本章学习重点和要求

   蜂窝概念是解决频率资源不足和用户容量不断增加问题的一个重大技术。它能在有限的频谱上为更多的用户服务,而不需要做技术上的重大修改。蜂窝的概念是一个系统级的概念,其思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机,每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖.每个基站分配整个系统可用信道中的一小部分,相邻基站则分配另外一些不同的信道,这样所有的可用信道就分配给了相对较小数目的相邻的基站.给相邻的基站分配不同的信道组,基站之间及在它们控制之下的用户之间的干扰最小.通过分隔整个系统的基站及它们的信道组,可用信道可以在整个系统的地理区域内分配,而且尽可能的复用,只要基站之间的同频干扰低于可接受水平。随着服务需求的增长,基站的数目可能会增加从而提供额外的容量,但没有增加额外的频率.此外,蜂窝概念允许在一个国家或一块内,每一个用户设备都做成使用同样一组信道,这样任何的移动终端都可以在该区域内的任何地方使用。

    本章着重介绍了关于蜂窝的概念，包括频率复用，切换策略，干扰与系统容量，中继和服务等级等概念。

    学完本章后，要求：

理解关于蜂窝的概念。 

了解频率复用的概念以及频率复用的模型。 

理解信道分配策略以及切换策略。其中包括切换策略中优先切换的概念和实际切换中需要注意的事项。 理解干扰与系统容量之间的关系，了解如何在实际系统中用功率控制减少干扰以提高系统容量。 

了解中继和服务等级的概念，掌握中继理论，了解中继系统的分类。 

了解各种提高系统容量的方法。 

第一节 关于蜂窝的概念

    概述

   蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破.它能在有限的频谱上提供非常大的容量,而不需要做技术上的重大修改.蜂窝的概念是一个系统级的概念,其思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机,每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖.每个基站分配整个系统可用信道中的一小部分,相邻基站则分配另外一些不同的信道,这样所有的可用信道就分配给了相对较小数目的相邻的基站.给相邻的基站分配不同的信道组,基站之间及在它们控制之下的用户之间的干扰最小.通过分隔整个系统的基站及它们的信道组,可用信道可以在整个系统的地理区域内分配,而且尽可能的复用,只要基站之间的同频干扰低于可接受水平.

     频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内,存在着许多使用同一组频率的小区.这些小区叫做同频小区.这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰.不像热噪声那样可以通过增大信噪比(SNR)来克服,同频干扰不能简单的通过增大发射机的发射功率来克服.这是因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰.为了减小同频干扰,同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离,为传播提供充分的隔离.

    如果每个小区的大小都差不多,基站也都发射相同的功率,则同频干扰比例与发射功率无关,而变为小区半径(R)和相距最近的同频小区的中心之间距离(D)的函数.增加D/R的值,相对于小区的覆盖距离,同频小区间的空间距离就会增加,从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小.参数Q叫做同频复用比例,与簇的大小有关(见表2.1).对于六边形系统来说,Q可表示为:

             Q=D/R=   (2.4)

    Q的值越小,则容量越大;但是Q值大可以提高传播质量,因为同频干扰小.在实际的蜂窝系统中,需要对这两个目标进行协调和折衷.

    随着服务需求的增长,基站的数目可能会增加从而提供额外的容量,但没有增加额外的频率.此外,蜂窝概念允许在一个国家或一块内,每一个用户设备都做成使用同样一组信道,这样任何的移动终端都可以在该区域内的任何地方使用.

    频率复用

1.频率复用的概念

　　　　蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的智能分配和复用.

　　基站天线设计师要做到能获得某一定小区内期望的覆盖.通过

　　将覆盖范围在小区边界以内,相同的信道组就可以覆盖不

　　同的小区,只要这些小区两两相隔的距离足够远,使得相互间的

　　干扰水平在可接受的范围之内.为整个系统中的所有基站选择和

　　分配信道组的设计过程叫频率复用或频率规划。

2.频率复用模型

图2.1说明了频率复用的思想,在该图中标有相同字母的小区使用相同的信道组.频率复用的设计是基于地图之上的,指明了在哪使用了不同的频率信道.当考虑要覆盖整个区域而没有重叠和间隙的几何形状时,只有三种可能的选择:正方形、等边三角形、和六边形.图2.1所示的六边形小区是概念上的,是每个基站的简化覆盖模型,因为六边形的蜂窝系统分析起来比较简单、处理,它易被广泛接受.实际上一个小区的无线覆盖是一个不规则的形状,并且决定于场强测量或传播预测模型.实际小区形状是不规则的,但也需要一个规则的小区形状来用于系统设计,以适应未来增长的需要.如果用六边型作覆盖模型,则可用最小的小区数就能覆盖整个地理区域;而且,六边形最接近于圆形的辐射形势,全向的基站天线和自由空间传播的辐射模式就是圆型的.(语音解释)

图2.1蜂窝频率复用思想的图解

  在上图中，标有相同字母的小区使用相同的频率。小区簇的外围轮廓用粗体描过，并在覆盖区域上进行复制。在本例中，簇的大小N为7，频率复用因子为1/7，因为每个小区都有可用信道总数的七分之一

    当用六边形来模拟覆盖范围时,基站发射机或者安置在小区的中心(中心激励小区)或者安置在六边形的顶点之中的三个上(顶点激励小区).

    为了理解频率复用的概念,考虑一个共有S个可用的双上信道的蜂窝系统.如果每个小区都分配K个信道(k                    S=kN (2.1)                                                        

    共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇.如果簇在系统同复制了M次,则双上信道的总数C,可以作为容量的一个度量:

                   C=MkK=MS (2.2)

   其中N叫做簇的大小,典型值为4、7或12.如果簇的大小N减小而小区的数目保持不变,则需要更多的簇来覆盖给定的范围从而获得更大的容量.N的值则表现了移动台或基站可以承受的干扰,同时保持令人满意的通信质量.从设计的观点来看,N取可能的最小值是最好的目的是可以获得某一定覆盖范围上的最大容量C.

   为了将六边形划分成一个一个的小方个---使相邻小区无空隙---每一个簇的小区数量N,只有满足式(2.3)的值:

                N= i2 + ij + j2  (2.3)

    其中i 和j为非零整数.为了找到某一特定小区的相距的同频相邻小区,必须按以下步骤进行:(1)沿着任何一条六边形链移动i个小区;(2)逆时针旋转60度再移动j个小区.

图2.2在蜂窝系统中定位同频小区的方法

    在这个例子中，N=19(也就是i=3，j=2)

    信道分配策略

    为了充分利用无线频谱,必须要有一个能实现既增加用户量又减小干扰为目的的频率复用方案.为了达到这些目标已经发展起来了各种不同的信道分配策略.信道分配策略可以分为两类:固定的和动态的.选择哪一种信道分配策略会影响系统的性能,特别是在移动用户从一个小区切换到另一个小区是的呼叫处理方面.

    在固定的信道分配策略中,每个小区分配一组预先确定好的话音信道.小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道.如果该小区中的所有信道都已被占用,则呼叫阻塞、用户得不到服务.固定分配策略也有多种变种.其中一种方案,叫借用策略.如果它自己的所有信道都已被占用的话,允许小区从它相邻小区中借用信道.由移动管理这样的借用过程,并保证一个信道的借用,不会中断或干扰借出小区的任何一个正在进行的呼叫.

    在动态的信道分配策略中,语音信道不是固定地分配给各个小区.相反,每次呼叫请求来的时候,为它服务的基站就向MSC请求一个信道.交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道.

    因此,MSC只分配符合以下条件的某一频率;这个小区没有使用该频率,而且,任何为了避免同频而限定的最小频率复用距离内的小区都没有使用该频率.动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性,从而提高系统的中级能力,因为系统中的所有小区都可用.动态的信道分配策略要求MSC连续实时地收集关于信道占用情况、话务分配情况、所有信道的无线信号强度指示(RSSI)等数据.这增加了系统的存储和计算量,但有利于提高信道的利用率和减小呼叫阻塞的概率.

    切换策略

1.概述

    当一个移动台正在通话的时候,从一个基站移动到另一个基站,MSC自动地将呼叫转移到新的基站上.这种切换操作不仅要识别一个新的基站,而且要求将话音和信令分派到新的信道上.

    切换处理在任何蜂窝无线系统中都是一项重要的任务。切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户觉察不到。为了适应这些要求，系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度。一旦将某个特定的信号强度指定为基站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号（一般在-90DBM到-100DBM之间），稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限.其中的间隔表示为△=Pr切换-Pr最小可用,不能太小也不能太大.如果△太大,就有可能会有不需要的切换来增加MSC的负担;如果△太小就有可能会因信号太弱而掉话,而在此之前又没有足够的时间来完成切换.

    在决定何时切换的时候,要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬间的衰减,而是由于移动台正在离开当前服务的基站.为了保证这一点,基站在准备切换之前先对信号监视一段时间.

    呼叫在一个小区内没有经过切换的通话时间,叫做驻留时间.某一特定用户的驻留时间受到一系列参数的影响,包括传播、干扰、用户与基站之间的距离,以及其它的随时间而变的因素.

    在第一代模拟蜂窝系统中,信号能量的检测是由基站来完成、由MSC来管理的;在使用数字TDMA技术的第二代系统中,是否切换的决定是由移动台来辅助完成的,在移动台辅助切换(MAHO)中,每个移动台检测从周围基站中接受信号能量,并且将这些检测数据连续地回送给当前为它服务的基站.MAHO的方法使得基站间的呼叫比第一代模拟系统中的快的多,因为切换的检测是由每个移动台来完成的,这样MSC就不在需要连续不断地监视信号能量.MAHO的切换频率在蜂窝环境中特别适用.

    在一个呼叫过程中,如果移动台从一个蜂窝系统离开到另一个具有不同MSC控制的蜂窝系统中,则需要进行系统间的切换.同时在系统间切换完成之前就必须定义好这两个MSC之间的兼容性.

    不同的系统用不同的策略和方法来处理切换请求.一些系统处理切换请求的方式与处理初始呼叫是一样的.在这样的系统中,切换请求在新基站中失败的概率和来话的阻塞是一样的。然而,从用户的角度来看,正在进行的通话中断比偶尔的新呼叫阻塞更令人讨厌.为了提高用户所觉察到的服务质量,已经想出了各种各样的办法来实现在分配话音信道的时候,切换请求优先于初始呼叫请求.

2.优先切换

使切换具有优先权的一种方法叫做信道监视方法即保留小区中所有可用信道的一小部分,专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务.监视信道在使用动态分配策略时能使频谱得到充分利用,因为动态分配策略可通过有效的、根据需求的分配方案使所需的监视信道减小到最小值.

     对切换请求进行排队,是减小由于缺少可用信道而强迫中断的发生概率的另一种方法.强迫中断概率的降低与总体承载话务量之间有一种折衷关系.由于接收到的信号强度下降到切换门限以下和因信号太弱而通话中断之间的时间间隔是有限的,因此可以对切换请求进行排队.

3.实际切换中需要注意的事项

在实际的蜂窝系统中,当移动速度变化范围较大时,系统设计将遇到许多问题.高速车辆只要几秒钟就驶过了一个小区的覆盖范围,而步行用户在整个通话中可能不需要切换.已经提出了多种方案处理同一时刻的高速和低速用户的通信,同时将MSC介入切换的次数减少到最小.另一个现实的局限性是对获得新小区站址的.

    蜂窝的概念虽然可以通过增加小区站点来增加系统容量,但在实际中,要在市内获得新的小区站点的物理位置,对于蜂窝服务的提供者来说是很困难的.分区法、条例、以及其它非技术性的障碍,经常使得蜂窝提供者宁愿在一个于已经存在小区相同的物理位置上安装基站增加信道,而不愿去寻找新的站点位置.通过使用不同高度的天线和不同强度的功率,在一个站点上设置‘大的’和‘小的’覆盖区是可能的，这种技术，叫做伞状小区方法，用来为高速用户提供大面积的覆盖,同时为低速用户提供小面积的覆盖.

   在微区系统中还存在另外一个实际的切换问题,就是小区拖尾.小区拖尾由于对基站发射强信号的步行用户所产生.由于用户以非常慢的速度离开基站,平均信号能量衰减不快,即使当用户远离了小区的预定范围,基站接受的信号仍然可能高于切换门限,因此不做切换,这就会产生潜在的干扰和话务量管理问题,因为用户那时已深入到了相邻小区中.为解决小区拖尾问题,需要仔细的调整切换门限和无线覆盖参数.

干扰和系统容量

1.概述

    干扰是 蜂窝无线系统性能的主要因素。干扰来源包括同小区中的另一个移动台，相邻小区中正在进行的通话，使用相同频率的其他基站，或者无意中渗入蜂窝系统频带范围的任何非蜂窝系统。话音信道上的干扰会导致串话，使用户听到了背景的干扰。 信令信道上的干扰则会导致数字信号发送上的错误，而造成呼叫遗漏或阻塞。蜂窝系统两种主要的干扰是： 同频干扰和邻频干扰。虽然干扰信号常常是在蜂窝系统内产生的，在实际中要控制它们也是很难的（由于随机的传播效应）。频带外用户引起的干扰更加难以控制，这种情况是由于用户设备前端的饱和效应或是间歇的互调效应是在没有任何警告的情况下发生的。实际上，使用相互竞争的蜂窝系统常常是频带外干扰的一个重要来源，因竞争者为了给顾客提供不相上下的覆盖，常常使他们的基站相距得很近。

2.同频干扰和系统容量

    频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内,存在着许多使用同一组频率的小区.这些小区叫做同频小区.这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰.不像热噪声那样可以通过增大信噪比(SNR)来克服,同频干扰不能简单的通过增大发射机的发射功率来克服.这是因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰.为了减小同频干扰,同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离,为传播提供充分的隔离.

     如果每个小区的大小都差不多,基站也都发射相同的功率,则同频干扰比例与发射功率无关,而变为小区半径(R)和相距最近的同频小区的中心之间距离(D)的函数.增加D/R的值,相对于小区的覆盖距离,同频小区间的空间距离就会增加,从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小.参数Q叫做同频复用比例,与簇的大小有关(见表2.1).对于六边形系统来说,Q可表示为:

             Q=D/R=   (2.4)

    Q的值越小,则容量越大;但是Q值大可以提高传播质量,因为同频干扰小.在实际的蜂窝系统中,需要对这两个目标进行协调和折衷.

3.邻频干扰

    来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是指由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。如果相邻信道的用户在离用户接收机很近的范围内发射，而接收机是想接收使用预设信道的基站信号，则这个问题会变得很严重。这称作远近效应，就是一个在附近的发射机（可能是也可能不是属于蜂窝系统所用的同一种类型）‘俘获’了用户的接收机。还有，当离基站很近的移动台用了与一个弱信号移动台使用的信道邻近的信道时，也会发生远近效应。

　   邻频干扰可以通过精确的滤波器和信道分配而减小。因为每个小区只分配了可用信道的一部分，给小区分配的信道就没有必要在频率上相邻。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。因此，不是在每个特定的小区分配在频谱上连续的信道，而是使在给定小区内分配的信道有最大的频率间隔。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是簇的大小。其中一些信道分配方案，还通过避免在相邻小区使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。

　   如果频率复用比例小，相邻信道间的间隔就可能不足以将邻频干扰强度保持在可容忍的极限内。例如,如果有一个移动台接近基站的程度是另一个的20倍,而且有信号能量溢出它自己的传输频带,弱信号移动台的信噪比(接收滤波器之前)可近似表示为:

　　　S/I=(20)-n             （2.5）

　  如果路径衰减指数为n=4,上式等于-52dB.实际上,为了抵制邻频干扰,每个基站都用高Q值的空腔滤波器.

4.功率控制减小干扰

   在实际的蜂窝无线电和个人通信系统中,每个用户发射的功率一直是在当前服务基站的控制之下.这是为了保证每个用户所发射的功率都是所需的最小功率,以保持反向信道中的链路的良好质量.功率控制不仅有助于延长用户的电池寿命,而且可以显著地减小系统中的反向信道的信噪比S/I.

    中继和服务等级

1.中继及服务等级的概念

    蜂窝无线电系统依靠中继才能在有限的无线频谱内为数量众多的用户服务.中继的概念是指允许大量的用户在一个小区内共享相对较小数量的信道,即从可用信道库中给每个用户按需分配信道.在中继的无线系统中,每个用户只是在有呼叫时才给分配一个信道,一旦通话终止,原先占用的信道就立即回到可用信道库中.

    根据用户行为的统计数据,中继使固定数量的信道或线路可为一个数量更大的,随即的用户群体服务.电话公司根据中继理论来决定那些有成百上千台电话的办公大楼所需分配的线路数目.中继理论也用在蜂窝无线系统的设计中,在可用的电话线路数目与在呼叫高峰时没有线路可用的可能性之间有一个折衷.当电话线路数下降时,对于一个特定的用户,所有线路都忙的可能性变大.在中继的移动无线系统中当所有的无线信道都被占用而用户又请求服务时,则发生呼叫阻塞而被系统拒绝进入.在一些系统中,可能用排队来保存正在请求通话的用户信息,直到有信道为止.

    服务等级(GOS)是用来测量在系统最忙的时间用户进入系统的能力.忙时基于一周,一月或一年内顾客在最忙时间的需求.蜂窝无线系统的忙时通常出现在高峰时间,星期四下午的4点到6点或星期六晚上.服务等级用作某个中继系统的预定性能的基准.估算符合GOS所需的最大通信容量和分配适当数目的信道是无线设计者的工作.GOS通常定义为呼叫阻塞的概率,或是呼叫延迟时间大于特定排队时间的概率.

2.中继理论

为了设计一个能在特定的服务等级上处理特定容量的中继无线系统,必须懂得中继理论和排队论.中继理论的基本原理是19世纪末的一个丹麦数学家爱尔兰(Erlang)提出来的,他致力于研究大量的用户怎样由有限的服务能力为他们服务[Bou88].现在,用他的名字作为话务量强度的单位.一个Erlang(爱尔兰)表示一个完全被占用的信道的话务量强度(即单位小时的呼叫小时或单位分钟的呼叫分钟).例如,一个在一个小时内被占用了30分钟的信道的话务量为0.5Erlang.

    在中继理论中,为中继系统作容量估算时要用到表2.3中列出的一系列定义.

                   表2.3    中继理论中用到的基本术语定义

建立时间:给正请求的用户分配一个中继无线信道所需的时间

              Au=λH                              (2.6)

    其中,H是通话的平均保持时间,λ是单位时间内的平均呼叫请求次数.对于一个有U个用户和不确定数目信道的系统,总共的话务量A为:

               A=UAu                               (2.7)

   而且,在一个有C个信道的中继系统中,如果话务量是在信道中平分的话,则每个信道的话务量强度Ac为:

             Ac=UAu/C                             (2.8)

    注意,提供的话务量并不是中继系统所承载的话务量,只是提供给系统的话务量.当提供的话务量超过了系统的最大容量时,所承载的话务量因为系统容量受(信道数量受)而受.最大可能承载的话务量决定于信道总数,表示为C,以Erlang为单位.AMPS蜂窝系统设计GOS为2%的阻塞率.这意味着给小区分配的信道是按在最繁忙时间,由于信道被占用,100个呼叫中有2个被阻塞设计的.

3.中继系统的分类

通常用到的有两种中继系统.第一种,不对呼叫请求进行排队,也就是,对于每一个请求服务的用户,假设没有建立时间,如果有空闲信道则立即进入;如果已没有空闲信道,则呼叫阻塞,被拒绝进入和释放掉,只能以后再试.这种中继叫做阻塞呼叫清除(blocked calls cleared),其前提条件是呼叫分布服从泊松分布.还假设用户数量为无限大,并且(a)呼叫请求的到达无记忆性,意味着所有的用户,包括阻塞的用户,都可能在任何时刻要求分配一个信道;(b)用户占用信道的概率服从指数分布,那么根据指数分布,长时间的通话发生的可能性就很小;(c)在中继库中可用的信道数目有限.这称为M/M/m排队系统,由此得出了Erlang B公式(也叫阻塞呼叫清除公式).Erlang B 公式决定了呼叫阻塞的概率,也表征了一个不对阻塞呼叫进行排队的中继系统的GOS.

                                 表2.4   Erlang B系统的容量

    提高蜂窝系统的容量

1.概述

    随着无线服务要求的提高,分配给每个小区的信道数量最终变得不足以支持所要达到的用户数.从这点来看,需要蜂窝设计技术来给单位覆盖区域提供更多的信道.在实际中,用小区,裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统的频率复用.微小区概念将小区覆盖分散,将小区边界延伸到难以到达的地方.小区通过增加基站的数量来增加系统容量,而裂向和微小区依靠基站天线的定位来减小同频干扰以提高系统容量.小区和微小区技术不会像裂向那样降低中继效率,而且使得基站能监视与微小区有关的所有切换,从而减小MSC的计算量.以下详细介绍这三种流行的提高系统容量的技术. 

2.小区

小区是将拥塞的小区分成更小小区的方法,每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率.由于小区提高信道的复用次数,因而能提高系统容量.通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区(叫做微小区),使得单位面积内的信道数目增加,从而增加系统容量.

   假设每个小区都按半径的一半来,如图2.8所示.为了用这些更小的小区来覆盖整个服务区域,将需要大约为原来小区数4倍的小区.用R为半径画一个圆就容易理解了.以R为半径的圆所覆盖的区域是以R/2为半径的圆所覆盖区域的4倍.小区数的增加将增加覆盖区域内的簇数目,这样就增加了覆盖区域内的信道数量,从而增加容量.小区通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统的增长,同时又不影响为了维持同频小区间的最小同频复用因子所需的信道分配策略.图2.8为小区的例子,基站放置在小区角上,假设基站A服务区域内的话务量已经饱和(即基站A的阻塞超过了可接受值).因此该区域需要新基站来增加区域内的信道数目,并减小单个基站的服务范围.注意到,在图中,最初的基站A被六个新的微小区基站所保围.在图2.8所示的例子中,更小的小区是在不改变系统的频率复用计划的前提下增加的.

图2.8  小区的图例

    对于在尺寸上更小的新小区,它们的发射功率也应该下降.半径为原来小区的一半的新小区的发射功率,可以通过检查在新的和旧的小区边界接收到的功率Pr,并令它们相等来得到.

    实际上,不是所有的小区都同时.对于服务提供者来说,要找到完全适合小区的确切时期通常都很困难.因此,不同规模的小区将同时存在.在这种情况下,需要特别注意保持同频小区间所需的最小距离,因而频率分配变得更加复杂[Rap97].同时也要注意到切换问题,使得高速和低速移动用户能同时得到服务(普遍使用2.4节中的伞状小区方法).如图2.8中,当同一个区域内有两种规模的小区时,从式中可看出,不能简单地让所有新小区都用原来的发射功率,或是让所有旧小区都用新的发射功率.如果所有小区都用大的发射功率,更小的小区使用的一些信道将不足以从同频小区中分离开.另一方面,如果所有小区都用小的发射功率,大的小区中将有部分地段被排除在服务区域之外.由于这个原因,旧小区中的信道必须分成两组,一组适应小的小区的复用需求,另一组适应大的小区的复用需求.大的小区用于高速移动通信,那么切换次数就会减小.

   两个信道组的大小决定于的进程情况.在过程的最初阶段,在小功率的组中信道数会少一些.然而,随着需求的增长,小功率组需要更多的信道.这种过程一直持续到该区域内的所有信道都用于小功率的组中,此时,小区覆盖整个区域,整个系统中每个小区的半径都更小.常用天线下倾,即将基站的辐射能量集中指向地面(而不是水平方向),来新构成的微小区的无线覆盖.

3.划分扇区

    正如上一节所述,小区通过从根本上重组系统来获得系统容量的增加.通过减小小区半径R和不改变同频复用因子D/R,小区增加单位面积的信道数.然而,另一种提高系统容量的方法是保持小区半径不变,而寻找办法来减小D/R比值.在这种方法中,容量的提高是通过减小簇中的小区的数量,从而提高 频率复用来实现的.但是,为了做到这一点,需要在不降低发射功率的前提下减小相互干扰.

牋蜂窝系统中的同频干扰能通过用定向天线来代替基站中单独的一根全向天线来减小,其中每个定向天线辐射某一特定的扇区.使用定向天线,小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰.使用定向天线来减小同频干扰,从而提高系统容量的技术叫做裂向.同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目.通常一个小区划分为3个120度的扇区或是6个60度的扇区,如图2.9(a) 和 (b).

图2.9 (a)120度裂向(b)60度裂向

    利用裂向以后,在某个小区中使用的信道就分为分散的组,每组只在某个扇区中使用,如图2.9(a) 和 (b)所示.假设为7个小区复用,对于120度扇区,第一层的干扰源数目由6下降到2.这是因为6个同频小区中只有2个能接收到相应信道组的干扰.参考图2.11,考虑在标有“5”的中心小区的右边扇区的移动台所受到的干扰.在中心小区的右边有3个标“5”的同频小区的扇区,3个在左边.在这6个同频小区中,只有2个小区具有可以辐射进入中心小区的天线模式,因此中心小区的移动台只会受到来自这两个小区的前向链路的干扰.这种情况下的S/I可以根据 式(2.5)算得为24.2dB,这对于2.5节中全向天线的情况是一个重大的提高,在2.5节中,实际系统的最坏的S/I为17dB.使扇区天线下倾能进一步提高S/I比值.

   由于中继效率下降,话务量会有所损失,所以一些运营商不用裂向方法,特别是在密集的市区,在这些地方定向天线模式在控制无线传播时往往失效.由于裂向中每个基站使用不止一个天线,小区中的可用信道必须进行划分并且对特定天线实行专用.这样就把可用的中继信道分为多个部分,从而降低了中继效率.

4.新微小区概念

当使用裂向时需要增加切换次数,这就导致移动系统的交换和控制链路的负荷增加.为解决此问题,Lee作了分析.他提出一种基于7小区复用的微小区概念,如图2.10所示.在这个方案中,每3个(或者更多)区域站点(在图2.10中以Tx/Rx表示)与一个单独的基站相连,并且共享同样的无线设备.各微小区用同轴电缆,光导纤维,或是微波链路与基站连接.多个微小区和一个基站组成一个小区.当移动台在小区内行驶时,由信号最强的微小区来服务.这种方法优于裂向,因为它的天线安放在小区的外边缘,并且任意基站的信道都可由基站分配给任一个微小区.

    当移动台在小区内从一个微小区行驶到另一个微小区时，它使用同样的信道。因此，与裂向不同，当移动台在小区内的微小区之间行驶时不需要MSC进行切换。以这种方式，某一信道只是当移动台在微小区内时使用，因此，基站辐射被在局部，干扰也减小了。信道根据时间和空间在3个微小区之间分配,也像通常一样进行同频复用。这种技术在高速公路边上或市区开阔地带特别有用。

     微小区技术的优点在于小区可以保证覆盖半径，又可减小蜂窝系统的同频干扰，因为一个大的中心基站已由多个在小区边缘的小功率发射机（微小区发射机）来代替。同频干扰的减小提高了信号的质量，也增大了系统容量，而没有裂向引起的中继效率的下降。如前面所述，18dB的S/I是满足窄带FM系统性能要达到的。对于一个N=7的系统，D/R为4.6可以达到这样的要求(参见图2.10).关于微小区系统,由于任何时刻的发射都受某一微小区的控制,这意味着Dz/Rz为4.6(其中,Dz为两个同频微小区间的最小距离,Rz为微小区的半径)可以达到所需的链路性能.在图2.11中,令每个的六边形代表一个微小区,每三个六边形一组代表一个小区.微小区半径Rz约等于六边形的半径.现在,微小区系统的容量直接与同频小区间的距离相关,而与微小区无关.在图2.10中,该距离表示为D.如果Dz/Rz为4.6,从图2.11可以看出,同频复用因子D/R的值为3,其中R是小区的半径,并等于六边形半径的两倍.根据式(2.4),D/R=3相对应的簇的大小N=3.从此可以推算出,簇大小从N=7减到N=3,根据微小区的概念,将使系统容量增加2.33倍,因此,对于同样的18dB的S/I要求,相对于传统的蜂窝规划,该系统在容量上有很大的增加.

图2.11

    通过检查图2.11和利用式(2.5),微小区系统最坏情况的S/I估计为20dB.因此,在最坏情况下,相对于传统的用全向天线的7小区复用系统来说,此系统在所需的信噪比上提供2dB的余量,同时系统容量增加2.33倍.没有中继效率的损失.在许多蜂窝系统和个人通信系统中正在采纳微小区结构.下载本文