幾種新型頻率復(fù)用技術(shù)的比較研究

摘 要：文章重點(diǎn)討論了幾種新型的頻率復(fù)用技術(shù)以及它們對通信質(zhì)量的提升，通過比較的方式，分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效率的通信打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：頻率復(fù)用；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；算法優(yōu)化

中圖分類號：TN911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0061-03

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，我們對頻率資源的需求越來越大。如何有效利用頻率資源，實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信息傳輸，覆蓋盡可能多的用戶一直是我們追求的目標(biāo)。隨之涌現(xiàn)出的一大批無線通信技術(shù)中，頻率復(fù)用技術(shù)顯示出其非凡的應(yīng)用前景。研究頻率復(fù)用技術(shù)的主要目的在于通過抑制單元間干擾，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信以及進(jìn)一步提高頻譜使用效率，實(shí)現(xiàn)更大容量的信息傳輸。本文著重介紹幾種新型的頻率復(fù)用技術(shù)，并通過比較分析了它們對通信效率與質(zhì)量的提升作用。

1 分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用

1.1 簡介

分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）是指小區(qū)內(nèi)部的頻率復(fù)用因子FRF=1，小區(qū)邊緣的FRF=3。由于FRF既不完全等于1，也不完全等于3，所以稱為FFR。采用FFR的原因是因?yàn)楫?dāng)小區(qū)內(nèi)部的干擾可以消除時(shí)，通過Shannon信道容量計(jì)算公式可以得到：FRF=3可實(shí)現(xiàn)小區(qū)邊緣容量的最大化。增大FRF減少了每個(gè)小區(qū)可使用的頻帶，但同時(shí)也提高了干擾加噪聲比（SINR）。兩者在FRF=3時(shí)達(dá)到了最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了容量的最大化。而OFDMA又可以滿足“小區(qū)內(nèi)部干擾被消除”的條件，使得FFR變得切實(shí)可行。對于小區(qū)內(nèi)部而言，由于SINR較大，不需要通過增大FRF來提高SINR，所以采用同頻復(fù)用即FRF=1。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)單元六邊形的靠近頂點(diǎn)的邊界上放置六個(gè)中繼站（RS）。這樣，夾于兩個(gè)RS之間的扇區(qū)與基站（BS）之間只有2/3個(gè)單元半徑。移動站（MS）可以直接與BS通信，也可以通過RS與BS進(jìn)行通信。這就要求RS要能覆蓋單元邊界。具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：每個(gè)單元被非為X，Y，Z三個(gè)扇區(qū)；每個(gè)扇區(qū)的RS可以分別使用F1， F2， 和F3頻帶進(jìn)行RS-MS通信。

1.3 幀結(jié)構(gòu)和頻率復(fù)用算法

幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含了上行幀和下行幀?？偣灿蠳個(gè)時(shí)隙和兩個(gè)DGT（duplex guard time），上行幀占有其中的M個(gè)時(shí)隙，其余的均被下行幀占有。每幀也有L個(gè)子通道，并且在頻域中等分為F1， F2和F3三種頻帶。每個(gè)時(shí)隙又分成兩個(gè)時(shí)間和頻率上都相等的單元，稱為OFDMA符號。在OFDMA符號之間又加入一個(gè)GTG（guard time gap）。圖2中縱坐標(biāo)為X扇區(qū)的頻率分配方式，F(xiàn)1用于RS-MS通信，F(xiàn)2和F3用于BS-MS通信，其它扇區(qū)中的工作方式可以此類推。

1.4 方案優(yōu)勢

圖3為不同干擾抑制因子（ISF）情況下小區(qū)中的SINR。從圖中我們可以看出，F(xiàn)FR可以有效地抑制單元間干擾（ICI）。

2 軟頻率復(fù)用技術(shù)

2.1 簡介

在軟頻率復(fù)用（SFR）中，頻帶不再只有使用和不使用兩種選擇方式，而是可以通過功率門限決定其在多大程度上被使用，所以FRF可以在1到3之間平滑過渡，SFR因此得名。與FFR相比，無論是在小區(qū)邊緣還是小區(qū)內(nèi)部，SFR都可以獲得更多的頻帶和更大的頻譜使用率。此外，通過調(diào)整副載波與主載波的功率門限的比值，SFR還可以適應(yīng)負(fù)載在小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)邊緣的分布，從而可以進(jìn)一步提高頻譜使用率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4為SFR的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)小區(qū)分為三個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)中有三個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)（RN），每個(gè)RN與BS的距離為4/5個(gè)小區(qū)半徑。系統(tǒng)中存在三種連接，分別為基站至用戶（BS-UE）連接，中繼站至用戶（RN-UE）連接和基站至中繼站（BS-RN）連接。

2.3 幀結(jié)構(gòu)和頻率復(fù)用算法

每個(gè)子幀分成兩個(gè)相等的時(shí)隙TS1和TS2。TS1中包含BS-UE和RN-UE兩種連接，而TS2中包含BS-UE和BS-RN連接，如圖5所示。

假設(shè)W是系統(tǒng)總頻帶，將W分成A，B，C，D四個(gè)頻帶。其中，基帶A可以被每個(gè)扇區(qū)復(fù)用，專用于BS-UE通信，而剩余的B，C，D則用于RN-UE通信。

按扇區(qū)目標(biāo)容量的不同，互相正交的B，C，D分別分配給同一單元的三個(gè)扇區(qū)，成為該扇區(qū)的專用頻段。而對于每個(gè)扇區(qū)，除去基帶、該扇區(qū)專用頻段后的頻帶稱為二次帶，同樣可用于BS-UE通信，從而實(shí)現(xiàn)扇區(qū)的FRF=1，如圖6所示。

2.4 方案優(yōu)勢

在自適應(yīng)SFR方案中，根據(jù)扇區(qū)的目標(biāo)信道容量動態(tài)地估算分配給該扇區(qū)的頻帶，進(jìn)一步提高了頻譜使用率，圖7為不同方案下頻譜使用率隨分布因子（單跳與雙跳用戶數(shù)之比）變化的比較。從圖中我們可以看出FFR1的性能雖不如JAP，但總體上要優(yōu)于FA-3RN。

3 一種新穎的頻率復(fù)用方案

3.1 簡介

與修正軟頻率復(fù)用（MSFR）相比，該新穎的頻率復(fù)用（NFR）方案用一個(gè)與r（固定中繼站（FRS）和基站（BS）的傳輸功率比）有關(guān)的BS的干擾代替了兩個(gè)固定RS的干擾。只要選擇合適的r，就可以有效地抑制ICI，實(shí)現(xiàn)較高的頻譜使用率和較好的通信質(zhì)量。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖8所示，六邊形小區(qū)的中心位置上放置BS，各個(gè)頂點(diǎn)位置上放置FRS，F(xiàn)RS與BS之間的距離為小區(qū)半徑的2/3，此外還有位置不固定的移動站（MS）?？偟膩碚f，與FFR的單元結(jié)構(gòu)較為相似。

3.3 幀結(jié)構(gòu)和頻率復(fù)用算法

如圖9所示，該頻率復(fù)用方案使用LTE的TDD幀結(jié)構(gòu)。其中，DwPTS用來實(shí)現(xiàn)信號同步，UpPTS用來隨機(jī)存取，此外還有GP（guard period）。UL（uplink）和DL（downlink）分別占據(jù)了兩個(gè)子幀。第一個(gè)子幀包含BS對FRS和MS的傳輸，第二個(gè)子幀包含MS對BS和FRS的接收。

由于BS可以直接與MS通信，也可以通過RS間接地與MS通信，所以我們可將MS分成內(nèi)部區(qū)域的單跳MS和外部區(qū)域的雙跳MS。如圖10所示，將總頻帶均分為B1到B6六個(gè)頻段，又將六個(gè)頻段分成A1到A3三組（被分到同一組的頻帶必須正交）。在外部區(qū)域，B1到B6分別被分配給六個(gè)FRS；在內(nèi)部區(qū)域，單元分成三個(gè)扇區(qū)并使用A1到A3三組頻段。如此，每個(gè)區(qū)域都使用了整個(gè)頻帶，從而使內(nèi)外區(qū)域的FRF都等于1，提高了頻譜使用率。

3.4 方案優(yōu)勢

該頻率復(fù)用方案的SINR和頻譜使用率分別見于圖11和圖12。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇了最優(yōu)的r值之后，該頻率復(fù)用方案在SINR性能方面比MSFR只差了一點(diǎn)點(diǎn)，但在頻譜使用率方面新方案具有巨大的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

綜上所述，頻率復(fù)用技術(shù)的研究就是要追求更高的頻譜使用率和更好的噪聲干擾抑制。從以上的例子中，我們可以發(fā)現(xiàn)通過對小區(qū)中心地區(qū)和小區(qū)邊緣地區(qū)的區(qū)別對待——設(shè)置不同的FRF、緩變的FRF或者改善頻率復(fù)用方案，可以有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)清晰、高效的通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 艾青.GSM系統(tǒng)的幾種頻率復(fù)用方式比較[J].電信技術(shù)，1996，（4）.

[2] 李美玲，田啟川，董增壽，等.部分頻率復(fù)用（軟頻率復(fù)用）技術(shù)性能分析及研究[J].通信技術(shù)，2008，（8）.