FFR和SFR的詳細簡介和比較

1、目錄一、緒言21.1同頻干擾21.2頻率復用3二、LTE關鍵技術-ICIC62.1 概述62.2 ICIC技術產生背景72.3 部分頻率復用（FFR）82.3.1 FFR發(fā)展歷史82.3.2 FFR技術原理82.3.3 FFR的不足102.4 軟頻率復用（SFR）102.4.1 SFR技術原理112.4.2 SFR優(yōu)勢132.5 FFR和SFR的比較與總結14一、 緒言1.1同頻干擾同頻干擾：所謂同頻干擾即無用的信號和有用的信號使用相同的載頻，從而對需要接受有用信號的接收機產生的干擾。在涉及的頻率復用技術中，基本上會受到同頻干擾的影響。圖1.同頻干擾示意圖如上圖所示，頻段一共被劃分為A,B,C

2、,D,E,F,G七組。即七個小區(qū)形成一個簇，復用因子為7。而在這個簇外面有相同頻率設置的其他簇，會對這個簇內的小區(qū)產生干擾，如圖紅字部分的A對用戶的同頻干擾。頻率復用技術雖然提高了頻譜效率。但當小區(qū)不斷分裂使基站服務區(qū)不斷縮小，同頻復用系數(shù)增加時，大量的同頻干擾將取代認為噪聲和其他干擾，成為對小區(qū)通信指標的重要制約因數(shù)。這時系統(tǒng)將由噪聲受限環(huán)境變?yōu)楦蓴_受限環(huán)境。當載干比C/I(即期望收到的信號電平與非期望的信號電平比)小于一定值時，就會直接影響到手機的通話質量，嚴重則會產生用戶掉話或無法建立呼叫連接。同頻干擾保護比：指不同小區(qū)使用相同頻率時，另一校區(qū)對服務小區(qū)干擾，C/I>=9dB,工程

3、中一般加 3dB余量，即要求 C/I>=12dB。鄰頻干擾保護比，指不同小區(qū)使用相鄰頻率時，另一小區(qū)對服務小區(qū)干擾。C/I>=-9dB，工程中一般加 3dB余量，即要求 C/I>=-6dB。 1.2頻率復用頻率復用(Frequency Reuse)是BELL LAB于1947年提出的概念，這個概念是蜂窩移動通信的基石。無線通信剛剛出現(xiàn)的時候采用的是大區(qū)制，也就是說一個城市只有一個基站，天線架設在很高的塔上，用很大的功率進行發(fā)射。后來隨著用戶數(shù)量的增加，大區(qū)制出現(xiàn)了信道不夠的問題，頻率復用技術就是在這種背景下出現(xiàn)的。由于電磁波在空間傳播的衰減特性，一個頻率在一個區(qū)域使用之后，在

4、離這個區(qū)域比較遠的地方功率已經(jīng)衰減了很多，干擾降低到可以接受的程度，于是這個頻率就可以再用（reuse）一次，這個就是頻率復用的概念。“頻率復用”是中文的習慣翻譯，已經(jīng)被廣泛接受，其實應該翻譯為“頻率再用”。與大區(qū)制相比，頻率復用技術成倍地提高了系統(tǒng)容量，后來所有的移動通信都是基于頻率復用技術的蜂窩系統(tǒng)1 。蜂窩技術的早期，頻率復用因子（頻率復用因子表示一個頻率復用簇（Reuse Cluster）當中的頻點的數(shù)量。）是比較大的。頻率復用因子表示一個頻率復用簇（Reuse Cluster）當中的頻點的數(shù)量。復用因子越大，表示復用距離越大。第一代移動通信（AMPS)的復用因子為911，第二代移動通

5、信（GSM)的復用因子為47。在CDMA技術出現(xiàn)以后，由于CDMA技術的抗干擾的特性，普遍采用了復用因子為1，也稱為普遍頻率復用（Universal Frequency Reuse）和同頻復用。同頻復用被認為是CDMA的技術優(yōu)勢，這個觀點在三代移動通信（UMTS, CDMA2000）上得到了加強和廣泛傳播，并以其巨大的認知慣性延續(xù)到了后3G, 如Flarion的Flash OFDM系統(tǒng)就采用了快跳頻OFDM和同頻復用作為基本技術框架。在GSM網(wǎng)絡中頻率復用就是，使同一頻率覆蓋不同的區(qū)域（一個基站或該基站的一部分（扇形天線）所覆蓋的區(qū)域），這些使用同一頻率的區(qū)域彼此需要相隔一定的距離（稱為同頻復

6、用距離），以滿足將同頻干擾抑制到允許的指標以內。根據(jù)GSM體制規(guī)范的建議，通常在無線網(wǎng)絡規(guī)劃中都采用4×3 頻率復用方式，即4個基站區(qū)（每個基站分為3個120°扇形小區(qū)或60°三葉草形小區(qū)），12個扇形區(qū)為一小區(qū)群，即為一簇。這12小區(qū)使用的頻率組是不一樣的，所以需將整個頻段分成12組，即對應的復用因子為12。這種頻率復用方式由于同頻復用距離大，能夠比較可靠地滿足GSM體制對同頻干擾保護比和鄰頻干擾保護比的指標要求，使GSM網(wǎng)絡運行質量好，安全性好。但同時會造成頻率的復用程度的大幅度降低。圖2.采用4*3的復用方式圖2中，一共有4個基站，每個基站下面有三個小區(qū)，一

7、共12個小區(qū)形成一個簇。12個頻率組輪流分到4個站點，每個站有三個頻率可以使用。干擾情況如圖3所示。圖三 4*3的同頻干擾圖4. 1*3復用方式及干擾圖4中采用的是1*3的復用方式，即只有三個頻率組分配給一個簇的3個小區(qū)使用。這種方式的頻率利用率較上面的4*3,3*3方式高，但可以看到同頻干擾距離也減小了，即干擾量變大了。 合理的復用方式應該是如何在可用帶寬和信干噪比之間尋找到到最佳值，從而最大限度的提升整個系統(tǒng)的容量，提升用戶感知。 在以前的頻率規(guī)劃技術中，我們通過讓不同小區(qū)使用不同的頻率來避免同頻干擾。這樣雖然能夠很好的避免干擾，卻會極大的犧牲掉頻譜資源。在頻譜資源越來越稀缺，而用戶的速率

8、要求卻不斷提高的現(xiàn)在，顯然已經(jīng)不再使用。為了追求更高的頻率利用率，又能有效降低干擾，有的公司變提出了部分頻率復用技術（Fraction Frequency Reuse）。二、 LTE關鍵技術-ICIC 2.1 概述小區(qū)間干擾協(xié)調（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）是用來解決同頻組網(wǎng)時，小區(qū)間干擾的技術。LTE采用的是正交頻分復用（OFDM），將高速數(shù)據(jù)調制到各個正交的子信道上，可以有效減少信道之間的相互干擾（ICI）。但是這個正交只限于當前小區(qū)內的用戶，而不同小區(qū)之間的用戶會存在干擾，特別同頻組網(wǎng)時小區(qū)邊緣的干擾非常嚴重。為了消除小區(qū)間的干擾，

9、除了采用傳統(tǒng)的加擾、調頻等手段外，還可以采用小區(qū)間干擾協(xié)調（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）技術。ICIC是為了保證系統(tǒng)吞吐量不下降，以及提高邊緣用戶的譜效率。ICIC的基本思想是通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使用和負載等情況而進行的多小區(qū)無線資源管理方案。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進行限制，包括限制時頻資源的使用或者在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率等。即靜態(tài)ICIC的主要方式有2種：1）部分頻率復用（Fractional Frequency Reuse，F(xiàn)FR）2）軟頻率

10、復用（Soft Frequency Reuse 2.2 ICIC技術產生背景同頻干擾是在進行組網(wǎng)規(guī)劃時需要解決的重要問題，因為干擾不像噪聲一樣是一個幾乎固定的值。它可能由于發(fā)射機的發(fā)射功率和使用的頻譜資源而改變。那么我們在追求高頻譜利用率的目標下，去盡可能的減輕干擾才能更好的提升系統(tǒng)的吞吐量。下圖簡單介紹下下行的同頻干擾 上圖中，下行的同頻干擾主要表現(xiàn)為不同的基站對同一個用戶發(fā)射信號產生的干擾。如圖中的用戶1既接受到本服務小區(qū)1的有用信號，也接受來自基站2，3的干擾信號。當然這種干擾的形成是由于基站2和3同時使用了基站1給用戶1發(fā)送信息的那段頻率，如果基站2,3不使用自然也就不會有干擾。 對于

11、用戶1來說，距離服務基站近，收到的有用信號的功率比干擾信號的功率大得多，根據(jù)香農公式尚能滿足用戶需求。而用戶2處于小區(qū)的邊緣，也就是各個基站的相互重疊區(qū)域。他接受到的有用信號的功率可能與干擾信號功率不相上下，這樣就會造成嚴重的干擾，甚至掉話，當然我們這里先不考慮切換。這樣就會導致小區(qū)邊緣用戶體驗差，小區(qū)實際覆蓋范圍降低。我們知道LTE中小區(qū)內部用戶之間的干擾，由于采用了OFDM，所以用戶之間的干擾不存在，但是由于LTE同頻組網(wǎng)，小區(qū)間的干擾嚴重。在以前的頻率規(guī)劃技術中，我們通過讓不同小區(qū)使用不同的頻率來避免同頻干擾，這就是頻率復用。這樣雖然能夠很好的避免干擾，卻會極大的犧牲掉頻譜資源。在頻譜資

12、源越來越稀缺，而用戶的速率要求卻不斷提高的現(xiàn)在，顯然已經(jīng)不再使用。2.3 部分頻率復用（FFR）2.3.1 FFR發(fā)展歷史眾所周知，OFDM系統(tǒng)將取代CDMA作為后3G系統(tǒng)的多址技術。OFDM的優(yōu)勢在于它克服了CDMA的自干擾特性，可以實現(xiàn)更高的頻譜效率。那么，如何設計OFDM的頻率復用方案呢? 一個重要的派別認為OFDM應該做到同頻復用，比如快跳頻技術就是為了實現(xiàn)同頻復用而采用的干擾平均化。也有一些學者認為OFDM也是一種頻分多址（FDMA），其頻率復用因子應該為3或者更大一些以抵抗同頻干擾。不過這樣一來，頻譜效率就會降低，這也是CDMA支持者對OFDM的重點攻擊方向。在這種情況下，一部分學

13、者主張采用折中技術：把頻譜分成兩個部分，一部分頻譜用同頻復用，復用因子為1，一部分頻譜采用復用因子為3，這就是reuse partitioning,或者叫部分頻率復用技術（Fractional Frequency Reuse).2.3.2 FFR技術原理與普通頻率復用相比，部分頻率復用是指在某些子頻帶上的頻率復用因子為1，而在另外一些子頻帶上的頻率復用因子大于1?；靖鶕?jù)分配的頻段結合調度算法動態(tài)調度中心用戶和邊緣用戶的使用頻段。對于上行和下行來說，都是基站調度，沒有本質的差別。從功率分配的角度看，有一個子頻帶被所有小區(qū)等功率使用（即頻率重用因子為1），而其余子頻帶的功率分配在相鄰小區(qū)間協(xié)調，

14、從而在每個小區(qū)創(chuàng)造一個小區(qū)間干擾較低的子頻帶，成為小區(qū)邊緣頻帶。FFR的思想是系統(tǒng)將頻率資源分為兩個復用集，一個頻率復用因子為1的頻率集合，應用于中心用戶調度，另一個頻率復用因子大于1的頻率集合，應用于邊緣用戶調度。如圖 1所示，將系統(tǒng)帶寬分成4份。小區(qū)中心復用因子為1,3個小區(qū)的邊緣復用因子為3。3個小區(qū)的邊緣分別使用不同圖注表示。 圖1 FFR示意圖則終端在小區(qū)不同位置所使用的頻率如圖 2所示。通過保證小區(qū)邊緣用戶處于異頻的狀態(tài)，從而避免小區(qū)間的干擾。圖2 FFR在小區(qū)不同位置頻率圖示解釋：所有頻率資源分為4組。小區(qū)中心的用戶恒定分配固定的1組頻段，頻率復用因子為1。小區(qū)邊緣的用戶，分配剩

15、余的3組頻段，頻率復用因子為3，以保證其相鄰小區(qū)邊緣用戶所用的頻段相互正交。打個比方來說，也就是20M的帶寬我現(xiàn)在把它分為4組，那么小區(qū)中心用戶呢我給分配10M，剩下來的10M分別給分配為3等份，而對于不用的小區(qū)用這個3等份里面的一份，所以說對于這種方案來說，小區(qū)中心和邊緣用戶都沒有一個滿資源的說法，都只是占用了部分，對于整體的一個資源利用率是受影響的。2.3.3 FFR的不足 FFR通過減少帶寬使用的靈活性可以很好的解決邊緣用戶之間的干擾，但是這樣就不能適應用戶分布不均勻的情況。如果用戶基本集中在中心，這樣就會造成邊緣資源的浪費。因此，后面逐漸將中心用戶的復用因為擴大到了1，但是在使用邊緣資

16、源的時候只能具有次優(yōu)先級。2.4 軟頻率復用（SFR）在FFR的基礎上，華為提出了軟頻率復用（Soft Frequency Reuse）技術。為什么稱之為“軟頻率復用”呢，因為相比于之前的方案更具有不定型性，小區(qū)的邊緣資源和中心資源可以通過功率比的改變而變化。當然我們針對的是下行的情況。方案中將用戶分為邊緣用戶和中心用戶，頻率也分為主子載波組和輔子載波組。主子載波組在全區(qū)域可用，輔子載波只在中心使用。上圖中的藍、紅、綠就是輔子載波，一般為邊緣使用。輔子載波和主子載波的功率比可以在0和1之間變化，相應的復用因子在3和1之間變化。2.4.1 SFR技術原理SFR的思想是系統(tǒng)將帶寬分三份，如圖 3所

17、示。三個小區(qū)，小區(qū)邊緣分別使用1份，小區(qū)中心使用剩下的2份。小區(qū)中心頻率復用因子為3/2，小區(qū)邊緣頻率復用因子為3。圖3 SFR示意圖例如，在小區(qū)1中， A+B部分只分配給小區(qū)中心，C部分頻率首先分配給小區(qū)邊緣，另外C部分剩余的頻率也可以根據(jù)需要分配給小區(qū)中心使用。SFR和功率控制相結合，通過調節(jié)某些子頻帶上功率的方法，來控制和降低干擾。結合功率控制后，SFR對頻帶的劃分如圖 4所示。圖 4 SFR頻帶劃分 在小區(qū)邊緣，采用高功率頻帶小區(qū)邊緣用戶路損大，使用邊緣頻帶，可以分配較高的發(fā)射功率。小區(qū)邊緣與鄰區(qū)分配的頻帶不同，相互正交，干擾較小。在小區(qū)中心，采用低功率頻帶小區(qū)中心用戶路損小，不需要使

18、用大功率發(fā)射。發(fā)射功率小且距離鄰區(qū)距離又遠，所以小區(qū)中心即使使用的頻率和鄰區(qū)相同，造成的干擾也非常小。在小區(qū)中心，采用高功率頻帶小區(qū)中心用戶距離鄰小區(qū)遠，且頻帶與鄰區(qū)邊緣用戶的正交，對鄰區(qū)干擾小，在邊緣頻帶有剩余時，可以分配給小區(qū)中心使用。由于該頻帶分配功率較高，可以采用高階調制，提高傳輸速率，如圖5所示。圖 5 小區(qū)頻帶分布SFR終端在小區(qū)不同位置所使用的頻率如圖 6所示。結合功率控制，保證相鄰小區(qū)邊緣的用戶處于于異頻的狀態(tài)，從而避免小區(qū)間的干擾。圖 6 SFR在小區(qū)不同位置頻率典型場景下小區(qū)邊緣的最佳復用因子為3。所謂最佳，就是說在頻率復用因子為3的時候，小區(qū)邊緣的容量達到最大。這是因為，

19、增加復用因子，在減少了每小區(qū)可使用的帶寬，但同時提高了信干比，在頻率復用因子為3的時候達到最佳的折中，實現(xiàn)了容量的最大化。在這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn)，因為它直接動搖了同頻復用的理論基石。注意這里的前提是“小區(qū)內部的干擾被大部分消除”。軟頻率復用技術，其主要原則是：1. 可用頻帶分成三個部分，對于每個小區(qū)，一部分作為主載波，其他作為副載波。主載波的功率門限高于副載波。2. 相鄰小區(qū)的主載波不重疊；3. 主載波可用于整個小區(qū)，副載波只用于小區(qū)內部經(jīng)典SFR方案將系統(tǒng)頻譜資源分為3個頻段：1個高功率發(fā)射頻段和2個低功率發(fā)射頻段。由于路損較大，小區(qū)邊緣用戶限定只能使用高功率頻段。為了提高頻譜利用率，小區(qū)

20、中心用戶可以使用整個頻段，為了減少對相鄰小區(qū)邊緣用戶的干擾，中心用戶若使用相鄰小區(qū)邊緣頻段需要低功率發(fā)射。由于中心用戶路損較小，低功率發(fā)射并不會影響中心用戶的通信質量。對任一小區(qū)，高功率頻段在其相鄰小區(qū)中正好是低功率頻段，也即小區(qū)邊緣用戶可用頻率正交。同樣打個比方來說，帶寬為15M，分為3個等份，每個等份為5M，那對于軟頻率復用來說，我用于小區(qū)中心的副載波我可以用到滿帶寬15M，或者是任何的帶寬大小，而對于小區(qū)邊緣用戶來說，我只用到主頻里面的5M帶寬，來達到小區(qū)之間的干擾抑制。2.4.2 SFR優(yōu)勢可以看到，在軟頻率復用方案里面，一個頻率不再是被定義為用或者不用，而是用功率門限的形勢規(guī)定了其在多大程度上被使用，復用因子可以在13之間平滑過渡，這就是其得名的由來。與FFR相比，軟頻率復用沒有機械地將頻譜割裂成兩個部分，而是用功率模版規(guī)定了其