移動通信系統(tǒng)頻率復(fù)用方案中蜂窩結(jié)構(gòu)研究

李玲玲

摘要：移動通信系統(tǒng)中的資源是有限的，且所有物理信道是共享的，它必須占用一定的時(shí)間、頻率、功率和空間。我們借鑒蜂窩的概念，用許多小功率的發(fā)射機(jī)（小覆蓋區(qū)）來代替大功率的發(fā)射機(jī)（大覆蓋區(qū)）。頻率復(fù)用系數(shù)（以N表示），有一個(gè)規(guī)律，都滿足：N=i2+i*j+j2( i,j為非零整數(shù))為什么頻率復(fù)用系數(shù)都有這樣的規(guī)律呢？

關(guān)鍵詞：頻率復(fù)用；蜂窩概念；頻率復(fù)用系數(shù)；軟頻率復(fù)用

中圖分類號：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)26-6228-04

Mobile Communication System Frequency Reuse Scheme of Honeycomb Structure Research

LI Ling-ling

(Guangzhou Guangdong Panyu Polytechnic Institute, Guangzhou 511400, China)

Abstract: Mobile communication system in which the resource is limited, and all of the physical channel is shared, it must occu? py time, frequency, power and space. We learn from the cellular concept, with many small power transmitter ( small footprint) to replace the high power transmitter ( large area coverage ). Frequency reuse coefficient ( scriptstyle N ), there is a rule, are met: N= i2+i*j+j2( i, j nonzero integer ) why the frequency reuse factor have such laws?

Key words: frequency reuse; the cellular concept; frequency reuse factor; soft frequency reuse

移動通信系統(tǒng)中的資源是有限的，且所有物理信道是共享的，它必須占用一定的時(shí)間、頻率、功率和空間。移動通信分為三種類型即頻分多址、時(shí)分多址和碼分多址。頻分多址主要以不同的頻率劃分不同的信道；時(shí)分多址是在頻率分開的同時(shí)又在時(shí)間上劃分出許多信道；碼分多址的本質(zhì)是許多信道共享功率資源，而區(qū)分這些信道的是偽隨機(jī)碼，它其實(shí)就是自干擾系統(tǒng)。其中頻率資源或稱頻譜資源是十分珍貴的，一般來說，我們只能在固定的頻譜資源上挖掘潛力，頻譜資源是十分有限的。

為解決頻率資源不足，人們在改善用戶容量問題上大費(fèi)腦筋。比如在接收發(fā)射天線上作出重大技術(shù)修改，但艱苦的努力卻不能讓用戶容量擴(kuò)大多少。早期移動通信系統(tǒng)使用安裝在高塔上的.單個(gè)的大功率發(fā)射機(jī)而獲得一個(gè)大面積覆蓋范圍。此時(shí)復(fù)用頻率將導(dǎo)致干擾。對每個(gè)系統(tǒng)使用單個(gè)大功率發(fā)射機(jī)和高塔。在覆蓋區(qū)域內(nèi)，將無線電頻率分成若干帶寬，每個(gè)電話占幾個(gè)基帶帶寬；我們在帶寬固定的情況下，只有用技術(shù)設(shè)法降低每個(gè)語音的頻帶帶寬，來提高用戶數(shù)。這種技術(shù)效率是很低的。

無線電波的傳播和地形地物密切相關(guān)，小區(qū)的劃分應(yīng)根據(jù)環(huán)境和地形條件而定，為研究方便，假定服務(wù)區(qū)地形地物相同，各基站采用全向天線，其覆蓋面積大體上是個(gè)圓，也就是說無線小區(qū)是圓形的，再考慮到多個(gè)小區(qū)彼此相鄰來覆蓋整個(gè)區(qū)域時(shí)，用圓的內(nèi)接正多邊形來近似替代圓形，將是符合實(shí)際的，由于正多邊形彼此連接構(gòu)成平面時(shí)，只有三種情況：即三角形、正方形和六邊形。這三種圖形中，正六邊形與圓的接近程度最好，而且用正六邊形彼此連接填滿整個(gè)服務(wù)區(qū)所需個(gè)數(shù)最少。也就是說，在其他條件都相同時(shí)，按六邊形劃分區(qū)域最經(jīng)濟(jì)適用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)小區(qū)時(shí)都采用正六邊形，也就是蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

采用信道頻率復(fù)用技術(shù)形成蜂窩狀移動電話系統(tǒng)，這時(shí)一種全新而又有效的系統(tǒng)，對于一個(gè)單機(jī)站系統(tǒng)可以用增加信道數(shù)的辦法來擴(kuò)大系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量。其容量極限值取決于可用信道的總數(shù)；蜂窩狀系統(tǒng)可以依靠在在同一業(yè)務(wù)區(qū)多次重復(fù)使用頻道組的方法來擴(kuò)大系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為減少基站覆蓋區(qū)的同時(shí)，用大量的無線基站覆蓋原來一個(gè)基站所覆蓋的區(qū)域。不同小區(qū)使用不同的信道組。頻率資源是有限的，頻率的復(fù)用與單機(jī)站系統(tǒng)相比較，容量大大增加。

我們借鑒蜂窩的概念，用多個(gè)小功率的發(fā)射天線來替代大功率的發(fā)射天線，也就是把原來單個(gè)發(fā)射天線所覆蓋范圍，劃分成多個(gè)小的單元，每個(gè)小單元使用小功率發(fā)射天線，每個(gè)小發(fā)射天線復(fù)用頻帶的一部分。

蜂窩技術(shù)以多個(gè)小型天線代替單個(gè)大型天線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開銷成數(shù)倍增長。

當(dāng)服務(wù)需求增長，基站數(shù)目可能會增加，也就是小型發(fā)射天線增加（同時(shí)為避免增加干擾，發(fā)射天線功率應(yīng)減小），從而其容量

在B3G/4G新一代移動通信系統(tǒng)中，作為主流傳輸技術(shù)的OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)較好的解決了小區(qū)內(nèi)干擾的問題，但對小區(qū)間的干擾尚未完全解決，致使小區(qū)間的干擾依然嚴(yán)重。解決小區(qū)間干擾的問題的傳統(tǒng)方法是采用頻率復(fù)用。其中復(fù)用系數(shù)越大越能抑制小區(qū)間干擾，但頻譜效率相應(yīng)降低。OFDM實(shí)際上是一種基于頻分多址的多址技術(shù)，不具備擴(kuò)頻技術(shù)，小區(qū)間干擾必須達(dá)到一定要求，尤其在小區(qū)間干擾比較嚴(yán)重的小區(qū)邊緣區(qū)域，頻率復(fù)用技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。對于小區(qū)邊緣系統(tǒng)，合適的復(fù)用系數(shù)可以提升小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率。

通過協(xié)調(diào)相鄰小區(qū)來減少小區(qū)間干擾的方案有很多種。這種“協(xié)調(diào)”其實(shí)是通過在小區(qū)邊緣采用頻率復(fù)用的原理來實(shí)現(xiàn)的，也就是在小區(qū)邊緣的頻率復(fù)用系數(shù)采用大于1的系數(shù)，而小區(qū)中心區(qū)域的頻率復(fù)用系數(shù)保持為1。在區(qū)域不同的用戶，采用不同的頻率復(fù)用系數(shù)，這樣既能高效的應(yīng)用現(xiàn)有頻譜也能提高小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率。比較有代表性的方案有：西門子方案、阿爾卡特方案、部分頻率復(fù)用方案和軟頻率復(fù)用方案。

軟頻率復(fù)用方案：把子載波分為兩種，分別為“主子載波”和“次子載波”，主子載波能被所有的小區(qū)用戶使用，其主子載波是正交的，而次子載波不能被小區(qū)邊緣用戶使用，子載波組的區(qū)分是通過發(fā)射功率進(jìn)行區(qū)分。軟頻率復(fù)用方案是抑制小區(qū)間干擾的有效方法，它可以降低小區(qū)間干擾，使小區(qū)邊緣用戶數(shù)據(jù)速率得以提高。通過調(diào)節(jié)功率比，軟頻率復(fù)用方案能夠適應(yīng)小區(qū)內(nèi)用戶分布的變化。在實(shí)現(xiàn)時(shí)結(jié)合子載波的分配可以發(fā)揮軟頻率復(fù)用方案給系統(tǒng)帶來的性能。在B3G/4G移動通信系統(tǒng)來說，軟頻率復(fù)用方案是一種有效的頻率復(fù)用方案。

部分頻率復(fù)用方案對于整個(gè)系統(tǒng)來講，系統(tǒng)復(fù)用因子并不是一成不變的，它隨功率比的變化而變化；功率比越小，頻率復(fù)用因子越大，干擾就越小，但頻譜利用率越低；功率比越大，頻率復(fù)用因子越小，頻率利用越充分，其邊緣用戶受到的干擾越嚴(yán)重。這種系統(tǒng)復(fù)用因子“軟”變化的部分頻率復(fù)用方案情況叫軟頻率復(fù)用方案。

寬帶無線接入系統(tǒng)的首選物理層技術(shù)是OFDM技術(shù)，它有著良好的抗多徑干擾能力和高頻譜利用率，小區(qū)間干擾是其主要干擾源，因?yàn)樗梢员ＷC小區(qū)內(nèi)用戶之間的正交性，可以有效避免小區(qū)內(nèi)干擾。其中OFDMA蜂窩系統(tǒng)的頻率復(fù)用因子最高可達(dá)到1，頻譜利用率得以大大提高，此時(shí)蜂窩系統(tǒng)吞吐量最大，但小區(qū)間干擾仍很嚴(yán)重，尤其是在小區(qū)邊緣的用戶，受數(shù)據(jù)發(fā)送速率被嚴(yán)重限制的影響，邊緣用戶的通信質(zhì)量顯著下降。