OFDMA系統同頻干擾抑制技術研究進展

蔣紅君,張祖凡,吳愛愛

(重慶郵電大學,重慶 400065)

1 引 言

正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Divided Multiple Access,OFDMA)是新一代移動通信標準確定的多址接入方式[1],它將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集,并將不同子載波集分配給不同用戶實現多址。在理想同步情況下,OFDMA系統中不同用戶用互不重疊的子載波集來實現系統無多用戶間干擾,并將時間、帶寬等資源在頻率上進行分割從而實現多用戶接入,動態地將可用帶寬資源分配給不同需要的用戶進而實現系統資源優化利用。由于OFDMA具有這些特點,使得其在頻譜利用率、系統容量和抗多徑衰落等方面的優勢非常明顯。

與其它多址接入方式一樣,如何有效處理同頻干擾問題對整個OFDMA系統的組網尤為重要。目前,相關研究主要集中在利用小區分裂或扇區頻率復用[2-5]、各種波束成形技術[6-10]、信號檢測與信道估計的延伸技術[11-19],以及切換譯碼等技術[20]上,這些算法盡管能在抑制干擾問題上能很好的提高誤比特率、頻譜利用率,但是卻降低了系統的吞吐量和容量。

為此,本文通過分析比較OFDMA系統常用的抗同頻干擾技術以及擴展技術的優點和不足,給出未來OFDMA移動通信系統抑制干擾技術方面的若干研究方向。

2 各種干擾抑制技術分析

OFDMA系統提出的消減小區間干擾的方法有干擾隨機化、干擾消除和干擾協調。干擾隨機化不降低干擾信號的能量,只是將干擾隨機化為“白噪聲”,從而使信道譯碼器只與信號產生匹配關系,抑制鄰近小區干擾;干擾消除包含交織多址技術和波束成形技術;干擾協調主要以軟頻率復用為主,方法簡單,且對OFDMA多址技術有很好的干擾抑制作用。

OFDMA系統小區間的干擾源為鄰近小區的基站,小區內任何用戶將不可避免地受到鄰近小區下行信號的干擾,移動臺距離基站的遠近不同,其受到干擾大小不同,特別是小區邊緣用戶受到的干擾更為嚴重。OFDMA系統主要利用各種干擾協調技術進行干擾控制,降低干擾水平,提高邊緣用戶吞吐量。

OFDMA系統中常用的抗同頻干擾技術有3種。

2.1 頻率復用

目前為止,各種新穎的頻率復用技術以及延伸技術在現代通信系統中得到討論,現代通信中的頻率復用已不是單純的小區之間的頻率復用,還有扇區之間和扇區以及小區之間的軟頻率復用。文獻[2](圖1)為多小區OFDMA提出一種新的頻率復用方案來降低同頻干擾(Co-channel Interference,CCI),其思想為劃分所有子載波為兩個部分,一部分用在小區的中心區域,另一部分用在小區邊緣。頻率復用因子(FRF)在小區中心為1,在小區邊緣為3,而小區邊緣分為3個扇區,因此在小區邊緣的子載波也分為3個部分,兩種子載波組根據用戶的分布和服務要求適應柔軟地分配,此方案能帶來更高的信道容量和更低的CCI,同時在小區邊緣能提高數據速率。文獻[3](圖2)中的頻率RUP(Reuse Partitioning,復用分割)技術可以提高多小區系統吞吐量。RUP方案是按物理信道分配子載波的,在RUP技術中一個小區被劃分成幾個不同復用因子的區域,緊鄰基站(Base Station,BS)的移動臺(Mobile Station,MS)分配給較小復用因子的信道,相反遠離BS的MS分配給復用因子較大的信道。按這種方式,RUP可以降低CCI的影響和提高系統吞吐量。文獻[4](圖3)中是典型的靜態軟頻率復用方案,其中的微頻率復用和微時間頻率復用以及微頻率復用和波束成形技術的結合同樣可以鞏固系統和小區邊緣的性能。文獻[5](圖4)提出的虛擬小區技術以高的頻譜利用率和高的功率效率為技術特征。其為了降低CCI和提高一個小區的容量,每個小區被分為3個120°的扇區,而來自不同的小區的每3個相鄰的扇區就組成了一個“虛擬小區”。

圖1 頻率復用Fig.1 Frequency reuse

圖2 頻率復用分割Fig.2 Reuse partitioning

圖3 靜態軟頻率復用Fig.3 Static soft frequency reuse

圖4 虛擬小區Fig.4 Virtual cell

盡管頻率復用一定程度上解決了頻譜資源短缺的問題,它在降低容量的同時會帶來一定的干擾,需要在頻率復用時采用相應的技術來抑制同頻干擾。

2.2 波束成形技術

由于在頻率選擇性衰落信道能提供高的頻譜利用率和數據傳輸率,空時編碼和OFDM技術的結合在3GPP LTE中得到廣泛使用。但是,由于信號從兩個傳輸天線到接收天線的時候會被迭加和干擾,所以空時編碼消弱了系統抑制干擾的能力,因此在空時編碼(Space-Time Codes,STC)-OFDM系統中抑制CCI也是非常必要的,其中波束成形技術得到廣泛研究。文獻[6]中提出的基于最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)和零控(Null Deepening)自適應波束成形方案來抗爭STC-OFDM系統的CCI。文獻[7]提出一種新的基于波束成形采用角度分集的CCI消除方法,此方法在保留空時結構時能有效的抑制CCI,且在沒有重要參數性能降低的情況下很大的提高了系統的抑制干擾能力。

現在,自適應波束成形技術大量應用于蜂窩小區的基站,以便能更有效地增加系統容量和提高頻譜利用率。

2.3 信號檢測與信道估計

基于信號檢測和信道估計抑制CCI的方法同樣在現代通信系統中廣泛使用,不同的信號檢測方法和信道估計方法以及延伸的技術比起傳統的方法在抑制CCI上有很大提高。文獻[11]中信號傳輸包首先分成兩部分,第一部分通過preFFT-STF(在FFT之前接受信號空時濾波(STF))來檢測,第二部分通過postFFT-SF(在FFT之后接受信號的空間濾波(SF))來檢測。仿真結果表明提出的新方案比單獨使用preFFT-STF和postFFT-SF有很大的優越性。文獻[12]為OFDM提出一種功率適應——聯合最大后驗概率(PA-JMAP)的單天線干擾消除(SAIC)算法,此方案表明在嚴重的CCI情況下,比起傳統的快速解碼器(CVD)新提出的PA-JMAP解碼器能很大程度的提高OFDM系統的誤碼率性能。文獻[13]設計出一種通過用喬里斯基分解和低通濾波來測量干擾空間的協方差矩陣估計器,能很好地抑制MIMO OFDM系統里的CCI。文獻[14]在移動基站接收端提出一種軟判決最大似然估計CCI消除器和改進的最大比例結合(M-MRC)方法來獲得對傳輸信號的估計,信號干擾比(SIR)在多徑衰落和平坦衰落信道分別獲得的值為9dB和6dB。文獻[17]在信號格式不確定的COFDM系統下采用線性MMSE多用戶檢測(Multiple User Detection,MUD)來克服CCI,文章提出的多級干擾消除(MIC)和增強型多級干擾消除(EMIC)方案來消除LMMSE MUD其它子載波輸出的殘余影響。文獻[18]中提出最大似然迭代接收機能有效地抑制CCI,文獻[19]提出的一種降低復雜度的最大后驗概率接收機能有效地降低CCI。

以上是一些基本的抗同頻干擾的技術,除此之外,還有很多如切換、譯碼等技術也能很好地抑制CCI。

3 抑制CCI技術存在的問題

上述技術雖然從頻率復用、波束成形以及信號檢測和信道估計方面進一步提高了頻率利用率、BER以及FER等系統參數,改善了移動通信系統的性能,但同時在吞吐量和系統容量等方面提出了更高的要求。這使得這些方案的進一步發展受到這些方案本身局限性的影響。

3.1 從誤比特率上看

表1所示為幾種抑制CCI的方案的誤比特率比較,可以看出文獻[8]盡管抗CCI的同時對BER提高很有效,但是它對相干帶寬比較敏感;文獻[12]雖然在 BER提高上同樣有效,但是它在SNR小于10dB的時候由于高斯白噪聲會產生很多錯誤判決,這樣為了降低復雜度和電池生命迭代譯碼就會停止;文獻[10]中的最小均方和最小平方與波束成形技術的結合盡管也能在天線數越多的時候BER性能越好,但是這樣卻帶來了高的計算復雜度;文獻[15]盡管幾乎不會帶來其它副作用,但是其BER性能指數已經不能算作有很大提高了;文獻[16]的復雜度很低但是BER數量級是不能和前幾種方案相比較的。

表1 誤比特率比較Table 1 BER comparison

3.2 從誤幀率上來看

表2所示為幾種抗CCI方案的誤幀率比較,可以看出文獻[6]的算法盡管FER參數的數量級很大,這局限了天線到達角度(DOA)必須很靠近;文獻[9]中的FER數量級也很大,但它需要在現有的STC-OFDM系統里面確定DOA;文獻[13]的這種基于喬里斯分解和低通濾波器的最大后驗概率接收器的誤幀率(FER)指標很好,但其代價是復雜度提高了;文獻[18]由于空間相關性的增加FER性能就會由于信道估計而降低;文獻[19]當干擾數量未知并且隨時間變化的時候就會增大FER。

表2 誤幀率比較Table 2 FER comparison

3.3 從頻譜利用率和吞吐量上來看

文獻[4]中的頻譜利用率隨著用戶數或者扇區數而增加,但是吞吐量卻隨著用戶數或者扇區數而降低,所以這需要在兩者之間進行折衷。

上述分析表明,抑制同頻干擾技術盡管有很多優點,但必然會在各自的方案中遇到不同的局限,從而使得這些技術的進一步應用受到種種限制。

4 結束語

OFDMA作為下一代移動通信系統的關鍵技術之一,特別需要在抑制同頻干擾問題上深入研究,因此頻率復用波束成形技術的結合等延伸技術將是一個具有廣泛前景的研究方向。作為干擾受限的移動通信系統,盡可能地降低同頻干擾是提高系統容量的重要措施之一。

3GPP LTE由于采用了OFDMA的接入方式而帶來了不同于CDMA的干擾問題,盡管OFDM技術存在特殊性,但我們還是需要在OFDMA系統干擾問題上多做努力,具體可從以下方面著手:

(1)如何進一步在OFDMA系統上采用部分頻率復用、軟頻率復用和增強型的軟頻率復用技術,使得相鄰小區之間的干擾信號源的距離盡可能遠,從而抑制相鄰小區的干擾,達到改善傳輸質量、提高吞吐量的效果;

(2)由于頻率復用是對整個小區的頻率進行了一定的限制,所以整個小區的吞吐量會有一定程度的下降,這樣可以在已有的波束成形技術基礎上進一步開發合理方案,以達到既提高傳輸質量又不降低系統的吞吐量的目的;

(3)新型的信道估計和信號檢測方案在抑制同頻干擾問題也很有優勢,各種信道估計算法、信號檢測方案以及合理的設計接收機都在抑制干擾問題上得到推廣,因此可以結合這些算法推論出更新穎的方案,以達到系統傳輸質量的提高。

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