在基于OFDM" title="OFDM">OFDM的蜂窩移動通信網絡中，影響系統性能的主要干擾來自小區間干擾。小區間的干擾協調" title="干擾協調">干擾協調技術是提高系統性能的有效手段之一。首先，給出了干擾協調的軟頻率復用原理。然后，按照資源在時域上調度粒度的不同將干擾協調技術分為三類，即靜態干擾協調、動態干擾協調和半靜態干擾協調，并分析了各自的優缺點。最后，通過兩個干擾協調方案實例說明干擾協調在3G長期演進系統中的應用。
由于具有高頻譜利用率并且能有效解決寬帶" title="寬帶">寬帶無線通信系統中的碼間干擾問題，正交頻分復用（OFDM）技術已經被廣泛認為必將應用于未來的寬帶無線通信系統中，包括3G長期演進系統（3GLTE）等[1]。在以OFDMA為多址接入方式構建的蜂窩移動通信網絡中，也可以做到頻率復用因子為1，即整個系統覆蓋范圍內的所有小區可以使用相同的頻帶為本小區內的用戶提供服務。在OFDM系統中，各子信道之間的正交性有嚴格的要求。雖然由于載波頻率和相位的偏移等因素會造成子信道間的干擾，但是可以在物理層通過采用先進的無線信號處理算法使這種干擾降到最低。因此，一般認為OFDMA系統中的小區內干擾很小，而影響系統性能的主要干擾來自小區間干擾。
圖1（a）所示為OFDM系統上行鏈路的干擾情況。移動終端T1與T2的服務基站分別是NodeBA與NodeB B。T1和T2分別通過在上行無線鏈路傳輸數據而獲得系統的服務。假設Node B A分配給T1用于上行傳輸的子載波集合為S1，Node B B分配給T2用于上行傳輸的子載波集合為S2，S1與S2的交集為S。如果S不是空集，如圖1（a）所示，Node B B在接收T2發送的上行信號時，在集合S內的子載波將會同時收到T1發送的無線信號。對于T2和Node B B來說，這些來自T1的信號就是干擾。如果T1與T2之間的距離很小（例如T1、T2都處于兩個服務小區覆蓋區域的重疊部分），小區間的干擾將會很強烈。當這種情況發生在三個毗鄰小區覆蓋區域的重疊部分時，小區間的干擾將更為嚴重。如果從信號接收端。Node B B的角度來考慮，嚴重的小區間干擾將導致接收機無法正確解調出T2發送的上行信號，從而出現上行傳輸錯誤事件的發生。過多的傳輸錯誤將會導致系統服務性能的急劇下降，使系統無法達到用戶對系統服務性能的要求。T1和Node B A也會遇到類似的情況。下行鏈路的小區間干擾問題的分析與上行鏈路類似，如圖1（b）所示。當然，如果S是一個空集，上述的這些情況都不會發生，但是對于頻率復用因子為1的OFDMA系統來說，S為空集的概率極小。因此，如何降低小區間的干擾，以提高系統的服務性能，特別是小區邊緣區域的性能，是OFDM系統中亟待解決的重要技術問題。
圖1 OFDM系統鏈路干擾分析
一、小區間干擾協調的基本原理
目前關于OFDM系統中小區間干擾抑制技術的研究主要包括干擾隨機化、干擾消除、宏分集和干擾協調等[2]。其中，小區間的干擾協調技術是討論的重點。
干擾協調又稱為“干擾避免”、“軟頻率復用”或“部分頻率復用”，是目前3GLTE正在考慮的方法之一[3]，該方法將頻率資源分為若干個頻率復用集。小區中心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。
小區間的干擾協調技術通過對系統資源的有效分配，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的服務質量，甚至整個系統的服務質量。
干擾協調的基本原理如圖2所示，其中（a）圖是頻率資源在空間上的分配方案，（b）圖是頻率資源的劃分方案[8,9]。
圖2 干擾協調基本原理
設S為OFDM系統所使用的帶寬內所有子載波的集合，按照圖2（b）的頻率資源劃分方案，S被等分成三個子集S1、S2和S3，并且這三個子集內的子載波互不重疊。如圖2（a）所示，每個小區被劃分成內外兩層，劃分的依據可以是無線鏈路的質量等。子載波集S1、S2或S3分配到系統中的各小區，例如S1對應小區1，S2對應小區2，S3對應小區3，等等。在資源分配階段確定用戶使用的傳輸子載波時，對于內層區域的一個移動終端來說，可以被分配到的子載波（組）是集合S中的任一子載波或子集，也就是說小區內層區域的頻率復用因子可以為1。而對外層區域的一個移動終端來說，它能被分到的子載波（組）只能是某一個子集Sn（S1、S2或S3），即頻率復用因子只能達到3。同時，在把Sn（S1、S2或S3）匹配到每一個對應的小區時應遵守一個原則：確保相鄰的三個小區匹配到的子集合組必須是S1、S2、S3的一個排列組合，即可以是（S1，S2，S3）、（S2，S3，S1）或（S3，S2，S1）等。
通過這樣的頻率資源劃分方法和頻率資源空間分配方案，可以確保相鄰小區的邊緣區域被分配到的子載波互不重疊，從而使處于該區域內的移動終端受到的小區間干擾降到一個很低的程度，提高了小區邊緣的服務質量。由此可見，干擾協調技術的主要目的是提高系統對小區邊緣移動終端的服務質量。圖2所示是小區邊緣復用因子為3的情況。如果采用更高的小區邊緣復用因子（例如7、9等），可以進一步降低小區間的干擾，但是會導致頻譜利用率的降低。
二、典型干擾協調方法
以上基本原理介紹的例子中僅僅考慮了將集合S等分成子集合S1、S2和S3的情況，而實際情況中。S的分割也可以是非等分的，即S1、S2和S3可以隨著時間的變化而變化。按照S的分割隨時間的變化關系，干擾協調技術可以分為：靜態干擾協調、動態干擾協調和半靜態干擾協調[4]，以下分別進行介紹。
1.靜態干擾協調
靜態干擾協調指集合S的分割不隨時間的變化而變化，也即Sn（S1、S2和S3）在系統的初始化階段就已經確定，并且不會隨著傳輸時間間隔（TTI：TransmissionTimeInterval）的變化而變化。由此可見，在靜態干擾協調方法中，每個小區用于干擾協調的資源在整個時間軸上是固定不變的。如圖3所示，各小區C_n（n=1，2，3…，7）用于干擾協調的資源在TTI1、TTI m和TTI n上保持一致，沒有發生變化。
圖3 靜態干擾協調
靜態干擾協調簡單易行，通過在系統初始化階段進行一次頻率資源規劃再輔以一定的資源分配算法即可以實現對小區間干擾的抑制。除了在系統初始化階段對整個OFDM系統進行一次頻率資源分割時需要一些信令開銷外，在后續的過程中不需要NodeB之間或者NodeB和無線網絡控制器（RNC）之間額外的信令開銷，這使靜態的干擾協調方法效率比較高。但它也存在明顯的缺點，例如當OFDM系統內各小區的負載隨著時間的推進而劇烈變化時，靜態干擾協調方法顯得很不靈活；當小區邊緣處于高負荷狀態而小區中央處于低負荷狀態時，靜態干擾協調方法帶來的小區邊緣性能提高也很有限。
2.動態干擾協調
動態干擾協調指集合S的分割隨時間的變化而變化，即Sn（S1、S2和S3）在系統的初始化階段確定后，隨著TTI的增加也會發生動態的變化。也就是說，在動態干擾協調方法中，每個小區用于干擾協調的資源都會隨著時間的變化而增加或者減少。如圖4所示，系統初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時各小區用于干擾協調的子載波；在TTI2時，小區1用于干擾協調的資源減少了，小區2、4、6用于干擾協調的資源增加了，而小區3、5、7用于干擾協調的資源并沒有發生變化；在TTI3時，與TTI 2時的情況相比，小區1、3、5、7用于干擾協調的資源增加了，而小區2、4、6用于干擾協調的資源明顯減少。
圖4 動態干擾協調
在動態干擾協調方法中，小區內負載的分布或者變化促使各小區用于干擾協調的資源發生變化，所以此方法可以很好地適應系統內負載的變化。但是它也存在缺點，由于從集合S到S1、S2、S3的分割需要在整個系統內進行，不能在某一個小區單獨調整，這就需要NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開銷；如果S的劃分在每個TTI內都進行一次，過多的信令開銷將導致系統效率的嚴重降低，對系統性能的提高甚至起負作用，同時每個TTI內進行S的分割也將增大系統的傳輸時延。
3.半靜態干擾協調
考慮到靜態干擾協調方法和動態干擾協調方法各自的優缺點，產生了半靜態干擾協調方法。在半靜態干擾協調方法中，集合S的分割也是隨時間的變化而變化，即Sn（S1、S2和S3）在系統的初始化階段確定之后，隨TTI的增加也會發生動態的變化，但是S分割的變化不像動態協調方法中變化得那么頻繁，也不是在每個TTI都會發生變化，一般要經過多個TTI才會進行一次集合S到S1、S2、S3的重新分割。如圖5所示，系統初始化階段的頻率資源分割確定了TTI1時各小區用于干擾協調的子載波；在TTIm時，各小區用于干擾協調的資源仍與TTI1一致，即在TTI 1～TTI m這段時間間隔內沒有發生變化；而在ITI m+1時，小區1用于干擾協調的資源增加了，小區3、5、7用于干擾協調的資源減少了，而小區2、4、6的這部分資源并沒有發生變化。也就是說集合S的這次分割發生的間隔為m個TTI。
圖5 半靜態干擾協調
半靜態干擾協調方法可以看作是靜態干擾協調與動態干擾協調的一個折衷，它融合了二者的優點，摒棄了它們的缺點。在半靜態干擾協調方法中，一方面，小區內負載的分布或者變化促使各小區用于干擾協調的資源發生變化，可見它可以很好地適應系統內負載的變化；另一方面，從集合S到S1、S2、S3的重新分割不需要在每個TTI都進行，S的重新分割完全可以只在系統內負載分布或者其變化比較大的時候才進行，這就有效地減小了NodeB之間或者NodeB和RNC之間額外的信令開銷，提高了系統效率。這種方法可以在一定程度上提高整個系統的性能，尤其是小區邊緣的性能。
三、干擾協調方案舉例
前面介紹了干擾協調方法的基本原理和分類，下面將介紹兩種具體的干擾協調方案。
1.方案一
圖6給出了上、下行干擾協調技術的一個完整方案[5]，這種方案可以認為采用的是靜態干擾協調技術。整個頻域資源S在系統初始化階段被分割為N（考慮到系統的完全覆蓋，N=7或N=9）個互不相交的子集Sn（n=1，2，…，N），每一個Sn與一個扇區Cn相對應，所有扇區都被劃分為內、外兩層。對于內層的移動終端，被分配到的傳輸子載波可以是集合S的任何一個子集合。而對于外層區域的移動終端，以扇區C1為考察對象，當扇區C6內有一個移動終端（圖中的T1）運動到扇區邊緣區域靠近扇區C1時，扇區C6將只會在集合S1中分配相應資源給該終端傳輸數據。與扇區C1相鄰的其他扇區（如C2、C3、C4、C5、C7、）的情況也是如此。這也就是說對于每一個扇區，處在其邊緣區域的用戶只可能分配整個系統資源的一部分，這樣可以確保分別處于兩個相鄰扇區的邊緣區域的用戶所分配到的頻域資源不會相交，從而可以在一定程度上減輕小區間的干擾。在這種方案中，扇區的內層區域頻率復用因子為1，外層頻率復用因子為N。
圖6 干擾協調方案實例1
由于該方案是一種靜態的干擾協調方法，所以存在和靜態干擾協調同樣的缺點：①固定的頻域資源分割不能適應系統內負載的分布隨著時間的變化而變化的情況；②固定的頻域資源劃分不能適應小區中心負載低、小區邊緣負載高的情況；③未考慮扇區的內、外層按照什么樣的原則劃分。
2.方案二
圖7是另一種干擾協調方案[6]，（a）圖給出了這種方案的頻率資源規劃方法，（b）圖給出了某次調度后三個毗鄰小區資源在小區邊緣的分配情況。
在小區劃分為內、外兩層方面，本方案與前面干擾協調基本原理部分介紹的劃分方法一致。在小區的頻率資源規劃方面，如圖7（a）所示，假設整個頻率資源由15個小的傳輸塊Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）組成，每5個小的傳輸塊組成一個傳輸塊組Sm（m=1，2，3），在資源分配時依次對應一個小區。
圖7 干擾協調方案實例2
對于每一個小區來說，它的內層頻率復用因子還是可以為1，也就是可以分配Smn（m=1，2，3；n=1，2，3，4，5）中的任意資源。小區邊緣區域的資源分配規則，以小區1（C_1）為例，首先可以將S1n（n=1，2，3，4，5）中資源的分配給該區域內的移動終端使用，如果C_1的邊緣區域負載比較高，它就可以從S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用資源分配給該區域內的終端使用。C_1從S2n（n=1，2，3，4，5）、S3n（n=1，2，3，4，5）中借用資源的順序為：S25、S35、S24、S34、S23、S33、S22、S32、S21、S31。其他小區（如C_2、C_3）的資源分配方式也是如此（包括小區的內、外層區域）。
在圖7（b）中可以看到某次資源分配結束后，三個毗鄰小區的邊緣區域資源分配情況：C_3的邊緣區域滿負荷；C_2的邊緣區域輕度負荷；C_1的邊緣區域中度負荷。相鄰的小區邊緣在資源分配時會出現部分資源交疊的情況。
通過前面的分析可以看出，這種方案的優點在于：①在某些情況下（比如一個小區邊緣負荷較高，毗鄰的兩個小區邊緣負載較低），可以提高小區邊緣的性能；②只需要在系統初始化時對集合S進行一次分割，在這一點上類似于靜態的干擾協調方案。但是，如果毗鄰小區的邊緣區域負載狀況不像前面所說的那樣匹配，由于依然有毗鄰小區干擾源的存在，小區邊緣性能的提高不是很明顯。
四、結語
未來的寬帶移動通信系統對頻譜效率的要求很高，因此期望頻譜復用系數盡可能地接近1。由此產生的小區間干擾問題是影響蜂窩移動通信系統性能的重要問題。干擾協調技術作為一種有效的小區間干擾抑制技術，將會提高3GLTE系統的性能，特別是小區邊緣區域用戶的性能。
參考文獻
13GPPTR25.814v7.1.0 (2006-09).Physical Layer Aspects for Evolved Universal Terrestrial Radio Access(UTRA)(Release 7)
2沈嘉.OFDM系統的小區間干擾抑制技術研究.電信科學，2006(10)：
33GPP，R1-050507.SoftFrequencyReuseScheme for UTRAN LTE.Huawei，TSG RAN WG1Meeting#41 Meeting(SFR)
43GPP，R1-051059.Inter-CellInterferenceMitigationfor EURTA.Texas Instruments.TSG RAN WG1
53GPP,R1-050695.InterferenceCoordinationforEvolved UTRA Uplink Access.Alcatel，TSG-RAN WG1#42 Meeting(case 1)
63GPP，R1-050833.InterferenceMitigationinEvolved UTRA/UTRAN.LG Electronics，TSG-RAN WG1#42 Meeting(case 2)