几种提高蜂窝移动通信系统容量的方法

善系统容量和无线链路质量的影响非常大，信道分 配则能利用同频干扰有效地为移动用户分配信道， 并提高系统容量。 同时， 采用功率控制和自适应天线 技术可以减少同频干扰。 因此， 与分别独自使用信道 分配、 功率控制和自适应天线技术相比， 这 * 种技术 之间的相互结合应该能够增加更多的系统容量。
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率控制技术有： 分布式均衡算法 （’0# ） 和分布式功
*1,
率控制 （’2"） 等分布式干扰均衡功率控制 （402"）
*$3,
技术
*1， 5,
， 以及基于信号电平的功率控制 （6702" ）
技术 。
*/,
对于干扰均衡功率控制技术，调整发射功率电
?）在基站处使用自适应天线可以降低同频干
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电信快报 （!""#， $%&’ ） 扰，从而使小区中的用户数增加。例如在 !"#$、 蜂 %"#$ 系统中，当同频干扰降低到一定程度时， 窝系统可以用尺寸更小的小区群进行频率规划， 从 而使每个小区的信道数增多。对于 &"#$ 系统， 利 用自适应天线允许用户采用较低功率发射信号， 以 减少多址干扰 （#$’ ） ， 从而增加了每个小区同时容 纳的用户数。 采用自适应天线基站能够在 (）利用空间滤波， 本小区内建立额外信道。控制天线阵窄波束朝着移 动台，如果小区内用户彼此之间的角度大于空间滤 波最小可以分辨的角度，那么小区内的用户就可以 共享同一信道， 从而使蜂窝系统容量提高， 通常将其 称为空分多址 （)"#$ ） 技术。
功率控制技术与 !"# 技术相结合 近几年，有人就功率控制与 "&$ 相结合对系
!/26C>， 系统容量满足 )’B06D6 !/26C> 的最大用户 数。不同系统配置的仿真结果如表 / 所示。
表$
统容量的改善进行了研究。文献+*, 提出把信道隔离
"!%# 系统在不同系统配置下的用户数
系统配置 用户数 8 户
"
信道分配技术
文献 !"$ 描述了几种信道分配技术。信道分配是
指， 从一组信道内为每条连接移动台到基站的无线 链路分配一个信道， 该信道必须满足特定的信扰比 条件。理想的信道分配技术可通过更有效的 （012） 复用，使为所有移动台提供服务所需信道数最少，
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个信道， 而使用 !"# 却需要 $% 个信道； 当有功率控 制时， !"# 要达到同样的话务量则需要 $& 个信道。 然而，在高话务量负载情形下， ’"# 技 术 就 不 如
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几种提高蜂窝移动通信系统容量的方法
魏志刚，杜惠平
（重庆邮电学院光电工程学院，重庆市 7...,9 ） 摘 要 分析了信道分配技术、功率控制技术和自适应天线技术等 ) 种常用的改善移动
通信系统容量的方法，其中信道分配主要通过采用恰当的信道分配技术实现有效的频率 复用， 功率控制和自适应天线技术主要从降低同频干扰角度提高系统容量。 虽然单独使用 这些技术可以在一定程度上提高系统容量， 但频率复用会引起同频干扰， 从而降低无线链 路服务质量。这 ) 种技术若彼此之间相互结合， 则可以充分发挥各自特点， 最大限度地提 高移动通信系统容量。 具体分析了上述 ) 种技术两两结合所产生的优势和存在的局限性， 并讨论分析了它们对容量改善的影响。 关键词 蜂窝移动通信，系统容量，信道分配技术，功率控制技术，自适应天线技术
!"$
功率控制技术与自适应天线技术相结合 文献 +/?, 中将功率控制技术与基站自适应天线
!
几种技术的结合
由上述分析可知， 在移动通信中， 同频干扰对改
技术结合起来， 用于 &"#$ 系统的前向链路 （从基 站到移动台） ， 达到了改善容量的目的。其思想简述 如下。算法包含 ? 个基本步骤， 通过迭代方式实现。 首先， 计算辐射方向图 （或者说计算自适应天线阵的 然后， 用计算得到的天线阵 加权矢量） 使 )’1 最小； 辐 射 方 向 图 和 ">$ 算 法 更 新 基 站 发 射 功 率 电 平 。 假设仿真环境是： 小区群为 ! A6/ ， 传播 *@ 个基站， 信道模型只包含路径损耗， 损耗指数为 " A62， )’B06A6
电信快报 （!""#，$%&’ ） 平的目的是均衡所有使用同一信道链路的 648 ， 亦 即使所有使用同一信道的无线链路的 648 相等。然 而，受传播条件和同频干扰用户数影响，均衡后的 （记为 6483） 门限 648 可能低于最小可以接收的 648 值 。 若 发 生 这 种 情 况 ， 为 了 使 均 衡 后 的 648 大 于 就必须切断一些同频链路。 文献*1 ， 6483， 5, 提出采用 逐步切断同频链路的干扰均衡功率控制技术，直至 与使 648 大于 6483 为止。文献 *1 ， 5, 仿真结果表明， 用小区群 ! 9:1 的参考系统相比，采用分布式干扰 均衡功率控制可以使容量增益提高 + 倍，采用集中 式干扰均衡功率控制可以使容量增益提高 ; 倍。 对于基于信号电平的功率控制技术，调整发射 功率电平的目的是为了补偿接收信号的一部分路径 增益， 当补偿值达到路径增益 （单 位 为 <0） 的 $:=:% 时， 断线率就减 少 */,； 如果路径增益完全得到补偿， 接收功率保持常量。利用基于信号电平的功率控制 技术对给定链路的期望信号功率电平进行调整， 只 需知道其本身路径增益即可，所以该技术是固有的 分配技术。
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果把 ".& 技术与信道隔离 "&$ 技术结合在一起， 承 载 话 务 量 能 提 高 2*= 。 当 把 ">$ 与 信 道 隔 离 其拥塞概率几 "&$ 技术相结合进行话务量仿真时， 乎为 0 ， 系统容量提高得更多。 但这种方式也存在缺点，使用功率控制技术使 切换失败概率增加。与 !&$ 方案比较， 单独使用信 道隔离 "&$ 技术可以降低切换失败概率，一旦加 上功率平衡控制， 切换失败概率就增加。这说明， 调 整功率会产生更多来自没有达到 )’10 要求的 移 动 台的切换请求。文献 +*, 所提出的结合方式表明， 只 有信道隔离算法为新的呼叫提供了信道选择服务， 而功率控制技术没有参与信道选择过程。
!"# 技术效果好，这是因为使用 ’"# 技术会提高
信道再分配请求数，这样会增加系统控制信道的负 荷。 综 合 了 !"# 技 术 和 ’"# 技 术 (） )"# 技 术 ： 的一些特点。 从分配算法上， 对系统中一部分可用信 道 采 用 !"# 技 术 ， 而 另 一 部 分 信 道 采 用 ’"# 技 术， 且服从一定的分配规则。已经证明， 在某个动态 范围很宽的话务量负荷上， )"# 技术优于单独使用 的 !"# 或 ’"# 技术。
"&$ 技术与分布式均衡算法+-,和 ".&+/0,两种功率控
制技术相结合，并对其改善系统容量性能进行了分 析。其中心思想是： 利用干扰均衡算法， 不断更新使 用给定信道的所有链路的移动台和基站功率电平。 当服务基站接收到呼叫请求时，就利用信道分配技 术为该移动台分配一个信道。在该新呼叫被分配信 道后， 若任何正在使用的信道的 )’1 低于 )’10 门限 值， 服务基站则为该新呼叫重新分配一个信道。 如果 重新分配信道仍未成功，则由于干扰太大而使新呼 叫阻塞。 文献 +*, 的仿 真 环 境 ： 整 个 蜂 窝 系 统 分 为 23 个 小区， 传播模型假设由路径损耗决 /2- 个可用信道， 定 （无阴影衰落） ， 呼叫到达速率为 /456 76 *40 呼叫 869， 呼叫持续时间为 *6 :;< 。 仿真结果表明， 使用功率控 制 与 "&$ 相 结 合 的 技 术 比 单 独 使 用 "&$ 技 术 能 提高更多的容量。 例如， 对于阻塞概率为 04/ 的系统 来说，使用不具有功率控制的信道隔离 "&$ 技术 可以使承载的话务量比使用 !&$ 技术提高 20= 。 如
!"， )*+*,$
的快速发展， 后者将逐渐取代前者。然而， 信
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道复用会引起同频干扰 ， 降低服务质量， 因此系统 容量与链路质量之间是一对矛盾。为了有效地解决 该问题，可将 (&’ 技术与能降低同频干扰的功率 控制技术
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或自适应天线技术
!""， "/$
结合起来， 以最
大限度地提高蜂窝系统容量。
数呈爆炸性的增长， 用户对数据业务的需求也不断 增加， 无线频谱资源越来越稀缺。对于移动通信运 营商来说， 分配给他们的频谱资源非常有限且不可 再生。因此， 必须在不降低无线链路质量的条件下， 采用某些技术， 利用有限的频谱资源提高整个蜂窝 系统的容量。 通常， 在整个服务区中， 所有多址技术都可以 通过复用信道来提高系统容量。不同信道分配技术 的信道复用程度不同 !"，#$， 其中固定信道分配 （%&’） 技术较成熟， 但近几年随着动态信道分配 （(&’ ） 技 术
!
引言
随着移动通信技术的飞速发展， 全球移动用户
同时可根据链路和服务质量而满足某些要求。常用 的信道分配技术可以分为 %&’ 、 (&’ 和混合信道分 配 （3&’） 。具体使用哪种分配方式， 则取决于不同 的约束条件和要求。 下文介绍这 ) 种信道分配技术。 蜂窝系统为每个小区基站分配 4） %&’ 技 术 ： 固定数目的信道，信道分配要服从特定复用模式和 期望的链路质量。只有为某个移动台服务的基站才 能从分配给该基站的一组信道中选择一个信道指配 给发出呼叫请求的该移动台。因此， %&’ 技术存在 局限， 即由于每个小区的信道数固定， 所以 %&’ 技 术不适合话务量经常变化的情况。当某个小区的话 务量很高， 使该小区的信道数不够， 而相邻小区的话 务量较低且有可用信道时，就不适合采用 %&’ 技 术， 即系统频谱资源不能充分利用， 此时可以考虑使 用 (&’ 技术加以解决。 只要信道之间不产生干扰， 原则 5） (&’ 技术： 上可以把整个蜂窝系统中的任何信道分配给任何小 区的基站。(&’ 技术核心思想是， 为某个呼叫分配 能使给定代价函数最小的信道。文献!6$ 给出了几种 代价函数和这些函数包含的阻塞概率、所选信道的 复用距离、 信道占用率等一般参数。由于 (&’ 为小 区分配的信道数灵活多变， 所以该技术比 %&’ 更有 助于解决蜂窝系统中话务量不均衡情况，可以有效 地利用频谱资源， 提高系统容量。例如文献 !7$ 的仿 真结果表明， 阻塞概率为 68 ， 在没有功率控制的情 况下，为达到同一话务量，使用 (&’ 技术需要 ".
*/,
"
自适应天线技术
自适应天线技术又称智能天线技术，这是能根
据环境变化对天线阵中各阵元的加权值进行自行调 整， 以改善其输出特性的重要的天线技术*$$,。 其优点 是基于空间滤波，性能高度依赖无线传播信道的空 间特征。 在蜂窝系统中，采用自适应天线技术能有效地 提高系统容量并改善系统性能。 在发射模式下， 基站 自适应天线能够集中辐射能量朝着期望信号存在的 区域发射， 即把天线阵方向图主波瓣对准期望信号， 减小在其他方向上的干扰。 同时， 控制天线阵零陷点 朝着同频干扰用户， 能进一步降低同频干扰。 在接收 模式下， 控制基站高增益天线阵朝着期望信号， 减少 来自其他同频用户的接收干扰。 应该注意的是， 在这 两种模式下，采用自适应天线时必须能获取期望信 号的位置等期望信号的空间信息，可采用最小均方 误差 （--6> ） 、 最小均方 （7-6） 、 递归最小二乘方 （876 ） 和子空间算法等相应的波束赋型算法解决该 问题。 在发射模式下， 可以利用与移动台发射信号相 关的参考信号来确定移动台位置。 采用自适应天线所以能提高系统容量，可以从 以下两方面加以解释：
!
功率控制技术
在蜂窝系统中，由于许多移动用户在不同小区
群共享同一信道，所以由某个移动台产生的干扰会 影响其它用户， 即产生同频干扰。因此， 为了既能给 移动台提供可靠的无线链路质量，又能使该移动台 对其他用户的干扰尽可能小，必须恰当地控制发射 功率。 早期的功率控制技术主要用于延长电池寿命和 提高链路质量。为了获得期望的链路质量而需要最 小电平值，所以必须有发射功率做保证。当移动台 接近为其服务的基站时，由于在基站处接收功率较 高*$+,， 在保证同一链路质量情况下， 移动台发射功率 电平应能降低。 近几年， 功率控制技术的应用目的发 生了变化， 即认为它是一种资源， 应该得到合理分配 利用。 发射功率过高， 对用户共享同一信道会产生更 多干扰，使用功率控制则可以降低上下链路不必要 的同频干扰， 而降低同频干扰就可以提高系统容量， 因为它可以使更多用户共享同一信道。 在 !’-# 和 "’-# 系统中，若要提高系统容 量， 可通过减小小区群尺寸， 使更多信道得到复用。 但由于缩短了复用距离， 这样必然会增加同频干扰， 而使无线链路质量下降， 进而使掉话概率提高。 如何 在 !’-# 和 .’-# 系统的上下链路中，采用功率 控制技术， 既降低同频干扰又减小小区群尺寸， 以改 善系统容量？ 对此已有文献进行了研究 。