蜂窝结构的特性分析及其实际应用

蜂窝结构的特性分析及其实际应用上海邮电设计院

王

征

一引盲无线频率是一种有限的宝贵资源随着公众移动通信业务的不断发展频率资源的短缺将成为移动通信网发展的一个突出矛盾蜂窝状移动通信网采用频率复用技术从

而大大提高了频谱利用率在给定无线可用频道的条件下可成倍提高网的系统容量很好地解决了频率资源有限对移动通信业务发展的限制因而几乎世界上所有大容量的

公众移动通信网都不无例外地采用蜂窝结构显见在公众移动通信网工程设计中蜂窝结构的选用是至关重要

的

在众多蜂窝状结构中最常用的有下列三种󰀂每基站由 个!∀。扇形小区组成#个

基站为一群的#∃ 结构%每基站由&个&∋扇形小区组成(个基站为一群的(∃&结构%

每基站邮个&∋定向无线组成三叶状复盖区(个基站为一群的(∃ 蜂窝结构这三种窝结构在频谱利用率同频干扰比小区分裂方法上各有特点本文将在以下诸小节中对此作比较分析各自的特性以及它们在实际工程中的应用

二频谱利用率

蜂窝状结构的采用其主要目的是为了提高移动通信的系统容量以满足业务不断

增长的需要因此频谱利用率应是评价蜂窝状结构的最主要特性之一不同结构频谱

利用率的比较必须放在等同的条件下也即给定的无线可用频道数相等和基站区复盖最

终分裂半径相同世界各国对公众移动网的频率分配都有各自的规定这里

以我国国

家

无委最近批准的)∋∗+,频段为例按规定)∋−∗+,频段共分配给公众移动网!∋∋∋个无

线可用频道使用频

段

为

󰀂

.)−∗+,一)!/∗+

,

移动台发

) /∗+,一)&∋∗+

,

基站发

其中)∋/∗+,一)!/∗+,和)/−∗+,一)&∋∗+,共(∋。个频道留作将来开展数字移动业务用于模拟移动业务的共&∋个频道但是&∋∋个频道中后∀(∋频道在∀∋弘俘前仍需与其他

业务共用因此当前能单独使用的仅 &∋个无线频道其中有∀!个专用控制频道实际可使用的话音频道为 .个基站区最终分裂半径的取完主要取决于站址选择容差要求和系统处理越区切换频度的极限如不考虑站址容差认为基站的设置都满足理论蜂

窝结构图形的要求以控制频道的数据速率.幼计01分析

一般当基站复盖区半径为∀2

3

时已趋于切换处理的上界为更于比

较假设蜂窝结构分裂的最小半径为

4。5∀2

。为

了使比较能反映直观的用户容量假设用户忙时话务量为。− 6780每户无线频道的呼损要求为/呢

不同的蜂窝结沟在分裂时对可用无线频段的分组有其各自的要求对#∃ 结构需把可用频道分成∀!组每组频道数约为󰀂% .0∀!一9:每基站占三组频道其总话务量;󰀂󰀂

可计算如一卜󰀂;󰀂󰀂5 ∃,,/(二/(&

∀

它

78

以上等式中 表示每基站 个无线小区!!/(是呼损为/肠时每无线小

区!&个频道的

话

务

量该结构的频谱利用率可用系统每平方公里的用户数<󰀂󰀂来表达<󰀂󰀂二;󰀂󰀂0=∋− ∃二4含>

二。?

2󰀂≅

“

同理对(∃ 结构应把频道划分为!∀组每组为∀.个每基站总话务量为;󰀂󰀂

;󰀂󰀂二 Α∀∀.#5&1&!678其频谱利用率<󰀂󰀂为<󰀂󰀂5&.∀!0=−− ∃、主丈言>二81?23“

对于(∃&结构理应把可用频道分成∀󰀁(组来计算每站总务量由图!可知由于每基站

分裂成&个&∋扇形无线小区无线小区间两两重叠部分将占整个面积的&∋肠左右因而

相邻小区各自分配的频道组可在重叠区这就提高了每小区的中继效率如令Β为重叠部分的面积对整个小区面积

之比

Χ

为在重叠区采用频道共享技术的呼损率Δ为如不考虑共

享时相应的呼损率则这三个参量间的关系可用式=8>

来表达

Δ二Β一Ε丫=∃一Β>“Ε(ΒΧ∀Φ=!>

在Β5∋/时计算得Χ和Δ的对应关系如表!所示

卜二一

浮二Γ

一󰀂竺一一

Η

一…

8ΔΗ∋∋∀Η。∋ )Ι−∋)

∀Γ

由表!可知如不采用频道共享技术时呼损率为∋∋)∀采用频道共享技术后呼损率将降到。∋/这表明在保证一定的呼损率要求下频道共享技术大大提高了每基站的总话务量经分析表明这相当于把每基站可用频道分成(小组来确定频道中继效率也即在话务量计算中只需把可ϑΚΙ频率分成(∃(共!&组每基站区占用(组来确定每基站的总话务量根据上述的原则在 .个话音频道的条件下可算得(∃&蜂窝结构每基站总的话

务量;󰀂‘5&(&.678相应的频谱利用率<󰀂‘二!#!023’

由上󰀂面估算可见当基站按理论蜂窝结构设置时(∃ 三叶状结构有最

佳的频谱利

用率(∃&结构略低#∃ 结构的频谱利用率最

差

三同频千扰比

不同蜂窝结构的同频复用配置如图∀所示图中仅示出了第一层同频基站的位置理论上在蜂窝结构中每个基站可能受到无数层次上的同频基站的干扰但是在实际应用中第一层以外的同频基站因为复用距离增加而且一般都远大于基站的无线视距其传输衰减急剧增加因而它们的干扰影响在实际应用中可予以忽略只考虑

第一层的千

扰

源

图∀分析图∀容易确定各种蜂窝结构同频千扰比最差的位置应为无线小区中离基站最远的点也即复盖区边缘如令基站的复盖区半径相等全为4。各千扰基站至被

干扰

点的距离分别为4󰀂4󰀂󰀂4条件

下

则载频Λ和每个同频干扰9之比可用式=∀>计

算

95Λ=4。04>Μ=∋>Λ095=404。

>0Μ=Ν>=∀>

式中Μ=−>是定向天线的去祸度∋为干扰射线方向偏离定向天线最大发射方向的角度󰀂表示电波传输衰减与距离的7次方成正比考虑到多个干扰源的影响蜂窝结构的同频

干扰比Λ09如式= >所示

Λ095!06=4。04>Μ=∋>= >

由式= >可见同频干扰比受7值影响很大当4在∀∋23左右时7位一般为 /左右当距离超过∀∋23时可用7二(估算同频干扰比利用&∋和!∀∋定向天线的水平面方向特比

和上述7值根据图∀所确定的距离4容易计算各种蜂窝结构的最低同频千扰比计算的

结果如表

∀所示

介高谕遭

窝结

“#Α (Α&(Α

哪比ΟΟΟ

(∋∀!/∀!!∀∋ /!./!.!##由表󰀂∀可见#∃ 结构能达到最高的同频干扰比有较好的抗同频干扰的性能

四小

区

分裂的方法

蜂窝状移动通信网可采用多种小区分裂的方法最常用的是!(和!󰀂 两种小区分

裂不过为了使蜂窝网能不断地分裂逐步提高网的容量同时又能满足频率复用对蜂窝结构的要求各种不同蜂窝结构并不能任意选择小区分裂方法具体地讲#∃ 结构只能采用!󰀂(的分裂方法而(∃ 和(∃&结构以采用8󰀂 分裂方法为佳否则分裂后的小

区

结构将无法重复原来的频率复用的规则图形给频率复用和进一步小区分裂造成困难

图 是一个(∃ 结构以!(分裂的例子图中同时示出了分裂前后的频率配置显见原来

冷Χ水

;未

未;冲−

一

分裂前的基站

分裂后增加的基

姑的频率复用规则已无法维持例如采用ΛΧ两组频率的基站对Λ基站分裂后其周围新

基站的频率应依次为ΠΧ;ΠΧ;对Χ基站周围新基站所分配的频率应为;、

七Π;ΛΠ由图 可见位于ΛΧ两个老基站交界处的新基站有两种相互矛盾

的频率复用配置要求按Λ应配;频率组而按Χ应为Π频率组这样将无法使频率复用

规则地进行下去这表明(只 结构从理论上分析是不宜采用!󰀂(的小区分裂采用同样

的分析方法可以得出(∃&和#∃ 分别不宜采用!󰀂(和!󰀂 小区分裂方法的结论

#∃ 结构以!󰀂(分裂和(∃&(∃ 结构以!, 分裂所得到的频率复用配置如图(所示

分析图(可知经!󰀂 分裂后(∃&和(∃ 结构虽然保持了原来规则的频率复用配置但是

图(分裂后每基站各无线小区的方向需旋转 ∋这一方面在扩容时要重新调整老基站定向无线的指向更为不利的是在分裂区和未分裂区的交界处各自小区指向偏移 ∋致使

相邻频道不能在相邻小区内使用这一频率分配规则难以满足势必形成一个过渡区影响了频谱利用率的提高而了Α 结构经!󰀂(分裂后由图(可见分裂后

规则的频率

复