3.4 提高蜂窝系统容量的方法

随着用户需求的增加，分配给每个小区的信道数最终变得不足以支持所要达到的用户数。为了解决这一问题，首先要弄清蜂窝系统容量受何种因素制约，其次从减小干扰的角度分析小区分裂、小区扇区化和覆盖区域逼近等技术提高系统容量的本质，以便更好地解决实际问题。系统容量有多种度量方法，如每平方千米的用户数、每个小区的信道数、系统中的信道总数和系统所容纳的用户数等。就点对点的通信系统而言，系统容量可以用给定的可用频段中所能提供的信道数来度量。但对蜂窝系统而言，由于信道在蜂窝中的分配涉及频率复用和由此而产生的同频干扰问题，所以在这里我们采用系统中的信道总数来表征系统容量。

3.4.1 同频干扰对系统容量的影响

蜂窝系统能够提高系统容量的核心是频率复用。考虑一个共有L个可用的双向信道（频道）的蜂窝系统，如果每个小区都分配k个信道（k＜L），并且L个信道在N个小区中分为各不相同、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道（频道）的总数表示为

如果区群在系统中共复制了β次，则在仅考虑频率复用因素的情况下，系统容量C_T为

从式（3-7）中可以看出，蜂窝系统容量直接与区群在某一固定服务范围内复制的次数成正比。例如，对于中国移动江苏公司南京分公司而言，若频率资源是19MHz带宽，采用GSM体制，则可以算出可用无线信道总数为760个。假设南京市区的区群复制了250次，则在南京市区可以同时接通移动通信用户数为19万；而若不采用频率复用，则南京市能同时接通的用户数仅为760个。由此可以看出，频率复用大大提高了系统容量。

显然，如果没有同频干扰，所有可用频率在系统覆盖区域内可以无限复制，系统容量也可以无限增加，但实际上受同频干扰的制约，所有可用频率不能无限复制。所以，同频干扰是限制系统容量的主要因素。因此，很有必要探讨一下系统容量与同频干扰之间的关系，以便知道如何在抑制同频干扰的基础上，通过系统设计来提高系统容量。

我们知道蜂窝手机在任何地方进行通信时，会收到两种信号，一种是所在小区基站发来的有用信号，另一种是来自同频小区基站发来的同频干扰信号。很明显，在仅考虑同频干扰的情况下，这个有用信号功率与同频干扰信号功率之间的比值即信干比决定了蜂窝手机的信号接收质量。而要达到规定的信号接收质量，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，以便为电波传播提供充分的隔离。

如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比与发射功率无关，而变为小区半径（r）和相距最近的同频小区的中心之间距离（D）的函数。增加D/r的值，同频小区间的空间隔离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小。对于六边形系统来说，同频复用系数Q可表示为

由式（3-8）可知，Q值越小，一个区群内的小区数越小，进而通过复制可达到系统容量越大的目的；但Q值大，同频干扰小，信干比大，移动台的信号接收质量就越好。在实际的蜂窝系统设计中，需要对这两个目标进行协调和折中。

若设i_s为同频小区数，则移动台从基站接收到的信干比（S/I或SIR）可以表示为

式中，S是从期望基站接收的信号功率；I_i是第i个同频小区所在基站引起的干扰功率。如果已知同频小区的信号强度，S/I值就可以通过式（3-9）来估算。

无线电波的传播测量表明，在任一点接收到的平均信号功率随发射机和接收机之间距离的增加呈幂指数下降。在距离发射天线d处接收到的平均信号功率P_r可以由下式估算：

式中，P₀为参考点的接收功率，该点与发射天线有一个较小的距离d₀；n是路径衰减因子。

假定想要获得的信号来自当前服务的基站，干扰来自于同频基站，每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径衰减因子也相同，则移动台接收到的S/I可近似表示为

同频干扰小区分为许多层，它分布在以某小区中心为圆心逐层往外的圆周上：第一层6个，第二层6个，第三层6个，……显然来自第一层同频干扰小区的干扰最强，起主要作用。如果仅考虑第一层干扰小区（其数目为i₀），且假定所有干扰基站与期望基站间是等距的，小区中心间的距离都是D，则式（3-11）可以简化为

式（3-12）建立了信干比与区群大小N之间的关系，结合式（3-7）可得

式中，N_s表示系统中小区的总数；L为无线信道总数。

式（3-13）右边包括5个参数，在频率资源和传播环境确定的情况下，参数L与n确定，这样剩下的只有第一层同频小区数i₀、小区的总数N_s和信干比S/I三个参数可变。我们知道，不同系统对于接收信号的最低信干比要求是不同的，例如，AMPS蜂窝系统要求的最低信干比为18dB，而GSM系统的最低信干比为9dB。很明显，选择最低信干比要求低的系统可以使得区群变小，进而增加区群的复制次数，最终达到增加系统容量的目的。下面从式（3-13）出发进一步寻找提高系统容量的方法。

3.4.2 小区分裂

对于已设置好的蜂窝通信网，随着城市建设的发展，原来的低用户密度区可能变成了高用户密度区，这时可采用小区分裂的方法，即保持区群大小N值不变，通过减小小区半径来等比例缩小区群几何形状。由于该方法增加了覆盖地区的小区总数，所以系统容量得到提高。

小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，分裂后的每个新小区都有自己的基站，并相应地降低天线高度和发射机功率。由于小区分裂提高了信道的复用次数，所以能提高系统容量。通过设定比原小区半径更小的新小区或在原小区间安置这些小区（称为微小区），可使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。

假设每个小区都按半径的一半来分裂，如图3-16所示。为了用这些更小的小区来覆盖整个服务区，将需要大约为原来小区数4倍的小区，原因是以r为半径的圆所覆盖的区域是以r/2为半径的圆所覆盖区域的4倍。小区数的增加将增加覆盖区域内的区群数目，这也就增加了覆盖区域内的信道数量，进而增加了系统容量。小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来增加系统容量，同时又不影响为了维持同频小区间的最小同频复用因子所需的信道分配策略。图3-16为小区分裂的例子，基站放置在小区角上，假设基站A服务区域内的话务量已经饱和（即基站A的阻塞超过了可接受值），则该区域需要新基站来增加区域内的信道数目，并减小单个基站的服务范围。注意，在图中，最初的基站A被6个新的微小区基站所包围。在图3-16所示的例子中，更小的小区是在不改变系统的频率复用计划的前提下增加的。例如，标为G的微小区基站安置在两个用同样信道的、也标为G的大基站中间。图中其他的微小区基站也类似。从图3-16可以看出，小区分裂只是按比例缩小了区群的几何形状。

在保证新的微小区的频率复用方案和原小区一样的情况下，新小区的发射功率可以通过检测在新的和旧的小区边界接收到的功率，并令它们相等来得到。假定新小区的半径为原来小区的一半，则由图3-16得

式中，P_t1和P_t2分别为大的小区及较小的小区的基站发射功率；n是路径衰减因子。

在n=4，且接收到的功率都相等时，则有

可见，为了用新小区来填充原有的覆盖区域，同时又要求满足S/I要求，发射功率要降低12dB。

3.4.3 小区扇区化

如上所述，通过减小小区半径r和不改变同频复用系数D/r，我们采用小区分裂的方法增加了单位面积内的信道数，进而增加了系统容量。然而，另一种提高系统容量的方法是采用小区扇化的方法，即通过定向天线来减少同频干扰小区数，进而提高系统容量。

蜂窝系统中的同频干扰可以通过用定向天线来代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。使用定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术称为小区扇区化技术。同频干扰减小的因素取决于使用扇区的数目。通常一个小区划分为3个120°的扇区或6个60°的扇区，如图3-17所示。

采用扇区化后，在某个小区中使用的信道就分成多组，每组只在某个扇区中使用，如图3-17a和b所示。假定为7小区复用，对于120°扇区，第一层的干扰源数目由6下降到2，原因是6个同频干扰小区中只有2个有效。如图3-18所示，考虑在标有“5”的中心小区的右边扇区的移动台所收到的干扰。在中心小区的右边有3个标“5”的同频小区的扇区，3个在左边。在这6个同频小区中，只有2个小区的电磁波可以进入中心小区，即中心小区的移动台只会收到来自这两个小区的干扰。此时，S/I根据式（3-12）算得为24.2dB，这比全向天线的情况高得多。

3.4.4 覆盖区域逼近方法

当使用小区扇区化时需要增加切换次数，这会导致系统的交换和控制负荷增加。为解决这一问题，可以采用覆盖区域逼近方法。该方法的实质是保持小区半径不变，将方向性天线置于小区边缘，通过减小基站的发射功率来抑制同频干扰。图3-19给出了一种采用基于7小区的微小区覆盖区域逼近方案。在该方案中，每3个（或者更多）区域站点（图中以T_x/R_x表示）与一个基站相连，并且共享同样的无线设备。各微小区用同轴电缆、光导纤维或者微波链路与基站连接，多个微小区和一个基站组成一个小区。当移动台在小区内行驶时，由信号最强的微小区来服务。由于该方案的天线安放在小区的外边缘，且任意基站的信道都可由基站分配给任一微小区，所以该方案优于小区扇区化方案。

当移动台在小区内从一个微小区行驶到另一个微小区时，它使用同样的信道。与小区扇区化不同，当移动台在小区内的微小区之间行驶时不需要MSC进行切换。由于某一信道（这里指频道）只是当移动台行驶在微小区内时使用，所以基站发射的电磁波被限制在局部范围内，与此相应的干扰也减小了。由于这种系统根据时间和空间在3个微小区之间分配信道，也像通常一样进行同频复用，所以该方案在高速公路边上或市区开阔地带特别有用。

图3-19所示方案的优点在于小区既可保持覆盖半径不变，又可减小蜂窝系统的同频干扰，原因是一个大的中心基站已由多个在小区边缘的小功率发射机（微小区发射机）来代替。同频干扰的减小提高了信号接收质量，也增大了系统容量，但不会有小区扇区化引起的信道利用率下降问题。如前所述，AMPS系统的S/I要求为18dB，这对于一个N=7的系统，同频复用系数D/R等于4.6即可。对于图3-20所示的系统，由于任何时刻的发射都受某一微小区的控制，所以为达到性能要求，D_z/r_z（其中，D_z为两个同频微小区间的最小距离，r_z为微小区的半径）可以控制在4.6以内。在图3-20中，令每个独立的六边形代表一个微小区，每3个六边形一组代表一个小区。微小区半径r_z约等于六边形的半径。显然，微小区系统的容量与同频小区间的距离相关，而与微小区无关。在图3-20中，该同频小区之间的距离表示为D。假定D_z/r_z为4.6，则同频复用系数D/R的值为3，其中R是小区的半径，它等于微小区半径的两倍。根据式（3-8），与D/R=3相对应的区群大小N=3。由此可以看出，区群大小N从7减到3，这将使系统容量增加2.33倍。因此，对于同样的18dB的S/I要求，相对于传统的蜂窝覆盖，该方案在容量上有很大的增加。由于没有信道共用效率的损失，该方案在许多蜂窝系统中得到大量应用。