（通信与信息系统专业论文）lte系统一种高效准动态部分频率复用方案.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 系统容量一直是无线通信系统最为核心的指标之一。复用因子为1 的同频组网模式 虽然可以最大限度地利用极其稀缺的频率资源以提高系统容量，但来自邻小区或邻扇区 的强烈同频干扰将导致边缘用户的服务质量严重下降。此问题的主要解决方法有干扰随 机化、干扰消除和部分频率复用( f f r ) 。f f r 技术相比干扰随机化技术有更高的增益， 相比干扰消除技术有更低的复杂度，因而是抑制小区间干扰，提升系统容量以及小区边 缘用户性能的有效解决方案，已经被l t e 和w i m a x 标准采纳。本论文重点就这一抗干扰 方法展开研究。 f f r 技术可分为静态、动态和准动态这三种模式。相对而言，动态f f r 性能好但具 有较高的额外开销和复杂度，而静态f f r 的性能优化空间大。准动态f f r 在增益与额外 开销的平衡上具有明显优势，成为优化静态f f r 技术的重要途径。本文针对l t e 系统， 提出了一种新型高效准动态f f r 方案，其核心思路是：( 1 ) 从系统性能优化的角度，每 个用户都有最适合的复用模式；( 2 ) 由于中心用户的s i n r 较高，复用为l 的组网方式 已经接近最优解，故如何优化边缘用户的性能极为重要；( 3 ) 根据强干扰源的不同，细 分边缘用户，可在不改变复用因子的情况下提高s i n r ；( 4 ) 对于一小部分死角用户，其 s i n r 在复用因子为3 的情况下仍然很低，采取干扰避免可以有效地提高其s i n r ； ( 5 ) 用户可以在不同复用模式下切换，使用户选择最佳的复用模式。分析表明，本方案的主 要额外开销来源于对边缘用户类型的判断。 通过l t e 系统级仿真与分析，表明本文方案相对于静态f f r ，系统的平均频谱效率 以及边缘用户的频谱效率均有可观的提高，死角用户的数量也大幅度减少。研究表明， 本方案适合于l t e 郊区宏蜂窝环境，对农村宏蜂窝环境也较为适合，能产生明显增益。 关键词：部分频率复用，频谱效率，信干噪比( s i n r ) ，l t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s y s t e mc a p a c i t y i s a l w a y s a k e y i n d i c a t o ro ft h e p e r f o r m a n c e o faw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o c h a n n e ln e t w o r k i n gs c h e m ew i t hr e u s ef a c t o rlc o u l dm a k e m a x i m u mu s eo ft h es c a r c e l ya v a i l a b l er a d i or e s o u r c ea n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y h o w e v e r ， i nt h i sc a s e ，s t r o n gi n t e r f e r e n c ec o m i n gf r o me i t h e rt h en e i g h b o r i n gc e l lo rn e i g h b o r i n g s e c t o rw o u l di m m e n s e l yd e t e r i o r a t et h es e r v i n gq u a l i t yo ft h ec e l l e d g eu s e r s i nt h i sr e g a r d ， i n t e r f e r e n c e 豫n d o m i z a t i o n ，i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na n df r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ( f f r ) a r ea l lp o p u l a rs o l u t i o n s h o w e v e r ，f f re n j o y sm u c hh i g h e rg a i nc o m p a r e dw i t hi n t e r f e r e n c e r a n d o m i z a t i o na n dh a sm u c hl o w e rc o s ta n dc o m p l e x i t yc o m p a r e dw i t hi n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n t h u s 。f f ri sa ne m c i e n ta n de f f e c t i v es o l u t i o nt ob o o s tb o t ht h es y s t e m c a p a c i t ya n dc e l l e d g eu s e r s s e r v i n gq u a l i t yf 0 rt h en e x t - g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n dh a sb e e na d o p t e db yb o t hi ，t ea n dw l m a xs t a n d a r d sb o d i e s t h e r e f o r e ，f f ri s o u rf 1 0 c u si nt h et h e s i s f f rc o u l db ec l a s s i n e di n t ot h r e e c a t e g o r i e s ： s t a t i c f f r ，d y n a m i c f f ra n d q u a s i d y n a m i cf f r a m o n gt h e m ，d y n a m i cf f rs u f f e r sm u c hh i g h e rc o s ta n dc o m p l e x i t y ， w h i l et h ep e r f b r m a n c eo fs t a t i cf f ri sf a rf r o mo p t i m u m q u a s i d y n a m i cf f rh a si t s g a i n - c o s tt r a d e o f fa d v a n t a g e 。a n dr e c e i v e sg r e a ta t t e n t i o nt o e n h a n c et h ep e r f b r m a n c eo f s t a t i cf f r i nt h et h e s i s ，an e wq u a s i d y n a m i cf f ra l g o r i t h mi sp u tf o r w a r df o ri j r es y s t e m i t sk e yi d e a sa r e ：( 1 ) f r o mt h es y s t e mo p t i m i z a t i o np o in to fv i e w ，e a c hu s e rs h o u l dh a v e c e r t a i nb e s ts u i t a b l er e u s ep a t t e f n ；( 2 ) t h ef e u s ep a t t e r nw i t hr e u s ef a c t o rl i sc l o s et o o p t i m a ls o l u t i o nf o rc e n t e ru s e r sw h oe n j o yh i g hs i n r ，t h u sr e s e a r c hf b c u ss h o u l db eo nt h e e d g e - u s e r s ；( 3 ) r e f i n i n gt h er e u s ep a t t e r no fc e l l e d g eu s e r sa c c o r d i n gt ot h e i rd i f f b r e n tm a j o r i n t e r f e r e r sc o u l di m p r o v et h e i rs i n rw i t h o u tc h a n g i n gt h er e u s ef a c t o r ；( 4 ) i n t e r f e r e n c e a v o i d a n c ei sa p p l i e df o rt h ep r o t e c t e du s e r st oi m p r o v et h e i rs i n rc o n s i d e r a b l y ；( 5 ) i n t e r - r e u s ep a t t e r n h a n d 0 v e ra l g o r i t h mi sd e s i g n e dt 0e n s u r ee a c hu s e rc h o o s et h e i rb e s t s u i t a b l er e u s ep a t t e r n a n a l y s i ss h o w st h a tm a j o ro v e r h e a do ft h i ss c h e m ec o m e sf r o mt h e d e t e r m i n a t i o n0 ft h et y p eo fe d g eu s e r s s i m u l a t i o n i sd o n ea ta nl t es y s t e m - l e v e ls i m u l a t o r 1 ti ss h o w nt h a tt h ep r o p o s e d s c h e m eh a sc o n s i d e r a b l yi m p r o v e db o t ht h ec e l la v e r a g es p e c t r u me f f i c i e n c ya n dc e l i e d g e u s e r s s p e c t r u me m c i e n c y ，a n dt h en u m b e ro fp r o t e c t e d u s e r si s s i g n i n c a n t l yr e d u c e d a d d i t i o n a i l y s i m u i a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei sq u i t es u i t a b l ef b rs u b u r b a n m a c r o c e i is c e n a r i oa sw e i la sr u r a im a c r o - c e l ls c e n a r i ow “hd e s i r a b l eg a i n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第t t i 页 k e yw o r d s ：f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ( f f r ) ，s p e c t r u me f f i c i e n c y ，s i n r ， l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i 页 附图目录 图( 2 1 ) 三扇区静态时分f f r 组网7 图( 2 2 ) 非扇区化静态时分f f r 组网一7 图( 2 3 ) 静态时分f f r 帧结构8 图( 2 4 ) 三扇区静态频分f f r 组网 图( 2 5 ) 非扇区化静态频分f f r 组网 9 9 图( 2 6 ) 静态频分f f r 帧结构9 图( 2 7 ) f l u i d 模型示意图1 2 图( 2 8 ) 复用因子为1 组网1 2 图( 2 9 ) 不同中心边缘时隙比下用户吞吐量c d f 曲线16 图( 2 1 0 ) 不同中心边缘s i n r 门限下用户吞吐量c d f 曲线17 图( 2 1 1 ) 增强型部分频率复用2 1 图( 3 1 ) 本文方案组网方式2 6 图( 3 2 ) 本文方案帧结构2 6 图( 3 3 ) 本文方案流程图2 9 图( 4 1 ) 移动终端移动轨迹实例3 l 图( 4 2 ) 信道产生流程3 3 图( 4 3 ) l9 小区7 簇的w r a p a r o u n d 结构3 4 图( 4 4 ) 基站天线方向图3 4 图( 4 5 ) 边缘用户细分性能增益仿真结果3 7 图( 4 6 ) 干扰避免性能增益仿真结果3 9 图( 4 7 ) 复用模式间切换性能增益仿真结果4 0 图( 4 8 ) 本文部分频率复用方案性能仿真结果4 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i t 页 附表目录 表( 2 - 1 ) 静态时分部分频率复用与静态频分部分频率复用比较9 表( 2 2 ) 不同中心边缘时隙比下系统性能比较16 表( 2 3 ) 不同中心边缘s i n r 下系统性能比较18 表( 2 4 ) 符号及物理含义1 8 表( 4 1 ) 仿真环境3 5 表( 4 2 ) 部分频率复用仿真参数设置3 6 表( 4 3 ) 边缘用户细分性能增益统计3 8 表( 4 4 ) 干扰避免性能增益统计3 9 表( 4 5 ) 复用模式间切换性能增益统计4 0 表( 4 6 ) 不同频率复用方案性能比较4 1 表( 4 7 ) 各场景下各类用户数4 3 表( 4 8 ) 被保护用户数量4 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1l t e 系统与部分频率复用 无线通信系统从以模拟调制为基本特征的第一代( 1g ) ，发展到以数字调 制为基本特征的第二代( 2 g ) ，再发展到以码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 为核心技术的第三代，系统容量一直是标准化工作中最为核 心的指标之一，也是区分各代无线通信系统最为核心的参数之一。特别是近几 年来，随着数据业务需求的急剧飙升，如何更为有效地利用极其稀缺的频谱资 源，满足日益增长的业务需求，便成为了下一代无线通信系统的首要任务。 为此，w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 首先发 力，正当其迅速崛起时，3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 于2 0 0 4 年 开始了举世瞩目的l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目【1j - 【5 1 。由于w i m a x 支持2 0 m h z 带宽，而c d m a 在实现超过5 m h z 的大带宽时复杂度过高，为了 与如日中天的w i m a x 竞争，3 g p p 只好放弃了长期使用的c d m a 技术，转而 选择o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 作 为其物理层核心技术。由于l t e 物理层采用了o f d m 、m i m o ( m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 技术作为其核心技术，故相对于以c d m a 为核心技术的3 g 系统而言，l t e 已经有了革命性的变化，拥有某些4 g 通信系统的特征，被称 为3 9 g ，3 9 5 g 或“准4 g 。 l t e 对系统容量的要求是极为苛刻的，为此3 g p p 做了大量的努力1 6 】- 1 8 j ： ( 1 ) 放弃了c d m a 技术，采用o f d m 技术，从而使得系统带宽能够从5 m 扩 展到2 0 m ：( 2 ) 使用了m i m o 技术，虽然大大增加了实现的复杂度( 天线数 量还在不断增加) ，但从频谱效率而言，m i m o 技术能够突破香农界，进而提 高频谱效率；( 3 ) 针对小区间干扰( i n t e 卜c e l li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 这一蜂窝移 动通信系统不可回避的问题，设计了各种小区间干扰抑制技术以提高频谱效 率。m i m o o f d m 技术是在现有的干扰状况下提高系统的频谱效率，而小区干 扰抑制技术则是从频谱规划和资源分配的角度合理地控制系统的干扰，以提高 系统的频谱效率。 无论采用了多么先进的物理层技术，小区间干扰一直是蜂窝通信系统无法 回避的问题，对系统性能有举足轻重的影响。为了最大限度地利用极其匮乏的 频谱资源，蜂窝小区的组网方式趋向于复用因子为1 的组网模式。但在此种组 网模式下，来自邻小区( 邻扇区) 的强烈干扰会造成小区边缘用户性能的急剧 下降，这已成为了l t e 系统亟待解决的关键问题之一，受到了极为广泛的关 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 注。虽然复用因子为3 的组网方式可以解决边缘用户性能下降的问题，但由于 2 3 的频谱资源被闲置，严重阻碍了系统容量的提升。因此，如何既有效地提 高系统的频谱效率，同时改善边缘用户的性能，便成为了l t e 系统最为核心 的问题之一。为此，主要的干扰抑制方案包括： ( 一) 干扰随机化p j 干扰随机化可以通过小区特定加扰、小区特定交织、小区特定跳频来实现。 随机化后的干扰可以近似视为“白噪声”，但由于干扰本生并没有减少，所以 取得的增益很有限。 ( 二) 干扰消除【1 0 1 j 干扰消除是通过对干扰信号的解调甚至解码，在接收信号中消除已解调的 干扰分量，从而提高提升系统的s i n r 。比如，从理论上讲，配置了两根天线 的终端可以从空分的角度利用相邻小区至自身空间信道的差异来区分服务小 区的信号和干扰小区的信号。但研究和实践表明，这项技术很难取得令人满意 的效果。再如，终端可以将干扰信号解码重构后，从接收信号中除去。但为了 能够解码干扰信号，系统在资源分配，信号格式，小区间同步，信道估计精度 等方面都有很苛刻的限制。资源分配上要求干扰编码块与被干扰编码块使用重 叠的资源块；接收机得知道干扰信号的资源分配信息、信道信息、调制方式、 信道码率：小区间保持符号级和时隙级同步；很高要求的信道估计质量；明显 增高的接收端复杂度这一切限制让干扰消除技术的额外开销和复杂度过高， 在实际系统应用中受到诸多限制，难以产生有效增益。 ( 三) 部分频率复用( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ，f f r 了 部分频率复用技术其实属于干扰协调( i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ) 技术的 一种，但由于其受到广泛的研究与关注，而干扰协调技术又可以理解为动态的 部分频率复用技术，所以学术界通常把干扰协调技术也称为部分频率复用技术 【眩1 - 1 14 1 。不同学者提出各种部分频率复用方案，采用系统级仿真的方案仿真其 性能【15 】- 1 18 1 。传统意义上的f f r 技术的核心思想是根据用户的信号质量，将用 户分为中心用户和边缘用户。中心用户的信号质量较好，故采用复用因子为l 的组网模式，尽最大可能地利用稀缺的频率资源；而边缘用户在复用因子为l 的组网模式下的信号质量较差，主要需求是提高其s i n r ，故边缘采用复用因 子为3 的组网模式，这样虽然牺牲了2 3 的频率资源但是s i n r 的提高能够让 边缘用户的性能取得理想的增益。中心用户和边缘用户通过预先设定的s i n r ( 无扇区化的组网可以通过r s s i ) 门限来区分。 相对于干扰随机化技术而言，f f r 技术有高很多的增益，相对于干扰消除 技术而言，f f r 技术的额外开销和复杂度降低了很多。由于f f r 技术拥有最 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 佳的性价比，所以该技术受到了极为广泛的关注，成为学术界和工业界的研究 热点，同时被l t e 和w i m a x 标准机构多次讨论并采纳1 1 9 】- 【2 6 1 。研究表明f f r 是优化边缘用户性能，同时提高系统频谱效率的有效的解决方案f 2 7 】- 【33 1 。本论 文主要就这一关键问题展开研究、讨论与仿真，并提出一种新型高效准动态部 分频率复用方案进一步优化静态时分部分频率复用的性能。 1 2 静态和动态部分频率复用国内外研究现状 由于无线环境和蜂窝通信系统处理流程的高复杂性，绝大部分学者对部分 频率复用的研究和性能确认都是采用系统级仿真的方法。由于部分频率复用牵 涉到的相关技术较多，所以部分频率复用不是一个很容易独立出来考虑的问 题。所以，系统级仿真就成为了研究部分频率复用最为合理的方法，被绝大多 数学者采用： 部分频率复用广义上可以分为静态部分频率复用和动态部分频率复用。如 果动态部分频率复用有非常严格的附加限制条件来限制其“动 的范围与程度， 也可被称之为准动态部分频率复用。根据不同的设计理念，静态部分频率复用 又可分为静态时分部分频率复用和静态频分部分频率复用。静态时分部分频率 复用是利用不同的复用因子来实现中心用户与边缘用户的区别对待；静态频分 部分频率复用是利用不同的发射功率来实现中心用户与边缘用户的区别对待。 对静态部分频率复用的数学建模分析可以利用f l u i d 模型【3 4 】1 3 5 1 。从中可以看 到：1 ) 中心和边缘用户的s i n r ( 或r s s i ) 门限：2 ) 中心和边缘用户的时隙切， 换点；3 ) 边缘和中心用户的功率比，这3 个参数可以折中系统容量与边缘用 户性能。文献【3 6 】提出将每小区分成8 个扇区，相邻扇区交替使用不同的频段 的方案来代替f f r ，但比如频繁小区内部切换等问题作者并没加以讨论。动态 部分频率复甩技术就是根据终端的实时反馈，将资源块和功率进行动态的分 配，以最大化事先设定的系统目标函数。文献【3 7 】【3 8 】中，作者提出了需要中 心控制点的m u l t i s e c t o rg r a d i e n t ( m g r ) 算法，动态地调整各资源块的功率， 以实现整个系统的目标函数值的最大化。由于该算法是根据实时的反馈，提高 或降低部分资源块功率。但是该算法中某一资源块功率变化的决策过程中其他 小区资源块的功率变化情况是没有事先知道的，算法有收敛性问题，同时算法 的“滞后性 会严重影响其性能。文献【3 9 】中，作者通过分布式的功率调整算 法，实时地最大化加权平均后的用户速率值之和，这虽然没有滞后性问题，但 巨大的复杂度与系统开销使其难以产生额外增益。 动态部分频率复用的复杂度和系统额外丌销一般都非常大，而静态部分频 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 率复用还有优化空间，所以，准动态部分频率复用便成为了部分频率复用技术 研究的重点。文献 4 0 】【41 】中，作者以避开主要干扰源的原则对用户进行分类， 不同类的用户采用不同的频率复用因子，由于应用场景的不同，前者把用户分 为l ，2 3 ，1 3 三大类，后者将用户分为2 3 ，7 9 ，8 9 三大类。文献【4 2 】中，作者 设计了一个“两层 算法：基站层和中心控制点层。其算法需要被接入用户反 馈最强的两个干扰源，在基站层根据算法和预先设定的门限，计算得到需要进 行干扰避免的干扰源，以在中心控制点层进行干扰避免。文献【4 3 】中，通过邻 小区实时的干扰报告反馈，在能避免强干扰的情况下，尽量占用静态时分f f r 所闲置的2 3 的频率资源。文献【4 4 】中，作者为了避免边缘用户和邻小区中心 用户的干扰，作者将l 9 频率资源固定分配给边缘用户，2 9 资源固定分配给 中心用户，2 9 的闲置资源，对剩余4 9 的资源进行动态调度。准动态的f f r 方案虽然有很多，但其一般思想是：在静态的组网模式下，根据用户的主要干 扰来源，动态地调整分配给用户的资源块，同时也要能避免强干扰。但以上方 案为了实现动态地避免强干扰，或最大限度地利用闲置资源，需要大量用户反 馈强干扰源的信息，并且基站间也需要频繁交换大量的调度信息。 1 3 论文主要研究内容和工作安排 本论文的主要内容安排如下： 第二章在把部分频率复用分类后，分别介绍静态部分频率复用、动态部 分频率复用和准动态部分频率复用的常用模型。先介绍用于分析静态部分频率 复用的f l u i d 模型，在l t e 系统级仿真平台中得到静态部分频率复用相对于 传统复用模式的优势以及部分频率复用技术参数配置对系统性能的重要影响； 然后介绍通过功率调整实现动态部分频率复用的m g r 算法，并说明其有“滞 后性 这一问题；最后介绍准动态部分频率复用的两层( 基站层+ 中心控制点 层) 控制算法。 第三章详细介绍本论文提出的新型高效准动态部分频率复用技术方案。 在介绍了实用部分频率复用方案的基本要求后，从( 1 ) 边缘用户细分，( 2 ) 死角用户干扰避免，( 3 ) 各复用模式间的切换；这三个方面对本方案的核心思 想进行阐述。上述3 点可以被视为本方案的3 个子方案。为了表述更清晰，本 章末给出了本新型高效准动态部分频率复用方案的流程图。 第四章给出了本方案在l t e 系统级仿真平台上的性能仿真结果。首先介 绍了此l t e 系统级仿真平台，然后给出仿真环境和仿真参数的设置。同时为 了说明本方案的3 个子方案单独或配合使用都是有增益的，在l t e 系统级仿 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 真平台上分别仿真得到了方案( 1 ) 单独使用、方案( 1 ) ( 2 ) 以及方案( 1 ) ( 3 ) 联合使用的系统性能。在得到了仿真结果后，对本方案的适用场景、增 益与额外开销进行了深入分析。 第五章对部分频率复用技术和本新型高效准动态部分频率复用方案进行 了总结，最后给出了毕设工作中存在的不足之处以及对未来的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章部分频率复用及其常用模型 2 1 部分频率复用类别 部分频率复用技术可分为静态、动态和准动态这三种模式。静态部分频率 复用又可分为静态时分部分频率复用和静态频分部分频率复用。静态时分部分 频率复用是利用不同的复用因子来实现中心用户与边缘用户的区别对待；静态 频分部分频率复用是利用不同的发射功率来实现中心用户与边缘用户的区别 对待。静态时分频率复用中，中心用户的频率复用因子为l ，边缘用户的频率 复用因子为3 ；静态频分部分频率复用中，中心用户以低功率占用2 3 的资源 块，边缘用户以高功率占用l 3 的资源块。动态部分频率复用中，没有明确的 中心用户和边缘用户的概念，核心理念是通过动态频谱资源和功率分配，系统 进行动态干扰协调，最大化预先设定的效用函数；准动态部分频率复用的基本 思想是在静态部分频率复用的基础上，根据用户的主要干扰来源，动态地调整 分配给用户的资源块，以达到避免强干扰，提升系统性能的目的。 2 1 1 静态时分部分频率复用 在任意一个小区或者扇区内用户由于地理位置的不同，一部分用户的信号 质量较好而另一部分用户的信号则较差，这是无线蜂窝通信系统的固有现象。 静态时分部分频率复用就是根据用户信号质量的好坏将所有用户分为两大类 来区别对待。信号质量好的用户以提高频谱的利用率为设计原则；而对于信号 质量差的用户，如何有效提高其信号质量就成为了主要矛盾。在非扇区化的 o f d m a 系统中，距离服务基站较近的用户的信号衰落较小，而干扰衰落较大， 这些用户拥有较高的s i n r 或r s s i ，称之为中心用户。相反，距离服务基站较 远的用户，其信号衰落较大，而干扰衰落较小，这些用户的s i n r 或r s s i 较 低，称之为边缘用户。在扇区化的o f d m a 系统中，同样可以根据用户的s i n r ， 将用户分为中心用户和边缘用户两大类。本文采用s i n r 来区分中心用户与边 缘用户。 如果，用户i 的s i n r i = s i n r i h d l ， 用户i 为中心用户； 否则， 用户i 为边缘用户； 其中，s i n r t h d l 是区分中心用户与边缘用户的s i n r 门限。这罩需要说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的是，实际情况下不同的扇区可以根据自身的情况确定不同的s i n r 门限以适 应不同的业务需求。 由于中心用户的s i n r 较高，其采用复用因子为1 的组网方式能够最大化 频谱利用率，进而提高其频谱效率。但对于边缘用户而言，强烈的干扰导致其 s i n r 较低，性能恶化非常明显，采用复用因子为3 的组网模式能够明显改善 其s i n r ，以最终达到提高边缘用户频谱效率的目的。中心用户的频谱利用率 为1 而边缘用户的频谱利用率为l 3 ，这使得整个系统的频谱利用率为介于l 3 与1 之间的一个分数。因此，部分频率复用时常也常常被称为分数频率复用。 从帧结构角度而言，静态时分部分频率复用把所有资源块分为4 部分，第一部 分以复用因子为1 的模式分配给中心用户，第二、三、四部分以复用因子为3 的模式分配给边缘用户。 中心用户与边缘用户的时隙切换点对部分频率复用的性能将会有极大的 影响。也正是由于中心用户与边缘用户时隙切换点的存在使得中心用户只可能 与中心用户之间产生干扰，边缘用户也只可能与边缘用户之间产生干扰。中心 用户与边缘用户之间不存在互相干扰是静态时分部分频率复用的一大特点。从 功率角度而言，在系统最大功率限制的前提下，中心用户占用所有的频率资源 而边缘用户只占用1 3 的频率资源，所以基站发送端对边缘用户的发射功率会 是对中心用户发射功率的3 倍，这与边缘用户的低s i n r 、中心用户的高s i n r 的特点正好相匹配，是静态时分部分频率复用的另一特点。但是从系统资源管 理的角度来看，中心用户与边缘用户时隙切换点的存在降低了系统资源分配的 灵活性，同时也很难使所有用户都在系统预先设计的吞吐量公平性调度准则 ( 比如比例公平调度准则) 下进行资源分配。静态时分部分频率复用的组网模 式和帧结构分别见图( 2 1 ) 、图( 2 2 ) 和图( 2 - 3 ) 一，e = j 。：一 ，：2 $ 一一_ _ _ _ _ _ _ 。 图( 2 1 ) 三扇区静态时分f f r 组网 j 一i j ，1 i i1 i i1 i - i 一i 一 i1r ，、- 一 、i i 、，_ l i o i ，瑚 ij b u ij ￥f l _ j 撼 1 1 _ 二日嘲 1_窄l啊 _ * 日- - 蕾_ 、( ) w 2 ( ) 鳜i 图( 2 2 ) 非扇区化静态时分f f r 组网 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 w ( j 蚕 w 2 图( 2 3 ) 静态时分f f r 帧结构 2 1 2 静态频分部分频率复用 静态频分部分频率复用与静态时分部分频率复用一样，需要预先设定一个 s i n r 门限来把所有用户分为中心用户与边缘用户两大类。但不同的是：静态 时分部分频率复用是通过组网复用因子的不同来区别对待中心用户与边缘用 户，而静态频分部分频率复用主要是通过发射功率的高低来区别对待中心用户 与边缘用户。静态频分部分频率复用将所有资源块等分为3 部分。边缘用户以 复用因子为3 的组网模式使用1 3 的频率资源，剩余的2 3 的资源块分配给中 心用户。由于静态频分部分频率复用中没有中心控制点，所以会造成中一心用户 与边缘用户的相互干扰。分配给边缘用户的资源块的功率较高，而分配给中心 用户的资源块的功率较低( 一般相差1o 倍以上) 。中心用户由于本身的信号衰 落小、干扰信号衰落大的优势，在低功率下的性能也不会太差，边缘用户由于 拥有高功率的资源块，所以相对于复用因子为1 的情况其性能会有所改善。 边缘用户与中心用户的功率比对系统的性能有举足轻重的影响，能够权衡 中心用户与边缘用户的性能需求。通过边缘用户与中一心用户功率比的调节可以 改善边缘用户的性能，但是边缘用户性能的改善将会损害中心用户的性能。在 一定的范围内，边缘用户与中心用户功率比越大，边缘用户性能越好，但系统 平均吞吐量会下降：边缘用户与中心用户功率比越小，边缘用户性能越差，但 系统平均吞吐量会提高。 相对于静态时分部分频率复用而言，静态频分部分频率复用最大的优点是 能充分利用极为稀缺的频率资源。但是由于没有时隙切换点，中心用户与边缘 用户互相干扰的问题4 i 可避免，这人人降低了其性能增益。中心门j - 性能刁i 突 出与边缘j 羽户性能优化空间受限是静态频分部分频率复用十h 对于静态时分部 分频率复用的两大劣势。不难发现，静态频分部分频率复用模式下的中心用户 及边缘用户的s 1 n r 分别比静态时分部分频率复用模式下的中心用户与边缘用 j ，的s l n r 更低。静态频分部分频率复用的组网模式和帧结构分别如图( 2 4 ) 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 5 ) 和图( 2 6 ) 。 图( 2 4 ) 三扇区静态频分f f r 组网 w 2p 。 图( 2 5 ) 全向天线静态频分f f r 组网 w 2 图( 2 6 ) 静态频分f f r 帧结构 表( 2 1 ) 静态时分部分频率复用与静态频分部分频率复用比较 静态时分部分频率复用静态频分部分频率复用 优势中心用户与边缘用户间不会相互干扰，性频谱利用率高 能优化明显 劣势中心用户与边缘用户时隙切换点限制资中心用户与边缘用户的相互干扰严重 源分配的灵活性束缚性能的优化空间 2 1 3 动态部分频率复用 从静态部分频率复用的设计思想中可以得到部分频率复用技术就是利用 资源块及功率的合理分配来提升系统的性能。在有限的频率资源下，如何从无 线资源管理的角度来协调控制系统的干扰对系统的性能会有决定性的影响。动 态部分频率复用本质上就是动态干扰协调，由于部分频率复用技术受到了极为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 广泛的关注，并且动态干扰调整也可以视为一种广义上的部分频率复用，因此， 很多文献里就将动态部分频率复用作为动态干扰协调等同起来。 静态部分频率复用相对于传统的复用因子为1 和复用因子为3 的组网模式 有着明显的增益。但静态部分频率复用的性能还有非常大的优化空间，这是由 无线通信系统的特征决定的。其一，同是s i n r 较低的边缘用户，其主要的干 扰源可能是不同的，所以相对应的复用模式也应该不同。其二，由于无线信道 的大尺度和小尺度衰落，某一用户的主要干扰源是会发生变化的。其三，对于 边缘用户而言，复用因子为3 的组网模式虽然可以提高其性能，但并不是最佳 的。动态的部分频率复用能够根据实际具体的用户需求及信道情况，更加合理 地协调系统的干扰，找到最佳的频谱利用率与s i n r 的折中，从而进一步提升 系统的性能。 动态频率复用的基本问题可以概括为：以最大化系统的效用函数值为最终 目的，每个b s 根据自身的信道状况和其他b s 的干扰情况，动态地决定每个 资源块是否被使用，被哪个用户使用，发射功率为多少。效用函数代表一种吞 吐量与公平性的综合效果，是系统优化的最终目标。对于上述问题，如果想从 数学的角度得到最优解，不仅实际的额外开销和负责度过高，就连理论上想得 到求解也极为困难。为了简化问题，可以从两个方面分别进行考虑：1 ) 全系 统内进行动态资源分配；2 ) 全系统内进行功率调整。这里需要说明的是，从 无线蜂窝通信系统的层面上进行动态干扰协调不仅需要用户终端大量的反馈 信息而且基站间的也会有大量的信息交互，这使得其额外开销和复杂度大大加 大，实际应用价值大大折扣。 2 1 4 准动态部分频率复用 针对动态部分频率复用过高的额外开销和复杂度以及静态部分频率复用 可观的性能优化空间，准动态部分频率复用应运而生。准动态部分频率复用比 动态部分频率复用的复杂度和额外开销会低很多，而相对于静态部分频率复用 可以产生明显增益，是实际网络应用中的优选方案，受到了学术界和工业界的 广泛关注和研究。 准动态部分频率复用的基本思想是：基于静态部分频率复用，在动态进行 资源分配和功率调整时，增加一些限制条件，只对一部分资源块以有限的自由 度进行动态的调整。相对于静态部分频率复用而言，谁动态部分频率复用能够 根据用户干扰源的不同，动态地协调干扰，进一步优化系统性能；相对于动态 部分频率复用而言，准动态部分频率复用是在预先设置好的限制条件下，动态 地协调系统的干扰，所以性能增益会有所减小，但额外开销和复杂度会大大降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 低。例如，根据具体的组网情况，预先设计好若干种频率复用模式，以准动态 的方式让用户选择最佳的复用模式。预先设计好的若干种频率复用模式就是限 制条件，避免了对系统资源进行全盘的动态分配，大大降低了系统的额外开销 和复杂度。再如，在静态时分部分频率复用的基础上，通过比较现有干扰状况 与预先设定的干扰避免门限，对边缘用户所闲置的2 3 频率资源进行准动态的 调度，可以合理协调系统干扰、提高系统的频谱利用率，最终提升系统性能。 2 2 静态部分频率复用数学模型 相对于传统的复用因子为l 或复用因子为3 的组网模式，静态部分频率复 用到底能产生多大性能增益是研究部分频率复用的第一个关键问题。用数学的 方法对部分频率复用技术进行建模和分析能够从数学的角度比较各种频率复 用模型的性能，具有很高的指导价值。部分频率复用的数学建模与分析一般基 于f l u i d 模型【3 4 】【35 1 ，由于f l u i d 模型只适用于非扇区化的蜂窝通信系统，所 以，对静态部分频率复用的数学分析仅针对非扇区化的蜂窝通信系统。 2 2 1 f l u i d 模型 f l u i d 模型的最核心思想就是用在空间上连续分布的无限多个b s 来代替 空间上离散分布的b s 。所以，系统可以被用户密度成以及基站密度p r 。来加以 刻画。为了分析方便，假设用户和基站在研究空间内是均匀分布的，这样的话 成及p 嬲在整个空间内都是常数。用最表示基站对每个子载波的发送功率。 我们任选一个小区对其中一个子载波进行分析。其周围是由邻小区以及更 大复用距离的小区组成的一个网络，分析的要点是对b s 和m s 的离散分布抽 象为连续分布。不失一般性，假设整个网络是一个半径为如的圆，每两个小 区之间距离的一半是足。现在考虑任意一个用户u ，位于距离服务基站，：的地 方。在距离用户u 为z 的面积单位砘，d 里面一共有p 艄z 捌8 个基站。信道只 考虑大尺度衰落的路径损耗，彳z 一，a 为取决于发射以及接收天线的常数，叼表 示路径损耗系数，一般在2 到4 之间。现在来计算其他b s 对此用户u 的干扰， 用l 。表示。 l = r 疗艇觚昂止叫删p = 等【( 2 足一吒) 2 l ( k 一乞) 2 - 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