OFDM系統(tǒng)的小區(qū)間干擾抑制技術研究

摘要　本文著重針對小區(qū)干擾消除技術對系統(tǒng)設計的要求進行了分析，提出了一種基于編碼塊分割的預定義頻率資源塊分配方法，以支持對多種帶寬業(yè)務的小區(qū)間干擾消除。另外還提出了一種將小區(qū)間干擾協(xié)調和干擾消除合并使用的混合方法，可以在適應各種帶寬業(yè)務的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率的最大化。

1、引言

　　現(xiàn)有的蜂窩移動通信系統(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，不僅影響了整個系統(tǒng)的容量，而且使用戶在不同的位置得到的服務質量有很大的波動。因此，目前正在研發(fā)的新一代寬帶無線通信系統(tǒng)，如3GPP LTE、IEEE 802.20、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之一。

　　本文首先對目前正在研究的幾種提高小區(qū)邊緣性能的典型技術進行介紹。在此基礎上，將對小區(qū)干擾消除技術帶來的OFDM系統(tǒng)設計問題進行研究，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)調的混合方法。

2、小區(qū)間干擾問題

　　小區(qū)間干擾（inter-cell interference，ICI）是蜂窩移動通信系統(tǒng)的一個固有問題，傳統(tǒng)的解決辦法是采用頻率復用，復用系數(shù)只有特定的幾個選擇，如1、3、7等。復用系數(shù)為1即表示相鄰小區(qū)都使用相同的頻率資源，這時在小區(qū)邊緣干擾很嚴重。較高的復用系數(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。

　　未來的寬帶移動通信系統(tǒng)對頻譜效率的要求很高，因此希望頻譜復用系數(shù)盡可能地接近1。OFDM技術比CDMA技術更好地解決了小區(qū)間干擾的問題。但是作為代價，OFDM系統(tǒng)帶來的ICI問題可能比CDMA系統(tǒng)更加嚴重。如果兩個相鄰小區(qū)在它們的結合部使用相同的頻譜資源，則會產(chǎn)生較強的ICI。

3、小區(qū)間干擾抑制技術

　　目前正在研究的用于OFDM系統(tǒng)的ICI抑制技術包括干擾隨機化、干擾協(xié)調、干擾消除和宏分集等。

　　干擾隨機化不能降低干擾的能量，但能將干擾隨機化為“白噪聲”，從而抑制ICI的危害，因此又稱為“干擾白化”。干擾隨機化的方法包括：加擾、交織多址（IDMA）和跳頻等。

　　干擾協(xié)調又稱為“軟頻率復用”或“部分頻率復用”，IEEE802.20 MBFDD／MBTDD就采用了這種技術，LTE也正在考慮這種方法。這種方法將頻率資源分為若干個復用集，小區(qū)中心的用戶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造成較強的ICI，因此被分配在復用系數(shù)為1的復用集；小區(qū)邊緣的用戶需要采用較高的功率發(fā)送和接收，有可能造成較強的ICI，因此被分配在頻率復用系數(shù)為N的復用集。這種技術的缺陷是小區(qū)邊緣的頻率資源受到限制，難以支持大量用戶和很高的數(shù)據(jù)速率。

　　ICI消除技術來源于多用戶檢測技術，可以將干擾小區(qū)的信號解調、解碼，然后將來自該小區(qū)的ICI復制、減去�；�于IDMA的ICI消除技術，是指通過偽隨機交織器產(chǎn)生不同的交織圖案并分配給不同的小區(qū)，接收機采用不同的交織圖案解交織，就可以將目標信號和干擾信號分別解出，然后進行ICI消除。這種技術和迭代接收機技術相結合，可以獲得顯著的性能增益。ICI消除與ICI協(xié)調相比優(yōu)勢在于，對小區(qū)邊緣的頻率資源沒有限制，可以實現(xiàn)小區(qū)邊緣頻譜效率為1和總頻譜效率為1。

　　宏分集技術的基礎是軟切換，可以將多個小區(qū)發(fā)射／接收的信號進行合并，從而獲得分集增益，改進鏈路的質量。但在下行采用宏分集技術會帶來難以解決的“同步問題”，因此不適用于單播業(yè)務。上行運用宏分集技術沒有“同步問題”，但卻需要一個“中心節(jié)點”（如UMTS系統(tǒng)中的RNC）來對多個基站的接收信號進行合并，和未來無線移動通信網(wǎng)絡“扁平化”、“分散化”的趨勢背道而馳。

　　其他的技術，例如MIMO、智能天線、部分功控等，也可以用于ICI抑制。

4、小區(qū)間干擾消除技術的系統(tǒng)設計

　　ICI消除技術可以顯著改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能，但同時也將對OFDM系統(tǒng)的設計，如資源塊分配、信道估計、同步、信令帶來額外的問題。本節(jié)將主要以下行OFDM系統(tǒng)為例，研究ICI消除技術的系統(tǒng)設計問題。

　　4.1　資源塊分配

　　為了能有效地解調、解碼干擾小區(qū)的信號，要求在每個干擾消除的周期內(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必須包含且僅包含一個完整的信道編碼塊。

　　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)中的一個編碼塊和被干擾小區(qū)的一個編碼塊正好重疊，如圖1（a）所示，此時ICI干擾消除可以采用簡單的“雙用戶檢測”法。在第2種情況下，被干擾小區(qū)中的一個編碼塊和干擾小區(qū)的2個編碼塊重疊，如圖1（b）所示，此時雖然仍可以進行ICI干擾消除，但必須要采用相對復雜的“3用戶檢測”法。在第3種情況下，被干擾小區(qū)中的一個編碼塊只對應于干擾小區(qū)的一個不完全的編碼塊，如圖1（c）所示，此時由于干擾信號無法被正確解碼，因此無法采用ICI消除。

　　綜上所述，只有滿足圖1（a）中的資源塊分配情形，才能支持低復雜度的ICI消除。如何保證這一點呢?基于兩種情形來考慮這個問題：有小區(qū)間信令支持和無小區(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)商可能相當復雜，而且基站之間很難實現(xiàn)頻繁的直接信令交互，即使能夠實現(xiàn)，也會大大增加系統(tǒng)的處理延時和復雜度。因此需要考慮如何在沒有小區(qū)間信令支持的情況下滿足圖1（a）中的要求。


圖1　幾種不同的資源塊分配情況對ICI消除技術的影響

　　顯而易見，滿足要求的資源塊分配只能基于某種預定義的方式。最簡單的預定義分配方式即兩個小區(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包含若干個基本資源塊，大小根據(jù)典型的業(yè)務負載大小確定。每個采用ICI消除的終端的編碼塊占用一個ICRB，這樣任何一對占用重疊頻率資源的終端都一定滿足圖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，也無法適應各種業(yè)務的需求。


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。對于那些所需帶寬小于ICRB的終端，雖然無法采用ICI消除技術，但仍可以采用其他的ICI抑制技術，如干擾隨機化、干擾協(xié)調等。

　　新方法基于編碼塊分割的原理，如圖3所示。對于需要占用更大帶寬的終端，可以將這個終端的數(shù)據(jù)分成若干個獨立編碼塊分別編碼，每個編碼塊正好占用一個ICRB。一個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）。應該適當?shù)剡x擇ICRB的大小，如果ICRB的尺寸過大，則只有很小一部分終端可以采用ICI消除技術。如果ICRB的尺寸過小，則可能由于編碼塊過短，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，不同帶寬的用戶都占用若干大小相同的ICRB，且ICI消除在每個ICRB內(nèi)分別進行，因此圖1（a）中的資源分配要求也總是能滿足的。這樣ICI消除技術就可以應用于不同帶寬（只要大于ICRB）的業(yè)務。

　　在采用相同ICRB的基礎上，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制編碼方式和編碼速率。當然如果這些參數(shù)也相同，ICI消除的算法可以更加簡化。

　　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子幀相互對齊，以在相同的周期內(nèi)對干擾和被干擾信號進行解調、解碼。因此ICI消除技術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)射時鐘是同步的，由于從相鄰基站到達終端的距離不同，終端從這些基站接收的下行信號之間仍然有一定的時間偏差。但是這種“不同步”造成的“自干擾”相對ICI而言很小，只會帶來微弱的額外影響。

　　4.3　信道估計和導頻設計

　　為了檢測干擾小區(qū)的信號，終端除了對本小區(qū)進行信道估計，還需要對干擾小區(qū)進行信道估計。這種信道估計需要在ICI環(huán)境下進行，因此需要特殊的導頻設計。也就是說，相鄰小區(qū)間需要采用正交或半正交的導頻，以使導頻之間相關性盡可能小。

　　另一個關鍵問題是被干擾小區(qū)需要知道干擾小區(qū)的導頻結構。在OFDM系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)的導頻可以在相同的時/頻位置插入，也可以在不同的時/頻位置插入。前一種情況下，導頻的正交性在碼域實現(xiàn)，即相鄰小區(qū)的導頻可以乘以不同的正交碼。后一種情況下，導頻的正交性在頻域或時域實現(xiàn)，即相鄰小區(qū)的導頻在頻域上或時域上是交錯放置的。但無論哪種情況，每個小區(qū)采用的導頻正交碼或導頻時／頻域位置都是預先定義好的，被干擾小區(qū)只要識別出干擾小區(qū)的小區(qū)ID，就可以知道該小區(qū)的導頻信息。

　　4.4　多小區(qū)測量和識別

　　被干擾小區(qū)如果要采用ICI消除技術，首先需要知道干擾小區(qū)的導頻信息。如果采用基于IDMA的ICI消除技術，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一一對應的。

　　因此，導頻和交織圖案的識別完全可以通過正常的小區(qū)搜索／識別過程實現(xiàn)。正常的小區(qū)搜索操作需要周期性地測量、比較周圍小區(qū)的接收信號能量，并根據(jù)其強度進行排序，然后選擇“最強小區(qū)”作為服務小區(qū)。因此這個測量過程不僅能用于選擇服務小區(qū)，還可以用于“識別”其他幾個“次強小區(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消除技術需要知道干擾小區(qū)的信號格式（調制編碼方式、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關鍵問題。可以通過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)的復雜度和信令開銷，同時，基站間也無法做到頻繁的信令交互。

　　其實上述信號信息完全可以通過解調干擾基站正常的下行控制信道得到。只要干擾小區(qū)的導頻信息已知，被干擾終端就可以直接解調干擾小區(qū)的控制信道，從而得到所需的信號格式信息，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。由于最強的干擾終端可能是不斷變化的，上行沒有下行那樣的周期性測量機制，因此需要UE不斷地在控制信道中發(fā)送UE的識別信息（如交織圖案）。另外，信號格式在上行本來并不一定需要發(fā)送，因為很多情況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，終端必須始終不斷地發(fā)送信號格式信息，以通知其他有可能被自己干擾的基站。

5、ICI消除技術和ICI協(xié)調技術的結合

　　ICI消除技術可以顯著改善小區(qū)邊緣的系統(tǒng)性能，并實現(xiàn)頻率復用系數(shù)為1，但在頻率資源塊的分配方面受到一定的限制，尤其難以應用于帶寬較小的業(yè)務（如VoIP）。另一方面，ICI協(xié)調技術雖然可以應用于各種帶寬的業(yè)務，但在小區(qū)邊緣能夠提供的峰值速率和系統(tǒng)容量受限，當兩個相鄰小區(qū)在它們的結合部都有較高的頻譜需求時就無法進行協(xié)調，無法實現(xiàn)真正的頻率復用系數(shù)為1。因此本文在這里提出了一種將兩種ICI抑制技術合并起來的混合方法，可以使這兩種技術的優(yōu)勢相互補充，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，在每個小區(qū)的中心，由于發(fā)射／接收功率較小，不會產(chǎn)生強烈的ICI，系統(tǒng)可以對全部頻率資源進行隨意分配。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（即頻率復用系數(shù)為1），但所有在該頻段內(nèi)的用戶的頻率資源分配必須按照§4.1中規(guī)定的兩種方式進行。在ICI協(xié)調頻段內(nèi)，各小區(qū)只能按照一定的頻率復用系數(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，系統(tǒng)可以將帶寬需求較大（大于ICRB）的用戶安排在ICI消除頻段內(nèi)（如圖4中的白點所示），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�。ㄐ∮贗CRB）的用戶安排在ICI協(xié)調頻段內(nèi)，按照設定好的頻率復用方式給它們分配資源。這樣由于帶寬較大的用戶可以復用相同的頻率資源，系統(tǒng)的頻譜效率得以最大化，同時減輕了干擾協(xié)調的“負擔”，使更多帶寬小的用戶可以得到有效的“協(xié)調”。


圖4　ICI消除和ICI協(xié)調技術的結合

　　另外，當小區(qū)邊緣的帶寬需求較小時，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。ICI協(xié)調頻段和ICI消除頻段的大小也可以根據(jù)該地區(qū)的實際部署情況進行調整。如果大帶寬的用戶較多，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。如果小帶寬的用戶較多。則可以使ICI協(xié)調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。

　　參考文獻

　　1　RITT. Inter-cell interference mitigation based on IDMA.3GPP, R1-050608

　　2　RITT，ZTE，Huawei. Text proposal on IDMA for“inter-cell interference mitigation”in TR 25.814.3GPP，R1-050783

　　3　RITT. Further results on inter-cell interference mitigation based on ID-MA.3GPP，R1-051137

　　4　RITT. Further simulation results of IDMA-based inter-cell interference cancellation.3GPP.R1-060414

　　5　RITT，Huawei，CATT.Requirements of downlink Inter-cell interference detection／subtraction and TP.3GPP，R1-060415

　　6　RITT，Huawei, CATT.TP on uplink inter-cell interference cancellation.3GPP，R1-060418

　　7　RITT，CATT.Signalling for downlink inter-cell interference cancellation.3GPP，R1-060892

　　8　RITT，CATT. Signalling for uplink inter-cell interference cancellation.3GPP，R1-060893

　　9　RITT，Huawei，CATT.Combining inter-cell-interference co-ordination／avoidance with cancellation in downlink and TP.3GPP，R1-060416

　　10　RITT，Huawei. Combining inter-cell. interference co-ordination／avoidance with cancellation in uplink and TP.3GPP，R1-060419

　　11　3GPP TR 25.814 v1.2.1.Physical layer aspects for evolved UTRA


----《電信科學》