国人的原创发明，LTE最核心的技术－软频率复用

杨学志

软频率复用（Soft Frequency Reuse-SFR）是我在2004年提出的一个概念。当时，3GPP LTE项目刚刚立项，我代表华为公司向3GPP 提交了一篇题目为 “Soft frequency reuse scheme for UTRAN LTE”的提案（R1-050507,3GPP RAN1 41#,May,2005），这是软频率复用的概念的第一篇文献。这个概念一经提出，立刻得到了工业界和学术界的广泛关注，出现了很多研究论文，如今已经成为后3G系统的关键技术之一。

频率复用(Frequency Reuse)是BELL LAB于1947年提出的概念，这个概念是蜂窝移动威尼斯人官方网站的基石。无线威尼斯人官方网站刚刚出现的时候采用的是大区制，也就是说一个城市只有一个基站，天线架设在很高的塔上，用很大的功率进行发射。后来随着用户数量的增加，大区制出现了信道不够的问题，频率复用技术就是在这种背景下出现的。由于电磁波在空间传播的衰减特性，一个频率在一个区域使用之后，在离这个区域比较远的地方功率已经衰减了很多，干扰降低到可以接受的程度，于是这个频率就可以再用（reuse）一次，这个就是频率复用的概念。“频率复用”是中文的习惯翻译，已经被广泛接受，其实应该翻译为“频率再用”。与大区制相比，频率复用技术成倍地提高了系统容量，后来所有的移动威尼斯人官方网站都是基于频率复用技术的蜂窝系统。

蜂窝技术的早期，频率复用因子是比较大的。频率复用因子表示一个频率复用簇（Reuse Cluster）当中的频点的数量。复用因子越大，表示复用距离越大。第一代移动威尼斯人官方网站（AMPS)的复用因子为9~11，第二代移动威尼斯人官方网站（GSM)的复用因子为4~7。在CDMA技术出现以后，由于CDMA技术的抗干扰的特性，普遍采用了复用因子为1，也称为普遍频率复用（Universal Frequency Reuse）和同频复用。同频复用被认为是CDMA的技术优势，这个观点在三代移动威尼斯人官方网站（UMTS, CDMA2000）上得到了加强和广泛传播，并以其巨大的认知惯性延续到了后3G, 如Flarion的Flash OFDM系统就采用了快跳频OFDM和同频复用作为基本技术框架。

众所周知，OFDM系统将取代CDMA作为后3G系统的多址技术。OFDM的优势在于它克服了CDMA的自干扰特性，可以实现更高的频谱效率。那么，如何设计OFDM的频率复用方案呢? 一个重要的派别认为OFDM应该做到同频复用，比如快跳频技术就是为了实现同频复用而采用的干扰平均化。也有一些学者认为OFDM也是一种频分多址（FDMA），其频率复用因子应该为3或者更大一些以抵抗同频干扰。不过这样一来，频谱效率就会降低，这也是CDMA支持者对OFDM的重点攻击方向。在这种情况下，一部分学者主张采用折中技术：把频谱分成两个部分，一部分频谱用同频复用，一部分频谱采用复用因子为3，这就是reuse partitioning,或者叫部分频率复用技术（Fractional Frequency Reuse).

我在做小区间干扰分析和容量分析的时候发现，如果小区内部的干扰可以消除的话，通过Shannon的信道容量公式计算，典型场景下小区边缘的最佳复用因子为3。所谓最佳，就是说在频率复用因子为3的时候，小区边缘的容量达到最大。这是因为，增加复用因子，在减少了每小区可使用的带宽，但同时提高了信干比，在频率复用因子为3的时候达到最佳的折中，实现了容量的最大化。在这是一个非常重要的发现，因为它直接动摇了同频复用的理论基石。注意这里的前提是“小区内部的干扰被大部分消除”。 OFDM系统是满足这个前提的，因为各个子载波之间是没有干扰的。这个前提也适用于采用多用户检测的CDMA系统，因为小区内的干扰被消除了。使用 Rake的CDMA系统是不满足这个前提的，同频复用是其最佳的选择。

而小区内部与小区边缘的情况非常不同。这是因为小区内部期望信号功率大，干扰信号小，最佳的选择就是要使用所有频带，通过牺牲带宽来提高信干比是得不偿失的。那么自然的想法就应该是小区边缘采用复用因子为3，小区内部为同频复用，似乎就应该是部分频率复用（Fractional Frequency Reuse）。然而我想到了更好的解决方案。这就是软频率复用技术，其主要原则是：

1. 可用频带分成三个部分，对于每个小区，一部分作为主载波，其他作为副载波。主载波的功率门限高于副载波。

2. 相邻小区的主载波不重叠；

3. 主载波可用于整个小区，副载波只用于小区内部

可以看到，在软频率复用方案里面，一个频率不再是被定义为用或者不用，而是用功率门限的形势规定了其在多大程度上被使用，复用因子可以在1~3之间平滑过渡，这就是其得名的由来。与FFR相比，软频率复用没有机械地将频谱割裂成两个部分，而是用功率模版规定了其使用程度，因此无论在小区边缘还是在小区内部，都可以获得更大的带宽和频谱效率。软频率复用的另外一个特点是，通过调整副载波与主载波的功率门限的比值，可以适应负载在小区内部和小区边缘的分布，这也是一个崭新的特性，可以进一步提高频谱效率。

软频率复用的概念提出之后，由于其简单，高效，实用的特点，迅速被被工业界和学术界认可并进行了广泛研究，出现了很多的标准提案和研究文章,大家在网上搜索一下就可以找到，我不在这里列举。3GPP把软频率复用归类到小区间干扰协调领域,而这一领域是在软频率复用技术之后才设立的。中国的Future项目和欧洲的Winner项目也采用了软频率复用技术。时隔一年以后的2006年，Wimax论坛发表了技术白皮书，也采用了软频率复用技术，只是出人意料地采用了“Fractional Frequency Reuse”的名称，也有一些欧洲研究项目将传统的FFR命名为FFR-FI,把SFR命名为FFR-PI，表现出似乎不情愿承认我们对该技术拥有命名权。但是R1-050507就在那里，它就叫软频率复用。