呼吸效应的利弊及对策
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摘要：本文对CDMA无线系统中的小区呼吸现象进行了较为全面的介绍，内容包括小区呼吸的成因、小区呼吸的特性及其利用、小区呼吸效应所带来的问题和相应的对策等。
1 小区呼吸概述
小区呼吸是CDMA网络的一个重要特征。小区呼吸即指小区的覆盖面积与系统的瞬时噪声的关系非常密切，也就是说小区负载的业务量与其覆盖范围是成反比的。因为小区的用户行为会影响到小区内的业务量，其覆盖范围也会相应的发生变化。
2 小区呼吸的成因
CDMA小区覆盖范围与小区负载之间的相互关系导致了小区呼吸效应的出现。分析其成因如下：
CDMA系统中干扰主要来源于两点，一是移动台和基站同时工作在同一频带造成的自干扰；二是相邻频带和模拟信号造成的干扰，其中，对系统通信造成最严重影响的是自干扰，对小区覆盖起着决定性的作用，即CDMA是自干扰受限系统。其自干扰抑制能力表现为在保证一定通话质量下前端I/C可取值。因为导频Ec/Io对下行链路小区起着决定性的作用，小区负载对上行链路小区起着决定性的作用，而且上下行不平衡，初期时候，主要是小区大小主要是被上行链路限制，在分析小区覆盖范围时，要从上行链路基站系统的自干扰抑制能力I/C值来看。
I/C=WIo/EbRb=W/Rb/Eb/Io=G/Eb/Io
在上面的式子中：扩谱带宽用W来表示，W=1.2288MHz，系统热噪声加干扰用Io来表示，信号比特能量用Eb来表示，信号传输速率用Rb来表示，系统解扩处理增益用G来表示，经解扩处理后的信号质量用Eb/Io来表示。
图1即为系统模型：
现在扩频处理增益G的取值是21dB，移动性会影响到Eb/Io值，高移动性的用户要求8dB，低移动性的用户要求3～4dB，统计取定为7dB。经计算可知，I/C取值为14dB（25.1），这也就是说，噪声及干扰强度比有用信号强度大14dB，话音通信质量依旧是正常的。系统的热噪声和其他用户干扰共同决定着IO值，NoW即为系统热噪声，No=NeKT，Ne为噪声系数取值为5dB，计算出No为-168dBm/Hz，NoW为107.1dBm。因为CDMA采用的是精密的功率控制技术，所以小区内全部正在通信的用户到达基站的信号强度是一样的，其值至少为覆盖范围边缘的手机发射功率Pt经传输耗损T（r）到达基站的信号强度值PtT（r）。如果哦我们用n来表示小区内同时通信手机用户数，则I/C为：
I/C=（NoW+（n-1）PtT（r）γ）/PtT（r）=NoW/PtT（r）+（n-1）γ
在上面的公式里γ=VAF（1+f）。其中，话音激活因子用VAF来表示，VAF=0.4，其它扇区对当前小区的干扰因子用f来表示，三扇区取值为0.85，全向基站取值为0.66，Pt一般取定为23dBm。
由上式可推导出T（r）=-130-10lg（25.1-（n-1）γ），显然25.1-（n-1）γ>0，当三扇区γ=0.74，N=35时，系统达到极限容量，这时候干扰能够完全抑制系统噪声。
当小区内同时通信用户数n变大时，系统所能容纳的传输耗损|T（r）|会相应的变小，也就是说小区半径会变小，这样才能保证系统的I/C。小区覆盖半径d随小区容量n的变大而减小，也就是说当I/C固定的情况下，增大覆盖半径d能减小小区容量，增加小区容量能缩小覆盖半径d。
3 小区呼吸效应的利用
3.1 小区呼吸实现话务分担 如果紧挨着的小区间负荷的轻重不一样，一大一小，如果是小区的负载比较大，则可以降低导频发射功率，这样本小区的边沿用户就会因为达不到相应的导频强度而切换到相邻小区，让其能够分担一部分负荷，这样就间接的使本小区的容量变大了。
3.2 动态覆盖 通过控制导频发射功率的大小，CDMA系统就可以通过负载的轻重的变化来适当的改变蜂窝小区的覆盖范围。
3.3 差别覆盖 在小区覆盖中，城市和农村具有显著的差异，在城市里，单位面积内话务量相对比较大，这样就很容易出现“热点”，这就需要我们集中力量解决容量问题；而乡村中话务量相对要少很多，这就要求我们集中力量解决覆盖范围问题。CDMA系统特性中容量与覆盖范围的关系与这种情况是一致的：在进行规划时，对在城市来说，可以以缩小覆盖范围方式来加大小区容量，如果大城市模型中覆盖范围是1000米，那么允许20人同时通信。对于乡村来说，可以以减小负载的方式来加大覆盖范围，这样可以减少投资。
4 小区呼吸所带来的问题
小区呼吸效应所带来的问题主要有两个方面：
4.1 覆盖空洞 举个例子：一个基站运转良好，它的三个扇区分别覆盖一条街道、一些办公楼和住宅小区。如上班高峰期街道发生堵塞，很自然，一些使用CDMA手机的用户就会聚集在这条街道上。他们中的一些人就会打电话告诉其同事他们将会迟到；而另外一些人则可能会下载最新的地图来查找其他可选择的道路。这时基站的下行数据流量将急速增加，通信覆盖随之恶化，呼损增加，掉话产生，话费就相应的损失了，平时在这一地区本还可以正常通话的用户会感到不满意。扇区的呼吸效应导致了这种情况，即随着一个基站的负荷增加，干扰也随之增加，从而缩小了基站的有效覆盖区域。
这种情况在小区覆盖的边缘地带将尤为明显。在小区话务负荷较轻时，通常可对小区边缘实现有效覆盖，小区内的通话质量也会比较好。但随着小区内用户数的增加，每个用户所能分到的基站导频功率将越来越少，如果没有相邻小区的信号进行填补，在小区边缘将出现覆盖空洞。同时因每个用户对系统及小区内的其他用户而言都相当于是一个干扰源，小区内的总体干扰水平将不断上升，从而导致信号及用户通话质量的下降。
4.2 通话质量的下降 通话质量的下降是由于小区负载增加对Eb/Io的影响而造成的。在CDMA系统中，当小区负载比小区容量大时，为了要满足用户的接入和通信，服务等级就会变低，这是与GSM等系统的最大差异。在GSM等系统中，如果小区容量比用户数少，系统会自动禁止此用户的接入，但是如果系统空出空闲信道是可以接入的，这就是硬容量特性。CDMA软容量特性是跟这种硬容量特性是相对而言的。我们可以根据小区负载的变大来分析Eb/Io的影响，得到相应的小区容量下用户数n与Eb/Io的关系曲线。
小区实际容量还要看负载，取负载75%，小区同时可通信的用户数为极限容量，用Nmax来表示，Nmax×75%=26，考虑30%的切换用户，小区实际容量为20。
当n=26时，T（r）=-138.2dB。
Eb/Io=21-10lg（NoW/PtT（r）+（26-1）*0.74+（n-1）*（0.4）=21-10lg（NoW/PtT（r）+18.5+（n-26）*0.4）=21-10lg（25.1+（n-26）*0.4）
因为小区负载的增加而造成的Eb/Io值不会减少很多，说明CDMA对超负载还是比较迟钝的，但是话音质量不会很高。这还说明CDMA是软容量性能比较好、抗话务负荷能力比较好的系统。
5 小区呼吸的对策
5.1 CDMA网络规划中的小区呼吸因素
在小区呼吸效应的作用下，由于各个小区的覆盖区域大小是动态的，这就增加了网络规划的复杂性。
一般情况下，在网络发展初期，CDMA是一个覆盖受限的系统，尤其是会受到移动终端的发射功率的限制，通常都是上行覆盖影响着网络。而随着网内用户的逐渐变多，因为是全部的终端用户共享基站发射功率和小区呼吸效应，网络将主要被下行覆盖限制，这时就要加大传输功率来使链路平衡。所以，容量和覆盖规划在CDMA网络建设中是密不可分的一个整体，需要平衡后综合考虑。
5.2 CDMA组网策略 CDMA无线网络总体组网，依据的是连续覆盖原则，并非热点覆盖。CDMA系统初期建网时的负荷需要做到合理，主要是宏蜂窝三扇区单载频，而且要注意对那些比较重要的建筑考虑室内分布系统。后期扩容主要是加大载频。
参考文献：
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[2]张传福，吴伟陵.第三代移动通信系统的网络规划[J].电子技术应用.2000（06）.
[3]王海鹰，李承权.码分多址（CDMA）移动通信中的关键技术及其实现[J].微波与卫星通信.1994（04）.