幾種新型頻率復用技術的比較研究

摘 要：文章重點討論了幾種新型的頻率復用技術以及它們對通信質量的提升，通過比較的方式，分析了它們各自的優缺點，為進一步實現高效率的通信打下了基礎。

關鍵詞：頻率復用；網絡規劃；算法優化

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

隨著無線通信技術的發展，我們對頻率資源的需求越來越大。如何有效利用頻率資源，實現信道容量的最大化，實現高質量的信息傳輸，覆蓋盡可能多的用戶一直是我們追求的目標。隨之涌現出的一大批無線通信技術中，頻率復用技術顯示出其非凡的應用前景。研究頻率復用技術的主要目的在于通過抑制單元間干擾，實現高質量通信以及進一步提高頻譜使用效率，實現更大容量的信息傳輸。本文著重介紹幾種新型的頻率復用技術，并通過比較分析了它們對通信效率與質量的提升作用。

1 分數頻率復用

1.1 簡介

分數頻率復用（FFR）是指小區內部的頻率復用因子FRF=1，小區邊緣的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的原因是因為當小區內部的干擾可以消除時，通過Shannon信道容量計算公式可以得到：FRF=3可實現小區邊緣容量的最大化。增大FRF減少了每個小區可使用的頻帶，但同時也提高了干擾加噪聲比（SINR）。兩者在FRF=3時達到了最佳狀態，實現了容量的最大化。而OFDMA又可以滿足“小區內部干擾被消除”的條件，使得FFR變得切實可行。對于小區內部而言，由于SINR較大，不需要通過增大FRF來提高SINR，所以采用同頻復用即FRF=1。

1.2 網絡結構

如圖1所示，在蜂窩網絡單元六邊形的靠近頂點的邊界上放置六個中繼站（RS）。這樣，夾于兩個RS之間的扇區與基站（BS）之間只有2/3個單元半徑。移動站（MS）可以直接與BS通信，也可以通過RS與BS進行通信。這就要求RS要能覆蓋單元邊界。具體的網絡結構如圖1所示：每個單元被非為X，Y，Z三個扇區；每個扇區的RS可以分別使用F1， F2， 和F3頻帶進行RS-MS通信。

1.3 幀結構和頻率復用算法

幀結構如圖2所示，包含了上行幀和下行幀。總共有N個時隙和兩個DGT（duplex guard time），上行幀占有其中的M個時隙，其余的均被下行幀占有。每幀也有L個子通道，并且在頻域中等分為F1， F2和F3三種頻帶。每個時隙又分成兩個時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GTG（guard time gap）。圖2中縱坐標為X扇區的頻率分配方式，F1用于RS-MS通信，F2和F3用于BS-MS通信，其它扇區中的工作方式可以此類推。

1.4 方案優勢

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

2 軟頻率復用技術

2.1 簡介

在軟頻率復用（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，無論是在小區邊緣還是小區內部，SFR都可以獲得更多的頻帶和更大的頻譜使用率。此外，通過調整副載波與主載波的功率門限的比值，SFR還可以適應負載在小區內部和小區邊緣的分布，從而可以進一步提高頻譜使用率。

2.2 網絡結構

圖4為SFR的網絡結構示意圖，每個小區分為三個扇區，每個扇區中有三個中繼節點（RN），每個RN與BS的距離為4/5個小區半徑。系統中存在三種連接，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 幀結構和頻率復用算法

每個子幀分成兩個相等的時隙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W是系統總頻帶，將W分成A，B，C，D四個頻帶。其中，基帶A可以被每個扇區復用，專用于BS-UE通信，而剩余的B，C，D則用于RN-UE通信。

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

2.4 方案優勢

在自適應SFR方案中，根據扇區的目標信道容量動態地估算分配給該扇區的頻帶，進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，但總體上要優于FA-3RN。

3 一種新穎的頻率復用方案

3.1 簡介

與修正軟頻率復用（MSFR）相比，該新穎的頻率復用（NFR）方案用一個與r（固定中繼站（FRS）和基站（BS）的傳輸功率比）有關的BS的干擾代替了兩個固定RS的干擾。只要選擇合適的r，就可以有效地抑制ICI，實現較高的頻譜使用率和較好的通信質量。

3.2 網絡結構

如圖8所示，六邊形小區的中心位置上放置BS，各個頂點位置上放置FRS，FRS與BS之間的距離為小區半徑的2/3，此外還有位置不固定的移動站（MS）?？偟膩碚f，與FFR的單元結構較為相似。

3.3 幀結構和頻率復用算法

如圖9所示，該頻率復用方案使用LTE的TDD幀結構。其中，DwPTS用來實現信號同步，UpPTS用來隨機存取，此外還有GP（guard period）。UL（uplink）和DL（downlink）分別占據了兩個子幀。第一個子幀包含BS對FRS和MS的傳輸，第二個子幀包含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分成內部區域的單跳MS和外部區域的雙跳MS。如圖10所示，將總頻帶均分為B1到B6六個頻段，又將六個頻段分成A1到A3三組（被分到同一組的頻帶必須正交）。在外部區域，B1到B6分別被分配給六個FRS；在內部區域，單元分成三個扇區并使用A1到A3三組頻段。如此，每個區域都使用了整個頻帶，從而使內外區域的FRF都等于1，提高了頻譜使用率。

3.4 方案優勢

該頻率復用方案的SINR和頻譜使用率分別見于圖11和圖12。從圖中我們可以發現，當選擇了最優的r值之后，該頻率復用方案在SINR性能方面比MSFR只差了一點點，但在頻譜使用率方面新方案具有巨大的優勢。

4 結 論

綜上所述，頻率復用技術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，我們可以發現通過對小區中心地區和小區邊緣地區的區別對待——設置不同的FRF、緩變的FRF或者改善頻率復用方案，可以有效地實現整個小區范圍內清晰、高效的通信。

參考文獻：

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