王鹏，肖海林（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

基于部分频率复用的多小区协作方案及容量分析✴

王鹏，肖海林
（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

针对无线蜂窝网中的小区间干扰问题，给出一种基于部分频率复用的多小区协作传输方案。该方案将小区用户划分为中心用户和边缘用户，中心用户采用频率复用因子为1的本地基站通信，边缘用户采用频率复用因子为3的多基站协作通信，并通过对多个小区的基站进行功率控制，达到抑制小区间干扰、提高系统容量的目的。数值分析表明，相对于传统多小区蜂窝系统（Traditional Multi-Cell System，TMCS）和广义分布式天线系统（Generalized Distributed Antenna System，GDAS），所提多小区协作蜂窝系统（Multi-Cell Cooperative System，MCCS）可以有效地克服小区间干扰，提高系统容量。关键词：多小区协作；小区间干扰；部分频率复用；功率控制；遍历容量

1 引言

自无线通信诞生以来，干扰问题一直是学术界和工业界的重要研究方向之一［1］。正交频分复用（OFDM）技术可以有效地抑制小区内部干扰，但是小区间干扰（Inter-Cell Interference，ICI）依然存在，且对边缘用户影响较大［2］。因此，如何有效地降低传统多小区蜂窝系统（Traditional Multi-Cell System，TMCS）的ICI，提高小区边缘用户的吞吐量和系统容量，有着极为重要的现实意义［3］。

为了降低ICI对边缘用户的影响，增强信号覆盖范围，文献［4］将多输入多输出（MIMO）技术与分布式天线技术相融合，提出可以提高系统容量的广义分布式天线系统（Generalized Distributed Antenna System，GDAS）。然而，当移动用户靠近某根天线时，其余远端天线不能带来明显增益，且随着移动用户数量的增多，其资源分配较困难［5］。为了在不增加工程实现难度的情况下降低ICI，研究人员提出了频率复用技术［6］。在蜂窝小区中使用频率复用可以有效抑制ICI对边缘用户的影响，然而该方法的频率利用率较低［7］。为了在最大化频带利用率的前提下降低ICI，提高系统容量，多小区协作处理技术被提出［8］。相对于TMCS，多小区协作处理可以将邻近小区的干扰变为可用信号，有效改善边缘用户的接收信干噪比（SINR），提高系统总容量［9］。文献［10］提出一种由60°角扇区天线覆盖成的三角形协作小区以及相应的功率控制策略，该方案可以增大小区信号覆盖面积并提高系统容量。然而，在实际的通信系统中，较难设计60°角定向天线［11］。文献［12］研究了一种基于频率复用的多小区协作机制，在提高边缘用户吞吐量的同时，该方案兼顾了用户占用子信道的公平性，然而，文中并没有从基站发射功率的角度对系统容量做具体讨论。

综合考虑实际的通信环境，本文给出一种基于部分频率复用的多小区协作通信方案。该方案将小区的移动用户分为中心用户和边缘用户，中心用户由本小区基站采用全频带复用进行通信，边缘用户采用频率复用因子为3的复用方法，与相邻的多个基站协作通信。并通过对各基站进行功率控制，达到降低ICI，提高系统容量的目的。从数值分析结果看出，该协作通信系统可以有效改善小区边缘用户的SINR，提高系统容量。

2 系统模型

在无线蜂窝网中，若用户接收信号功率为Pr，小区内部干扰信号功率为P′i，其他小区的同频干扰信号功率为Pi，高斯白噪声功率为Pn，则用户的接收SINR可以表示为

若下行使用OFDM技术，则小区内部干扰可以忽略，考虑到频率复用，上式改写为［13］

其中，kFRF为频率复用因子。由香农定理可得带宽为W的平坦衰落信道的信道容量为

因此，当无线蜂窝网在使用不同的kFRF时，小区边缘用户的SINR和信道容量的变化曲线如图1所示，其参数设置见表1。

从图1看出，小区边缘用户的SINR随kFRF的增大而逐步增大。在kFRF=3时，边缘用户的SINR明显上升，此时小区的可用带宽仅为总带宽的1／3，但较高的SINR弥补了带宽的损失，信道容量取得极大值；随着kFRF的增加，SINR呈上涨趋势，而SINR的增大并不能抵消因带宽损失带来的性能下降，故信道容量逐步减小。边缘用户的SINR和信道容量在kFRF=3时得到最佳折衷。因此，为了在降低ICI的同时保证较高的频率利用率，可在受ICI影响轻微的小区中心取kFRF=1，而在受ICI影响严重的小区边缘取kFRF=3。

由上述分析，得到基于部分频率复用的多小区协作蜂窝系统（Multi-Cell Cooperative System，MCCS），如图2所示。该系统将每个小区分成内、外两个部分，并将外部区域划为3个扇区。各基站位于小区中央，配置1根全向天线和3根120°角定向天线。在半径为R1的区域内，用户仅与本小区的单个基站通信，该区域称为独立通信区（Independent Communication Region，ICR）；超出ICR后，用户与相邻的3个基站联合通信，称该区域为协作通信区（Cooperative Communication Region，CCR）。扇区天线负责为各自的CCR服务，全向天线覆盖整个ICR。MCCS的可用频率资源划分为F0、F1、F2、F34部分。ICR使用F0子频段，基站以较低的发射功率满足移动用户服务质量的需求。F1、F2、F3分别用于3个扇区天线。各基站通过光纤骨干网络或其他高速传输媒介连接到中央控制单元，对整个系统进行优化调度，以便各基站共享信道状态、交换用户数据以及协作联合发射信号等。

3 功率控制方案

如上所述，MCCS根据基站天线到移动用户的距离划分为ICR和CCR两部分。在这两个区域内，基站采用不同的发射功率服务移动用户。各基站在小区内与其距离为di的移动用户使用的功率控制方案如下［10］：

式中，γ0为di=R1处移动用户的平均接收SNR，α为路径损耗因子。由式（4）可以看出，在ICR中，随着移动用户与基站距离的增加，基站天线的发射功率不断增大。移动用户进入CCR后，基站天线的发射功率不再改变。因此，各基站的最大发射功率为

在CCR中，3个相邻小区的基站协作通信，将传统蜂窝网络中的ICI变为有用信号，以提高边缘用户的通信质量。

4 小区容量分析

多基站协作通信中，各天线间的大尺度衰落不均衡，Q根发射天线相距很远，离散放置，而P根接收天线位于移动用户，集中放置。移动用户接收到的信号可以表示为

其中，Ceq表示信道容量，IP为P×P维的单位矩阵，ρ为接收天线的平均SNR。

若移动用户只有1根天线，ICR的遍历容量为C1，CCR的遍历容量为C2，由图3知，MCCS单小区的遍历容量可以表示为

4.1 独立通信区的遍历容量C1

在第i个基站的ICR内，移动用户仅与该基站的单根全向天线通信。此时第i个基站与该用户间的无线信道成为一个标量，即

因此，移动用户的接收信号可以表示为

式中，第一项为有用信号，第二项表示其余小区基站对移动用户的干扰信号，第三项为高斯白噪声。

基站对ICR的平均发射功率为

因此，对于第i个基站的ICR内的移动用户，其干扰功率为

由式（7）可得，在图3中ICR的某个固定位置M，移动用户的遍历容量为

4.2 协作通信区的遍历容量C2

当移动用户进入CCR后，将同时接收来自3个相邻基站的发射信号。此时，移动用户的接收信号可以表示为

式中，第一项为有用信号，第二项为高斯白噪声。

移动用户在图3中CCR的某个固定位置M的遍历容量可以表示为

综上所述，整个MCCS单小区的遍历容量可以表示为

5 数值分析

本节主要从移动用户在小区中的位置对其接收SINR的影响、基站发射功率、路径损耗因子对系统遍历容量的影响三方面对MCCS、TMCS以及GDAS 3种小区结构进行数值比较分析。GDAS采用文献［4］中以移动用户与最近的基站间距离为基准进行功率控制的方案，即各基站的发送功率均为Px=，其中dmin为移动用户与其相距最近的基站的距离。在以下数值分析中，假设这三种小区有相同的硬件设施，令R=3R1，并将R1归一化为1。

移动用户在图3中沿直线AD运动，即用户由ICR进入CCR后，沿小区临界处移动的各点的接收SINR变化曲线，如图4所示。图中横坐标为移动用户与基站1的距离，纵坐标为移动用户的接收SINR。参数设置为γ0=20 dB，α=4。从图4看出，在MCCS中，移动用户的接收SINR分布在6.3～10.1 dB之间，相对均匀，受ICI影响较小。在d=R1处，用户的接收SINR有一跳变，这是由于移动用户进入CCR后，相邻基站变干扰为有用信号，改善了用户的接收SINR。在GDAS和TMCS中，移动用户的接收SINR的分布区间为0.8～9.2 dB和-1.8～10.1 dB，变化剧烈，受ICI影响严重。

图5 分析了移动用户在图3中沿直线AC运动，也即移动用户由基站1附近沿直线移动到基站2附近的接收SINR的变化情况，参数设置与图4相同。从图5可以看出，移动用户在各系统中的接收SINR的分布情况与图4基本一致。另外，沿该路径运动时，移动用户在MCCS中的接收SINR均高于GDAS和TMCS。

对比不同的基站发射功率下，3种系统的遍历容量变化情况，如图6所示，设定α=4。从图6可以看出，在γ0=5 dB，即低信噪比时，MCCS的遍历容量均大于GDAS和TMCS；当5 dB＜γ0＜15 dB时，MCCS的遍历容量增长速度明显快于另外两种系统，说明MCCS能够更加有效地抑制因基站发送功率增大而带来的ICI；在γ0大于15 dB后，各系统的遍历容量保持稳定，且MCCS的遍历容量约为GDAS的3.2倍，约为TMCS的6.5倍。

图7 分析了在γ0=10 dB和γ0=20 dB时，不同路径损耗因子α对3种系统遍历容量的影响。从图中可以看出，随着α的不断增加，3种系统的遍历容量均呈线性增长趋势，并且各系统在图6中的容量倍数关系仍然成立。

6 结束语

多小区协作处理是未来无线通信的关键技术之一。本文将频率复用技术和多小区协作处理技术相结合，研究了一种基于部分频率复用的多小区协作传输方案。从文中的分析结果看出，在基站最大发射功率受限、小区硬件设施完全相同的条件下，MCCS可以有效地抑制ICI对边缘用户的影响，提高系统总容量。在今后的工作中，将对MCCS的功率分配方案进行深入研究。

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WANG Peng was born in Sanmenxia，Henan Province，in 1987.He received the B.S.degree froMHenan University in 2009.He is noWa graduate student.His research interests include personal communications andmobile communications.

Email：wp14767273＠163.com

肖海林（1976—），男，湖北黄冈人，1998年于武汉大学获学士学位，2004年于广西师范大学获硕士学位，2007年于电子科技大学获博士学位，现为桂林电子科技大学信息与通信学院教授，主要研究方向为智能天线、MIMO移动通信系统、协同通信技术。

XIAO Hai-lin was born in Huanggang，Hubei Province，in 1976.He received the B.S.degree froMWuhan University，the M.S.degree froMGuangxiNormal University，and the Ph.D.degree froMUniversity of Electronic Science and Technology of China in 1998，2004 and 2007，respectively.He is noWa professor.His research interests include MIMO wireless communications，cooperative communications and smart antenna techniques.

Email：xhl-xiaohailin＠yahoo.com.cn

Cooperative Scheme and Capacity Analysis of Multi-Cell SysteMBased on Fractional Frequency Reuse

WANGPeng，XIAO Hai-lin
（College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin 541004，China）

For the probleMof inter-cell interference（ICI）in wireless cellular networks，a strategy ofmulti-cell cooperative communication based on fractional frequency reuse（FFR）is presented.In this scheme，themobile users are divided into two categories，one is cell center user（CCU）and the other is cell edge user（CEU）.CCUs are served by local base station with universal frequency reuse and CEUs are supported by cooperative base stations with frequency reuse factor of 3.Based on FFR and power control for base station，the inter-cell interference is mitigated and system′s capacity is improved.Numerical results shoWthat compared with traditionalmulti-cell system（TMCS）and generalized distributed antenna system（GDAS），multi-cell cooperative system（MCCS）proposed in this paper can reduce the inter-cell interference efficiently，and also improve system′s capacity.

multi-cell cooperation；inter-cell interference（ICI）；fractional frequency reuse（FFR）；power control；ergodic capacity

The National Basic Research PrograMof China（2008CB317109）；The National Natural Science Foundation of China（No.61261018）；The Key PrograMof Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region（2011GXNSFD018028）；The Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region（0991241）；The Director Foundation of Key Laboratory of Wireless Broadband Communications and Information Processing of Guangxi Zhuang Autonomous Region（No.12111）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.11.011

王鹏（1987—），男，河南三门峡人，2009年于河南大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为个人通信与移动通信；

1001-893X（2012）11-1763-06

2012-04-05；

2012-05-23

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2008CB317109）；国家自然科学基金资助项目（61261018）；广西自然科学基金重点项目（2011GXNSFD018028）；广西科学基金资助项目（桂科自0991241）；广西无线宽带通信与信号处理重点实验室2012年度主任基金项目（12111）