軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用在4G通信系統(tǒng)中應(yīng)用

摘要：針對4G移動通信系統(tǒng)提出的提高頻譜利用率、同頻組網(wǎng)的需求，文章從頻率復(fù)用問題入手，提出了一種軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案包括3種表現(xiàn)形式，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)物理層鏈路增益選擇適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)形式。文章以第2種表現(xiàn)形式為例介紹了采用該方案的頻率復(fù)用方法。研究表明，使用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1/3～1。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案解決了同頻組網(wǎng)問題，并已經(jīng)在上海4G實驗網(wǎng)中得到了良好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：頻率復(fù)用；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用

Abstract:Asoftfractionalfrequency reuse scheme is proposed to fulfill full frequency reuse for the 4G mobile communications system. This scheme can be implemented in three types, which could be chose in practical applications according to the link gain of the physical layer. The implementation of soft fractional frequency reuse in one of the three types is studied. The study results show that the frequency reuse factor of this scheme may reach 1/3-1. The simplified form of this scheme has been applied in the 4G experimental network in Shanghai successfully, and provides a way to fulfill full frequency reuse in systems.

Keywords:frequencyreuse;cellular network; soft fractional frequency reuse

基金項目：國家自然科學(xué)基金重大項目(60496312)；國家“863”計劃項目(2003AA12331004、2006AA01Z260)

移動通信迄今為止已經(jīng)發(fā)展了3代系統(tǒng)，第1代為采用頻分多址(FDMA)的模擬移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用很低的頻率復(fù)用系數(shù)，即復(fù)用系數(shù)遠(yuǎn)小于1，如7小區(qū)頻率復(fù)用，復(fù)用系數(shù)為1/7；第2代為數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其中采用時分多址(TDMA)的數(shù)字移動通信系統(tǒng)，如全球移動通信系統(tǒng)(GSM)，其頻率復(fù)用系數(shù)較第1代有了很大的提高，可以達(dá)到1/4～1/3；第2代碼分多址(CDMA)[1]系統(tǒng)及第3代數(shù)字移動通信系統(tǒng)，如寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)，其頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1，這提高了頻譜利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的成本，因此對于未來的3G增強(E3G)、第4代(4G)移動通信系統(tǒng)，人們?nèi)匀幌Ｍ�采用頻率復(fù)用系數(shù)為1或者較高的頻率復(fù)用系數(shù)。

3G系統(tǒng)的三大主流標(biāo)準(zhǔn)都是基于CDMA技術(shù)的。隨著對E3G技術(shù)如正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)等技術(shù)的深入研究，MIMO以其高通信容量等優(yōu)勢將成為E3G、4G的基本技術(shù)。正交頻分多址(OFDMA)也以其頻譜效率高等優(yōu)點被業(yè)界認(rèn)可，并有可能成為E3G、4G采用的基本多址技術(shù)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第3代移動通信合作長期演進(jìn)計劃(3GPP LTE)[2]已經(jīng)明確了在E3G系統(tǒng)中下行鏈路的多址技術(shù)將采用OFDMA[3]。同時，大量研究機構(gòu)表明不再使用CDMA作為基本的多址技術(shù)，轉(zhuǎn)而使用OFDMA作為多址技術(shù)。而OFDMA這種基于頻分多址的多址技術(shù)帶來了關(guān)于頻率復(fù)用技術(shù)新的挑戰(zhàn)，如果不能有效解決采用OFDMA技術(shù)的系統(tǒng)中多小區(qū)間干擾問題以及同頻組網(wǎng)、提高頻率利用率的問題，以O(shè)FDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的E3G、4G系統(tǒng)必將面臨應(yīng)用上的困難。

因此，在E3G、4G系統(tǒng)中基于頻分多址的頻率復(fù)用方案成為研究重點之一。在3GPP LTE關(guān)于E3G系統(tǒng)的討論中，關(guān)于頻率復(fù)用方案的研究已經(jīng)展開[4-5]。本文提出了軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，該方案提供了一種解決E3G、4G移動通信系統(tǒng)頻率復(fù)用的途徑，其簡單形式已成功應(yīng)用于上海4G實驗網(wǎng)中，取得了良好的性能。

本文在第2部分介紹軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的系統(tǒng)模型，第3部分介紹軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的3種表現(xiàn)形式，并且分析軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的特點，第4部分介紹在4G實驗網(wǎng)中的應(yīng)用，最后給予出總結(jié)。

1 系統(tǒng)模型

將所述無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的每個小區(qū)中的用戶分為兩組，1組為小區(qū)邊緣用戶，1組為小區(qū)中心用戶；將整個可用頻段分為兩個不重疊的部分G 和F，將F分為3個頻段F1、F2、F3，分別為兩兩相鄰的小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3的小區(qū)邊緣用戶的可用頻段；將每個小區(qū)邊緣分為12個邊緣區(qū)域，將這12個邊緣區(qū)域分為兩類，分別稱為第1類邊緣區(qū)域和第2類邊緣區(qū)域，第1類邊緣區(qū)域即兩兩相鄰的3個小區(qū)交界處的邊緣區(qū)域(見圖1中標(biāo)記為“1”、“2”、“3”的邊緣區(qū)域)，第2類邊緣區(qū)域即除第1類邊緣區(qū)域的其他邊緣區(qū)域(參見圖1中標(biāo)記為“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”的邊緣區(qū)域)。由于邊緣用戶所處的通信環(huán)境惡劣，虛線圓內(nèi)的9個邊緣區(qū)域是頻率規(guī)劃的主要研究對象。

2 軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案

通過簡要分析，可以得出圖1中9個邊緣區(qū)域C1—C9的頻率規(guī)劃如表1所示：

表1所示的頻率規(guī)劃方法就是采用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的頻率分配結(jié)果。下面以形式Ⅱ為例進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

如圖2所示，軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的頻率規(guī)劃為：

G和F的子集為小區(qū)中心用戶的可用頻率；對小區(qū)邊緣用戶的頻率規(guī)劃為：令

(u1=f1∪f4，u2=f 2∪f 6，u 3=f 3∪f 5，u4=f 7∪f 9，u5=f 8)，其中uj?奐F 表示互不相交的頻段集合，每個頻率集合中的頻率可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的。其中頻率集合u 1、u 2、u 3中的頻率分別分配給小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3的邊緣，對位于其邊緣的用戶提供服務(wù)。u 4、u 5的分配為：

(1)為圖1中數(shù)字“4”表示的區(qū)域再分配一段頻段集合u 4，對位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

(2)為圖1中數(shù)字“8”表示的區(qū)域再分配一段頻段集合u 5，對位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

(3)為圖1中數(shù)字“5”表示的區(qū)域再分配一段頻段u 5，對位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

(4)為圖1中數(shù)字“7”表示的區(qū)域再分配一段頻段u 4，對位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的特點：

(1)增強小區(qū)邊緣用戶性能，同時提高頻率復(fù)用率；

(2)區(qū)域4、區(qū)域8、區(qū)域5、區(qū)域7分別優(yōu)先從u 4、u 5、u 4、u 5中選可用頻率，對位于其區(qū)域的用戶提供服務(wù)，若這些集合中的頻率還不滿足要求，則可以根據(jù)實際情況分別考慮從u 1、u 2、u 3、u 3中選可用頻率；而同屬于第2類邊緣區(qū)域的區(qū)域9和區(qū)域6則只能分別從u 1、u 2中選可用頻率，對位于其區(qū)域的用戶提供服務(wù)，但它們可以分別和區(qū)域1和區(qū)域2協(xié)調(diào)可用頻率。

(3)當(dāng)系統(tǒng)的小區(qū)邊緣用戶之間的干擾比較嚴(yán)重時，可以通過減少頻率集合u 4、u 5、中的頻率和適當(dāng)?shù)脑黾舆吘墔^(qū)域的面積，來抑制小區(qū)邊緣用戶之間的干擾。當(dāng)小區(qū)邊緣用戶之間幾乎不存在干擾或干擾不嚴(yán)重時，可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整頻率集合u 4、u 5中的頻率和減小邊緣區(qū)域的面積，以提高頻率復(fù)用率。

3 在上海FuTURE4GTDD實驗網(wǎng)中的應(yīng)用

軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的簡化形式已經(jīng)在上海FuTURE 4G TDD實驗網(wǎng)中得到了很好的應(yīng)用。如圖3所示，試驗網(wǎng)中共有2個接入點(AP)設(shè)備，分別為AP1和AP2，階梯教室與金色陽光處的分布式天線陣與AP1相連，招待所與圖書館處的分布式天線陣與AP2相連，每處站址均架設(shè)4根天線。圖3下部藍(lán)色線條構(gòu)成的區(qū)域表示小區(qū)1，圖3上部綠色線條構(gòu)成的區(qū)域表示小區(qū)2。

軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案在上海4G實驗網(wǎng)中的應(yīng)用描述如下：

(1)當(dāng)小區(qū)1中只有用戶MT1時，MT1占用小區(qū)1全部頻譜資源，用戶速率可以達(dá)100 Mb/s。

(2)當(dāng)小區(qū)1中有2個用戶MT1和MT2時，兩個用戶各占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時2個用戶的速率各為50 Mb/s。

(3)當(dāng)位于小區(qū)１中的MT1、MT2在小區(qū)1內(nèi)移動時，兩個用戶各占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時2個用戶速率各為50 Mb/s。

(4)當(dāng)位于小區(qū)１中的MT2移動到切換區(qū)域(仍與小區(qū)1連接)時，2個用戶分別占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時2個用戶速率各為50 Mb/s。

(5)當(dāng)MT2移動到切換區(qū)域(與小區(qū)2連接)時，2個用戶分別占用小區(qū)1和小區(qū)2的一半頻率資源，此時2個用戶速率各為50 Mb/s，此時頻率復(fù)用系數(shù)為0.5。

(6)當(dāng)MT1、MT2分別在小區(qū)1、小區(qū)2中移動到合適位置時(如MT1在階梯教室附近，MT2在圖書館附近)，兩個用戶可以分別占用兩個小區(qū)的全部頻率資源，用戶速率同時為100 Mb/s，此時頻率復(fù)用系數(shù)為1。

此即兩小區(qū)的軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用的一個簡單的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

針對4G移動通信系統(tǒng)提出的提高頻譜利用率、同頻組網(wǎng)的需求，本文提出了一種軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案包括3種表現(xiàn)形式，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)物理層鏈路增益選擇合適的表現(xiàn)形式。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案在上海FuTURE 4G TDD通信試驗網(wǎng)中已經(jīng)成功實現(xiàn)了軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用的簡單形式。研究表明，使用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1/3到1，為同頻組網(wǎng)、提高頻率利用率提供了一種良好的解決方案。

5 參考文獻(xiàn)

[1]LEEJS, MILLER L E. CDMA systems engineering handbook [M]. New York, NY,USA: Artech House, 1998.

[2]3GPPTR25.913 v7.3.0. Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) [S]. 2006.

[3]3GPP,TR25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for Evolved UTRA [S]. 2006.

[4]3GPPR1-050896.Description and simulations of interference management technique for OFDMA based E-UTRA downlink evaluation [S].2005.

[5]3GPPR1-050841.Further analysis of soft frequency reuse scheme [S]. 2005.

作者簡介：

許方敏，北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所在讀博士研究生，研究方向為先進(jìn)移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，包括無線資源管理策略、干擾抑制策略等。陶小峰，北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所副所長、博士、副教授，國家“863”計劃通信技術(shù)主題FuTURE未來移動通信計劃TDD特別工作組組長。已發(fā)表論文51篇，其中SCI、EI、ISTP檢索論文35篇；申請發(fā)明專利16項，其中2項已授權(quán)；出版專著2部。許曉東，北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所在讀博士研究生，研究方向為先進(jìn)移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，包括廣義分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線資源管理策略、3G增強及其標(biāo)準(zhǔn)化工作等。已發(fā)表論文10篇。