于基站的干扰消 除技术。 干扰协调技术主要包括了时频域的干扰协调和空时频域的干扰协调、功率控 制等。 时频域的干扰协调技术 时频域的干扰协调通过小区间的协调，各小区上下行发送信道的时频域信道 资源受到一定的限制。如在相邻小区之间，将小区间一部分( 可以是全部) 共有时频 资源进行划分为多个子集合。每个小区将一个或多个子集合用于小区边缘用户的 数据和信令传输。相邻小区在小区边缘占用的时频资源子集合不重合。 时频域的干扰协调技术可以分为静态，半静态和动态的时频域资源协调。静 态方式主要是在小区规划时，通过小区间规划确定。资源的协调也可以根据小区 间负载和业务特点的变化而进行修改，但这种改变的时间周期一般是以月，天计 算的。对于半静态方式，资源分配的周期应该是以分钟为单位进行。对于动态的 第三章w 系统小区问干扰控制1 9 协调方式，资源分配的周期应该是以秒为单位进行。由于动态方式需要的测量和 信息上报开销很大并需要在多个小区间频繁进行实时通信，在实际系统中一般 不会采用。 时频域干扰协调在某些方案中可能会与功率控制相结合，如对于小区边缘的 终端，可以采用更大的发送功率，而对于小区中心的用户，则需要采用较低的发 送功率。 该方法的典型方案是部分频率复用方案( f f r ) 。小区间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。 夺基于智能天线的空时频域干扰协调技术 基于智能天线的干扰协调技术，是一种基于空间，时间和频域的三维资源协 调的方式。由于智能天线技术可以将下行发送信号集中在一个有限宽度的波束中， 因此，在小区边缘可以通过在不同小区对波束，时频域资源进行协调来减少信号 问的干扰。 智能无线技术可以将发送信号集中在一个窄波束上，且该波束是可控制的； 因此，利用智能天线波束可控的特点，通过小区间的协调，可避免相邻小区间的 干扰。图3 1 给出了两个小区间采用智能天线波束来避免小区间干扰的示意图。 用户i 、 7 二过 毽 c o l l 】 圈3 1 基于智能天线的干扰协调技术 在通信系统中采用干扰协调技术时采用动态或者半静态方式，都需要在小 区和小区间进行通信。如果采用动态的协调方式小区间需要实时地交互大量的 。 p w i m a x 系统小区间干扰控制 信息，这会造成网路负荷太大，增加了系统的复杂度和开销。 功率控制技术 在干扰协调技术中，功率控制也可以看作是一种干扰协调方案。功率控制协 调方案中，基站根据相邻小区的负载消息，控制下行基站或上行用户的发送功率。 以上行链路为例，当相邻小区内的负载比较大，需要本小区边缘的用户减少一定 的发送功率来降低对相邻小区的干扰，同时降低本小区的负载；当相邻小区内的 负载比较轻，则可以提高小区边缘的用户发送功率，从而提高传输速率。 3 2 干扰控制方案比较 对于采用o f d m 技术无线通信系统小区的干扰控制技术如干扰随机化，干扰 抵消以及干扰协调技术，在实际应用时，这三种技术之间是一个相互补充和协调 的关系。在控制小区间干扰时，应该根据小区间的部署情况，统一协调各种方法， 采用综合的手段来尽可能地降低小区间干扰。 干扰随机化的实现比较容易，已经得到广泛应用。但是对于新的通信系统来 说，干扰随机化对性能的提升十分有限。与其他干扰控制技术结合是干扰随机化 的发展方向。 干扰消除技术能够有效的抑s u , j , 区间的干扰，同时由于干扰消除技术对小区 边缘和中心的频率资源都没有限制，因此，小区边缘和整体谱效率都会有所提高。 但在技术实现上，干扰消除技术的实现复杂度很高。如i d m a 技术，接收方需要 知道干扰源的编码信息，这在实际操作时非常困难。 干扰协调技术以f f r 技术( 部分频率复用) 为典型。通过引入限制性频率重用 集来控n 4 , 区间干扰，实现复杂度较低，目前很多公司支持该方案，如i n t e l 1 9 j l g 2 0 】 n o r t d 【2 l 】等公司。由于f f r 技术对频率资源的使用有一定的限制，这样会导致能 够使用的频率资源减少。因此，如何同时保证边缘和整体吞吐量是f f r 技术需要 重点考虑的问题。 通过智能天线等多天线技术控制小区间干扰也是目前研究的热点，多天线技 术要求之间交互的数据量会比较大，如何在基站之间协调计算负荷以降低基站之 间数据、信令传输量是需要解决的问题。 此外功率控制也应该和干扰控制结合起来，应该考虑的问题是终端和基站需 要交互的信令内容，以及基站之间通过何种方式传递干扰情况等等。 第四章部分频率复用方案 2 1 第四章部分频率复用方案 通过上文的分析，干扰协调技术是目前比较成熟的方案，实现比较容易，是 考虑比较周全的方案。本论文将重点论述干扰协调技术中比较有代表性的部分频 率复用方案( f f r ) ，利用该方案来控制系统组网时的小区间干扰。 4 1 频率复用 频率复用是蜂窝移动通信得以实现的最基本的技术手段。和其他蜂窝通信系统 一样，o f d m a 系统在网络规划时也需要确定频率复用模式，并进行频率规划。 频率复用的基本思想是降低基站的发射功率( 与原有大区制集群系统比) ，使得 小区的半径收缩，只覆盖相对较小的一片区域。相隔若干个小区后相同的频率可 以被重复使用。这种重复使用频率的思想被称为频率复用。频率复用通过空间( 地 域) 复用频率的方式提高了频率的使用效率，提高了系统容量。通常采用频率复用 系数来表征频率复用的效果。频率复用系数越小，频率复用效果越好，频率使用 效率越高。 相隔小区的最小个数或者使用相同频率的小区间间隔的最小距离是由移动通 信系统采用的物理层技术决定的。比如在第一代模拟移动通信系统里接收机对信 噪比的要求为1 8 d b ，同频干扰的水平也必然要低于这个水平，频率复用系数多在7 以上。在g s m 系统中由于数字通信技术的采用，接收机对信噪比的要求降为9 d b ， 进一步通过调频技术的使用可以将频率复用系数降为4 左右。而第三代移动通信系 统，如w c d m a 系统中通过扩频技术的使用，显著地抑制了同频干扰，接收机对 信噪比的要求变为负数，从而使得频率复用系数可以等于1 ，也就是同频组网变为 可能。 频率复用的优点如前所述，通过空间复用相同的频率，提高了频率使用效率， 增加了系统容量。反过来说，为了满足频率空间复用的要求，在可用频率资源受 限的情况下，单位面积可用频率与频率复用系数成反比。换句话说，频率复用系 数越大，单位面积可使用的频率资源越少，或者单位面积的容量相对越少。因此， 在蜂窝移动通信系统中一个重要的课题就是如何有效降低系统的频率复用系数。 频率复用是基于无线电波传播路径损耗特性来实现的，其单位为载波。当两 个基站之间距离足够远，那么用于一个基站的载波频率可以被另一个基站的载波 使用，从而提高了频率使用效率。每个基站覆盖的区域称为小区，使用相同频率 的小区称为同频小区。这些同频小区之间的距离d 称为频率复用距离。在设计中， 频率复用距离d 必须足够远，以使同子信道干扰电平足够低，从而保证覆盖质量。 频率规划的基本单位是小区簇，以簇为单位在覆盖区域内进行频率复用。簇 是一组n 个小区的集合，这n 个小区使用了全部可用的频谱资源，但各小区工作频 率却不同，簇内各小区分布方式和频率分配方案决定了频率复用模式。 蜂窝移动系统中频率复用方式常用( c n s ) 进行定义， 数，n 是频率复用的总信道( 或信道组) 数( 也称为复用系数) 在g s m 网络中，采用的主要频率复用方式有( 4 1 2 x 3 ) 、( 其中c 为每簇中的基站 ，s 是每基站的扇区数。 3 x 9 x 3 ) 、( 2 6 x 3 ) ，在频 谱资源紧张的地方有时也用( 1 x 3 x 3 ) 。在c d m a 网络中，可采用同频组网，此时的 频率复用方式是( 1 x l x 3 ) 。图4 1 描述了两种常见的频率复用方式。 a ( 4 x 1 2 x 3 ) b ( 1 x 3 x 3 ) 图4 1 两种常用的频率复用方式 第四章部分频率复用方案 4 2 部分频率复用原理 目前研究结果表咧”】，为了保证边缘用户能够正确解调调制方式为q p s k ， 编码码率为1 2 的信号需要s n r 3 d b ，1 1 3 同频组网是无法满足要求的。使用频 率复用系数为3 的频率复用方案时可以满足边缘信噪比大于3 d b 的要求。而传统的 频率复用方式与同频组网方式( 频率复用系数为1 ) 相比，存在频谱效率相对较低的 缺点。为了进一步解决在频率复用系数为1 的o f d m a 系统中相邻小区间同频干扰 的问题，提高频率复用率，可以考虑部分频率复用( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ， f f r ) 的方法。 在w i m a x 网络中，基站可以以较大的发射功率覆盖距离较远的用户，而覆盖 距离较近的用户，基站可以使用较低发射功率就可以正常覆盖。由于近距离覆盖 发射功率低，产生的干扰小，因此，近距离覆盖可以以较低功率使用相邻小区边 缘的频率。这样小区覆盖可以分为两个环：内环和外环，内环以全部载波覆盖， 外环以部分载波覆盖，形成部分频率复用。 如图4 2 所示，三个基站的边缘存在覆盖重叠。其中f 1 、f 2 、f 3 是系统将频率 资源分成的3 个子信道组( 复用集) ，f i + f 2 + f 3 为整个载波频宽。三个基站的外环分 别以f 1 、f 2 、f 3 覆盖，内环以f i + f 2 + f 3 覆盖。这种方法是在相邻小区之间进行协 调，以避免或降低i c i 。由于这种“协调”实际上是通过在小区边缘采用小区复用方 法实现的，所以被称为“软频率复用”或“部分频率复用”。 图1 2 部分频率复用示意图 如图4 2 所示，8 0 2 1 6 e 系统将频率资源分成若干个子集f l 、f 2 、f 3 ( 子信道组) ， 并采用功率控制的方法将用户分配到各个子信道组。在小区中心的用户采用较低 的功率发射和接收，在邻小区中即使占用相同的频率资源也不会造成强烈的i c i ， 因此被分配在频率复用系数= 1 的子信道组，即整个载波频宽( f 1 + f 2 + f 3 ) 。在小区 边缘的用户采用较高功率发射和接收以确保连接的稳定和容量需求，此时，如果 继续采用频率复用系数等于1 的复用方法会对同样处于邻小区边缘的使用相同频 w i m a x 系统小区间干扰控制 率资源的用户形成干扰，严重影响用户感受和系统性能，所以相邻小区边缘需要 使用不同的频率资源，使得占用相同频率资源的用户由于相隔距离较远也不会造 成强烈的i c i 。因此在小区边缘采用频率复用系数等于n ( 上图q h n = 3 ) 的复用集( 上图 中为f 1 、f 2 、f 3 ) 。 f f r 技术可以通过“静态”的和“动态”的两种方式实现。 静态f f r 终端使用的频率复用集是相对固定的，与终端在小区中的位置相对应。 终端测量下行相邻小区( 扇区) 的干扰，并将结果报告给基站。基站则可 以根据干扰的情况分配给该终端适当的频率复用集； 静态方法的问题是，每个复用集中的子载波数是定的，难以应付各 种不同的部署场景和业务流量分布。 动态f f r 终端所处的复用集是不断刷新的。这种动态调度综合考虑了用户q o s 的要求、小区间干扰避免和公平性原则。 要求基站能即时的获得每个复用集的信道质量信，自l ( c h a n n e lq u a l i t y i n f o r m a t i o n ，c q i ) ，基站之间需要交互大量信息，因此实现比较复杂， 系统开销较大。 4 3 下行静态部分频率复用方案 下面设计一种适用于w i m a x 系统组网的下行静态部分频率复用的方案。 4 3 1 技术难点及解决方法 1 ) 中心用户和边缘用户的划分 f f r 技术的核心就是给中心用户和边缘用户使用不同的频率资源，通过功率控 制达到抑制小区间干扰的目的。因此如何准确判断用户的类型，则成为一个重要 的问题。通常有两种解决方法。 解决方法1 ：通过用户在小区中所处的位置来划分边缘用户和中心用户 首先规定一个距离l ，当用户到基站的距离大于l 时，则认定用户属于边缘用 户；否则，认定为中心用户，如图4 3 所示。 这种方法的优点是原理简单，m s 反馈的信息量少。缺点同样明显，首先在实 际组网中小区形状不一定规则，每个小区的衰落也不尽相同，使得每个小区中心 和边缘用户的划分不可能像图4 3 那样简单规则。其次，在实际的环境中想要对每 一个m s 都实现准确的定位，不是一件容易事情，需要像g p s 等辅助系统的协助， 这样就会增加系统的成本和复杂度。 第四章部分频率复用方案 解决方法2 ：通过用户反馈的s i n r ( s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ) 值划分边缘用 户和中心用户。 系统初始化后，经过一段时间预热后，基站根据用户反馈s i n r 值，统计出这 段时间内小区中用户的平均s i n r 值。然后基站确定一个门限值s i n r 也，将这个 s i n r 啦值作为判断小区内用户是否为边缘用户的依据，即 j 竺坠播胍“姗舯心用户( 钏 i s i n r k l - s i n r 山；