无线通信系统小区间干扰控制技术

 1 干扰控制技术概况

小区间干扰[1]是蜂窝移动通信系统的一个固有问题，严重影响了系统性能，其形成原因是各个小区中使用相同频率资源的用户会相互干扰。图1(a)为上行链路的小区间干扰情况，基站(BS1)和BS2分别为移动终端(MS1)和MS2的服务基站，假设BS1分配给MS1用于上行传输的子载波集合为SC1，BS2分配给MS2用于上行传输的子载波集合为SC2，SC1和SC2的交集为SC。如果SC不是空集，则BS2在接收到MS2发送的上行信号时，在集合SC内的子载波将会同时收到MS1发送的无线信号。对于MS2和BS2来说，这些来自MS1的信号就是干扰。图1(b)为下行链路，也会遇到和上行链路类似的干扰问题。如果小区间干扰严重，将会直接影响到系统的覆盖能力及系统容量，特别是小区边缘用户，将会直接导致他们出现频繁掉网或者无法接入网络的情况。

降低小区间干扰是蜂窝系统设计的一个重要目标，从现有的研究成果和各种标准化组织的研究项目，如3GPP的长期演进(LTE)、IEEE的802.16 m、3GPP2的增强型移动宽带(UMB)中对小区间干扰控制的处理方式来看，小区间干扰控制的技术包括3类。

·  干扰随机化技术

干扰随机化是一种常用的技术，通过将相邻小区干扰白化的方法降低小区间干扰。其主要优点在于：不会影响接收端调度和接收处理的复杂度，但当系统满载时，干扰随机化技术对系统性能的提升有限。干扰随机化的代表技术为基于基站的扰码和各种跳频技术。

·  干扰协调技术

干扰协调技术主要是在多个小区内对空间、时间和频域的信道资源及其功率进行有效协调，从而降低相邻小区间的干扰。其主要技术包括了部分频率重用 (FFR)、多基站多输入输出(MIMO)以及功率控制技术等。

·  干扰抵消技术

干扰抵消技术是将干扰小区的信号解码、复制，然后在接收到的信号中减去来自该小区的干扰信号。干扰抵消技术的优势在于：对小区频率资源的使用没有限制；但其局限是在于：目标小区还必须知道干扰小区的导频结构，以便对干扰源进行信道估计。因此，干扰抵消技术的信令开销和实现复杂度都比较高。

由此可知，干扰随机化技术对于小区间干扰抑制的增益有限，干扰抵消技术的开销和实现复杂度较高，所以小区间干扰抑制的实现方法主要是干扰协调技术。下文将具体介绍几种典型的干扰协调技术在标准化组织中的实现方式。

2 干扰协调技术

2.1 FFR

FFR[2]技术主要通过对各小区上下行信道使用的时频域资源及其功率配置做出一定的限制来达到抑制小区间干扰的目的。

2.1.1 总体策略

FFR通常将频率资源分为若干个频率复用集，小区中心区域的用户可以采用较低的功率发射和接收，相邻小区的中心区域用户即使占用相同的频率也不会造成较强的小区间干扰，因此小区中心区域用户被分配在复用因子为1的频率复用集；而小区边缘区域的用户需要采用较高的功率发送和接收信号，有可能造成较强的小区间干扰，因此小区边缘区域用户被分配在频率复用因子为N 的频率复用集，以减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间和频率上的冲突，降低干扰数量级，提高信号的接收信噪比，从而提高系统小区边缘甚至整个系统的服务质量。

FFR技术可以分为静态FFR、半静态FFR和动态FFR。静态FFR主要是在小区规划时确定，资源协调周期一般是以月或天为单位，实现简单，但对实际环境的适应性较差，系统整体效率不高；动态FFR资源协调周期是以秒为单位，需要大量的测量信息上报，并且需要在多个小区间频繁进行实时通信，系统信令开销很大，所以在实际系统中采用率低；半静态FFR是介于静态FFR和动态FFR之间，既能较好地反映实际环境的变化又不显著增加系统开销。目前各种标准化组织中的FFR算法都是基于静态FFR和半静态FFR来设计的。

2.1.2 标准化方案

(1) 802.16m标准方案

图2所示为IEEE 802.16m标准中的下行FFR方案[3-4]。该方法将整个频率资源划分为4个频率分区。其中，频率分区0的频率重用因子为1，频率分区1、频率分区2和频率分区3的频率重用因子为3，并且每个频率分区都配置了不同的发射功率级别。存在一种简单的基站主导的FFR实现方法，例如，对于扇区1而言，频率分区1的子载波的发射功率很高，相邻扇区2和相邻扇区3在频率分区1的子载波的发射功率相应偏低，这样对于扇区1中分配了频率分区1资源的终端来说，受到的小区间同频干扰的强度就会降低，所以这部分资源适用于边缘用户使用；频率分区0、频率分区2和频率分区3的子载波的发射功率相对较低，并且受到的相邻扇区2和相邻扇区3的小区间干扰强度较大，不适合边缘用户使用，并且考虑到中心用户靠近扇区中心，传播损耗较小，受到来自相邻扇区2和相邻扇区3的同频干扰较小，即使子载波的发射功率相对较低也不会对于中心用户的数据传输造成明显影响，所以可以将频率分区0、频率分区2和频率分区3分配给中心用户使用。

图3所示为在802.16m标准中定义的一种终端主导的下行FFR算法。基站为每个频率分区设定资源度量值，并通过广播信道将这些值发送给终端；终端按照式(1)计算各个频率分区的等效频谱效率(SE)，确定需要反馈SE最大的频率分区对应的信道质量信息(CQI)；基站再根据CQI反馈情况进一步调整各个频率分区的资源度量值。简单准则就是某一个频率分区上反馈的CQI数目越多，该频率分区对应的资源度量值就会越大。

 

802.16m标准中定义了这两种下行FFR算法所需终端和基站之间交互的必要信令及操作流程，具体算法各家公司可以灵活实现。

(2) LTE、UMB标准方案

LTE、UMB仅定义了一种基站主导的FFR算法，为各家公司实现留下接口，没有定义具体的实现方法。

2.2 多基站 MIMO 

多基站MIMO技术是单用户MIMO (SU-MIMO)和多用户MIMO (MU-MIMO)的辅助和补充。它主要利用的是多个基站联合协作与一个或多个终端进行通信，通过基站之间信号的协调来改善覆盖、增加系统流量并抑制小区间干扰强度。

2.2.1 总体策略

如图4所示，当不使用多基站 MIMO时，位于Cell A边缘用户MSedge的服务基站是BS1, MSedge同时受到Cell B和Cell C的同频干扰，严重影响MSedge的通信质量，如图4(a)所示；当使用多基站MIMO时，BS1、BS2和BS3通过骨干网进行数据交互，并且使用相同的资源为MSedge发送数据，Cell B和Cell C不再对MSedge造成同频干扰，而是发送有用的数据，大大降低了MSedge受到的同频干扰强度，提升通信质量，如图4(b)中所示。

多基站MIMO是802.16m和LTE-A的一项干扰抑制和增强覆盖的技术，对增强用户的体验有重要的作用。

2.2.2 标准化方案

(1) 802.16m标准方案

802.16m中的多基站 MIMO[3-4]可以分为4类：单基站发送数据、多基站发送数据、单基站接收数据、多基站接收数据。

·  单基站发送数据

同一时刻只有一个基站为终端提供服务，这种情况主要采用预编码矩阵索引(PMI)协调算法[5]，它有两种实现方式。

(a) PMI限制
在终端进行信道测量的过程中，终端可以找出目标时频资源中对相邻小区干扰最大的PMI，并把其发送给服务基站。应避免该终端使用这些PMI。

(b) PMI推荐
在终端进行信道测量的过程中，终端可以找出目标时频资源中对相邻小区干扰最小的PMI，并把其发送给服务基站。建议为该终端分配这些PMI。

PMI协调算法原理如图5所示，MSedge是位于cell A边缘的用户，它同时受到相邻基站cell B和cell C的影响。MSedge根据信道测量的结果，按照PMI协调算法得到PMI限制集合或PMI推荐集合，并将其反馈给自己的服务基站BS1，服务基站BS1将收到的反馈信息(PMI限制集合或PMI推荐集合，同时时频资源索引(Band_Idx))通过骨干网传输给干扰基站BS2和BS3，BS2和BS3在接收到BS1发送的信息后，结合本小区用户的反馈信息，最终确定本小区可以使用的PMI集合。

·  多基站发送数据

终端所有反馈均是只发送给服务基站，多基站发送数据分两种[6]。

(a) 闭环宏分集(CL-MD) 
若干协同的基站为单一用户发送数据，即多基站下的SU-MIMO，其中每个基站都对终端采用单用户自适应预编码，并且多个基站发送相同的信息给终端，如图6所示。

(b) 协作MIMO (Co-MIMO)
若干协同的基站为多个用户在同一资源发送数据，即多基站下的MU-MIMO，每个终端的流数为1，如图7所示。在Co-MIMO的模式下，MU-MIMO的预编码可以基于探测参考信号(SRS)或码本获得。基于SRS的预编码适用于时分双工(TDD)系统，多个基站通过SRS信号来估计它们到多个终端的信道状态信息和预编码矩阵。基于码本的预编码可以用于TDD或频分双工(FDD)系统，终端选择了每个基站的预编码后，将其报告给服务基站，然后服务基站通过网络接口通知各个相关的基站。

·单基站接收数据

如果服务基站和邻近基站均使用闭环MIMO，某基站下的用户可以通过对两个PMI采用PMI合并的方式发送数据，以减低扇区间的干扰(ICI)。其中一个PMI用于最大化到服务基站的发送功率，另一个PML min用于抑制邻近扇区产生的干扰。

PMI合并的过程如下：

(a) 基站通过回程发送PML min给邻近基站；
(b) 服务基站通过接收邻近基站发送的PML min信息，并且根据本基站通过计算得到的PMI、PCR（PMI合并的比例系数）信息，按照式(2)计算终端可用的预编码矩阵W。

·  多基站接收数据

由于缺少类似LTE/LTE-A中的X2接口，多基站接收时的数据交换仍然存在问题，尚未标准化。

(2) LTE、UMB标准方案

LTE中对多基站MIMO部分具体实现细节尚未标准化；UMB标准中并不支持多基站 MIMO。

2.3 功率控制

当邻区受到干扰时，功率控制技术也可以看作是一种干扰协调方案。它需要从全网的角度考虑功率控制的最优化方案，既要关注本小区内负载的变化，又要尽量降低对于相邻小区的干扰强度。

2.3.1 802.16m标准方案

802.16m标准的功率控制方案[3]是建立在维持整网SE最优的前提下，既要考虑到发射功率的提升对自身带来的增益又要考虑对其他用户干扰强度的增加。综合两方面，得到式 (3)：

其中，L为路径损耗值，包括终端的发射天线增益；NI为上行平均干扰和噪声值，由基站广播；Offset为基站发送的终端发射功率调整参考值；SINRTarget 按照式(4)确定，为基站接收的目标信噪比。

其中SINRmin(dB)为上行接收允许的最小信噪比阈值；γIoT 为一个干扰相对噪声比(IOT )控制因子，标准中给出的取值范围(0～1.5)，力度为0.1，每一个γIoT 对应一个IOT等级，但是无法事先知道γIoT 与IoT的对应关系，只能通过仿真或后续调整γIoT 来获得一个期望的IOT等级；α为基站侧接收天线数的修正因子，可以取值为(1，1/2，1/4，1/8，1/16，0)，取值为“0”代表不考虑接收天线数量对于终端发射功率的影响；SIRDL为终端的下行信号与干扰强度比；TNS为当前传输所支持的流的数量；β为TNS使能的开关，当β=1时，表示考虑流数对于SINRTarget的影响；当β=0时，表示不考虑流数对于SINRTarget的影响。

当闭环功控(CLPC)调整周期不断扩大时，终端的发射功率抖动非常大，在高速信道环境下，CLPC的性能还不如开环功控(OLPC）。考虑到CLPC的周期一般会比较大，所以在TDD系统中没有实现CLPC，并且在FDD的系统中也没有它的相关标准[7]。

2.3.2 LTE标准方案

LTE功率控制方案主要采用部分路损补偿的方法抑制小区间干扰，上行数据信道(PUSCH)的功率控制包括开环和闭环两部分，如式(5)所示：

(1) 开环功率控制

基站根据邻区的IoT变化情况改变目标接收功率值PO_PUSCH及路损补偿因子α（当0<α <1时，表示部分路损补偿），终端通过计算PO_PUSCH+α×PL确定适合的上行发射功率，具体实现方法如图8所示。

(2) 闭环功率控制：

f (i )是小区内闭环功控和小区间功控的综合结果，基站根据收到的PUSCH的SINR和期望的目标SINR比较，决定使用闭环功率控，并且根据小区间干扰强度指示，得到一个综合的信息来调整f (i )，并结合开环功率控制按式(5)调整终端发射功率。

2.3.3 UMB标准方案

UMB标准中的上行功率控制方案同样考虑了小区间干扰的问题，如图9所示，具体实现步骤如下。

(1) 小区A发送功率控制的相关信息给用户M；

(2) 小区B测量自己目前受到的整个带宽上的反向干扰情况，通过3种级别表示自己目前受到反向干扰的程度，分别为0，1，2。其中0表示小区B目前受到的反向干扰很弱，1表示小区B受到了中等程度的反向干扰，2表示小区B受到了较严重的反向干扰；

(3) 小区B通过其他扇区干扰强度指示信道(F-OSICH)将干扰级别指示信息广播发送给邻区A中的用户；

(4) 靠近小区A边缘的用户M（其服务小区为小区A）成功接收到小区B发送的F-OSICH信道的内容后，根据反向干扰指示级别按照计算得到Δslow（可理解为用户M数据信道发射功率与其CDMA 导频信道发射功率的差值）；

(5) 小区A则通过用户M上报的Δslow值来确定用户M的MCS、资源分配的情况；

(6) 用户M根据接收到小区B发送的其他扇区干扰强度快速指示信道(F-FOSICH)中各子带上的干扰强度指示OSI值的情况，调整Δ  tx；

(7) 用户M按照式(6)设定上行数据信道的发射功率；

其中，PPICH为终端CDMA导频信道上的发射功率，AttemptBoost取值依赖于重传次数，一般情况下，数据包重传次数越多，AttemptBoost取值越大，以此提高该数据包的成功接收概率。

3 结束语

对OFDM技术的无线通信系统来说，干扰随机化技术、干扰抵消技术以及干扰协调技术都可以单独使用，从而实现小区间的干扰控制。这3种技术之间是一个相互补充及协作的关系，为了进一步提升小区间干扰控制的效果，需要根据实际组网环境，采用适合的方案将3种技术融合在一起，以统一协调各种干扰控制技术的使用，极大改善无线通信系统的性能。

作者：刘锟，鲁照华，胡留军

4 参考文献
[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.