摘要：本文著重針對(duì)小區(qū)干擾消除技術(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了分析，提出了一種基于編碼塊分割的預(yù)定義頻率資源塊分配方法，以支持對(duì)多種帶寬業(yè)務(wù)的小區(qū)間干擾消除。 另外還提出了一種將小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)和干擾消除合并使用的混合方法，可以在適應(yīng)各種帶寬業(yè)務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率的最大化。
1、引言
現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（如3G系統(tǒng)）提供的數(shù)據(jù)速率在小區(qū)中心和小區(qū)邊緣有很大的差異，不僅影響了整個(gè)系統(tǒng)的容量，而且使用戶(hù)在不同的位置得到的服務(wù)質(zhì)量有很大的波動(dòng)。因此，目前正在研發(fā)的新一代寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，如3GPPLTE、IEEE802.20、B3G等，都不約而同地將提高小區(qū)邊緣性能作為主要的指標(biāo)之一。
本文首先對(duì)目前正在研究的幾種提高小區(qū)邊緣性能的典型技術(shù)進(jìn)行介紹。在此基礎(chǔ)上，將對(duì)小區(qū)干擾消除技術(shù)帶來(lái)的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出可行的解決方案。最后，將提出一種新的基于小區(qū)干擾消除和干擾協(xié)調(diào)的混合方法。
2、小區(qū)間干擾問(wèn)題
小區(qū)間干擾（inter-cellinterference，ICI）是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)固有問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決辦法是采用頻率復(fù)用，復(fù)用系數(shù)只有特定的幾個(gè)選擇，如1、3、7等。復(fù)用系數(shù)為1即表示相鄰小區(qū)都使用相同的頻率資源，這時(shí)在小區(qū)邊緣干擾很?chē)?yán)重。較高的復(fù)用系數(shù)（3或7）可以有效地抑制ICI，但頻譜效率將降低到1/3或1/7。
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，因此希望頻譜復(fù)用系數(shù)盡可能地接近1。OFDM技術(shù)比CDMA技術(shù)更好地解決了小區(qū)間干擾的問(wèn)題。但是作為代價(jià)，OFDM系統(tǒng)帶來(lái)的ICI問(wèn)題可能比CDMA系統(tǒng)更加嚴(yán)重。如果兩個(gè)相鄰小區(qū)在它們的結(jié)合部使用相同的頻譜資源，則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的ICI。
3、小區(qū)間干擾抑制技術(shù)
目前正在研究的用于OFDM系統(tǒng)的ICI抑制技術(shù)包括干擾隨機(jī)化、干擾協(xié)調(diào)、干擾消除和宏分集等。
干擾隨機(jī)化不能降低干擾的能量，但能將干擾隨機(jī)化為“白噪聲”，從而抑制ICI的危害，因此又稱(chēng)為“干擾白化”。干擾隨機(jī)化的方法包括：加擾、交織多址（IDMA）和跳頻等。
干擾協(xié)調(diào)又稱(chēng)為“軟頻率復(fù)用”或“部分頻率復(fù)用”，IEEE802.20MBFDD／MBTDD就采用了這種技術(shù)，LTE也正在考慮這種方法。這種方法將頻率資源分為若干個(gè)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，即使占用相同的頻率也不會(huì)造成較強(qiáng)的ICI，因此被分配在復(fù)用系數(shù)為1的復(fù)用集；小區(qū)邊緣的用戶(hù)需要采用較高的功率發(fā)送和接收，有可能造成較強(qiáng)的ICI，因此被分配在頻率復(fù)用系數(shù)為N的復(fù)用集。這種技術(shù)的缺陷是小區(qū)邊緣的頻率資源受到限制，難以支持大量用戶(hù)和很高的數(shù)據(jù)速率。
ICI消除技術(shù)來(lái)源于多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)，可以將干擾小區(qū)的信號(hào)解調(diào)、解碼，然后將來(lái)自該小區(qū)的ICI復(fù)制、減去。基于IDMA的ICI消除技術(shù)，是指通過(guò)偽隨機(jī)交織器產(chǎn)生不同的交織圖案并分配給不同的小區(qū)，接收機(jī)采用不同的交織圖案解交織，就可以將目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)分別解出，然后進(jìn)行ICI消除。這種技術(shù)和迭代接收機(jī)技術(shù)相結(jié)合，可以獲得顯著的性能增益。ICI消除與ICI協(xié)調(diào)相比優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)小區(qū)邊緣的頻率資源沒(méi)有限制，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)邊緣頻譜效率為1和總頻譜效率為1。
宏分集技術(shù)的基礎(chǔ)是軟切換，可以將多個(gè)小區(qū)發(fā)射／接收的信號(hào)進(jìn)行合并，從而獲得分集增益，改進(jìn)鏈路的質(zhì)量。但在下行采用宏分集技術(shù)會(huì)帶來(lái)難以解決的“同步問(wèn)題”，因此不適用于單播業(yè)務(wù)。上行運(yùn)用宏分集技術(shù)沒(méi)有“同步問(wèn)題”，但卻需要一個(gè)“中心節(jié)點(diǎn)”（如UMTS系統(tǒng)中的RNC）來(lái)對(duì)多個(gè)基站的接收信號(hào)進(jìn)行合并，和未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)“扁平化”、“分散化”的趨勢(shì)背道而馳。
其他的技術(shù)，例如MIMO、智能天線、部分功控等，也可以用于ICI抑制。
4、小區(qū)間干擾消除技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
ICI消除技術(shù)可以顯著改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能，但同時(shí)也將對(duì)OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如資源塊分配、信道估計(jì)、同步、信令帶來(lái)額外的問(wèn)題。本節(jié)將主要以下行OFDM系統(tǒng)為例，研究ICI消除技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。
4.1資源塊分配
為了能有效地解調(diào)、解碼干擾小區(qū)的信號(hào)，要求在每個(gè)干擾消除的周期內(nèi)，干擾小區(qū)和被干擾小區(qū)在重疊的頻譜上發(fā)送給各自終端的信號(hào)必須包含且僅包含一個(gè)完整的信道編碼塊。
圖1包括了3種資源塊分配的情況。第1種情況下，干擾小區(qū)中的一個(gè)編碼塊和被干擾小區(qū)的一個(gè)編碼塊正好重疊，如圖1（a）所示，此時(shí)ICI干擾消除可以采用簡(jiǎn)單的“雙用戶(hù)檢測(cè)”法。在第2種情況下，被干擾小區(qū)中的一個(gè)編碼塊和干擾小區(qū)的2個(gè)編碼塊重疊，如圖1（b）所示，此時(shí)雖然仍可以進(jìn)行ICI干擾消除，但必須要采用相對(duì)復(fù)雜的“3用戶(hù)檢測(cè)”法。在第3種情況下，被干擾小區(qū)中的一個(gè)編碼塊只對(duì)應(yīng)于干擾小區(qū)的一個(gè)不完全的編碼塊，如圖1（c）所示，此時(shí)由于干擾信號(hào)無(wú)法被正確解碼，因此無(wú)法采用ICI消除。
綜上所述，只有滿(mǎn)足圖1（a）中的資源塊分配情形，才能支持低復(fù)雜度的ICI消除。如何保證這一點(diǎn)呢?基于兩種情形來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題：有小區(qū)間信令支持和無(wú)小區(qū)間信令支持。如果有小區(qū)間信令的支持，相鄰小區(qū)可以通過(guò)相互協(xié)商確定一種相同的資源塊分配方案。但是這種協(xié)商可能相當(dāng)復(fù)雜，而且基站之間很難實(shí)現(xiàn)頻繁的直接信令交互，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，也會(huì)大大增加系統(tǒng)的處理延時(shí)和復(fù)雜度。因此需要考慮如何在沒(méi)有小區(qū)間信令支持的情況下滿(mǎn)足圖1（a）中的要求。
圖1 幾種不同的資源塊分配情況對(duì)ICI消除技術(shù)的影響
顯而易見(jiàn)，滿(mǎn)足要求的資源塊分配只能基于某種預(yù)定義的方式。最簡(jiǎn)單的預(yù)定義分配方式即兩個(gè)小區(qū)都采用固定大小的頻譜資源塊劃分，如圖2所示。首先需要定義一種“干擾消除資源塊（ICRB）”，ICRB包含若干個(gè)基本資源塊，大小根據(jù)典型的業(yè)務(wù)負(fù)載大小確定。每個(gè)采用ICI消除的終端的編碼塊占用一個(gè)ICRB，這樣任何一對(duì)占用重疊頻率資源的終端都一定滿(mǎn)足圖1（a）中的資源分配。這種資源分配方式的缺陷是所有采用ICI消除的終端都只能分配單一的帶寬，即使精心選擇ICRB的大小，也無(wú)法適應(yīng)各種業(yè)務(wù)的需求。
圖2 用于ICI消除的固定資源分配方式
這里首先提出一種新的資源分配方法，使那些需要占用比ICRB更大帶寬的終端可以采用ICI消除技術(shù)。對(duì)于那些所需帶寬小于ICRB的終端，雖然無(wú)法采用ICI消除技術(shù)，但仍可以采用其他的ICI抑制技術(shù)，如干擾隨機(jī)化、干擾協(xié)調(diào)等。
新方法基于編碼塊分割的原理，如圖3所示。對(duì)于需要占用更大帶寬的終端，可以將這個(gè)終端的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)獨(dú)立編碼塊分別編碼，每個(gè)編碼塊正好占用一個(gè)ICRB。一個(gè)終端占用的資源可以分配到相鄰的ICRB中（如圖3中小區(qū)A的終端3），也可以分配到分散的ICRB中（如圖3中小區(qū)B的終端1）。應(yīng)該適當(dāng)?shù)剡x擇ICRB的大小，如果ICRB的尺寸過(guò)大，則只有很小一部分終端可以采用ICI消除技術(shù)。如果ICRB的尺寸過(guò)小，則可能由于編碼塊過(guò)短，造成信道編碼增益的顯著損失。
圖3 用于ICI消除的基于編碼塊分割的資源分配方式
采用如圖3所示的資源分割方式，不同帶寬的用戶(hù)都占用若干大小相同的ICRB，且ICI消除在每個(gè)ICRB內(nèi)分別進(jìn)行，因此圖1（a）中的資源分配要求也總是能滿(mǎn)足的。這樣ICI消除技術(shù)就可以應(yīng)用于不同帶寬（只要大于ICRB）的業(yè)務(wù)。
在采用相同ICRB的基礎(chǔ)上，干擾小區(qū)和被干擾小區(qū)在相同的頻率資源中可以采用不同的調(diào)制編碼方式和編碼速率。當(dāng)然如果這些參數(shù)也相同，ICI消除的算法可以更加簡(jiǎn)化。
4.2小區(qū)間同步
ICI消除要求干擾的OFDM子幀和被干擾的OFDM子幀相互對(duì)齊，以在相同的周期內(nèi)對(duì)干擾和被干擾信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼。因此ICI消除技術(shù)只能在各基站間相互同步的系統(tǒng)中使用。另外，即使各基站的發(fā)射時(shí)鐘是同步的，由于從相鄰基站到達(dá)終端的距離不同，終端從這些基站接收的下行信號(hào)之間仍然有一定的時(shí)間偏差。但是這種“不同步”造成的“自干擾”相對(duì)ICI而言很小，只會(huì)帶來(lái)微弱的額外影響。
4.3信道估計(jì)和導(dǎo)頻設(shè)計(jì)
為了檢測(cè)干擾小區(qū)的信號(hào)，終端除了對(duì)本小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)，還需要對(duì)干擾小區(qū)進(jìn)行信道估計(jì)。這種信道估計(jì)需要在ICI環(huán)境下進(jìn)行，因此需要特殊的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，相鄰小區(qū)間需要采用正交或半正交的導(dǎo)頻，以使導(dǎo)頻之間相關(guān)性盡可能小。
另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是被干擾小區(qū)需要知道干擾小區(qū)的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。在OFDM系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)的導(dǎo)頻可以在相同的時(shí)/頻位置插入，也可以在不同的時(shí)/頻位置插入。前一種情況下，導(dǎo)頻的正交性在碼域?qū)崿F(xiàn)，即相鄰小區(qū)的導(dǎo)頻可以乘以不同的正交碼。后一種情況下，導(dǎo)頻的正交性在頻域或時(shí)域?qū)崿F(xiàn)，即相鄰小區(qū)的導(dǎo)頻在頻域上或時(shí)域上是交錯(cuò)放置的。但無(wú)論哪種情況，每個(gè)小區(qū)采用的導(dǎo)頻正交碼或?qū)ьl時(shí)／頻域位置都是預(yù)先定義好的，被干擾小區(qū)只要識(shí)別出干擾小區(qū)的小區(qū)ID，就可以知道該小區(qū)的導(dǎo)頻信息。
4.4多小區(qū)測(cè)量和識(shí)別
被干擾小區(qū)如果要采用ICI消除技術(shù)，首先需要知道干擾小區(qū)的導(dǎo)頻信息。如果采用基于IDMA的ICI消除技術(shù)，還要知道干擾小區(qū)使用的交織圖案。這些信息是完全靜態(tài)的小區(qū)信息，是和該小區(qū)的ID一一對(duì)應(yīng)的。
因此，導(dǎo)頻和交織圖案的識(shí)別完全可以通過(guò)正常的小區(qū)搜索／識(shí)別過(guò)程實(shí)現(xiàn)。正常的小區(qū)搜索操作需要周期性地測(cè)量、比較周?chē)^(qū)的接收信號(hào)能量，并根據(jù)其強(qiáng)度進(jìn)行排序，然后選擇“最強(qiáng)小區(qū)”作為服務(wù)小區(qū)。因此這個(gè)測(cè)量過(guò)程不僅能用于選擇服務(wù)小區(qū)，還可以用于“識(shí)別”其他幾個(gè)“次強(qiáng)小區(qū)”（即干擾小區(qū)）。只要知道了干擾小區(qū)的小區(qū)ID，它們的導(dǎo)頻信息和交織圖案也就已知，因此不需要額外的信令支持。
4.5信令的要求
由于ICI消除技術(shù)需要知道干擾小區(qū)的信號(hào)格式（調(diào)制編碼方式、編碼速率等），因此如何將這些信息傳遞給被干擾的終端是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。可以通過(guò)基站之間的信令將這些信息傳送給被干擾小區(qū)的基站，然后再通過(guò)該小區(qū)的下行控制信道傳送給終端。但這樣做將大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和信令開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)，基站間也無(wú)法做到頻繁的信令交互。
其實(shí)上述信號(hào)信息完全可以通過(guò)解調(diào)干擾基站正常的下行控制信道得到。只要干擾小區(qū)的導(dǎo)頻信息已知，被干擾終端就可以直接解調(diào)干擾小區(qū)的控制信道，從而得到所需的信號(hào)格式信息，因此不需要額外的基站間信令傳遞。
上行的情況不同于下行。由于最強(qiáng)的干擾終端可能是不斷變化的，上行沒(méi)有下行那樣的周期性測(cè)量機(jī)制，因此需要UE不斷地在控制信道中發(fā)送UE的識(shí)別信息（如交織圖案）。另外，信號(hào)格式在上行本來(lái)并不一定需要發(fā)送，因?yàn)楹芏嗲闆r下這些格式并不是由終端自己確定的，而是由基站分配的。但如果要采用ICI消除技術(shù)，終端必須始終不斷地發(fā)送信號(hào)格式信息，以通知其他有可能被自己干擾的基站。
5、ICI消除技術(shù)和ICI協(xié)調(diào)技術(shù)的結(jié)合
ICI消除技術(shù)可以顯著改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能，并實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用系數(shù)為1，但在頻率資源塊的分配方面受到一定的限制，尤其難以應(yīng)用于帶寬較小的業(yè)務(wù)（如VoIP）。另一方面，ICI協(xié)調(diào)技術(shù)雖然可以應(yīng)用于各種帶寬的業(yè)務(wù)，但在小區(qū)邊緣能夠提供的峰值速率和系統(tǒng)容量受限，當(dāng)兩個(gè)相鄰小區(qū)在它們的結(jié)合部都有較高的頻譜需求時(shí)就無(wú)法進(jìn)行協(xié)調(diào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的頻率復(fù)用系數(shù)為1。因此本文在這里提出了一種將兩種ICI抑制技術(shù)合并起來(lái)的混合方法，可以使這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相互補(bǔ)充，避免它們的缺陷，形成一種優(yōu)化的ICI抑制方案。
混合方法的原理如圖4所示。首先，在每個(gè)小區(qū)的中心，由于發(fā)射／接收功率較小，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的ICI，系統(tǒng)可以對(duì)全部頻率資源進(jìn)行隨意分配。而在小區(qū)邊緣，系統(tǒng)需將所有可用的頻率資源分為兩部分：ICI協(xié)調(diào)頻段和ICI消除頻段。在ICI消除頻段內(nèi)，各小區(qū)仍可以隨意使用全部的頻率資源（即頻率復(fù)用系數(shù)為1），但所有在該頻段內(nèi)的用戶(hù)的頻率資源分配必須按照§4.1中規(guī)定的兩種方式進(jìn)行。在ICI協(xié)調(diào)頻段內(nèi)，各小區(qū)只能按照一定的頻率復(fù)用系數(shù)（在圖4中等于3）使用一部分頻率資源。
在采用這種混合方法時(shí)，系統(tǒng)可以將帶寬需求較大（大于ICRB）的用戶(hù)安排在ICI消除頻段內(nèi)（如圖4中的白點(diǎn)所示），并按照§4.1規(guī)定的方式給它們分配資源塊。而將其他帶寬需求較小（小于ICRB）的用戶(hù)安排在ICI協(xié)調(diào)頻段內(nèi)，按照設(shè)定好的頻率復(fù)用方式給它們分配資源。這樣由于帶寬較大的用戶(hù)可以復(fù)用相同的頻率資源，系統(tǒng)的頻譜效率得以最大化，同時(shí)減輕了干擾協(xié)調(diào)的“負(fù)擔(dān)”，使更多帶寬小的用戶(hù)可以得到有效的“協(xié)調(diào)”。
圖4 ICI消除和ICI協(xié)調(diào)技術(shù)的結(jié)合
另外，當(dāng)小區(qū)邊緣的帶寬需求較小時(shí)，ICI消除頻段內(nèi)的頻率資源完全可以用于小區(qū)中心的用戶(hù)。ICI協(xié)調(diào)頻段和ICI消除頻段的大小也可以根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際部署情況進(jìn)行調(diào)整。如果大帶寬的用戶(hù)較多，則可以使ICI消除頻段所占的比例較大，極端情況下可以在全部頻率資源中都采用ICI消除。如果小帶寬的用戶(hù)較多。則可以使ICI協(xié)調(diào)頻段所占的比例較大，極端情況下可以在全部頻率資源中都采用ICI協(xié)調(diào)。
