无线通信原理与应用(第二版)(1)

为了理解频率复用的概念，考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分 配 k 个信道（k < S），S 个信道在 N 个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道 组有相同的信道数目，那么可用信道的总数可表示为
(3.1)
共同使用全部可用频率的 N 个小区称为一个簇。如果簇在系统中复制了 M 次，则双向信道的 总数 C 可以作为容量的一个度量：
解： 已知：总带宽 = 33 MHz 信道带宽 = 25 kHz × 2 单向信道 = 50 kHz/ 双向信道 总的可用信道 = 33 000/50 = 660 个信道
(a) N = 4 每个小区的信道数目 = 660/4 ≈ 165 个信道
(b) N = 7 每个小区的信道数目 = 660/7 ≈ 95 个信道
3.2 频率复用
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[Oet83]。每个蜂窝基站都分配一 组无线信道，这组信道用于称为“小区”的一个小地理范围内，该信道组所包含的信道不能在其相 邻小区中使用。基站天线的设计要做到能覆盖某一特定小区。通过将覆盖范围限制在小区边界以内， 相同的信道组就可用于覆盖不同的小区。要求这些同信道组的小区两两之间的距离足够远，从而使 其相互间的干扰水平在可接受的范围内。为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程称 为频率复用或频率规划[Mac79]。
为了充分利用无线频谱，必须要有一个能实现既增加用户容量又以减小干扰为目标的频率复用 方案。为了达到这些目标，已经发展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将会影响系统的性能，特别是在移动用户从一个小区切换 到另一个小区时的呼叫处理方面（[Tek91], [LiC93], [Sun94], [Rap93b]）。
(c) N = 12 每个小区的信道数目 = 660/12 ≈ 55 个信道
第 3 章 蜂窝的概念：系统设计基础
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当控制信道占用 1 MHz 频谱时，意味着控制信道占用了660 个可用信道中的 1000/50 = 20 个， 要均匀地分配控制和话音信道，只需简单地在任何地方给每个小区分配相同数目的信道。在这 里，660 个信道必须均匀地分配给簇中的小区。实际上，只有640 个信道需要分配，因为控制 信道是独立地分配给每一个小区的。
在固定的信道分配策略中，给每个小区分配一组事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。固定分配策略也有许多变种。其中一种方案称为借用策略，如果它自己的所有信道都已被占用， 那么允许该小区从相邻小区中借用信道。由移动交换中心（MSC）来管理这样的借用过程，并且保 证一个信道的借用不会中断或干扰接触小区的任何一个正在进行的呼叫。
3.1 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。它能在有限的频率资源上提供非常 大的容量，而不需要在技术上进行重大修改。蜂窝概念是一种系统级的概念，其思想是用许多小功 率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小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了数目相对较小的一组相邻基站。如果给相邻的基站分配不同 的信道组，那么基站之间（以及在它们控制下的移动用户之间）的干扰就最小。通过系统地分配整 个系统的基站及它们的信道组，可用信道就可以在整个系统的地理区域内分配 ；而且可以尽可能 地复用，只要基站间的同频干扰低于可接受水平。
① 1 英里 = 1.609 公里。
第 3 章 蜂窝的概念：系统设计基础
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可能某些人会很自然地想到用一个圆来表示一个基站的覆盖范围，但是相邻的圆不可能没有间隙或 没有重叠地覆盖整张地图。因此，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。小区设计应能为不规则覆盖区域内的最弱信号的移 动台服务，具有代表性的是处于小区边界的移动台。如果多边形中心与它的边界上最远点之间的距 离是确定的，那么六边形在这三种几何形状中具有最大的面积。因此，如果用六边形作为覆盖模型， 那么可用最少数目的小区就能覆盖整个地理区域，而且，六边形最接近于圆形的辐射模式，全向基 站天线和自由空间传播的辐射模式就是圆形的。当然，实际的小区覆盖形状取决于这样的一条轮廓 线，在这条线上，某一给定的发射机能成功地为移动台服务。
距离的比例更小，同频干扰就会降低。相反，一个小簇意味着同频小区间的距离更近。N 的值表示 在保持令人满意的通信质量时移动台或基站可以承受的干扰。从设计的观点来看，期望 N 取可能的 最小值，目的是为获得某一给定覆盖范围上的最大容量（使式(3.2)中的 C 取值最大）。蜂窝系统的 频率复用因子为 1/N，因为一个簇中的每个小区都只分配到系统中所有可用信道的 1/N。
(a) N = 4 时，每个小区可以有5 个控制信道和 160 个话音信道。然而，在实际中，每个小区只 需一个控制信道（控制信道的复用距离比话音信道的大）。因此，每个小区就分配一个控制 信道和 160 个话音信道。
(b) N = 7 时，其中4 个小区的每一个可以有 3 个控制信道和 92 个话音信道，2 个小区的每一个 可以有 3 个控制信道和 90 个话音信道，还有一个小区可以有 2 个控制信道和 92 个话音信 道。然而，实际情况是每个小区有一个控制信道，其中的4 个小区各有 91 个话音信道，另 外 3 个小区各有 92 个信道。
图 3.1 蜂窝频率复用思想的图解。标有相同字母的小区使用相同的频率集。小区簇的 外围用粗线表示，并在覆盖区域内进行复制。在本例中，小区簇的大小N 等于 7，频率复用因子为 1/7 ，因为每个小区都要包含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），或向天线用于中心激励小区，而扇行天 线用于顶点激励小区。实际上，一般不允许基站完全按照六边形设计图案来安置，大多数的系统设 计都允许将基站安置的位置与理论上理想的位置有 1/4 小区半径的偏差。
图 3.2 在蜂窝系统中定位同频小区的方法。在这个例 子中，N = 19 （i = 3, j = 2）（[Oet83] © IEEE）
例3.1 一个 FDD 蜂窝电话系统，总带宽为 33 MHz，使用两个 25 kHz 作为双向的话音和控制信 道，当系统为(a)4 小区复用、(b)7 小区复用、(c)12 小区复用的情况时，计算每一小区中可用信道 的数目。如果其中已有 1 MHz 作为控制信道使用，确定在以上三种系统中，每一个小区的控 制信道和话音信道的均匀分配方案。
(c) N = 12 时，其中 8 个小区的每一个可以有 2 个控制信道和 53 个话音信道，4 个小区的每一 个可以有 1 个控制信道和 54 个话音信道。然而，在一个实际的系统中，每个小区有1 个控 制信道，其中 8 个小区各有 53 个话音信道，另外 4 个小区各有 54 个话音信道。
3.3 信道分配策略
随着服务需求的增长（例如，某一特殊地区需要更多的信道），基站的数目可能会增加（同时 为了避免增加干扰，发射机功率应相应地减小），从而提供更多的容量，但没有增加额外的频率。这 一基本原理是所有现代无线通信系统的基础，因为它通过整个覆盖区域复用信道，就可以实现用固 定数目的信道为任意多的用户服务。此外，蜂窝概念允许在一个国家或一块大陆内，对于每一个用 户设备都做成使用同样的一组信道，这样任何的移动终端都可在该区域内的任何地方使用。
(3.2)
从式(3.2)中可以看出，蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定范围内复制的次数成比例。因数N 称为簇的大小，典型值为4、7 或 12。如果簇的大小N 减小而小区的大小保持不变，则需要更多的 簇来覆盖给定的范围，从而获得更大的容量（C 值更大）。一个大簇意味着小区半径与同频小区间
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在动态的信道分配策略中，话音信道不是固定地分配给每个小区。相反，每次呼叫请求到来 时，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。这种算法考虑了该小区以后呼叫阻塞的可能性、候选信道使用的频率、信道的复用距离及其 他的开销。
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 免同频干扰而限定的最小频率复用距离内的小区也都没有使用该频率。动态的信道分配策略降低了 阻塞的可能性，从而增加了系统的中继能力，因为系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。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、话务量分布情况、所有信道的无 线信号强度指示等数据。这增加了系统的存储和计算量，但有利于提高信道的利用效率和减小呼叫 阻塞的概率。
由于六边形几何模式（见图3.1）有 6个等同的相邻小区，并且从相邻小区连接到任意小区中心 的线可分成多个60˚ 的角，这样就生成了确定的簇大小和小区布局。为了满足小区簇拼接的平面覆 盖需求—相邻小区间无缝隙，每一个簇中小区的数目 N 必须满足式(3.3) ：
(3.3)
其中，i 和 j 为非零整数。为了找到某一特定小区的相距最近的同频小区，必须按照以下步骤进行： (1)沿着任何一条六边形链移动i个小区；(2)逆时针旋转 60˚再移动 j个小区。请参见图3.2中的图示， 其中 i = 3、j = 2（N = 19）。
3.4 切换策略
当一个移动台在通话的过程中从一个基站移动到另一个基站时，MSC 自动地将呼叫转移到新 基站的信道上。这种切换操作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和控制信号分配到新基站的 相关信道上。
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切换处理在任何蜂窝无线系统中都是一项重要的任务。在小区内分配空闲信道时，许多切换策 略都使切换请求优先于呼叫初始请求。切换必须要很顺利地完成，并且尽可能少地出现，同时使用 户察觉不到。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话音质量的最小可用信号（一般在 -90 dBm 到 -100 dBm 之间），稍微强一点的信号强度就可以作为启动切换的门限。其中的间隔表示为∆，不能 太小也不能太大。如果 ∆ = Pr handoff - Pr minimum usable 太大，就可能会有不需要的切换来增加 MSC 的负 担，如果 ∆ 太小，就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。因此， 必须谨慎地选择 ∆ 以满足这些相互冲突的要求。图 3.3 说明了切换的情况。图 3.3(a)表示了一种情 况：没有做切换，信号一直下降到使信道畅通的最小强度以下。当MSC 处理切换的时延过大时就 会发生这种掉话情况；或者是对于系统中的切换时间来说，∆ 值设置得太小时。当话务量较大时就 有可能导致时延过大，原因是MSC 的负担太重，或是在邻近的基站中都已没有可用的信道（这时 MSC 就只有一直等到邻近基站有一个空闲信道为止）。