4.3GSM频率复用技术

G
F
D
E
F

B

A
G
E
C
B
C

D
图4-18 小区分裂示意图
（2）小区裂向技术 另一种增大系统容量的办法就是保持小区半径不变，而设 法减小D/R的比值。下面介绍裂向（划分扇区技术）。 小区裂向可增大信干比SIR(Signal to Interference Ratio)， 但可能导致簇大小减小。在这种方法中，首先使用定向天线提 高SIR ，而容量的提高是用过减小簇中小区数量以提高频率复 用度来实现的。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。 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 一根全向天线而减小，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称为 裂向（sectoring）。同频干扰减小的因素取决于使用扇区的数 目。通常一个小区划分为个的扇区或是个的扇区。如图4-19（a）
4.3.4 蜂窝系统的扩容
随着无线服务需求的进一步提高，若要进一步提高系统容量， 除了上文所介绍到的技术手段外，在实际应用中，小区分裂 （splitting）和裂向（sectoring）是增大蜂窝系统容量的有效方法。 （1）小区分裂技术 小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区的方法，每个小区都 有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区 分裂提高了信道的复用次数，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（称为微小 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 每个小区都按原来半径的一半来分裂，如图4-18所示。为了利用这 些更小的小区来覆盖整个服务区域，将需要大约原来小区数4倍的 小区。为了理解这个概念我们用R为半径画一个圆。以R为半径的 圆所覆盖的区域是以R/2为半径的圆所覆盖的区域的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，从而增加了容量。小区分裂通过用更小的小区代替较大的小 区来允许系统容量的增长，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。
4.3 频率复用技术


频率复用原理 常规频率复用技术 紧密频率复用技术 蜂窝系统的扩容
4.3.1 频率复用原理
蜂窝通信网络把整个服务区域划分为若干个较小的区域（Cell， 在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发 射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状 的服务地区。 蜂窝系统的基本原理是频率复用。通常，相邻小区不允许使用 相同的频道，否则会发生相互干扰（称同道干扰），但由于各小区 在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空 间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同 道干扰（保证信干比高于某一门限）。为此，把若干相邻的小区按 一定数目划分成区群，并把可供使用的无线频道分成若干个（等于 区群中的小区数）频率组，区群内小区均使用不同的频率组，而任 意小区使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再用，这就 是频率复用，如图4-13所示。频率复用是蜂窝通信网络家解决用户 增多而被有限频谱制约的重大突破。
4.3.2 常规频率复用技术
频谱利用效率可以用频率复用度来表征，它反映了 频率复用的紧密程度。 频率复用度越小，其频率复用越 紧密，频率的利用率越高。但随着频率复用紧密程度的 增加，带来干扰增大，需要相关抗干扰技术的支持。频 率复用度越大，其频谱利用率越小，但容易获得较高的 网络话音质量，如图4-14所示。 在GSM系统中，最基本的频率复用方式为频率复用 方式，“4”表示4个基站，“3”表示每基站3个小区，即 将一个蜂窝中等分成三份，使用3种不同频率。这12个 扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。 这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠 地满足GSM体制对同频干扰和邻频干扰的指标要求。使 GSM网络运行质量好，安全性好。频率复用方式下，它 的频率复用度为12。
七小区群 F
G B A F C G E D B 小区8 A G B
E
D
相同字母小区使 用相同频率组
小区1
图4-13 蜂窝系统频率复用示意图
一般说，小区越小（频率组不变），单位面积可容纳的用户越多， 即系统的频率复用率越高。由此可以设想，当用户数增多并达到小区所 能服务的最大限度时，如果把这些小区分割成更小的蜂窝状区域，并相 应减小新小区的发射功率和采用相同的频率再用模式，那么分裂后的新 小区能支持和原小区同样数量的用户，也就提高了系统单位面积可服务 的面积数。而且，当新小区所支持的用户数又达到饱和时，还可以将这 些小区进一步分裂，以适应持续增长的业务需求。这种过程称为小区分 裂，是蜂窝通信系统在运行过程中为适应业务需求的增长而逐步提高其 容量的独特方式。但是不能说，无限制地减小小区面积可以无限度地增 加用户数量，因为小区半径减小到原小区半径的1/10时，可容纳的用户 数可增加100倍，而小区数也需要增加100倍，一般小区基站的建立费 用是昂贵的，特别在城市区域中，占用房地产的费用非常高，这是不能 不考虑的实际问题（另外还有其它的限制）。此外，区群中的小区数越 少，系统所划分的频率组数就越少，每个频率组所含的频道数就越多， 因而每个小区能使用的频道数就越多，可同时服务的用户数也增多，然 而频率复用距离是和区群所含的小区数有关的，区群所含的小区数越少， 频率复用距离越短，相邻区群中使用相邻频道的小区的同道干扰就越强。 因为频率复用距离必须足够大，才能保证这种同道干扰低于某个预定的 门限值，这也就限制了区群中所含小区数目不能小于某种值。
和（b）所示。
1
6
1
4
1
3
2
3
2
3
6 5
1 2 4
5
2
3
（a）
（b）
图4-19（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。假设为7小 区复用，对120°扇区，第一层的干扰源数目由6个 下降到2个。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。在这6个同频小区中，只有两 个小区具有可以辐射进入到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。这种情况下可以计算出 SIR=24.2dB。SIR值的提高允许无线工程师减小簇 的大小来增大频率复用和系统容量。在实际系统中， 扇区天线下倾能进一步提高的SIR值。 SIR值的提高意味着120°裂向后，相对于没有 裂向的12小区复用的最坏情况而言，所需的最小SIR 值在7小区复用时很容易满足。这样裂向减小干扰， 获得1.718倍的容量增加。
下面介绍1x3频率复用方式，采用1x3频率复用 方式时，每个基站的三个小区组成一个簇，按簇进 行频率复用，即每个基站的1, 2, 3小区分别使用相 同的频率集，如图4-16所示。
1
3
3
2 1
图4-16 1x3频率复用方式
1x3紧密复用方式的复用度比3x3复用方式和MRP 技术更加紧密，能提高更多的容量。频率规划简单， 在优化阶段需调整或增扩载频时，无需重新规划频率。 采用射频跳频，获取比基带跳频更大的跳频增益。当 然，随着复用距离的减小，同频和邻频干扰也显著增 加，需要相关措施解决。 在许多实际问题中采用1x3的组网方式，由于目 前话务量还没有达到过于拥塞的程度，所以采用了一 些基本的控制干扰的措施如降低静态输出功率、降低 天线下倾角等方法就能解决干扰问题。但是当用户量 的进一步增加，话务量进一步增大的情况下，有可能 要增加基站或载频数，这时的网络具有以下的特点： 站距更为紧密，频率复用度更高，话务量更大，网络 的干扰严重。因此当用户量进一步增加的话，如何避 免或减少无线干扰，保证话音质量，就成为需要解决 的关键问题。 为了解决这一问题，研究人员开发出了紧密复用 模式下的同心圆（Concentric Cell）技术 。如图4-17
使用同心圆技术，我们将把一个小区的载频根据频率复用情况 分为内圆载频和外圆载频。频率复用度低的载频，其干扰也低，因 此配置为外圆载频；频率复用度高的载频干扰大，配置为内圆载频。 对于离基站近的地区，呼叫的上下行电平高，抗干扰能力强，因此 我们希望能将这种呼叫分配到内圆载频上。而在离基站远的地区， 其电平相对较低，抗干扰能力弱，同时由于处于小区的边缘地带， 受到其他小区的干扰电平也强，同时对其他邻近小区的干扰也强。 在这种情况下，我们希望将这种呼叫分配到外圆载频上，这样该呼 叫受到的干扰小，话音质量好，同时对其他小区造成的干扰也小。 这样，对于大面积开通的同心圆小区来说，可以降低整网的干扰效 应；反过来说，要降低整网的干扰，只开通少数同心圆小区是不起 作用的。例如，只开通了一个同心圆小区，对于这个同心圆小区来 说，它根据同心圆的信道分配技术，减少了对其他临近小区的干扰， 但是其他小区对该同心圆小区的干扰并没有减少，网络质量没有明 显改善。
紧密复用
宽松复用
0
10
20
30
经济，但干扰大， 需相关措施支持
干扰小，但不经济
图4-14 频率复用度示意图
在GSM系统中，最基本的频率复用方式为频 率复用方式，“4”表示4个基站，“3”表示每基站 3个小区，即将一个蜂窝等分成三个小区，使用3 组不同频率。这12个扇形小区为一个频率复用簇， 同一簇中频率不能被复用。这种频率复用方式由 于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体 制对同频干扰和邻频干扰的指标要求。使GSM网 络运行质量好，安全性好。频率复用方式下，它 的频率复用度为12，如图4-15所示。
D2
D1
B2 B1


D3
A1

A2
C2 C1

C3 A1

B3
A2
C2 C1