1 干擾控制技術(shù)概況

小區(qū)間干擾[1]是蜂窩移動通信系統(tǒng)的一個固有問題，嚴重影響了系統(tǒng)性能，其形成原因是各個小區(qū)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(qū)間干擾情況，基站(BS1)和BS2分別為移動終端(MS1)和MS2的服務(wù)基站，假設(shè)BS1分配給MS1用于上行傳輸?shù)淖虞d波集合為SC1，BS2分配給MS2用于上行傳輸?shù)淖虞d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(fā)送的上行信號時，在集合SC內(nèi)的子載波將會同時收到MS1發(fā)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(qū)間干擾嚴重，將會直接影響到系統(tǒng)的覆蓋能力及系統(tǒng)容量，特別是小區(qū)邊緣用戶，將會直接導(dǎo)致他們出現(xiàn)頻繁掉網(wǎng)或者無法接入網(wǎng)絡(luò)的情況。

降低小區(qū)間干擾是蜂窩系統(tǒng)設(shè)計的一個重要目標，從現(xiàn)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(qū)間干擾控制的處理方式來看，小區(qū)間干擾控制的技術(shù)包括3類。

·  干擾隨機化技術(shù)

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

·  干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

干擾協(xié)調(diào)技術(shù)主要是在多個小區(qū)內(nèi)對空間、時間和頻域的信道資源及其功率進行有效協(xié)調(diào)，從而降低相鄰小區(qū)間的干擾。其主要技術(shù)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(shù)等。

·  干擾抵消技術(shù)

干擾抵消技術(shù)是將干擾小區(qū)的信號解碼、復(fù)制，然后在接收到的信號中減去來自該小區(qū)的干擾信號。干擾抵消技術(shù)的優(yōu)勢在于：對小區(qū)頻率資源的使用沒有限制；但其局限是在于：目標小區(qū)還必須知道干擾小區(qū)的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，以便對干擾源進行信道估計。因此，干擾抵消技術(shù)的信令開銷和實現(xiàn)復(fù)雜度都比較高。

由此可知，干擾隨機化技術(shù)對于小區(qū)間干擾抑制的增益有限，干擾抵消技術(shù)的開銷和實現(xiàn)復(fù)雜度較高，所以小區(qū)間干擾抑制的實現(xiàn)方法主要是干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。下文將具體介紹幾種典型的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)在標準化組織中的實現(xiàn)方式。

2 干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

2.1 FFR

FFR[2]技術(shù)主要通過對各小區(qū)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(qū)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(fù)用集，小區(qū)中心區(qū)域的用戶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)域用戶即使占用相同的頻率也不會造成較強的小區(qū)間干擾，因此小區(qū)中心區(qū)域用戶被分配在復(fù)用因子為1的頻率復(fù)用集；而小區(qū)邊緣區(qū)域的用戶需要采用較高的功率發(fā)送和接收信號，有可能造成較強的小區(qū)間干擾，因此小區(qū)邊緣區(qū)域用戶被分配在頻率復(fù)用因子為N 的頻率復(fù)用集，以減小相鄰小區(qū)邊緣區(qū)域使用的資源在時間和頻率上的沖突，降低干擾數(shù)量級，提高信號的接收信噪比，從而提高系統(tǒng)小區(qū)邊緣甚至整個系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

FFR技術(shù)可以分為靜態(tài)FFR、半靜態(tài)FFR和動態(tài)FFR。靜態(tài)FFR主要是在小區(qū)規(guī)劃時確定，資源協(xié)調(diào)周期一般是以月或天為單位，實現(xiàn)簡單，但對實際環(huán)境的適應(yīng)性較差，系統(tǒng)整體效率不高；動態(tài)FFR資源協(xié)調(diào)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(qū)間頻繁進行實時通信，系統(tǒng)信令開銷很大，所以在實際系統(tǒng)中采用率低；半靜態(tài)FFR是介于靜態(tài)FFR和動態(tài)FFR之間，既能較好地反映實際環(huán)境的變化又不顯著增加系統(tǒng)開銷。目前各種標準化組織中的FFR算法都是基于靜態(tài)FFR和半靜態(tài)FFR來設(shè)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(qū)。其中，頻率分區(qū)0的頻率重用因子為1，頻率分區(qū)1、頻率分區(qū)2和頻率分區(qū)3的頻率重用因子為3，并且每個頻率分區(qū)都配置了不同的發(fā)射功率級別。存在一種簡單的基站主導(dǎo)的FFR實現(xiàn)方法，例如，對于扇區(qū)1而言，頻率分區(qū)1的子載波的發(fā)射功率很高，相鄰扇區(qū)2和相鄰扇區(qū)3在頻率分區(qū)1的子載波的發(fā)射功率相應(yīng)偏低，這樣對于扇區(qū)1中分配了頻率分區(qū)1資源的終端來說，受到的小區(qū)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(qū)0、頻率分區(qū)2和頻率分區(qū)3的子載波的發(fā)射功率相對較低，并且受到的相鄰扇區(qū)2和相鄰扇區(qū)3的小區(qū)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(qū)中心，傳播損耗較小，受到來自相鄰扇區(qū)2和相鄰扇區(qū)3的同頻干擾較小，即使子載波的發(fā)射功率相對較低也不會對于中心用戶的數(shù)據(jù)傳輸造成明顯影響，所以可以將頻率分區(qū)0、頻率分區(qū)2和頻率分區(qū)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(dǎo)的下行FFR算法?；緸槊總€頻率分區(qū)設(shè)定資源度量值，并通過廣播信道將這些值發(fā)送給終端；終端按照式(1)計算各個頻率分區(qū)的等效頻譜效率(SE)，確定需要反饋SE最大的頻率分區(qū)對應(yīng)的信道質(zhì)量信息(CQI)；基站再根據(jù)CQI反饋情況進一步調(diào)整各個頻率分區(qū)的資源度量值。簡單準則就是某一個頻率分區(qū)上反饋的CQI數(shù)目越多，該頻率分區(qū)對應(yīng)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(xiàn)。

(2) LTE、UMB標準方案

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

2.2 多基站 MIMO 

多基站MIMO技術(shù)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(lián)合協(xié)作與一個或多個終端進行通信，通過基站之間信號的協(xié)調(diào)來改善覆蓋、增加系統(tǒng)流量并抑制小區(qū)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(wù)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(zhì)量，如圖4(a)所示；當使用多基站MIMO時，BS1、BS2和BS3通過骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，并且使用相同的資源為MSedge發(fā)送數(shù)據(jù)，Cell B和Cell C不再對MSedge造成同頻干擾，而是發(fā)送有用的數(shù)據(jù)，大大降低了MSedge受到的同頻干擾強度，提升通信質(zhì)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(shù)，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(fā)送數(shù)據(jù)、多基站發(fā)送數(shù)據(jù)、單基站接收數(shù)據(jù)、多基站接收數(shù)據(jù)。

·  單基站發(fā)送數(shù)據(jù)

同一時刻只有一個基站為終端提供服務(wù)，這種情況主要采用預(yù)編碼矩陣索引(PMI)協(xié)調(diào)算法[5]，它有兩種實現(xiàn)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(qū)干擾最大的PMI，并把其發(fā)送給服務(wù)基站。應(yīng)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(qū)干擾最小的PMI，并把其發(fā)送給服務(wù)基站。建議為該終端分配這些PMI。

PMI協(xié)調(diào)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(jù)信道測量的結(jié)果，按照PMI協(xié)調(diào)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(wù)基站BS1，服務(wù)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(wǎng)傳輸給干擾基站BS2和BS3，BS2和BS3在接收到BS1發(fā)送的信息后，結(jié)合本小區(qū)用戶的反饋信息，最終確定本小區(qū)可以使用的PMI集合。

·  多基站發(fā)送數(shù)據(jù)

終端所有反饋均是只發(fā)送給服務(wù)基站，多基站發(fā)送數(shù)據(jù)分兩種[6]。

(a) 閉環(huán)宏分集(CL-MD) 
若干協(xié)同的基站為單一用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，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(yīng)預(yù)編碼，并且多個基站發(fā)送相同的信息給終端，如圖6所示。

(b) 協(xié)作MIMO (Co-MIMO)
若干協(xié)同的基站為多個用戶在同一資源發(fā)送數(shù)據(jù)，即多基站下的MU-MIMO，每個終端的流數(shù)為1，如圖7所示。在Co-MIMO的模式下，MU-MIMO的預(yù)編碼可以基于探測參考信號(SRS)或碼本獲得。基于SRS的預(yù)編碼適用于時分雙工(TDD)系統(tǒng)，多個基站通過SRS信號來估計它們到多個終端的信道狀態(tài)信息和預(yù)編碼矩陣?；诖a本的預(yù)編碼可以用于TDD或頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，終端選擇了每個基站的預(yù)編碼后，將其報告給服務(wù)基站，然后服務(wù)基站通過網(wǎng)絡(luò)接口通知各個相關(guān)的基站。

·單基站接收數(shù)據(jù)

如果服務(wù)基站和鄰近基站均使用閉環(huán)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(fā)送數(shù)據(jù)，以減低扇區(qū)間的干擾(ICI)。其中一個PMI用于最大化到服務(wù)基站的發(fā)送功率，另一個PML min用于抑制鄰近扇區(qū)產(chǎn)生的干擾。

PMI合并的過程如下：

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

·  多基站接收數(shù)據(jù)

由于缺少類似LTE/LTE-A中的X2接口，多基站接收時的數(shù)據(jù)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(xiàn)細節(jié)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(qū)受到干擾時，功率控制技術(shù)也可以看作是一種干擾協(xié)調(diào)方案。它需要從全網(wǎng)的角度考慮功率控制的最優(yōu)化方案，既要關(guān)注本小區(qū)內(nèi)負載的變化，又要盡量降低對于相鄰小區(qū)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(wǎng)SE最優(yōu)的前提下，既要考慮到發(fā)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(fā)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(fā)送的終端發(fā)射功率調(diào)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(yīng)一個IOT等級，但是無法事先知道γIoT 與IoT的對應(yīng)關(guān)系，只能通過仿真或后續(xù)調(diào)整γIoT 來獲得一個期望的IOT等級；α為基站側(cè)接收天線數(shù)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(shù)量對于終端發(fā)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(shù)量；β為TNS使能的開關(guān)，當β=1時，表示考慮流數(shù)對于SINRTarget的影響；當β=0時，表示不考慮流數(shù)對于SINRTarget的影響。

當閉環(huán)功控(CLPC)調(diào)整周期不斷擴大時，終端的發(fā)射功率抖動非常大，在高速信道環(huán)境下，CLPC的性能還不如開環(huán)功控(OLPC）。考慮到CLPC的周期一般會比較大，所以在TDD系統(tǒng)中沒有實現(xiàn)CLPC，并且在FDD的系統(tǒng)中也沒有它的相關(guān)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?shù)姆椒ㄒ种菩^(qū)間干擾，上行數(shù)據(jù)信道(PUSCH)的功率控制包括開環(huán)和閉環(huán)兩部分，如式(5)所示：

(1) 開環(huán)功率控制

基站根據(jù)鄰區(qū)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(fā)射功率，具體實現(xiàn)方法如圖8所示。

(2) 閉環(huán)功率控制：

f (i )是小區(qū)內(nèi)閉環(huán)功控和小區(qū)間功控的綜合結(jié)果，基站根據(jù)收到的PUSCH的SINR和期望的目標SINR比較，決定使用閉環(huán)功率控，并且根據(jù)小區(qū)間干擾強度指示，得到一個綜合的信息來調(diào)整f (i )，并結(jié)合開環(huán)功率控制按式(5)調(diào)整終端發(fā)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(qū)間干擾的問題，如圖9所示，具體實現(xiàn)步驟如下。

(1) 小區(qū)A發(fā)送功率控制的相關(guān)信息給用戶M；

(2) 小區(qū)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(qū)B目前受到的反向干擾很弱，1表示小區(qū)B受到了中等程度的反向干擾，2表示小區(qū)B受到了較嚴重的反向干擾；

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

(4) 靠近小區(qū)A邊緣的用戶M（其服務(wù)小區(qū)為小區(qū)A）成功接收到小區(qū)B發(fā)送的F-OSICH信道的內(nèi)容后，根據(jù)反向干擾指示級別按照計算得到Δslow（可理解為用戶M數(shù)據(jù)信道發(fā)射功率與其CDMA 導(dǎo)頻信道發(fā)射功率的差值）；

(5) 小區(qū)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(jù)接收到小區(qū)B發(fā)送的其他扇區(qū)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(diào)整Δ  tx；

(7) 用戶M按照式(6)設(shè)定上行數(shù)據(jù)信道的發(fā)射功率；

其中，PPICH為終端CDMA導(dǎo)頻信道上的發(fā)射功率，AttemptBoost取值依賴于重傳次數(shù)，一般情況下，數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)越多，AttemptBoost取值越大，以此提高該數(shù)據(jù)包的成功接收概率。

3 結(jié)束語

對OFDM技術(shù)的無線通信系統(tǒng)來說，干擾隨機化技術(shù)、干擾抵消技術(shù)以及干擾協(xié)調(diào)技術(shù)都可以單獨使用，從而實現(xiàn)小區(qū)間的干擾控制。這3種技術(shù)之間是一個相互補充及協(xié)作的關(guān)系，為了進一步提升小區(qū)間干擾控制的效果，需要根據(jù)實際組網(wǎng)環(huán)境，采用適合的方案將3種技術(shù)融合在一起，以統(tǒng)一協(xié)調(diào)各種干擾控制技術(shù)的使用，極大改善無線通信系統(tǒng)的性能。

作者：劉錕，魯照華，胡留軍

4 參考文獻
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[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.
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