寬帶OFDM系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)
由于具有高頻譜利用率并且能有效解決寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中的碼間干擾問(wèn)題,正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為必將應(yīng)用于未來(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中,包括3G長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)(3GLTE)等[1]。在以OFDMA為多址接入方式構(gòu)建的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,也可以做到頻率復(fù)用因子為1,即整個(gè)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的所有小區(qū)可以使用相同的頻帶為本小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)提供服務(wù)。在OFDM系統(tǒng)中,各子信道之間的正交性有嚴(yán)格的要求。雖然由于載波頻率和相位的偏移等因素會(huì)造成子信道間的干擾,但是可以在物理層通過(guò)采用先進(jìn)的無(wú)線信號(hào)處理算法使這種干擾降到最低。因此,一般認(rèn)為OFDMA系統(tǒng)中的小區(qū)內(nèi)干擾很小,而影響系統(tǒng)性能的主要干擾來(lái)自小區(qū)間干擾。
圖1(a)所示為OFDM系統(tǒng)上行鏈路的干擾情況。移動(dòng)終端T1與T2的服務(wù)基站分別是NodeBA與NodeB B。T1和T2分別通過(guò)在上行無(wú)線鏈路傳輸數(shù)據(jù)而獲得系統(tǒng)的服務(wù)。假設(shè)Node B A分配給T1用于上行傳輸?shù)淖虞d波集合為S1,Node B B分配給T2用于上行傳輸?shù)淖虞d波集合為S2,S1與S2的交集為S。如果S不是空集,如圖1(a)所示,Node B B在接收T2發(fā)送的上行信號(hào)時(shí),在集合S內(nèi)的子載波將會(huì)同時(shí)收到T1發(fā)送的無(wú)線信號(hào)。對(duì)于T2和Node B B來(lái)說(shuō),這些來(lái)自T1的信號(hào)就是干擾。如果T1與T2之間的距離很小(例如T1、T2都處于兩個(gè)服務(wù)小區(qū)覆蓋區(qū)域的重疊部分),小區(qū)間的干擾將會(huì)很強(qiáng)烈。當(dāng)這種情況發(fā)生在三個(gè)毗鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域的重疊部分時(shí),小區(qū)間的干擾將更為嚴(yán)重。如果從信號(hào)接收端。Node B B的角度來(lái)考慮,嚴(yán)重的小區(qū)間干擾將導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正確解調(diào)出T2發(fā)送的上行信號(hào),從而出現(xiàn)上行傳輸錯(cuò)誤事件的發(fā)生。過(guò)多的傳輸錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)性能的急劇下降,使系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)服務(wù)性能的要求。T1和Node B A也會(huì)遇到類(lèi)似的情況。下行鏈路的小區(qū)間干擾問(wèn)題的分析與上行鏈路類(lèi)似,如圖1(b)所示。當(dāng)然,如果S是一個(gè)空集,上述的這些情況都不會(huì)發(fā)生,但是對(duì)于頻率復(fù)用因子為1的OFDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō),S為空集的概率極小。因此,如何降低小區(qū)間的干擾,以提高系統(tǒng)的服務(wù)性能,特別是小區(qū)邊緣區(qū)域的性能,是OFDM系統(tǒng)中亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。
圖1 OFDM系統(tǒng)鏈路干擾分析
一、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的基本原理
目前關(guān)于OFDM系統(tǒng)中小區(qū)間干擾抑制技術(shù)的研究主要包括干擾隨機(jī)化、干擾消除、宏分集和干擾協(xié)調(diào)等[2]。其中,小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)是討論的重點(diǎn)。
干擾協(xié)調(diào)又稱(chēng)為“干擾避免”、“軟頻率復(fù)用”或“部分頻率復(fù)用”,是目前3GLTE正在考慮的方法之一[3],該方法將頻率資源分為若干個(gè)頻率復(fù)用集。小區(qū)中心的用戶(hù)可以采用較低的功率發(fā)射和接收,相鄰小區(qū)的中心區(qū)域用戶(hù)即使占用相同的頻率也不會(huì)造成較強(qiáng)的小區(qū)間干擾,因此小區(qū)中心區(qū)域用戶(hù)被分配在復(fù)用因子為1的頻率復(fù)用集。而小區(qū)邊緣區(qū)域的用戶(hù)需要采用較高的功率發(fā)送和接收信號(hào),有可能造成較強(qiáng)的小區(qū)間干擾,因此小區(qū)邊緣區(qū)域用戶(hù)被分配在頻率復(fù)用因子為N的頻率復(fù)用集。
小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源的有效分配,減小相鄰小區(qū)邊緣區(qū)域使用的資源在時(shí)間和頻率上的沖突,降低干擾數(shù)量級(jí),提高信號(hào)的接收信噪比,從而提高系統(tǒng)小區(qū)邊緣的服務(wù)質(zhì)量,甚至整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。
干擾協(xié)調(diào)的基本原理如圖2所示,其中(a)圖是頻率資源在空間上的分配方案,(b)圖是頻率資源的劃分方案[8,9]。
圖2 干擾協(xié)調(diào)基本原理
設(shè)S為OFDM系統(tǒng)所使用的帶寬內(nèi)所有子載波的集合,按照?qǐng)D2(b)的頻率資源劃分方案,S被等分成三個(gè)子集S1、S2和S3,并且這三個(gè)子集內(nèi)的子載波互不重疊。如圖2(a)所示,每個(gè)小區(qū)被劃分成內(nèi)外兩層,劃分的依據(jù)可以是無(wú)線鏈路的質(zhì)量等。子載波集S1、S2或S3分配到系統(tǒng)中的各小區(qū),例如S1對(duì)應(yīng)小區(qū)1,S2對(duì)應(yīng)小區(qū)2,S3對(duì)應(yīng)小區(qū)3,等等。在資源分配階段確定用戶(hù)使用的傳輸子載波時(shí),對(duì)于內(nèi)層區(qū)域的一個(gè)移動(dòng)終端來(lái)說(shuō),可以被分配到的子載波(組)是集合S中的任一子載波或子集,也就是說(shuō)小區(qū)內(nèi)層區(qū)域的頻率復(fù)用因子可以為1。而對(duì)外層區(qū)域的一個(gè)移動(dòng)終端來(lái)說(shuō),它能被分到的子載波(組)只能是某一個(gè)子集Sn(S1、S2或S3),即頻率復(fù)用因子只能達(dá)到3。同時(shí),在把Sn(S1、S2或S3)匹配到每一個(gè)對(duì)應(yīng)的小區(qū)時(shí)應(yīng)遵守一個(gè)原則:確保相鄰的三個(gè)小區(qū)匹配到的子集合組必須是S1、S2、S3的一個(gè)排列組合,即可以是(S1,S2,S3)、(S2,S3,S1)或(S3,S2,S1)等。
通過(guò)這樣的頻率資源劃分方法和頻率資源空間分配方案,可以確保相鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域被分配到的子載波互不重疊,從而使處于該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端受到的小區(qū)間干擾降到一個(gè)很低的程度,提高了小區(qū)邊緣的服務(wù)質(zhì)量。由此可見(jiàn),干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的主要目的是提高系統(tǒng)對(duì)小區(qū)邊緣移動(dòng)終端的服務(wù)質(zhì)量。圖2所示是小區(qū)邊緣復(fù)用因子為3的情況。如果采用更高的小區(qū)邊緣復(fù)用因子(例如7、9等),可以進(jìn)一步降低小區(qū)間的干擾,但是會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率的降低。
二、典型干擾協(xié)調(diào)方法
以上基本原理介紹的例子中僅僅考慮了將集合S等分成子集合S1、S2和S3的情況,而實(shí)際情況中。S的分割也可以是非等分的,即S1、S2和S3可以隨著時(shí)間的變化而變化。按照S的分割隨時(shí)間的變化關(guān)系,干擾協(xié)調(diào)技術(shù)可以分為:靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)和半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)[4],以下分別進(jìn)行介紹。
1.靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)指集合S的分割不隨時(shí)間的變化而變化,也即Sn(S1、S2和S3)在系統(tǒng)的初始化階段就已經(jīng)確定,并且不會(huì)隨著傳輸時(shí)間間隔(TTI:TransmissionTimeInterval)的變化而變化。由此可見(jiàn),在靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,每個(gè)小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源在整個(gè)時(shí)間軸上是固定不變的。如圖3所示,各小區(qū)C_n(n=1,2,3…,7)用于干擾協(xié)調(diào)的資源在TTI1、TTI m和TTI n上保持一致,沒(méi)有發(fā)生變化。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/201706/353450.htm圖3 靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單易行,通過(guò)在系統(tǒng)初始化階段進(jìn)行一次頻率資源規(guī)劃再輔以一定的資源分配算法即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)間干擾的抑制。除了在系統(tǒng)初始化階段對(duì)整個(gè)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行一次頻率資源分割時(shí)需要一些信令開(kāi)銷(xiāo)外,在后續(xù)的過(guò)程中不需要NodeB之間或者NodeB和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)之間額外的信令開(kāi)銷(xiāo),這使靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方法效率比較高。但它也存在明顯的缺點(diǎn),例如當(dāng)OFDM系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)的負(fù)載隨著時(shí)間的推進(jìn)而劇烈變化時(shí),靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法顯得很不靈活;當(dāng)小區(qū)邊緣處于高負(fù)荷狀態(tài)而小區(qū)中央處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí),靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法帶來(lái)的小區(qū)邊緣性能提高也很有限。
2.動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)
動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)指集合S的分割隨時(shí)間的變化而變化,即Sn(S1、S2和S3)在系統(tǒng)的初始化階段確定后,隨著TTI的增加也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化。也就是說(shuō),在動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,每個(gè)小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源都會(huì)隨著時(shí)間的變化而增加或者減少。如圖4所示,系統(tǒng)初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時(shí)各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波;在TTI2時(shí),小區(qū)1用于干擾協(xié)調(diào)的資源減少了,小區(qū)2、4、6用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了,而小區(qū)3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源并沒(méi)有發(fā)生變化;在TTI3時(shí),與TTI 2時(shí)的情況相比,小區(qū)1、3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了,而小區(qū)2、4、6用于干擾協(xié)調(diào)的資源明顯減少。
圖4 動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)
在動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,小區(qū)內(nèi)負(fù)載的分布或者變化促使各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源發(fā)生變化,所以此方法可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的變化。但是它也存在缺點(diǎn),由于從集合S到S1、S2、S3的分割需要在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,不能在某一個(gè)小區(qū)單獨(dú)調(diào)整,這就需要NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開(kāi)銷(xiāo);如果S的劃分在每個(gè)TTI內(nèi)都進(jìn)行一次,過(guò)多的信令開(kāi)銷(xiāo)將導(dǎo)致系統(tǒng)效率的嚴(yán)重降低,對(duì)系統(tǒng)性能的提高甚至起負(fù)作用,同時(shí)每個(gè)TTI內(nèi)進(jìn)行S的分割也將增大系統(tǒng)的傳輸時(shí)延。
3.半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
考慮到靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法和動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法各自的優(yōu)缺點(diǎn),產(chǎn)生了半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法。在半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,集合S的分割也是隨時(shí)間的變化而變化,即Sn(S1、S2和S3)在系統(tǒng)的初始化階段確定之后,隨TTI的增加也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化,但是S分割的變化不像動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法中變化得那么頻繁,也不是在每個(gè)TTI都會(huì)發(fā)生變化,一般要經(jīng)過(guò)多個(gè)TTI才會(huì)進(jìn)行一次集合S到S1、S2、S3的重新分割。如圖5所示,系統(tǒng)初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時(shí)各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的子載波;在TTIm時(shí),各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源仍與TTI1一致,即在TTI 1~TTI m這段時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有發(fā)生變化;而在ITI m+1時(shí),小區(qū)1用于干擾協(xié)調(diào)的資源增加了,小區(qū)3、5、7用于干擾協(xié)調(diào)的資源減少了,而小區(qū)2、4、6的這部分資源并沒(méi)有發(fā)生變化。也就是說(shuō)集合S的這次分割發(fā)生的間隔為m個(gè)TTI。
圖5 半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)
半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法可以看作是靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)與動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)的一個(gè)折衷,它融合了二者的優(yōu)點(diǎn),摒棄了它們的缺點(diǎn)。在半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)方法中,一方面,小區(qū)內(nèi)負(fù)載的分布或者變化促使各小區(qū)用于干擾協(xié)調(diào)的資源發(fā)生變化,可見(jiàn)它可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的變化;另一方面,從集合S到S1、S2、S3的重新分割不需要在每個(gè)TTI都進(jìn)行,S的重新分割完全可以只在系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載分布或者其變化比較大的時(shí)候才進(jìn)行,這就有效地減小了NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開(kāi)銷(xiāo),提高了系統(tǒng)效率。這種方法可以在一定程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的性能,尤其是小區(qū)邊緣的性能。
三、干擾協(xié)調(diào)方案舉例
前面介紹了干擾協(xié)調(diào)方法的基本原理和分類(lèi),下面將介紹兩種具體的干擾協(xié)調(diào)方案。
1.方案一
圖6給出了上、下行干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的一個(gè)完整方案[5],這種方案可以認(rèn)為采用的是靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。整個(gè)頻域資源S在系統(tǒng)初始化階段被分割為N(考慮到系統(tǒng)的完全覆蓋,N=7或N=9)個(gè)互不相交的子集Sn(n=1,2,…,N),每一個(gè)Sn與一個(gè)扇區(qū)Cn相對(duì)應(yīng),所有扇區(qū)都被劃分為內(nèi)、外兩層。對(duì)于內(nèi)層的移動(dòng)終端,被分配到的傳輸子載波可以是集合S的任何一個(gè)子集合。而對(duì)于外層區(qū)域的移動(dòng)終端,以扇區(qū)C1為考察對(duì)象,當(dāng)扇區(qū)C6內(nèi)有一個(gè)移動(dòng)終端(圖中的T1)運(yùn)動(dòng)到扇區(qū)邊緣區(qū)域靠近扇區(qū)C1時(shí),扇區(qū)C6將只會(huì)在集合S1中分配相應(yīng)資源給該終端傳輸數(shù)據(jù)。與扇區(qū)C1相鄰的其他扇區(qū)(如C2、C3、C4、C5、C7、)的情況也是如此。這也就是說(shuō)對(duì)于每一個(gè)扇區(qū),處在其邊緣區(qū)域的用戶(hù)只可能分配整個(gè)系統(tǒng)資源的一部分,這樣可以確保分別處于兩個(gè)相鄰扇區(qū)的邊緣區(qū)域的用戶(hù)所分配到的頻域資源不會(huì)相交,從而可以在一定程度上減輕小區(qū)間的干擾。在這種方案中,扇區(qū)的內(nèi)層區(qū)域頻率復(fù)用因子為1,外層頻率復(fù)用因子為N。
圖6 干擾協(xié)調(diào)方案實(shí)例1
由于該方案是一種靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方法,所以存在和靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)同樣的缺點(diǎn):①固定的頻域資源分割不能適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的分布隨著時(shí)間的變化而變化的情況;②固定的頻域資源劃分不能適應(yīng)小區(qū)中心負(fù)載低、小區(qū)邊緣負(fù)載高的情況;③未考慮扇區(qū)的內(nèi)、外層按照什么樣的原則劃分。
2.方案二
圖7是另一種干擾協(xié)調(diào)方案[6],(a)圖給出了這種方案的頻率資源規(guī)劃方法,(b)圖給出了某次調(diào)度后三個(gè)毗鄰小區(qū)資源在小區(qū)邊緣的分配情況。
在小區(qū)劃分為內(nèi)、外兩層方面,本方案與前面干擾協(xié)調(diào)基本原理部分介紹的劃分方法一致。在小區(qū)的頻率資源規(guī)劃方面,如圖7(a)所示,假設(shè)整個(gè)頻率資源由15個(gè)小的傳輸塊Smn(m=1,2,3;n=1,2,3,4,5)組成,每5個(gè)小的傳輸塊組成一個(gè)傳輸塊組Sm(m=1,2,3),在資源分配時(shí)依次對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū)。
圖7 干擾協(xié)調(diào)方案實(shí)例2
對(duì)于每一個(gè)小區(qū)來(lái)說(shuō),它的內(nèi)層頻率復(fù)用因子還是可以為1,也就是可以分配Smn(m=1,2,3;n=1,2,3,4,5)中的任意資源。小區(qū)邊緣區(qū)域的資源分配規(guī)則,以小區(qū)1(C_1)為例,首先可以將S1n(n=1,2,3,4,5)中資源的分配給該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端使用,如果C_1的邊緣區(qū)域負(fù)載比較高,它就可以從S2n(n=1,2,3,4,5)、S3n(n=1,2,3,4,5)中借用資源分配給該區(qū)域內(nèi)的終端使用。C_1從S2n(n=1,2,3,4,5)、S3n(n=1,2,3,4,5)中借用資源的順序?yàn)椋篠25、S35、S24、S34、S23、S33、S22、S32、S21、S31。其他小區(qū)(如C_2、C_3)的資源分配方式也是如此(包括小區(qū)的內(nèi)、外層區(qū)域)。
在圖7(b)中可以看到某次資源分配結(jié)束后,三個(gè)毗鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域資源分配情況:C_3的邊緣區(qū)域滿(mǎn)負(fù)荷;C_2的邊緣區(qū)域輕度負(fù)荷;C_1的邊緣區(qū)域中度負(fù)荷。相鄰的小區(qū)邊緣在資源分配時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分資源交疊的情況。
通過(guò)前面的分析可以看出,這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于:①在某些情況下(比如一個(gè)小區(qū)邊緣負(fù)荷較高,毗鄰的兩個(gè)小區(qū)邊緣負(fù)載較低),可以提高小區(qū)邊緣的性能;②只需要在系統(tǒng)初始化時(shí)對(duì)集合S進(jìn)行一次分割,在這一點(diǎn)上類(lèi)似于靜態(tài)的干擾協(xié)調(diào)方案。但是,如果毗鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域負(fù)載狀況不像前面所說(shuō)的那樣匹配,由于依然有毗鄰小區(qū)干擾源的存在,小區(qū)邊緣性能的提高不是很明顯。
四、結(jié)語(yǔ)
未來(lái)的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)頻譜效率的要求很高,因此期望頻譜復(fù)用系數(shù)盡可能地接近1。由此產(chǎn)生的小區(qū)間干擾問(wèn)題是影響蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的重要問(wèn)題。干擾協(xié)調(diào)技術(shù)作為一種有效的小區(qū)間干擾抑制技術(shù),將會(huì)提高3GLTE系統(tǒng)的性能,特別是小區(qū)邊緣區(qū)域用戶(hù)的性能。
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編輯:小宇
評(píng)論