移动通信系统频率复用方案中蜂窝结构研究

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摘要：移动通信系统中的资源是有限的，且所有物理信道是共享的，它必须占用一定的时间、频率、功率和空间。我们借鉴蜂窝的概念，用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替大功率的发射机（大覆盖区）。频率复用系数（以N表示），有一个规律，都满足：N=i2+i*j+j2( i,j为非零整数)为什么频率复用系数都有这样的规律呢？

关键词：频率复用；蜂窝概念；频率复用系数；软频率复用

中图分类号：TN929文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)26-6228-04

Mobile Communication System Frequency Reuse Scheme of Honeycomb Structure Research

LI Ling-ling

(Guangzhou Guangdong Panyu Polytechnic Institute, Guangzhou 511400, China)

Abstract: Mobile communication system in which the resource is limited, and all of the physical channel is shared, it must occu? py time, frequency, power and space. We learn from the cellular concept, with many small power transmitter ( small footprint) to replace the high power transmitter ( large area coverage ). Frequency reuse coefficient ( scriptstyle N ), there is a rule, are met: N= i2+i*j+j2( i, j nonzero integer ) why the frequency reuse factor have such laws?

Key words: frequency reuse; the cellular concept; frequency reuse factor; soft frequency reuse

移动通信系统中的资源是有限的，且所有物理信道是共享的，它必须占用一定的时间、频率、功率和空间。移动通信分为三种类型即频分多址、时分多址和码分多址。频分多址主要以不同的频率划分不同的信道；时分多址是在频率分开的同时又在时间上划分出许多信道；码分多址的本质是许多信道共享功率资源，而区分这些信道的是伪随机码，它其实就是自干扰系统。其中频率资源或称频谱资源是十分珍贵的，一般来说，我们只能在固定的频谱资源上挖掘潜力，频谱资源是十分有限的。

为解决频率资源不足，人们在改善用户容量问题上大费脑筋。比如在接收发射天线上作出重大技术修改，但艰苦的努力却不能让用户容量扩大多少。早期移动通信系统使用安装在高塔上的.单个的大功率发射机而获得一个大面积覆盖范围。此时复用频率将导致干扰。对每个系统使用单个大功率发射机和高塔。在覆盖区域内，将无线电频率分成若干带宽，每个电话占几个基带带宽；我们在带宽固定的情况下，只有用技术设法降低每个语音的频带带宽，来提高用户数。这种技术效率是很低的。

无线电波的传播和地形地物密切相关，小区的划分应根据环境和地形条件而定，为研究方便，假定服务区地形地物相同，各基站采用全向天线，其覆盖面积大体上是个圆，也就是说无线小区是圆形的，再考虑到多个小区彼此相邻来覆盖整个区域时，用圆的内接正多边形来近似替代圆形，将是符合实际的，由于正多边形彼此连接构成平面时，只有三种情况：即三角形、正方形和六边形。这三种图形中，正六边形与圆的接近程度最好，而且用正六边形彼此连接填满整个服务区所需个数最少。也就是说，在其他条件都相同时，按六边形划分区域最经济适用。在系统设计小区时都采用正六边形，也就是蜂窝网状结构。

采用信道频率复用技术形成蜂窝状移动电话系统，这时一种全新而又有效的系统，对于一个单机站系统可以用增加信道数的办法来扩大系统的业务量。其容量极限值取决于可用信道的总数；蜂窝状系统可以依靠在在同一业务区多次重复使用频道组的方法来扩大系统的业务量。该结构的特点为减少基站覆盖区的同时，用大量的无线基站覆盖原来一个基站所覆盖的区域。不同小区使用不同的信道组。频率资源是有限的，频率的复用与单机站系统相比较，容量大大增加。

我们借鉴蜂窝的概念，用多个小功率的发射天线来替代大功率的发射天线，也就是把原来单个发射天线所覆盖范围，划分成多个小的单元，每个小单元使用小功率发射天线，每个小发射天线复用频带的一部分。

蜂窝技术以多个小型天线代替单个大型天线，系统结构开销成数倍增长。

当服务需求增长，基站数目可能会增加，也就是小型发射天线增加（同时为避免增加干扰，发射天线功率应减小），从而其容量

在B3G/4G新一代移动通信系统中，作为主流传输技术的OFDM（正交频分复用）技术较好的解决了小区内干扰的问题，但对小区间的干扰尚未完全解决，致使小区间的干扰依然严重。解决小区间干扰的问题的传统方法是采用频率复用。其中复用系数越大越能抑制小区间干扰，但频谱效率相应降低。OFDM实际上是一种基于频分多址的多址技术，不具备扩频技术，小区间干扰必须达到一定要求，尤其在小区间干扰比较严重的小区边缘区域，频率复用技术面临新的挑战。对于小区边缘系统，合适的复用系数可以提升小区边缘用户的数据速率。

通过协调相邻小区来减少小区间干扰的方案有很多种。这种“协调”其实是通过在小区边缘采用频率复用的原理来实现的，也就是在小区边缘的频率复用系数采用大于1的系数，而小区中心区域的频率复用系数保持为1。在区域不同的用户，采用不同的频率复用系数，这样既能高效的应用现有频谱也能提高小区边缘用户的数据速率。比较有代表性的方案有：西门子方案、阿尔卡特方案、部分频率复用方案和软频率复用方案。

软频率复用方案：把子载波分为两种，分别为“主子载波”和“次子载波”，主子载波能被所有的小区用户使用，其主子载波是正交的，而次子载波不能被小区边缘用户使用，子载波组的区分是通过发射功率进行区分。软频率复用方案是抑制小区间干扰的有效方法，它可以降低小区间干扰，使小区边缘用户数据速率得以提高。通过调节功率比，软频率复用方案能够适应小区内用户分布的变化。在实现时结合子载波的分配可以发挥软频率复用方案给系统带来的性能。在B3G/4G移动通信系统来说，软频率复用方案是一种有效的频率复用方案。

部分频率复用方案对于整个系统来讲，系统复用因子并不是一成不变的，它随功率比的变化而变化；功率比越小，频率复用因子越大，干扰就越小，但频谱利用率越低；功率比越大，频率复用因子越小，频率利用越充分，其边缘用户受到的干扰越严重。这种系统复用因子“软”变化的部分频率复用方案情况叫软频率复用方案。

宽带无线接入系统的首选物理层技术是OFDM技术，它有着良好的抗多径干扰能力和高频谱利用率，小区间干扰是其主要干扰源，因为它可以保证小区内用户之间的正交性，可以有效避免小区内干扰。其中OFDMA蜂窝系统的频率复用因子最高可达到1，频谱利用率得以大大提高，此时蜂窝系统吞吐量最大，但小区间干扰仍很严重，尤其是在小区边缘的用户，受数据发送速率被严重限制的影响，边缘用户的通信质量显著下降。