摘要：針對(duì)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)提出的提高頻譜利用率、同頻組網(wǎng)的需求，文章從頻率復(fù)用問(wèn)題入手，提出了一種軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案包括3種表現(xiàn)形式，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)物理層鏈路增益選擇適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)形式。文章以第2種表現(xiàn)形式為例介紹了采用該方案的頻率復(fù)用方法。研究表明，使用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1/3～1。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案解決了同頻組網(wǎng)問(wèn)題，并已經(jīng)在上海4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中得到了良好的應(yīng)用。

　　移動(dòng)通信迄今為止已經(jīng)發(fā)展了3代系統(tǒng)，第1代為采用頻分多址(FDMA)的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用很低的頻率復(fù)用系數(shù)，即復(fù)用系數(shù)遠(yuǎn)小于 1，如7小區(qū)頻率復(fù)用，復(fù)用系數(shù)為1/7；第2代為數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，其中采用時(shí)分多址(TDMA)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，如移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)，其頻率復(fù)用系數(shù)較第1代有了很大的提高，可以達(dá)到1/4～1/3；第2代碼分多址(CDMA)[1]系統(tǒng)及第3代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，如寬帶碼分多址 (WCDMA)系統(tǒng)，其頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1，這提高了頻譜利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的成本，因此對(duì)于未來(lái)的3G增強(qiáng)(E3G)、第4代(4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)，人

們?nèi)匀幌Ｍ捎妙l率復(fù)用系數(shù)為1或者較高的頻率復(fù)用系數(shù)。

　　3G系統(tǒng)的三大主流標(biāo)準(zhǔn)都是基于CDMA技術(shù)的。隨著對(duì)E3G技術(shù)如正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)等技術(shù)的深入研究， MIMO以其高通信容量等優(yōu)勢(shì)將成為E3G、4G的基本技術(shù)。正交頻分多址(OFDMA)也以其頻譜效率高等優(yōu)點(diǎn)被業(yè)界認(rèn)可，并有可能成為E3G、4G采用的基本多址技術(shù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織第3代移動(dòng)通信合作長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(3GPP LTE)[2]已經(jīng)明確了在E3G系統(tǒng)中下行鏈路的多址技術(shù)將采用OFDMA[3]。同時(shí)，大量研究機(jī)構(gòu)表明不再使用CDMA作為基本的多址技術(shù)，轉(zhuǎn)而使用OFDMA作為多址技術(shù)。而OFDMA這種基于頻分多址的多址技術(shù)帶來(lái)了關(guān)于頻率復(fù)用技術(shù)新的挑戰(zhàn)，如果不能有效解決采用OFDMA技術(shù)的系統(tǒng)中多小區(qū)間干擾問(wèn)題以及同頻組網(wǎng)、提高頻率利用率的問(wèn)題，以O(shè)FDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的E3G、4G系統(tǒng)必將面臨應(yīng)用上的困難。

　　因此，在E3G、4G系統(tǒng)中基于頻分多址的頻率復(fù)用方案成為研究重點(diǎn)之一。在3GPP LTE關(guān)于E3G系統(tǒng)的討論中，關(guān)于頻率復(fù)用方案的研究已經(jīng)展開(kāi)[4-5]。本文提出了軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，該方案提供了一種解決E3G、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率復(fù)用的途徑，其簡(jiǎn)單形式已成功應(yīng)用于上海4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，取得了良好的性能。

　　本文在第2部分介紹軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的系統(tǒng)模型，第3部分介紹軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的3種表現(xiàn)形式，并且分析軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的特點(diǎn)，第4部分介紹在4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的應(yīng)用，給予出總結(jié)。

　　1 系統(tǒng)模型

　　將所述無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)小區(qū)中的用戶分為兩組，1組為小區(qū)邊緣用戶，1組為小區(qū)中心用戶；將整個(gè)可用頻段分為兩個(gè)不重疊的部分G 和F，將F分為3個(gè)頻段F1、F2、F3，分別為兩兩相鄰的小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3的小區(qū)邊緣用戶的可用頻段；將每個(gè)小區(qū)邊緣分為12個(gè)邊緣區(qū)域，將這 12個(gè)邊緣區(qū)域分為兩類，分別稱為第1類邊緣區(qū)域和第2類邊緣區(qū)域，第1類邊緣區(qū)域即兩兩相鄰的3個(gè)小區(qū)交界處的邊緣區(qū)域(見(jiàn)圖1中標(biāo)記為“1”、 “2”、“3”的邊緣區(qū)域)，第2類邊緣區(qū)域即除第1類邊緣區(qū)域的其他邊緣區(qū)域(參見(jiàn)圖1中標(biāo)記為“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”的邊緣區(qū)域)。由于邊緣用戶所處的通信環(huán)境惡劣，虛線圓內(nèi)的9個(gè)邊緣區(qū)域是頻率規(guī)劃的主要研究對(duì)象。

　　2 軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案

　　通過(guò)簡(jiǎn)要分析，可以得出圖1中9個(gè)邊緣區(qū)域C1—C9的頻率規(guī)劃如表1所示：

　　表1所示的頻率規(guī)劃方法就是采用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的頻率分配結(jié)果。下面以形式Ⅱ?yàn)槔M(jìn)行詳細(xì)的介紹。

　　如圖2所示，軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的頻率規(guī)劃為：

　　G和F的子集為小區(qū)中心用戶的可用頻率；對(duì)小區(qū)邊緣用戶的頻率規(guī)劃為：令
　　(u1=f1∪f(wàn)4，u2=f 2∪f(wàn) 6，u 3=f 3∪f(wàn) 5，u4=f 7∪f(wàn) 9，u5=f 8)，其中uj?奐F 表示互不相交的頻段集合，每個(gè)頻率集合中的頻率可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的。其中頻率集合u 1、u 2、u 3中的頻率分別分配給小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3的邊緣，對(duì)位于其邊緣的用戶提供服務(wù)。u 4、u 5的分配為：

　　(1)為圖1中數(shù)字“4”表示的區(qū)域再分配一段頻段集合u 4，對(duì)位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

　　(2)為圖1中數(shù)字“8”表示的區(qū)域再分配一段頻段集合u 5，對(duì)位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

　　(3)為圖1中數(shù)字“5”表示的區(qū)域再分配一段頻段u 5，對(duì)位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。(4)為圖1中數(shù)字“7”表示的區(qū)域再分配一段頻段u 4，對(duì)位于該區(qū)域的用戶提供服務(wù)。

　　軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案表現(xiàn)形式Ⅱ的特點(diǎn)：

　　(1)增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶性能，同時(shí)提高頻率復(fù)用率；

　　(2)區(qū)域4、區(qū)域8、區(qū)域5、區(qū)域7分別優(yōu)先從u 4、u 5、u 4、u 5中選可用頻率，對(duì)位于其區(qū)域的用戶提供服務(wù)，若這些集合中的頻率還不滿足要求，則可以根據(jù)實(shí)際情況分別考慮從u 1、u 2、u 3、u 3中選可用頻率；而同屬于第2類邊緣區(qū)域的區(qū)域9和區(qū)域6則只能分別從u 1、u 2中選可用頻率，對(duì)位于其區(qū)域的用戶提供服務(wù)，但它們可以分別和區(qū)域1和區(qū)域2協(xié)調(diào)可用頻率。

　　(3)當(dāng)系統(tǒng)的小區(qū)邊緣用戶之間的干擾比較嚴(yán)重時(shí)，可以通過(guò)減少頻率集合u 4、u 5、中的頻率和適當(dāng)?shù)脑黾舆吘墔^(qū)域的面積，來(lái)抑制小區(qū)邊緣用戶之間的干擾。當(dāng)小區(qū)邊緣用戶之間幾乎不存在干擾或干擾不嚴(yán)重時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整頻率集合 u 4、u 5中的頻率和減小邊緣區(qū)域的面積，以提高頻率復(fù)用率。

　　3 在上海FuTURE4GTDD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案的簡(jiǎn)化形式已經(jīng)在上海FuTURE 4G TDD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中得到了很好的應(yīng)用。如圖3所示，試

驗(yàn)網(wǎng)中共有2個(gè)接入點(diǎn)(AP)設(shè)備，分別為AP1和AP2，階梯教室與金色陽(yáng)光處的分布式天線陣與AP1 相連，招待所與圖書館處的分布式天線陣與AP2相連，每處站址均架設(shè)4根天線。圖3下部藍(lán)色線條構(gòu)成的區(qū)域表示小區(qū)1，圖3上部綠色線條構(gòu)成的區(qū)域表示小區(qū)2。

　　軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案在上海4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的應(yīng)用描述如下：

　　(1)當(dāng)小區(qū)1中只有用戶MT1時(shí)，MT1占用小區(qū)1全部頻譜資源，用戶速率可以達(dá)100 Mb/s。

　　(2)當(dāng)小區(qū)1中有2個(gè)用戶MT1和MT2時(shí)，兩個(gè)用戶各占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時(shí)2個(gè)用戶的速率各為50 Mb/s。

　　(3)當(dāng)位于小區(qū)１中的MT1、MT2在小區(qū)1內(nèi)移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)用戶各占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時(shí)2個(gè)用戶速率各為50 Mb/s。

　　(4)當(dāng)位于小區(qū)１中的MT2移動(dòng)到切換區(qū)域(仍與小區(qū)1連接)時(shí)，2個(gè)用戶分別占用小區(qū)1的一半頻率資源，此時(shí)2個(gè)用戶速率各為50 Mb/s。

　　(5)當(dāng)MT2移動(dòng)到切換區(qū)域(與小區(qū)2連接)時(shí)，2個(gè)用戶分別占用小區(qū)1和小區(qū)2的一半頻率資源，此時(shí)2個(gè)用戶速率各為50 Mb/s，此時(shí)頻率復(fù)用系數(shù)為0.5。

　　(6)當(dāng)MT1、MT2分別在小區(qū)1、小區(qū)2中移動(dòng)到合適位置時(shí)(如MT1在階梯教室附近，MT2在圖書館附近)，兩個(gè)用戶可以分別占用兩個(gè)小區(qū)的全部頻率資源，用戶速率同時(shí)為100 Mb/s，此時(shí)頻率復(fù)用系數(shù)為1。

　　此即兩小區(qū)的軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用的一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)提出的提高頻譜利用率、同頻組網(wǎng)的需求，本文提出了一種軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案包括3種表現(xiàn)形式，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)物理層鏈路增益選擇合適的表現(xiàn)形式。軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案在上海FuTURE 4G TDD通信試驗(yàn)網(wǎng)中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用的簡(jiǎn)單形式。研究表明，使用軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案，系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)可以達(dá)到1/3到1，為同頻組網(wǎng)、提高頻率利用率提供了一種良好的解決方案。

　　5 參考文獻(xiàn)

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