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移动通信原理与设备
1.3.1.2 2.1.2 小区制的组网技术

2.1.2 小区制的组网技术

1.信道复用技术

所谓信道复用技术指的是:相邻小区不使用相同的信道组,但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道,以充分利用频率资源。不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群,即整个通信服务区也可看成是由若干个区群构成的。

为了实现频率复用,而又不产生同信道干扰,要求每个区群中的无线小区不得使用相同的频率,只有在不同区群中的无线小区(并保证同频无线小区之间的距离足够大)时,才能进行频率复用。

无线区群的构成应该满足两个条件,一是若干个无线区群彼此之间可以互相邻接,并且无空隙地带;二是邻接之后的区群应保证同频无线小区之间的距离相同。

蜂窝式移动通信网通常是先由若干个邻接的正六边形小区构成一个无线区群,再由单位区群彼此邻接形成整个服务区域。满足以上条件的单位无线区群中小区的个数K为

K= a2+ b2+ ab

式中,a、b为不同时为0的自然数。

K愈大,同频无线小区的间距就愈大,说明同频干扰愈小,通信质量愈好;但在覆盖同样服务区的情况下,频率利用率就愈低。即通信质量和频率利用率是相互矛盾的。根据上式可计算出选取的K值,如表2-2所示。

表2-2 无线区群的小区数

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一个系统中有许多同信道的小区,整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式,即单位无线区群中小区的个数。如图2-3所示,其中K= 3,当然还有其他复用方式,如K= 4,7,9,12等。

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图2-3 K=3无线区群的图形

允许同频率重复使用的最小距离取决于许多因素,如中心小区附近的同信道小区数、地理地形类别、每个小区基站的天线高度及发射功率。频率复用距离D为img22式中,K为频率复用模式数,R为小区半径。如果所有小区基站发射相同的功率,则K增加,频率复用距离D也增加,增加了的频率复用距离将减小同信道干扰发生的可能。从理论上来说,K应该大些,然而分配的信道总数是固定的(由可用的频带宽度决定),如果K太大,则K个小区中分配给每个小区的信道数将减少。如果随着K的增加而划分K个小区中的信道总数,则中继效率就会降低。因此现在面临的问题是在满足系统性能的条件下,如何得到一个最小的K值,解决它必须估算同信道干扰,并选择最小的频率复用距离D,以减小同信道干扰。

2.激励技术

小区制的激励方式一般分为中心激励和顶点激励。中心激励是指基站位于无线小区的中心,并采用全向天线实现无线小区的覆盖。如果服务区域内有大的障碍物,采用中心激励方式难免会出现电波辐射的阴影区,若在每个正六边形间隔的3个顶角上设置基站,并采用三个120°扇形张角的定向天线,同样也可以覆盖整个无线小区,这种方式称为顶点激励。由于顶点激励方式采用定向天线,除对消除障碍物阴影有利外,对来自120°主瓣之外的同频干扰信号,天线方向性能提供一定的隔离度,从而降低了干扰。因而允许减小同频无线小区之间的距离,降低了无线区群中无线小区的个数,对进一步提高频率利用率、简化设备、降低成本都有一定的好处。

3.无线小区模型的确定

无线小区模型的确定在移动通信系统的组网中起重要作用,最常用的三叶草形无线小区模型是由Ericsson公司建议并得到推广的。以GSM系统为例,目前GSM网络广泛采用的无线小区模型有4×3复用方式和3×3复用方式等。

我国GSM蜂窝移动通信业务的频率分配如表2-3所示。

表2-3 我国GSM蜂窝移动通信业务的频率分配

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图2-4 4×3频率复用方式

根据GSM体制的推荐,GSM无线网络规划基本上采用4×3复用方式,即每4个基站为一区群,每个基站分成3个120°扇区,共需12组频率。同一基站区中的不同小区频率是不同的,这种频率复用方式由于同频复用距离大,能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求,使GSM网络运行质量和安全性都得到保证。其复用方式如图2-4所示。

GSM系统工作在900MHz频段时,共25MHz带宽,载频间隔200 kHz,双工间隔45MHz。频道序号为1~124,其中,中国移动占用1~94频道(890~909/935~954 MHz),中国联通占用95~124频道(909~915/954~960MHz)。频道序号和频道标称中心频率关系为:

f上(n)= 890.2+(n-1)×0.2MHz f下(n)= f上(n)+ 45 MHz采用4×3复用方式,GSM 900MHz各频道组的频道号如表2-4所示。

表2-4 GSM 900MHz各频道组的频道号

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GSM系统也可工作在1 800MHz频段,共45MHz带宽,载频间隔200 kHz,双工间隔95 MHz,频道序号为512~885。其中,中国移动占用前10 MHz(512~561频道),中国联通占用后10MHz(687~736频道)。频道序号和频道标称中心频率关系为: f上(n)= 1 710.2+(n-512)×0.2MHz f下(n)= f上(n)+ 95MHz式中,f上(n)为上行频率,f下(n)为下行频率,n为频道序号。

而3×3复用方式即表示区群有3个基站,每个基站有3个小区,总共有9个小区为一个区群,同一基站区中的不同小区频率是不同的。显然,3×3频率复用方式比4×3复用方式的区群小,同频小区间的距离要小,同频干扰较大,但是,在覆盖同样服务区的情况下,频率利用率就愈高。3×3频率复用方式的主要特点是:

(1)不需要改变现有网络结构;

(2)在原有的基站基础上通过改变复用方式就可提高容量;

(3)系统不需增加特殊功能;

(4)需要有足够的频带宽度以保证跳频效果。

3×3频率复用方式如图2-5所示。一般情况下,广播控制信道均采用4×3频率复用方式,业务信道大部分采用4×3频率复用方式,话务较密集区采用3×3频率复用方式,在采用跳频等技术的情况下,业务信道还可采用更紧密的复用方式,总之,无论采用何种方式,其基本原则是在考虑了传播条件、复用方式、多重干扰等因素后必须满足载干比的要求。

4.直放站技术

移动通信组网时,由于地形、地物等因素的影响,有时不可避免会出现电波覆盖不到的地方,通常把这种区域称为盲区或死角。对一些偏远地区和用户数不多的盲区,要架设基站成本太高,基础设施也较复杂,而直放站提供了一种成本低、架设简单的解决方法。

直放站属于同频放大设备,是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。在下行链路中,由直放站的施主天线从现有的覆盖区域中获取信号,通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离,将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中,覆盖区域内移动台的信号以同样的工作方式由直放站进行上行放大链路处理后发射到相应基站,从而达到基站与手机的信号传递。

使用直放站是实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一,主要是由于使用直放站是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖,另外也是其造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点,可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区,如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所,提高通信质量,解决掉话等问题。

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图2-5 3×3频率复用方式