1 干擾控制技術概況

小區間干擾[1]是蜂窩移動通信系統的一個固有問題，嚴重影響了系統性能，其形成原因是各個小區中使用相同頻率資源的用戶會相互干擾。圖1(a)為上行鏈路的小區間干擾情況，基站(BS1)和BS2分別為移動終端(MS1)和MS2的服務基站，假設BS1分配給MS1用于上行傳輸的子載波集合為SC1，BS2分配給MS2用于上行傳輸的子載波集合為SC2，SC1和SC2的交集為SC。如果SC不是空集，則BS2在接收到MS2發送的上行信號時，在集合SC內的子載波將會同時收到MS1發送的無線信號。對于MS2和BS2來說，這些來自MS1的信號就是干擾。圖1(b)為下行鏈路，也會遇到和上行鏈路類似的干擾問題。如果小區間干擾嚴重，將會直接影響到系統的覆蓋能力及系統容量，特別是小區邊緣用戶，將會直接導致他們出現頻繁掉網或者無法接入網絡的情況。

降低小區間干擾是蜂窩系統設計的一個重要目標，從現有的研究成果和各種標準化組織的研究項目，如3GPP的長期演進(LTE)、IEEE的802.16 m、3GPP2的增強型移動寬帶(UMB)中對小區間干擾控制的處理方式來看，小區間干擾控制的技術包括3類。

·  干擾隨機化技術

干擾隨機化是一種常用的技術，通過將相鄰小區干擾白化的方法降低小區間干擾。其主要優點在于：不會影響接收端調度和接收處理的復雜度，但當系統滿載時，干擾隨機化技術對系統性能的提升有限。干擾隨機化的代表技術為基于基站的擾碼和各種跳頻技術。

·  干擾協調技術

干擾協調技術主要是在多個小區內對空間、時間和頻域的信道資源及其功率進行有效協調，從而降低相鄰小區間的干擾。其主要技術包括了部分頻率重用 (FFR)、多基站多輸入輸出(MIMO)以及功率控制技術等。

·  干擾抵消技術

干擾抵消技術是將干擾小區的信號解碼、復制，然后在接收到的信號中減去來自該小區的干擾信號。干擾抵消技術的優勢在于：對小區頻率資源的使用沒有限制；但其局限是在于：目標小區還必須知道干擾小區的導頻結構，以便對干擾源進行信道估計。因此，干擾抵消技術的信令開銷和實現復雜度都比較高。

由此可知，干擾隨機化技術對于小區間干擾抑制的增益有限，干擾抵消技術的開銷和實現復雜度較高，所以小區間干擾抑制的實現方法主要是干擾協調技術。下文將具體介紹幾種典型的干擾協調技術在標準化組織中的實現方式。

2 干擾協調技術

2.1 FFR

FFR[2]技術主要通過對各小區上下行信道使用的時頻域資源及其功率配置做出一定的限制來達到抑制小區間干擾的目的。

2.1.1 總體策略

FFR通常將頻率資源分為若干個頻率復用集，小區中心區域的用戶可以采用較低的功率發射和接收，相鄰小區的中心區域用戶即使占用相同的頻率也不會造成較強的小區間干擾，因此小區中心區域用戶被分配在復用因子為1的頻率復用集；而小區邊緣區域的用戶需要采用較高的功率發送和接收信號，有可能造成較強的小區間干擾，因此小區邊緣區域用戶被分配在頻率復用因子為N 的頻率復用集，以減小相鄰小區邊緣區域使用的資源在時間和頻率上的沖突，降低干擾數量級，提高信號的接收信噪比，從而提高系統小區邊緣甚至整個系統的服務質量。

FFR技術可以分為靜態FFR、半靜態FFR和動態FFR。靜態FFR主要是在小區規劃時確定，資源協調周期一般是以月或天為單位，實現簡單，但對實際環境的適應性較差，系統整體效率不高；動態FFR資源協調周期是以秒為單位，需要大量的測量信息上報，并且需要在多個小區間頻繁進行實時通信，系統信令開銷很大，所以在實際系統中采用率低；半靜態FFR是介于靜態FFR和動態FFR之間，既能較好地反映實際環境的變化又不顯著增加系統開銷。目前各種標準化組織中的FFR算法都是基于靜態FFR和半靜態FFR來設計的。

2.1.2 標準化方案

(1) 802.16m標準方案

圖2所示為IEEE 802.16m標準中的下行FFR方案[3-4]。該方法將整個頻率資源劃分為4個頻率分區。其中，頻率分區0的頻率重用因子為1，頻率分區1、頻率分區2和頻率分區3的頻率重用因子為3，并且每個頻率分區都配置了不同的發射功率級別。存在一種簡單的基站主導的FFR實現方法，例如，對于扇區1而言，頻率分區1的子載波的發射功率很高，相鄰扇區2和相鄰扇區3在頻率分區1的子載波的發射功率相應偏低，這樣對于扇區1中分配了頻率分區1資源的終端來說，受到的小區間同頻干擾的強度就會降低，所以這部分資源適用于邊緣用戶使用；頻率分區0、頻率分區2和頻率分區3的子載波的發射功率相對較低，并且受到的相鄰扇區2和相鄰扇區3的小區間干擾強度較大，不適合邊緣用戶使用，并且考慮到中心用戶靠近扇區中心，傳播損耗較小，受到來自相鄰扇區2和相鄰扇區3的同頻干擾較小，即使子載波的發射功率相對較低也不會對于中心用戶的數據傳輸造成明顯影響，所以可以將頻率分區0、頻率分區2和頻率分區3分配給中心用戶使用。

圖3所示為在802.16m標準中定義的一種終端主導的下行FFR算法。基站為每個頻率分區設定資源度量值，并通過廣播信道將這些值發送給終端；終端按照式(1)計算各個頻率分區的等效頻譜效率(SE)，確定需要反饋SE最大的頻率分區對應的信道質量信息(CQI)；基站再根據CQI反饋情況進一步調整各個頻率分區的資源度量值。簡單準則就是某一個頻率分區上反饋的CQI數目越多，該頻率分區對應的資源度量值就會越大。

 

802.16m標準中定義了這兩種下行FFR算法所需終端和基站之間交互的必要信令及操作流程，具體算法各家公司可以靈活實現。

(2) LTE、UMB標準方案

LTE、UMB僅定義了一種基站主導的FFR算法，為各家公司實現留下接口，沒有定義具體的實現方法。

2.2 多基站 MIMO 

多基站MIMO技術是單用戶MIMO (SU-MIMO)和多用戶MIMO (MU-MIMO)的輔助和補充。它主要利用的是多個基站聯合協作與一個或多個終端進行通信，通過基站之間信號的協調來改善覆蓋、增加系統流量并抑制小區間干擾強度。

2.2.1 總體策略

如圖4所示，當不使用多基站 MIMO時，位于Cell A邊緣用戶MSedge的服務基站是BS1, MSedge同時受到Cell B和Cell C的同頻干擾，嚴重影響MSedge的通信質量，如圖4(a)所示；當使用多基站MIMO時，BS1、BS2和BS3通過骨干網進行數據交互，并且使用相同的資源為MSedge發送數據，Cell B和Cell C不再對MSedge造成同頻干擾，而是發送有用的數據，大大降低了MSedge受到的同頻干擾強度，提升通信質量，如圖4(b)中所示。

多基站MIMO是802.16m和LTE-A的一項干擾抑制和增強覆蓋的技術，對增強用戶的體驗有重要的作用。

2.2.2 標準化方案

(1) 802.16m標準方案

802.16m中的多基站 MIMO[3-4]可以分為4類：單基站發送數據、多基站發送數據、單基站接收數據、多基站接收數據。

·  單基站發送數據

同一時刻只有一個基站為終端提供服務，這種情況主要采用預編碼矩陣索引(PMI)協調算法[5]，它有兩種實現方式。

(a) PMI限制
在終端進行信道測量的過程中，終端可以找出目標時頻資源中對相鄰小區干擾最大的PMI，并把其發送給服務基站。應避免該終端使用這些PMI。

(b) PMI推薦
在終端進行信道測量的過程中，終端可以找出目標時頻資源中對相鄰小區干擾最小的PMI，并把其發送給服務基站。建議為該終端分配這些PMI。

PMI協調算法原理如圖5所示，MSedge是位于cell A邊緣的用戶，它同時受到相鄰基站cell B和cell C的影響。MSedge根據信道測量的結果，按照PMI協調算法得到PMI限制集合或PMI推薦集合，并將其反饋給自己的服務基站BS1，服務基站BS1將收到的反饋信息(PMI限制集合或PMI推薦集合，同時時頻資源索引(Band_Idx))通過骨干網傳輸給干擾基站BS2和BS3，BS2和BS3在接收到BS1發送的信息后，結合本小區用戶的反饋信息，最終確定本小區可以使用的PMI集合。

·  多基站發送數據

終端所有反饋均是只發送給服務基站，多基站發送數據分兩種[6]。

(a) 閉環宏分集(CL-MD) 
若干協同的基站為單一用戶發送數據，即多基站下的SU-MIMO，其中每個基站都對終端采用單用戶自適應預編碼，并且多個基站發送相同的信息給終端，如圖6所示。

(b) 協作MIMO (Co-MIMO)
若干協同的基站為多個用戶在同一資源發送數據，即多基站下的MU-MIMO，每個終端的流數為1，如圖7所示。在Co-MIMO的模式下，MU-MIMO的預編碼可以基于探測參考信號(SRS)或碼本獲得。基于SRS的預編碼適用于時分雙工(TDD)系統，多個基站通過SRS信號來估計它們到多個終端的信道狀態信息和預編碼矩陣。基于碼本的預編碼可以用于TDD或頻分雙工(FDD)系統，終端選擇了每個基站的預編碼后，將其報告給服務基站，然后服務基站通過網絡接口通知各個相關的基站。

·單基站接收數據

如果服務基站和鄰近基站均使用閉環MIMO，某基站下的用戶可以通過對兩個PMI采用PMI合并的方式發送數據，以減低扇區間的干擾(ICI)。其中一個PMI用于最大化到服務基站的發送功率，另一個PML min用于抑制鄰近扇區產生的干擾。

PMI合并的過程如下：

(a) 基站通過回程發送PML min給鄰近基站；
(b) 服務基站通過接收鄰近基站發送的PML min信息，并且根據本基站通過計算得到的PMI、PCR（PMI合并的比例系數）信息，按照式(2)計算終端可用的預編碼矩陣W。

·  多基站接收數據

由于缺少類似LTE/LTE-A中的X2接口，多基站接收時的數據交換仍然存在問題，尚未標準化。

(2) LTE、UMB標準方案

LTE中對多基站MIMO部分具體實現細節尚未標準化；UMB標準中并不支持多基站 MIMO。

2.3 功率控制

當鄰區受到干擾時，功率控制技術也可以看作是一種干擾協調方案。它需要從全網的角度考慮功率控制的最優化方案，既要關注本小區內負載的變化，又要盡量降低對于相鄰小區的干擾強度。

2.3.1 802.16m標準方案

802.16m標準的功率控制方案[3]是建立在維持整網SE最優的前提下，既要考慮到發射功率的提升對自身帶來的增益又要考慮對其他用戶干擾強度的增加。綜合兩方面，得到式 (3)：

其中，L為路徑損耗值，包括終端的發射天線增益；NI為上行平均干擾和噪聲值，由基站廣播；Offset為基站發送的終端發射功率調整參考值；SINRTarget 按照式(4)確定，為基站接收的目標信噪比。

其中SINRmin(dB)為上行接收允許的最小信噪比閾值；γIoT 為一個干擾相對噪聲比(IOT )控制因子，標準中給出的取值范圍(0～1.5)，力度為0.1，每一個γIoT 對應一個IOT等級，但是無法事先知道γIoT 與IoT的對應關系，只能通過仿真或后續調整γIoT 來獲得一個期望的IOT等級；α為基站側接收天線數的修正因子，可以取值為(1，1/2，1/4，1/8，1/16，0)，取值為“0”代表不考慮接收天線數量對于終端發射功率的影響；SIRDL為終端的下行信號與干擾強度比；TNS為當前傳輸所支持的流的數量；β為TNS使能的開關，當β=1時，表示考慮流數對于SINRTarget的影響；當β=0時，表示不考慮流數對于SINRTarget的影響。

當閉環功控(CLPC)調整周期不斷擴大時，終端的發射功率抖動非常大，在高速信道環境下，CLPC的性能還不如開環功控(OLPC）。考慮到CLPC的周期一般會比較大，所以在TDD系統中沒有實現CLPC，并且在FDD的系統中也沒有它的相關標準[7]。

2.3.2 LTE標準方案

LTE功率控制方案主要采用部分路損補償的方法抑制小區間干擾，上行數據信道(PUSCH)的功率控制包括開環和閉環兩部分，如式(5)所示：

(1) 開環功率控制

基站根據鄰區的IoT變化情況改變目標接收功率值PO_PUSCH及路損補償因子α（當0<α <1時，表示部分路損補償），終端通過計算PO_PUSCH+α×PL確定適合的上行發射功率，具體實現方法如圖8所示。

(2) 閉環功率控制：

f (i )是小區內閉環功控和小區間功控的綜合結果，基站根據收到的PUSCH的SINR和期望的目標SINR比較，決定使用閉環功率控，并且根據小區間干擾強度指示，得到一個綜合的信息來調整f (i )，并結合開環功率控制按式(5)調整終端發射功率。

2.3.3 UMB標準方案

UMB標準中的上行功率控制方案同樣考慮了小區間干擾的問題，如圖9所示，具體實現步驟如下。

(1) 小區A發送功率控制的相關信息給用戶M；

(2) 小區B測量自己目前受到的整個帶寬上的反向干擾情況，通過3種級別表示自己目前受到反向干擾的程度，分別為0，1，2。其中0表示小區B目前受到的反向干擾很弱，1表示小區B受到了中等程度的反向干擾，2表示小區B受到了較嚴重的反向干擾；

(3) 小區B通過其他扇區干擾強度指示信道(F-OSICH)將干擾級別指示信息廣播發送給鄰區A中的用戶；

(4) 靠近小區A邊緣的用戶M（其服務小區為小區A）成功接收到小區B發送的F-OSICH信道的內容后，根據反向干擾指示級別按照計算得到Δslow（可理解為用戶M數據信道發射功率與其CDMA 導頻信道發射功率的差值）；

(5) 小區A則通過用戶M上報的Δslow值來確定用戶M的MCS、資源分配的情況；

(6) 用戶M根據接收到小區B發送的其他扇區干擾強度快速指示信道(F-FOSICH)中各子帶上的干擾強度指示OSI值的情況，調整Δ  tx；

(7) 用戶M按照式(6)設定上行數據信道的發射功率；

其中，PPICH為終端CDMA導頻信道上的發射功率，AttemptBoost取值依賴于重傳次數，一般情況下，數據包重傳次數越多，AttemptBoost取值越大，以此提高該數據包的成功接收概率。

3 結束語

對OFDM技術的無線通信系統來說，干擾隨機化技術、干擾抵消技術以及干擾協調技術都可以單獨使用，從而實現小區間的干擾控制。這3種技術之間是一個相互補充及協作的關系，為了進一步提升小區間干擾控制的效果，需要根據實際組網環境，采用適合的方案將3種技術融合在一起，以統一協調各種干擾控制技術的使用，極大改善無線通信系統的性能。

作者：劉錕，魯照華，胡留軍

4 參考文獻
[1] Ericsson. Inter-Cell Interference Handling for E-UTRA[C]// 3GPP TSG RAN WG1 #42 Meeting, Aug 29-Sep 2, 2005,London, UK.2005:R1-050764.
[2] Huawei. Further Analysis of Soft Frequency Reuse Scheme[C]// 3GPP TSG RAN WG1 #42 Meeting, Aug 29-Sep 2, 2005,London, UK.2005:R1-050841.
[3] IEEE P802.16m/D5. Draft Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems[S]. 2010.
[4] CHEN H S C. Adaptive Frequency Reuse in IEEE 802.16m[R]. IEEE C802.16m-08/702. 2008.
[5] XU Jian, LEE Wookbong, LIM Dongguk,et al.IEEE 802.16m Amendment Text Proposal for Interference Mitigation Using Advanced Antenna Technologies[R].IEEE C802.16m-09/0939.2009.
[6] WU Keying, LI Dong, YANG Hongwei, et al. Downlink Multi-BS MIMO PHY Amendments -Closed-Loop Macro Diversity and Collaborative Precoding[R].IEEE C802.16m-09/1101.2009.
[7] YANG Rongzhen.Uplink Open Loop Power Control Recommendations for IEEE 802.16m Amendment[R].
IEEE C802.16m-09/0703. 2009.