1、4.3 頻率復用技術(shù)頻率復用原理常規(guī)頻率復用技術(shù)緊密頻率復用技術(shù)蜂窩系統(tǒng)的擴容 4.3.1 頻率復用原理 蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個服務(wù)區(qū)域劃分為若干個較小的區(qū)域（Cell，在蜂窩系統(tǒng)中稱為小區(qū)），各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機（即基站發(fā)射機）進行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿（即覆蓋）任意形狀的服務(wù)地區(qū)。 蜂窩系統(tǒng)的基本原理是頻率復用。通常，相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會發(fā)生相互干擾（稱同道干擾），但由于各小區(qū)在通信時所使用的功率較小，因而任意兩個小區(qū)只要相互之間的空間距離大于某一數(shù)值，即使使用相同的頻道，也不會產(chǎn)生顯著的同道干擾（保證信干比高于某一門限）。為此，把若干相鄰的小區(qū)按一定數(shù)目劃分成區(qū)群

2、，并把可供使用的無線頻道分成若干個（等于區(qū)群中的小區(qū)數(shù)）頻率組，區(qū)群內(nèi)小區(qū)均使用不同的頻率組，而任意小區(qū)使用的頻率組，在其它區(qū)群相應(yīng)的小區(qū)中還可以再用，這就是頻率復用，如圖4-13所示。頻率復用是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)家解決用戶增多而被有限頻譜制約的重大突破。 圖4-13 蜂窩系統(tǒng)頻率復用示意圖 一般說，小區(qū)越小（頻率組不變），單位面積可容納的用戶越多，即系統(tǒng)的頻率復用率越高。由此可以設(shè)想，當用戶數(shù)增多并達到小區(qū)所能服務(wù)的最大限度時，如果把這些小區(qū)分割成更小的蜂窩狀區(qū)域，并相應(yīng)減小新小區(qū)的發(fā)射功率和采用相同的頻率再用模式，那么分裂后的新小區(qū)能支持和原小區(qū)同樣數(shù)量的用戶，也就提高了系統(tǒng)單位面積可服務(wù)的面積

3、數(shù)。而且，當新小區(qū)所支持的用戶數(shù)又達到飽和時，還可以將這些小區(qū)進一步分裂，以適應(yīng)持續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求。這種過程稱為小區(qū)分裂，是蜂窩通信系統(tǒng)在運行過程中為適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的增長而逐步提高其容量的獨特方式。但是不能說，無限制地減小小區(qū)面積可以無限度地增加用戶數(shù)量，因為小區(qū)半徑減小到原小區(qū)半徑的1/10時，可容納的用戶數(shù)可增加100倍，而小區(qū)數(shù)也需要增加100倍，一般小區(qū)基站的建立費用是昂貴的，特別在城市區(qū)域中，占用房地產(chǎn)的費用非常高，這是不能不考慮的實際問題（另外還有其它的限制）。此外，區(qū)群中的小區(qū)數(shù)越少，系統(tǒng)所劃分的頻率組數(shù)就越少，每個頻率組所含的頻道數(shù)就越多，因而每個小區(qū)能使用的頻道數(shù)就越多，可同時

4、服務(wù)的用戶數(shù)也增多，然而頻率復用距離是和區(qū)群所含的小區(qū)數(shù)有關(guān)的，區(qū)群所含的小區(qū)數(shù)越少，頻率復用距離越短，相鄰區(qū)群中使用相鄰頻道的小區(qū)的同道干擾就越強。因為頻率復用距離必須足夠大，才能保證這種同道干擾低于某個預定的門限值，這也就限制了區(qū)群中所含小區(qū)數(shù)目不能小于某種值。 4.3.2 常規(guī)頻率復用技術(shù) 頻譜利用效率可以用頻率復用度來表征，它反映了頻率復用的緊密程度。 頻率復用度越小，其頻率復用越緊密，頻率的利用率越高。但隨著頻率復用緊密程度的增加，帶來干擾增大，需要相關(guān)抗干擾技術(shù)的支持。頻率復用度越大，其頻譜利用率越小，但容易獲得較高的網(wǎng)絡(luò)話音質(zhì)量，如圖4-14所示。 在GSM系統(tǒng)中，最基本的頻率復

5、用方式為頻率復用方式，“4”表示4個基站，“3”表示每基站3個小區(qū)，即將一個蜂窩中等分成三份，使用3種不同頻率。這12個扇形小區(qū)為一個頻率復用簇，同一簇中頻率不能被復用。這種頻率復用方式由于同頻復用距離大，能夠比較可靠地滿足GSM體制對同頻干擾和鄰頻干擾的指標要求。使GSM網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量好，安全性好。頻率復用方式下，它的頻率復用度為12。 圖4-14 頻率復用度示意圖 在GSM系統(tǒng)中，最基本的頻率復用方式為頻率復用方式，“4”表示4個基站，“3”表示每基站3個小區(qū)，即將一個蜂窩等分成三個小區(qū)，使用3組不同頻率。這12個扇形小區(qū)為一個頻率復用簇，同一簇中頻率不能被復用。這種頻率復用方式由于同頻復用

6、距離大，能夠比較可靠地滿足GSM體制對同頻干擾和鄰頻干擾的指標要求。使GSM網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量好，安全性好。頻率復用方式下，它的頻率復用度為12，如圖4-15所示。 圖4-15 4*3頻率復用方式 4.3.3 緊密頻率復用技術(shù) 隨著無線服務(wù)需求的提高，分配給每個小區(qū)的信道數(shù)最終變得不足以支持所要達到的用戶數(shù)。從這一點來看，需要一些蜂窩設(shè)計技術(shù)來給單位覆蓋區(qū)域提供更多的信道。在實際應(yīng)用中小區(qū)分裂（splitting）、裂向（sectoring）和覆蓋區(qū)分區(qū)域（coverage zone）的方法是增大蜂窩系統(tǒng)容量的有效方法。另外在現(xiàn)有的頻譜資源下，采用緊密頻率復用技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)容量是最經(jīng)濟、最快捷的手段，

7、因此也是最受移動運營商歡迎的手段。 比較典型的頻率緊密復用技術(shù)主要有: 3x3, 2x6, 2x3, MRP, 1x3, 1x1復用技術(shù)以及同心圓技術(shù)。 MRP (Multiple Reuse Pattern)即多重復用技術(shù)，其實質(zhì)是將載波分層，各層采用不同的復用模式，以達到擴容的目的。多重復用就是把所有頻帶分為幾部分,每部分采用不同的頻率復用系數(shù),就是說同一網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率復用方式。例如共有37 個信道,其中控制信道載頻以12扇區(qū)為一復用群,業(yè)務(wù)信道載頻分別以9 、6 、4扇區(qū)為復用群。在多重復用方式中,同一小區(qū)的業(yè)務(wù)載頻的復用度之所以能一個比一個高,是因為采用跳頻技術(shù),通過跳頻將不同載頻

8、干擾進行了平均,主要保證平均干擾情況符合要求,就能滿足通話要求。 MRP技術(shù)可根據(jù)容量需求及話務(wù)量分布情況靈活進行頻率規(guī)劃，可逐步提高網(wǎng)絡(luò)容量，比僅使用3x3復用方式網(wǎng)絡(luò)容量高，與2x3,1x3相比對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量影響小，采用的技術(shù)如跳頻、功率控制，不連續(xù)發(fā)射(DTX)是較成熟的技術(shù)，在設(shè)備及軟件上無其它特殊要求，只要進行仔細的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化，能滿足網(wǎng)絡(luò)安全可靠運行。容量提高較高，較大地提高了頻率利用率，頻道配置靈活，不同的頻率復用方式可根據(jù)容量需求逐步引入，還可根據(jù)話務(wù)量分布情況，僅在話務(wù)量高的地方增加載頻。 下面介紹1x3頻率復用方式，采用1x3頻率復用方式時，每個基站的三個小區(qū)組成一個簇，按簇

9、進行頻率復用，即每個基站的1, 2, 3小區(qū)分別使用相同的頻率集，如圖4-16所示。 圖4-16 1x3頻率復用方式 1x3緊密復用方式的復用度比3x3復用方式和MRP技術(shù)更加緊密，能提高更多的容量。頻率規(guī)劃簡單，在優(yōu)化階段需調(diào)整或增擴載頻時，無需重新規(guī)劃頻率。采用射頻跳頻，獲取比基帶跳頻更大的跳頻增益。當然，隨著復用距離的減小，同頻和鄰頻干擾也顯著增加，需要相關(guān)措施解決。 在許多實際問題中采用1x3的組網(wǎng)方式，由于目前話務(wù)量還沒有達到過于擁塞的程度，所以采用了一些基本的控制干擾的措施如降低靜態(tài)輸出功率、降低天線下傾角等方法就能解決干擾問題。但是當用戶量的進一步增加，話務(wù)量進一步增大的情況下，

10、有可能要增加基站或載頻數(shù)，這時的網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點：站距更為緊密，頻率復用度更高，話務(wù)量更大，網(wǎng)絡(luò)的干擾嚴重。因此當用戶量進一步增加的話，如何避免或減少無線干擾，保證話音質(zhì)量，就成為需要解決的關(guān)鍵問題。 為了解決這一問題，研究人員開發(fā)出了緊密復用模式下的同心圓（Concentric Cell）技術(shù) 。如圖4-17所示 。圖4-17 同心圓復用方式 同心圓技術(shù)就是在GSM網(wǎng)中，將無線覆蓋小區(qū)（一個基站或基站的一部分小區(qū)），分為兩層，外層和內(nèi)層，又稱頂層(Overlay)和底層(Underlay)。外層的覆蓋范圍是傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)，而內(nèi)層的覆蓋范圍主要集中在基站附近；外層一般采用常規(guī)的4x3復用方式

11、，而內(nèi)層則采用密化的復用方式，如3x3,2x3或1x3等。因而，所有的載頻被分為兩組，一組用于外層，一組用于內(nèi)層。外層和內(nèi)層是共站址的，而且共用一套天線系統(tǒng)。共用同一個廣播控制信道（BCCH），但公共控制信道(CCCH)必須設(shè)置在外層載頻信道上，這就意味著通話的建立必須在外層信道上進行。 使用同心圓技術(shù)，我們將把一個小區(qū)的載頻根據(jù)頻率復用情況分為內(nèi)圓載頻和外圓載頻。頻率復用度低的載頻，其干擾也低，因此配置為外圓載頻；頻率復用度高的載頻干擾大，配置為內(nèi)圓載頻。對于離基站近的地區(qū)，呼叫的上下行電平高，抗干擾能力強，因此我們希望能將這種呼叫分配到內(nèi)圓載頻上。而在離基站遠的地區(qū)，其電平相對較低，抗干擾

12、能力弱，同時由于處于小區(qū)的邊緣地帶，受到其他小區(qū)的干擾電平也強，同時對其他鄰近小區(qū)的干擾也強。在這種情況下，我們希望將這種呼叫分配到外圓載頻上，這樣該呼叫受到的干擾小，話音質(zhì)量好，同時對其他小區(qū)造成的干擾也小。這樣，對于大面積開通的同心圓小區(qū)來說，可以降低整網(wǎng)的干擾效應(yīng)；反過來說，要降低整網(wǎng)的干擾，只開通少數(shù)同心圓小區(qū)是不起作用的。例如，只開通了一個同心圓小區(qū)，對于這個同心圓小區(qū)來說，它根據(jù)同心圓的信道分配技術(shù)，減少了對其他臨近小區(qū)的干擾，但是其他小區(qū)對該同心圓小區(qū)的干擾并沒有減少，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量沒有明顯改善。 4.3.4 蜂窩系統(tǒng)的擴容 隨著無線服務(wù)需求的進一步提高，若要進一步提高系統(tǒng)容量，除了上

13、文所介紹到的技術(shù)手段外，在實際應(yīng)用中，小區(qū)分裂（splitting）和裂向（sectoring）是增大蜂窩系統(tǒng)容量的有效方法。 （1）小區(qū)分裂技術(shù) 小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小的小區(qū)的方法，每個小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)地降低天線高度和減小發(fā)射機功率。由于小區(qū)分裂提高了信道的復用次數(shù)，因而能提高系統(tǒng)容量。通過設(shè)定比原小區(qū)半徑更小的新小區(qū)和在原有小區(qū)間安置這些小區(qū)（稱為微小區(qū)），使得單位面積內(nèi)的信道數(shù)目增加，從而增加系統(tǒng)容量。假設(shè)每個小區(qū)都按原來半徑的一半來分裂，如圖4-18所示。為了利用這些更小的小區(qū)來覆蓋整個服務(wù)區(qū)域，將需要大約原來小區(qū)數(shù)4倍的小區(qū)。為了理解這個概念我們用R為半徑畫一個圓。以

14、R為半徑的圓所覆蓋的區(qū)域是以R/2為半徑的圓所覆蓋的區(qū)域的4倍。小區(qū)數(shù)的增加將增加覆蓋區(qū)域內(nèi)的簇數(shù)目，這樣就增加了覆蓋區(qū)域內(nèi)的信道數(shù)量，從而增加了容量。小區(qū)分裂通過用更小的小區(qū)代替較大的小區(qū)來允許系統(tǒng)容量的增長，同時又不影響為了維持同頻小區(qū)間的最小同頻復用因子所需的信道分配策略。圖4-18 小區(qū)分裂示意圖（2）小區(qū)裂向技術(shù) 另一種增大系統(tǒng)容量的辦法就是保持小區(qū)半徑不變，而設(shè)法減小D/R的比值。下面介紹裂向（劃分扇區(qū)技術(shù)）。 小區(qū)裂向可增大信干比SIR(Signal to Interference Ratio)，但可能導致簇大小減小。在這種方法中，首先使用定向天線提高SIR ，而容量的提高是用過

15、減小簇中小區(qū)數(shù)量以提高頻率復用度來實現(xiàn)的。但是為了做到這一點，需要在不降低發(fā)射功率的前提下減小相互干擾。蜂窩系統(tǒng)中的同頻干擾能通過用定向天線來代替基站中單獨的一根全向天線而減小，其中每個定向天線輻射某一特定的扇區(qū)。使用定向天線，小區(qū)將只接收同頻小區(qū)中一部分小區(qū)的干擾。使用定向天線來減小同頻干擾，從而提高系統(tǒng)容量的技術(shù)稱為裂向（sectoring）。同頻干擾減小的因素取決于使用扇區(qū)的數(shù)目。通常一個小區(qū)劃分為個的扇區(qū)或是個的扇區(qū)。如圖4-19（a）和（b）所示。 圖4-19（a）120度裂向 ；（b）60度裂向 利用裂向以后，在某個小區(qū)中使用的信道就分為分散的組，每組只在某個扇區(qū)中使用。假設(shè)為7小區(qū)復用，對120扇區(qū)，第一層的干擾源數(shù)目由6個下降到2個。這是因為6個同頻小區(qū)中只有2個能接收