OFDMA系统同频干扰抑制技术研究进展

蒋红君,张祖凡,吴爱爱

(重庆邮电大学,重庆 400065)

1 引 言

正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Divided Multiple Access,OFDMA)是新一代移动通信标准确定的多址接入方式[1],它将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集,并将不同子载波集分配给不同用户实现多址。在理想同步情况下,OFDMA系统中不同用户用互不重叠的子载波集来实现系统无多用户间干扰,并将时间、带宽等资源在频率上进行分割从而实现多用户接入,动态地将可用带宽资源分配给不同需要的用户进而实现系统资源优化利用。由于OFDMA具有这些特点,使得其在频谱利用率、系统容量和抗多径衰落等方面的优势非常明显。

与其它多址接入方式一样,如何有效处理同频干扰问题对整个OFDMA系统的组网尤为重要。目前,相关研究主要集中在利用小区分裂或扇区频率复用[2-5]、各种波束成形技术[6-10]、信号检测与信道估计的延伸技术[11-19],以及切换译码等技术[20]上,这些算法尽管能在抑制干扰问题上能很好的提高误比特率、频谱利用率,但是却降低了系统的吞吐量和容量。

为此,本文通过分析比较OFDMA系统常用的抗同频干扰技术以及扩展技术的优点和不足,给出未来OFDMA移动通信系统抑制干扰技术方面的若干研究方向。

2 各种干扰抑制技术分析

OFDMA系统提出的消减小区间干扰的方法有干扰随机化、干扰消除和干扰协调。干扰随机化不降低干扰信号的能量,只是将干扰随机化为“白噪声”,从而使信道译码器只与信号产生匹配关系,抑制邻近小区干扰;干扰消除包含交织多址技术和波束成形技术;干扰协调主要以软频率复用为主,方法简单,且对OFDMA多址技术有很好的干扰抑制作用。

OFDMA系统小区间的干扰源为邻近小区的基站,小区内任何用户将不可避免地受到邻近小区下行信号的干扰,移动台距离基站的远近不同,其受到干扰大小不同,特别是小区边缘用户受到的干扰更为严重。OFDMA系统主要利用各种干扰协调技术进行干扰控制,降低干扰水平,提高边缘用户吞吐量。

OFDMA系统中常用的抗同频干扰技术有3种。

2.1 频率复用

目前为止,各种新颖的频率复用技术以及延伸技术在现代通信系统中得到讨论,现代通信中的频率复用已不是单纯的小区之间的频率复用,还有扇区之间和扇区以及小区之间的软频率复用。文献[2](图1)为多小区OFDMA提出一种新的频率复用方案来降低同频干扰(Co-channel Interference,CCI),其思想为划分所有子载波为两个部分,一部分用在小区的中心区域,另一部分用在小区边缘。频率复用因子(FRF)在小区中心为1,在小区边缘为3,而小区边缘分为3个扇区,因此在小区边缘的子载波也分为3个部分,两种子载波组根据用户的分布和服务要求适应柔软地分配,此方案能带来更高的信道容量和更低的CCI,同时在小区边缘能提高数据速率。文献[3](图2)中的频率RUP(Reuse Partitioning,复用分割)技术可以提高多小区系统吞吐量。RUP方案是按物理信道分配子载波的,在RUP技术中一个小区被划分成几个不同复用因子的区域,紧邻基站(Base Station,BS)的移动台(Mobile Station,MS)分配给较小复用因子的信道,相反远离BS的MS分配给复用因子较大的信道。按这种方式,RUP可以降低CCI的影响和提高系统吞吐量。文献[4](图3)中是典型的静态软频率复用方案,其中的微频率复用和微时间频率复用以及微频率复用和波束成形技术的结合同样可以巩固系统和小区边缘的性能。文献[5](图4)提出的虚拟小区技术以高的频谱利用率和高的功率效率为技术特征。其为了降低CCI和提高一个小区的容量,每个小区被分为3个120°的扇区,而来自不同的小区的每3个相邻的扇区就组成了一个“虚拟小区”。

图1 频率复用Fig.1 Frequency reuse

图2 频率复用分割Fig.2 Reuse partitioning

图3 静态软频率复用Fig.3 Static soft frequency reuse

图4 虚拟小区Fig.4 Virtual cell

尽管频率复用一定程度上解决了频谱资源短缺的问题,它在降低容量的同时会带来一定的干扰,需要在频率复用时采用相应的技术来抑制同频干扰。

2.2 波束成形技术

由于在频率选择性衰落信道能提供高的频谱利用率和数据传输率,空时编码和OFDM技术的结合在3GPP LTE中得到广泛使用。但是,由于信号从两个传输天线到接收天线的时候会被迭加和干扰,所以空时编码消弱了系统抑制干扰的能力,因此在空时编码(Space-Time Codes,STC)-OFDM系统中抑制CCI也是非常必要的,其中波束成形技术得到广泛研究。文献[6]中提出的基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)和零控(Null Deepening)自适应波束成形方案来抗争STC-OFDM系统的CCI。文献[7]提出一种新的基于波束成形采用角度分集的CCI消除方法,此方法在保留空时结构时能有效的抑制CCI,且在没有重要参数性能降低的情况下很大的提高了系统的抑制干扰能力。

现在,自适应波束成形技术大量应用于蜂窝小区的基站,以便能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。

2.3 信号检测与信道估计

基于信号检测和信道估计抑制CCI的方法同样在现代通信系统中广泛使用,不同的信号检测方法和信道估计方法以及延伸的技术比起传统的方法在抑制CCI上有很大提高。文献[11]中信号传输包首先分成两部分,第一部分通过preFFT-STF(在FFT之前接受信号空时滤波(STF))来检测,第二部分通过postFFT-SF(在FFT之后接受信号的空间滤波(SF))来检测。仿真结果表明提出的新方案比单独使用preFFT-STF和postFFT-SF有很大的优越性。文献[12]为OFDM提出一种功率适应——联合最大后验概率(PA-JMAP)的单天线干扰消除(SAIC)算法,此方案表明在严重的CCI情况下,比起传统的快速解码器(CVD)新提出的PA-JMAP解码器能很大程度的提高OFDM系统的误码率性能。文献[13]设计出一种通过用乔里斯基分解和低通滤波来测量干扰空间的协方差矩阵估计器,能很好地抑制MIMO OFDM系统里的CCI。文献[14]在移动基站接收端提出一种软判决最大似然估计CCI消除器和改进的最大比例结合(M-MRC)方法来获得对传输信号的估计,信号干扰比(SIR)在多径衰落和平坦衰落信道分别获得的值为9dB和6dB。文献[17]在信号格式不确定的COFDM系统下采用线性MMSE多用户检测(Multiple User Detection,MUD)来克服CCI,文章提出的多级干扰消除(MIC)和增强型多级干扰消除(EMIC)方案来消除LMMSE MUD其它子载波输出的残余影响。文献[18]中提出最大似然迭代接收机能有效地抑制CCI,文献[19]提出的一种降低复杂度的最大后验概率接收机能有效地降低CCI。

以上是一些基本的抗同频干扰的技术,除此之外,还有很多如切换、译码等技术也能很好地抑制CCI。

3 抑制CCI技术存在的问题

上述技术虽然从频率复用、波束成形以及信号检测和信道估计方面进一步提高了频率利用率、BER以及FER等系统参数,改善了移动通信系统的性能,但同时在吞吐量和系统容量等方面提出了更高的要求。这使得这些方案的进一步发展受到这些方案本身局限性的影响。

3.1 从误比特率上看

表1所示为几种抑制CCI的方案的误比特率比较,可以看出文献[8]尽管抗CCI的同时对BER提高很有效,但是它对相干带宽比较敏感;文献[12]虽然在 BER提高上同样有效,但是它在SNR小于10dB的时候由于高斯白噪声会产生很多错误判决,这样为了降低复杂度和电池生命迭代译码就会停止;文献[10]中的最小均方和最小平方与波束成形技术的结合尽管也能在天线数越多的时候BER性能越好,但是这样却带来了高的计算复杂度;文献[15]尽管几乎不会带来其它副作用,但是其BER性能指数已经不能算作有很大提高了;文献[16]的复杂度很低但是BER数量级是不能和前几种方案相比较的。

表1 误比特率比较Table 1 BER comparison

3.2 从误帧率上来看

表2所示为几种抗CCI方案的误帧率比较,可以看出文献[6]的算法尽管FER参数的数量级很大,这局限了天线到达角度(DOA)必须很靠近;文献[9]中的FER数量级也很大,但它需要在现有的STC-OFDM系统里面确定DOA;文献[13]的这种基于乔里斯分解和低通滤波器的最大后验概率接收器的误帧率(FER)指标很好,但其代价是复杂度提高了;文献[18]由于空间相关性的增加FER性能就会由于信道估计而降低;文献[19]当干扰数量未知并且随时间变化的时候就会增大FER。

表2 误帧率比较Table 2 FER comparison

3.3 从频谱利用率和吞吐量上来看

文献[4]中的频谱利用率随着用户数或者扇区数而增加,但是吞吐量却随着用户数或者扇区数而降低,所以这需要在两者之间进行折衷。

上述分析表明,抑制同频干扰技术尽管有很多优点,但必然会在各自的方案中遇到不同的局限,从而使得这些技术的进一步应用受到种种限制。

4 结束语

OFDMA作为下一代移动通信系统的关键技术之一,特别需要在抑制同频干扰问题上深入研究,因此频率复用波束成形技术的结合等延伸技术将是一个具有广泛前景的研究方向。作为干扰受限的移动通信系统,尽可能地降低同频干扰是提高系统容量的重要措施之一。

3GPP LTE由于采用了OFDMA的接入方式而带来了不同于CDMA的干扰问题,尽管OFDM技术存在特殊性,但我们还是需要在OFDMA系统干扰问题上多做努力,具体可从以下方面着手:

(1)如何进一步在OFDMA系统上采用部分频率复用、软频率复用和增强型的软频率复用技术,使得相邻小区之间的干扰信号源的距离尽可能远,从而抑制相邻小区的干扰,达到改善传输质量、提高吞吐量的效果;

(2)由于频率复用是对整个小区的频率进行了一定的限制,所以整个小区的吞吐量会有一定程度的下降,这样可以在已有的波束成形技术基础上进一步开发合理方案,以达到既提高传输质量又不降低系统的吞吐量的目的;

(3)新型的信道估计和信号检测方案在抑制同频干扰问题也很有优势,各种信道估计算法、信号检测方案以及合理的设计接收机都在抑制干扰问题上得到推广,因此可以结合这些算法推论出更新颖的方案,以达到系统传输质量的提高。

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