3.3 区域覆盖和信道配置
无线电波的传播损耗是随着距离的增加而增加的，并且与地形环境密切相关，因而移动台和基站之间的有效通信距离是有限的。大区制（单个基站覆盖一个服务区）的网络中可容纳的用户数很有限，无法满足大容量的要求；而在小区制（每个基站仅覆盖一个小区）网络中为了满足系统频率资源和频谱利用率之间的约束关系，我们需要将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用来达到系统的要求。虽然目前大区制的应用不多，但一些容量小、用户密度低的宏小区或超小区的蜂窝网等都具有大区制移动通信网的特点，所以本节将分别对大区制和小区制的网络覆盖问题进行深入的讨论，同时还将讨论移动通信系统中信道的分配问题。
3.3.1 区域覆盖
1．大区制移动通信网络的区域覆盖
大区制移动通信尽可能地增大基站覆盖范围，实现大区域内的移动通信。为了增大基站的覆盖区半径，在大区制的移动通信系统中，基站的天线架设得很高，可达几十米至几百米；基站的发射功率很大，一般为50～200W，实际覆盖半径达30～50km。
大区制方式的优点是网络结构简单、成本低，一般借助市话交换局设备，如图3-3所示。将基站的收发信设备与市话交换局连接起来，借助于很高的天线，为一个大的服务区提供移动通信业务。一个大区制系统的基站频道数是有限的，容量不大，不能满足用户数量日益增加的需要，一般用户数只能达几十至几百个。
为了扩大覆盖范围，往往可将图3-3的无线系统重复设置在不同的区域，借助于控制中心接入市话交换局。但是控制中心的控制能力及多个控制中心的互联能力是有限的，因而这种系统的覆盖范围容量不大。这种大区制覆盖的移动通信方式只适用于中、小城市等业务量不大的地区或专用移动通信网。
图3-3 大区制移动通信示意图
覆盖区域的划分决定于系统的容量、地形和传播特性。覆盖区半径的极限距离应由下述因素确定：
1）在正常的传播损耗情况下，地球的曲率半径限制了传播的极限范围。
2）地形环境影响，例如山丘、建筑物等阻挡，信号传播可能产生覆盖盲区。
3）多径反射干扰限制了传输距离的增加。
4）基站（BS）发射功率增加是有限额的，且只能增加很小的覆盖距离。
5）移动台（MS）发射功率很小，上行（MS至BS）信号传输距离有限，所以上行和下行（BS至MS）传输增益差限制了BS与MS的互通距离。
图3-4通过描述移动台与基站的不同相对位置，说明上、下行传输增益差是决定大区制系统覆盖区域大小的重要因素。解决上、下行传输增益差的问题，可采取相应的技术措施，如：
图3-4 移动台与基站的关系
1）设置分集接收台。在业务区内的适当地点设立分集接收台（Rd），如图3-5所示。位于远端移动台的发送信号可以由就近的Rd分集接收，放大后由有线或无线链路传至基站。
2）基站采用全向天线发射和定向天线接收。
3）基站选用分集接收的天线配置方案。
4）提高基站接收机的灵敏度。
5）在大的覆盖范围内，用同频转发器（又称为直放站）扫除盲区，如图3-6所示。整个系统都能使用相同的频道，盲区中的移动台也不必转换频道，工作简单。
图3-5 用分集接收台的图示
图3-6 用同频转发器的图示
2．小区制移动通信网络的区域覆盖
当用户数很多时，话务量相应增大，需要提供很多频道才能满足通信要求。为了加大服务面积，从频率复用的观点出发，可以将整个服务区划分成若干个半径为1～20km的小区域，每个小区域中设置基站，负责小区内移动用户的无线通信，这种方式称为小区制。小区制的特点是：
1）频率利用率高。这是因为在一个很大的服务区内，同一组频率可以多次重复使用，因而增加了单位面积上可供使用的频道数，提高了服务区的容量密度，有效地提高了频率利用率。
2）组网灵活。小区制随着用户数的不断增长，每个覆盖区还可以继续划小，以不断适应用户数量增长的实际需要。由以上特点可以看出，采用小区制能够有效地解决频道数有限和用户数量增大的矛盾。
下面针对不同的服务区来讨论小区的结构和频率的分配方案。
（1）带状网
带状网主要用于覆盖公路、铁路和海岸等，如图3-7所示。
基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的（见图3-7a）。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形（见图3-7b）。
带状网可进行频率复用。若以采用不同信道（频道）的两个小区组成一个区群（在一个区群内，各小区使用不同的频率，不同的区群可使用相同的频率），如图3-7b所示，称为双频制。若以采用不同信道（频道）的三个小区组成一个区群，如图3-7a所示，称为三频制。从造价和频率资源利用的角度而言，双频制最好；但从抗同频干扰的角度而言，双频制最差，还应考虑多频制。实际应用中往往采用多频制，如日本新干线列车无线电话系统采用三频制，我国及德国列车无线电话系统则采用四频制等。
图3-7 带状网
a）全向辐射天线 b）有向辐射天线
设n频制的带状网如图3-8所示。每一个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a，第n+1区与第1区为同频小区。据此，可算出信号传输距离Ds和同频干扰传输距离DI之比。若认为传播损耗近似与传播距离的四次方成正比，则在最不利的情况下可得到相应的干扰信号比（I/S）见表3-2。可见，双频制最多只能获得19dB的同频干扰抑制比，这通常是不够的。
图3-8 带状网的同频干扰
表3-2 带状网的同频干扰
（2）蜂窝网
在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络。在带状网中，小区呈线状排列，区群的组成和同频小区距离的计算比较方便，而在平面分布的蜂窝网中，这是一个比较复杂的问题。
1）小区的形状。我们知道，全向天线辐射的覆盖区域是一个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区，一个个的圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。根据交叠情况的不同，若在每个小区相间120°设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若在每个小区相间90°设置4个邻区，则有效覆盖区为正方形；若每个小区相间60°设置6个邻区，则有效覆盖区为正六边形；小区形状如图3-9所示。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面的区域，可取的形状只有这三种。那么这三种形状哪一种最好呢？在辐射半径r相同的条件下，计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积，见表3-3。
图3-9 小区的形状
表3-3 三种形状小区的比较
由表可见，在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也就最经济。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此将小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。
2）区群的组成。相邻小区显然不能用相同的信道。为了保证同信道（即频道）小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的信道。这些使用不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道复用。
区群的组成应满足两个条件：一个是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数应满足下式：
式中，i、j是不能同时为零的自然数。由式（3-4）算出N的可能取值，见表3-4，相应的区群形状如图3-10所示。
表3-4 区群小区数N的取值
图3-10 区群的组成
3）同频小区的距离。区群内小区数不同的情况下，可用下面的方法来确定同频（同道）小区的位置和距离。如图3-11所示，自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨j个小区，再逆时针转60°，再跨沿边的垂线i个小区，这样就到达相同小区A。在正六边形的6个方向上，可以找到6个相邻同信道小区，所有A小区之间的距离都相等。
图3-11 同信道小区的确定
设小区的辐射半径（即正六边形外接圆的半径）为r，则从图3-11可以算出同频小区中心之间的距离为
可见，群内小区数N越大，同频小区的距离就越远，抗同频干扰的性能就越好。例如，N=3，D/r=3；N=7，D/r=4.6；N=19，D/r=7.55。
4）中心激励和顶点激励。在每个小区中，基站可以设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式，如图3-12a所示。也可以将基站设置在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”方式，如图3-12b所示。采用120°的定向天线后，所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3，因而可以减少系统的同频干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。
以上讨论的整个服务区中的每个小区大小是相同的，这只能适应用户密度均匀的情况。事实上，服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和郊区的用户密度低。为了适应这种情况，在用户密度高的市中心可以使小区的面积小一些，在用户密度低的郊区可以使小区的面积大一些，如图3-13所示。
图3-12 两种激励方式
图3-13 用户密度不等时的小区结构
3.3.2 信道（频率）分配
信道（频率）分配是频率复用的前提。频率分配有两个基本含义：一是频道分组，根据移动通信网的需要将全部频道分成若干组；二是频道指配，以固定的或动态分配方法指配给蜂窝网的用户使用。
频道分组的原则是：
1）根据国家或行业标准（规范）确定双工方式、载频中心频率值、频道间隔和收发间隔等。
2）确定无互调干扰或尽量减小互调干扰的分组方法。
3）考虑有效利用频率、减小基站天线高度和发射功率，在满足业务质量射频防护比的前提下，尽量减小同频复用的距离，从而确定频道分组数。
频道指配时需注意的问题有：
1）在同一频道组中不能有相邻序号的频道。
2）相邻序号的频道不能指配给相邻小区或相邻扇区。
3）应根据移动通信设备抗邻道干扰的能力来设定相邻频道的最小频率和空间间隔。
4）由规定的射频防护比建立频率复用的频道指配图案。
5）频率规划、远期规划、新网和重叠网频率指配的协调一致。
下面按固定频道指配的方法，分别予以讨论。
固定频道分配应解决如下三个问题：频道组数、每组的频道数及频道的频率指配。
1）带状网的固定频道分配。当同频复用系数D/r0确定后，就能相应地确定频道组数。
例如，若D/r0=6（或8），至少应有3（或4）个频道组，如图3-14所示。当采用定向天线时（如铁路、公路上），根据通信线路的实际情况（如不是直线），若能利用天线的方向性隔离度，还可以适当地减少使用的频道组数。
图3-14 频道的地区复用图
2）蜂窝状网的固定频道分配。由蜂窝状网的组成可知，根据同频复用系数D/r0确定单位无线区群，若单位无线区群由N个无线区（即小区）组成，则需要N个频道组。每个频道组的频道数可由无线区的话务量确定。
固定频道分配方法有两种，一是分区分组分配法，二是等频距分配法。
1．分区分组分配法
分区分组分配法按以下要求进行频率分配：尽量减少占用的总频段，即尽量提高频段的利用率，为避免同频干扰，在单位无线区群中不能使用相同的频道。为避免三阶互调干扰，在每个无线区应采用无三阶互调的频道组。现举例说明如下。
设给定的频段以等间隔划分为信道，按顺序分别标明各信道的号码为：1、2、3、…。若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道，按上述原则进行分配，可得到：
第1组：1、5、14、20、34、36
第2组：2、9、13、18、21、31
第3组：3、8、19、25、33、40
第4组：4、12、16、22、37、39
第5组：6、10、27、30、32、41
第6组：7、11、24、26、29、35
第7组：15、17、23、28、38、42
每一组信道分配给区群内的一个小区。这里使用42个信道就占用了42个信道的频段，是最佳的分配方案。
以上分配的主要出发点是避免三阶互调，但未考虑同一信道组中的频率间隔，可能会出现较大的邻道干扰，这是这种配置方法的一个缺陷。
2．等频距分配法
等频距分配法是按等频率间隔来配置信道的，只要频距选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰。这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系，但正因为频距大，干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用到非线性器件上，这也就避免了互调的产生。
等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔，例如，第一组用（1，1+N，1+2N，1+3N，…），第二组用（2，2+N，2+2N，2+3N，…）等。例如N=7，则信道的配置为：
第1组：1、8、15、22、29，…
第2组：2、9、16、23、30，…
第3组：3、10、17、24、31，…
第4组：4、11、18、25、32，…
第5组：5、12、19、26、33，…
第6组：6、13、20、27、34，…
第7组：7、14、21、28、35，…
这样，同一信道组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔，若信道间隔为25kHz，则其最小频率间隔可达175kHz，接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰。
如果是定向天线进行顶点激励的小区制，每个基站应配置三组信道，向三个方向辐射，例如N=7，每个区群就需有21个信道组。整个区群内各基站信道组的分布如图3-15所示。
图3-15 三顶点激励的信道配置
以上讨论的信道配置方法都是将某一组信道固定配置给某一基站，这只能适应移动台业务分布相对固定的情况。事实上，移动台业务的地理分布是经常会发生变化的，如早上从住宅向商业区移动，傍晚又反向移动，发生交通事故或集会时又向某处集中。此时，某一小区业务量增大，原来配置的信道可能不够用了，而相邻小区业务量小，原来配置的信道可能有空闲，小区之间的信道又无法相互调剂，因此频率的利用率不高，这就是固定配置信道的缺陷。为了进一步提高频率利用率，使信道的配置能随移动通信业务量地理分布的变化而变化，有两种办法：一是动态配置法——随业务量的变化重新配置全部信道；二是柔性配置法——准备若干个信道，需要时提供给某个小区使用。前者如能理想地实现，频率利用率可提高20%～50%，但要及时算出新的配置方案，且能避免各类干扰，电台及天线共用器等装备也要能适应，这是十分困难的。后者控制比较简单，只要预留部分信道使基站都能共用，可应付局部业务量变化的情况，是一种比较实用的方法。