頻率復用是蜂窩通信系統中解決頻譜資源地區性分配的重要技術。在4G通信的OFDM系統中，採用了軟頻率復用技術，結合了2G、3G頻率復用技術的特點，進一步提高了小區頻譜的利用率，增加了小區的容量。
軟頻率復用（Soft Frequency Reuse）是傳統頻率復用（Frequency Reuse）技術的進一步發展。與傳統頻率復用技術不同的是，在軟頻率復用技術當中，一個頻率在一個小區當中不再定義為用或者不用，而是用發射功率門限的方式定義該頻率在多大程度上被使用，系統的等效頻率復用因子可以在1到N之間平滑過渡。
基本介紹
- 中文名：軟頻率復用
- 外文名：Soft Frequency Reuse
- 定義：解決頻譜資源地區性分配的技術
- 何時提出：2004年
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頻率復用技術
頻率復用(Frequency Reuse)是BELL LAB於1947年提出的概念，這個概念是蜂窩移動通信的基石。無線通信剛剛出現的時候採用的是大區制，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射。後來隨著用戶數量的增加，大區制出現了信道不夠的問題，頻率復用技術就是在這種背景下出現的。由於電磁波在空間傳播的衰減特性，一個頻率在一個區域使用之後，在離這個區域比較遠的地方功率已經衰減了很多，干擾降低到可以接受的程度，於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，已經被廣泛接受，其實應該翻譯為“頻率再用”。與大區制相比，頻率復用技術成倍地提高了系統容量，後來所有的移動通信都是基於頻率復用技術的蜂窩系統。
蜂窩技術的早期，頻率復用因子是比較大的。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9~11，第二代移動通信（GSM)的復用因子為4~7。在CDMA技術出現以後，由於CDMA技術的抗干擾的特性，普遍採用了復用因子為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，並以其巨大的認知慣性延續到了後3G, 如Flarion的Flash OFDM系統就採用了快跳頻OFDM和同頻復用作為基本技術框架
眾所周知，OFDM系統將取代CDMA作為後3G系統的多址技術。OFDM的優勢在於它克服了CDMA的自干擾特性，可以實現更高的頻譜效率。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同頻復用而採用的干擾平均化。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，一部分學者主張採用折中技術：把頻譜分成兩個部分，一部分頻譜用同頻復用，一部分頻譜採用復用因子為3，這就是reuse partitioning,或者叫部分頻率復用技術（Fractional Frequency Reuse).
軟頻率復用技術
軟頻率復用（Soft Frequency Reuse）是傳統頻率復用（Frequency Reuse）技術的進一步發展。與傳統頻率復用技術不同的是，在軟頻率復用技術當中，一個頻率在一個小區當中不再定義為用或者不用，而是用發射功率門限的方式定義該頻率在多大程度上被使用，系統的等效頻率復用因子可以在1到N之間平滑過渡。軟頻率復用的主要原則是：
1. 可用頻帶分成N個部分，對於每個小區，一部分作為主載波，其他作為副載波。主載波的功率門限高於副載波；
2. 相鄰小區的主載波不重疊；
3. 主載波可用於整個小區，副載波只用於小區內部
4. 通過調整副載波與主載波的功率門限的比值，可以適應負載在小區內部和小區邊緣的分布。
可以看到，在軟頻率復用方案裡面，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定了其在多大程度上被使用，復用因子可以在1~3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，而是用功率模版規定了其使用程度，因此無論在小區邊緣還是在小區內部，都可以獲得更大的頻寬和頻譜效率。軟頻率復用的另外一個特點是，通過調整副載波與主載波的功率門限的比值，可以適應負載在小區內部和小區邊緣的分布，這也是一個嶄新的特性，可以進一步提高頻譜效率。
軟頻率復用是Beyond 3G無線通信系統的關鍵技術，在3GPP LTE, Wimax系統當中得到廣泛套用。
軟頻率復用技術於2005年由華為公司提出[1]，Wimax論壇2006年發表的技術白皮書[2]當中描述的“Fractional Frequency Reuse”與軟頻率復用類似。
軟頻率復用的提出
軟頻率復用由楊學志博士於2004年代表華為公司向3GPP 提交了一篇題目為 “Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE”的提案（R1-050507,3GPP RAN1 41#,May,2005）的提案中首次提出，這個概念一經提出，立刻得到了工業界和學術界的廣泛關注，出現了很多研究論文，如今已經成為後3G、4G系統的關鍵技術之一。一下是楊學志博士的自我介紹：
我於1988年考入清華大學精密儀器與機械學系，度過了十年求學生涯，拿到博士學位。畢業後，在北京大學做博士後研究工作，圖像壓縮方向。2000年進入華為公司，開始了我在通信領域的職業生涯，一晃就是十二年。 2002年，在TD-SCDMA領域，我提出了一種新的頻域聯合檢測算法，是業界效率最高的。這個成果發表在了 ”A Frequency Domain Multi-User Detector for TD-CDMA Systems“, IEEE Trans. Commu., Vol 59, No. 9, pp.2424 - 2433, Sep. 2011； 2003年，提出了隨機波束賦形（random beam-forming）技術，高效地解決了智慧型天線廣播信道的賦形問題。這個成果發表在 ”A Random Beamforming Technique for Omni-directional Coverage in Multiple Antenna Systems“, IEEE Trans. Vehi. Tech., No.99 Dec. 2012； 2004-2005年，提出了軟頻率復用(soft frequency reuse)技術， “Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE", Huawei, R1-050507, 3GPP RAN1 41, May, 2005，解決了長期困擾業界的OFDM的頻率復用問題，被廣泛研究和套用，成為LTE小區間干擾協調（Inter cell interference coordination）這一領域的事實標準； 2005年，提出"Proposal for the reduced set of DL transmission parameters", R1-050824, 3GPP RAN 1 42, Aug., 2005，統一LTE多種頻寬的採樣率，並用一個IFFT承載多個載波，提高了LTE產業的規模效應，簡化了基站和終端的產品架構，降低了產業成本。 |
軟頻率復用的重要貢獻
RP/FFR 1983年就提出來了，為很多科學家和工程師所熟悉，並且在GSM系統當中得到了套用。而OFDM技術也並不是一個新技術，它的提出大概是在20世紀60年代，並且已經在HDSL 、ADSL 、VDSL 、DAB 和DVB ,無線區域網路IEEE802.11a 和HIPERLAN2 ,以及無線城域網IEEE802.16等多個系統中得到了廣泛的套用，OFDM的頻率復用問題已經被廣泛研究，2004年我看到在國際電信聯盟（ITU）發布的B3G技術趨勢報告當中也提到了這一問題，這一問題當時並沒有被普遍認可的解決方案。
直到軟頻率復用的概念提出以後，這一問題才算得到了解決。這篇提案有兩個重要的貢獻：
1.首次將頻率復用技術從直覺的，實驗的，經驗的層面，提升到嚴格的理論層面，並且得出了不同於以往直覺的結論。運營商在部署一個無線通信網路的時候，頻率規劃方案是其首先需要確定的。以前一般的方法是，根據鏈路能力確定一個C/I指標要求，然後根據這個指標要求確定頻率復用方案。這種方法在無線通信技術發展的國中級階段是有效的，然而隨著技術的發展這種方法就不再有效。在GSM鏈路當中，受當時技術能力的限制，採用了GMSK，TDMA, 卷積碼，時域抽頭均衡等技術，要求的C/I比較高。在OFDM, SC-FDMA,Turbo code, QAM, FDE等技術發展情況下，無線通信越來越接近香農所預言的容量極限，這個技術趨勢導致了無線通信網路的一個不同於以往的特徵，就是小區內部的干擾被大部分消除了，而影響系統容量的主要因素是小區間的干擾。R1-050507從資訊理論的高度上論述了這個問題，並且指出在典型的場景下，小區邊緣的最佳復用因子為3，這個結論超出了多數人的直覺想像。而其論證過程又是極其清晰簡單，一般的研究人員非常容易就可以復現並理解該結果，因此具有了強大的說服力，這也是建立於該結論之上的軟頻率復用技術很快就能得到公認的原因之一。
2.基於嚴格的理論分析和仿真驗證，得出了創新的軟頻率復用的解決方案。SFR與RP/FFR從模糊的文字描述聽起來很象（比如說小區內部復用因子為1，小區邊緣復用因子為3），但是在嚴格的科學語言上有很大的差別，這種差別導致在性能上SFR比RP/FFR的頻譜效率高很多，是一個突破性的進展。RP/FFR只把一部分頻譜分配給小區邊緣，典型的比如說50%或者更少一些，那么每小區分配的頻譜只有1/6或者更少，而SFR在小區邊緣的可獲得頻寬要超出RP/FFR一倍。與同頻復用相比，SFR小區邊緣的容量極限要提高80%，這是因為信噪比提升所獲得的增益要大於頻寬損失。那么獲得這種提升的代價是什麼呢？在系統設計的時候需要一些相應的測量和信令支持，可以說幾乎沒有代價，而且節省了功率。有人說SFR與同頻復用相比小區的總容量下降了，以這個為代價獲得小區邊緣速率的提高，這是對SFR的誤解。同頻復用是SFR的一個特例，它是包含在SFR當中的，當然不會有這種損失。SFR提供了另外一個自由度，就是副載波與主載波的功率門限比，使得系統能夠更好地適應業務的分布，並提供調度上的公平性，實現更高的頻譜效率和更好地用戶感受。
