4.3GSM頻率復(fù)用技術(shù)解析課件

1、4.3 頻率復(fù)用技術(shù)頻率復(fù)用原理常規(guī)頻率復(fù)用技術(shù)緊密頻率復(fù)用技術(shù)蜂窩系統(tǒng)的擴(kuò)容 4.3.1 頻率復(fù)用原理 蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分為若干個(gè)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(jī)（即基站發(fā)射機(jī)）進(jìn)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(fù)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(shí)所使用的功率較小，因而任意兩個(gè)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(gè)（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(fù)用，如圖4-13所示。頻率復(fù)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(fù)用示意圖 一般說，小區(qū)越?。l率組不變），單位面積可容納的用戶越多，即系統(tǒng)的頻率復(fù)用率越高。由此可以設(shè)想，當(dāng)用戶數(shù)增多并達(dá)到小區(qū)所能服務(wù)的最大限度時(shí)，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(dāng)新小區(qū)所支持的用戶數(shù)又達(dá)到飽和時(shí)，還可以將這些小區(qū)進(jìn)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(yùn)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(dú)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?yàn)樾^(qū)半徑減小到原小區(qū)半徑的1/10時(shí)，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(fèi)用是昂貴的，特別在城市區(qū)域中，占用房地產(chǎn)的費(fèi)用非常高，這是不能不考慮的實(shí)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(gè)頻率組所含的頻道數(shù)就越多，因而每個(gè)小區(qū)能使用的頻道數(shù)就越多，可同時(shí)

4、服務(wù)的用戶數(shù)也增多，然而頻率復(fù)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(fù)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(qiáng)。因?yàn)轭l率復(fù)用距離必須足夠大，才能保證這種同道干擾低于某個(gè)預(yù)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(fù)用技術(shù) 頻譜利用效率可以用頻率復(fù)用度來表征，它反映了頻率復(fù)用的緊密程度。 頻率復(fù)用度越小，其頻率復(fù)用越緊密，頻率的利用率越高。但隨著頻率復(fù)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(fù)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(fù)

5、用方式為頻率復(fù)用方式，“4”表示4個(gè)基站，“3”表示每基站3個(gè)小區(qū)，即將一個(gè)蜂窩中等分成三份，使用3種不同頻率。這12個(gè)扇形小區(qū)為一個(gè)頻率復(fù)用簇，同一簇中頻率不能被復(fù)用。這種頻率復(fù)用方式由于同頻復(fù)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(biāo)要求。使GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量好，安全性好。頻率復(fù)用方式下，它的頻率復(fù)用度為12。 圖4-14 頻率復(fù)用度示意圖 在GSM系統(tǒng)中，最基本的頻率復(fù)用方式為頻率復(fù)用方式，“4”表示4個(gè)基站，“3”表示每基站3個(gè)小區(qū)，即將一個(gè)蜂窩等分成三個(gè)小區(qū)，使用3組不同頻率。這12個(gè)扇形小區(qū)為一個(gè)頻率復(fù)用簇，同一簇中頻率不能被復(fù)用。這種頻率復(fù)用方式由于同頻復(fù)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(biāo)要求。使GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量好，安全性好。頻率復(fù)用方式下，它的頻率復(fù)用度為12，如圖4-15所示。 圖4-15 4*3頻率復(fù)用方式 4.3.3 緊密頻率復(fù)用技術(shù) 隨著無線服務(wù)需求的提高，分配給每個(gè)小區(qū)的信道數(shù)最終變得不足以支持所要達(dá)到的用戶數(shù)。從這一點(diǎn)來看，需要一些蜂窩設(shè)計(jì)技術(shù)來給單位覆蓋區(qū)域提供更多的信道。在實(shí)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(fù)用技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)容量是最經(jīng)濟(jì)、最快捷的手段，

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

8、干擾進(jìn)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(jìn)行頻率規(guī)劃，可逐步提高網(wǎng)絡(luò)容量，比僅使用3x3復(fù)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(jìn)行仔細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化，能滿足網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)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(fù)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(fù)用方式，采用1x3頻率復(fù)用方式時(shí)，每個(gè)基站的三個(gè)小區(qū)組成一個(gè)簇，按簇

9、進(jìn)行頻率復(fù)用，即每個(gè)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(fù)用方式 1x3緊密復(fù)用方式的復(fù)用度比3x3復(fù)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(kuò)載頻時(shí)，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(dāng)然，隨著復(fù)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(shí)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(dá)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(dāng)用戶量的進(jìn)一步增加，話務(wù)量進(jìn)一步增大的情況下，

10、有可能要增加基站或載頻數(shù)，這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點(diǎn)：站距更為緊密，頻率復(fù)用度更高，話務(wù)量更大，網(wǎng)絡(luò)的干擾嚴(yán)重。因此當(dāng)用戶量進(jìn)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(fù)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(fù)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(gè)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(fù)用方式

11、，而內(nèi)層則采用密化的復(fù)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(gè)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(jìn)行。 使用同心圓技術(shù)，我們將把一個(gè)小區(qū)的載頻根據(jù)頻率復(fù)用情況分為內(nèi)圓載頻和外圓載頻。頻率復(fù)用度低的載頻，其干擾也低，因此配置為外圓載頻；頻率復(fù)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(qiáng)，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(yuǎn)的地區(qū)，其電平相對較低，抗干擾

12、能力弱，同時(shí)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(qiáng)，同時(shí)對其他鄰近小區(qū)的干擾也強(qiáng)。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(shí)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(gè)同心圓小區(qū)，對于這個(gè)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(kuò)容 隨著無線服務(wù)需求的進(jìn)一步提高，若要進(jìn)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(shí)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(gè)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(jī)功率。由于小區(qū)分裂提高了信道的復(fù)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(gè)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(gè)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(gè)概念我們用R為半徑畫一個(gè)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?cái)?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(shí)又不影響為了維持同頻小區(qū)間的最小同頻復(fù)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(dǎo)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(fù)用度來實(shí)現(xiàn)的。但是為了做到這一點(diǎn)，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(dú)的一根全向天線而減小，其中每個(gè)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(gè)小區(qū)劃分為個(gè)的扇區(qū)或是個(gè)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(gè)小區(qū)中使用的信道就分為分散的組，每組只在某個(gè)扇區(qū)中使用。假設(shè)為7小區(qū)復(fù)用，對120扇區(qū)，第一層的干擾源數(shù)目由6個(gè)下降到2個(gè)。這是因?yàn)?個(gè)同頻小區(qū)中只有2個(gè)能接收