具有双层系统的分扇区CDMA小区上行链路容量
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摘 要：码分多址系统与传统的时分多址和频分多址系统相比，在各方面都具有优势，尤其是能提供更好的服务质量和更大容量，因而成为第三代移动通信系统的核心技术。通过在小区中划分扇区能进一步提升系统容量，在扇区中又引入双层系统，可以显著提高该扇区内容量。由于cdma系统是噪声受限系统， 因此以信干比为标准，分析具有双层系统的分扇区CDMA小区系统的上行链路容量。最后通过仿真结果证明了该系统上行链路容量相对普通小区系统上行链路容量的提升。
关键词：双层系统;上行链路容量;信干比(SIR);CDMA
中图分类号：TN914.53 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)11-050-03オ
Uplink Capacity of a Sectorized CDMA Cell with a Hot-Spot Two-tier System
FAN Yan
(Zhejiang Foresty University,Lin′an,311300,China)
オ
Abstract：Comparing to the traditional TDMA and FDMA systems,the Code Division Multiple Access(CDMA) system has the advantages over different aspects,especially in providing high quality of service and high capacity. Therefore,CDMA has become the core technology in the third generation mobile system. By sectorizing a cell,the system capacity can be further improved,and introducing a hot-spot two-tier system into a sector can obviously improve the capacity of the sector. Since the CDMA system is noise-limited,analysis is carried out,based on Signal-to-Interference Ratio(SIR) criteria,about the uplink capacity of a sectorized CDMA cell with a hot-spot in one sector. Finally,simulation results demonstrate an uplink capacity improvement comparing to the common systems.
Keywords：two-tier system;uplink capacity;SIR;CDMA
1 引 言
码分多址(CDMA)系统比时分多址(TDMA)系统和频分多址(FDMA)系统能提供更大容量[1]，但是在某些场合下，如办公楼、体育场，由于用户密度太大，CDMA系统也无法同时为更多用户提供服务。为了提高CDMA小区的容量，可以将小区划分为多个扇区[2]，并且通过优化系统的参数提高容量[3]。此外，引入双层系统到小区中也是提高容量行之有效的办法[4-6]。因此，在分扇区的小区之中引入双层系统，能够通过提高双层系统所在扇区的容量而提高整个系统的容量。由于CDMA系统是干扰受限系统，所以可以忽略噪声对系统的影响，主要研究用户间干扰对容量的影响，因此，信干比(SIR)成为容量分析中的一个关键参数。
不同的用户受到的干扰不同，通过确定用户的干扰源可以计算得到信干比，在此基础之上进行蒙特卡洛仿真，并将仿真结果与普通的CDMA蜂窝模型进行比较。
2 系统模型
图1所示为系统的几何模型，该模型采用圆形蜂窝替代六角形蜂窝以简化分析。宏蜂窝被分为三个扇区，即扇区I、II和III，宏蜂窝的基站也即中心位于原点处，扇区I和III之间的边界与坐标横轴成Е冉嵌取6杂谖⒎湮眩将其中心设置于坐标横轴上，距离宏蜂窝d1，基站也置于坐标横轴上，距离微蜂窝圆心为x。根据文献［4］，信号传输模型为：
И
Pr=(λ/4π)2d2Pt,d≤bp=4πhmhbλ
(hmhb)2d4Pt,d>bp
(1)
И
其中，Pt和Pr分别为发射功率和接收功率;bp表示断点，它与基站天线高度hb、移动站天线高度hm及波长λ有关;d为移动站天线与基站天线间的距离。г诙系隳冢信号能量损耗与基站和移动站之间距离的平方成反比，在断点外，则与该距离的四次方成反比。
对于该系统模型，还有如下假定：
(1) 宏蜂窝半径为R=10 km，微蜂窝半径为r=1 km。
(2) 宏蜂窝与微蜂窝中的用户都为均匀分布。
(3) 宏蜂窝基站天线高度为9 m，微蜂窝基站天线高度为60 m，移动站天线高度为1.5 m，在900 MHz情况下波长为0.33 m。由此可得宏蜂窝的断点bp=3 393 m，微蜂窝断点bp=509 m。
(4) 在IS-95中，软切换是CDMA系统中的一项关键技术，为了顺利实现软切换，必须根据用户接收到的来自宏蜂窝与微蜂窝的导频信号强度确定一个切换的界限――用户位于该界限上时，接收到的来自两个蜂窝的导频信号强度相同。
图1 蜂窝几何模型
在图1中，取微蜂窝与坐标横轴两交点A和B。在A点，接收到来自宏蜂窝的导频信号强度为：
И
PrM=(hmhMb)2(d1－r)4αMPtM
(2)
И
其中，PtM是宏蜂窝发射功率，PrM是移动站接收到的宏蜂窝信号功率，αM是导频信号功率所占总发射功率比率，hm和hMbХ直鸨硎疽贫站天线高度和宏蜂窝天线高度。
接收到的来自微蜂窝的导频信号强度为：
И
Prμ=(hmhμb)2(r－x)4αμPtμ
(3)
И
上角标和下角标Е酞П硎疚⒎湮眩由于接收到的来自宏蜂窝和微蜂窝的导频信号强度相同，即PrM=Prμ′,в谑怯校
И
(hMb)2(d1－r)4αMPtM=(hμb)2(r－x)4αμPtμ
(4)
И
同理，在B点有：
И
(hMb)2(d1+r)4αMPtM=(hμb)2(r+x)4αμPtμ
(5)
И
由式(4),式(5)可得：
И
x=r2/d1
(6)
И
(5) 软切换的实现是基于信号干扰比标准。对于CDMA系统，维持上行链路通信所需最小信噪比约为7 dB，系统处理增益约为21 dB，所以上行链路SIR的门限值为-14 dB。
3 分析与仿真
三个扇区中的宏蜂窝天线为定向天线，角度为120°。扇区I和II中的用户受到的干扰主要来自同扇区内其他用户而不会受到其他扇区用户的干扰。因此，这两个扇区内用户的上行链路信干比为：
И
SIRi=Pr,i/∑mj=1j≠iPr,j
И
其中，m为扇区内同时支持的用户数，Pr,i是宏蜂窝基站接收到的来自第i个用户的信号强度。в捎诠β士刂萍际酰基站接收到的每个用户信号强度相同。此外，假定移动站发射功率没有限制，这样始终可以维持所需要的信干比。因为上行链路门限值为-14 dB，由该门限值可以得到扇区内能同时支持的最大用户数：
И
mmax=25
И
位于扇区III即具有双层系统的扇区中的用户，由于其所属蜂窝不同，干扰源也不同。对于微蜂窝用户，其干扰包括三个扇区内宏蜂窝用户的干扰和微蜂窝内其他用户的干扰，信干比为：
И
(SIR)μ = Pμr∑MPMr′(Pathloss)μ (Pathloss)M + IMμ + (N-1)Pμr
(7)
И
其中，M为宏蜂窝同时支持的用户数，N为微蜂窝同时支持的用户数，PMr和Pμr分别表示宏蜂窝基站和微蜂窝基站接收到的信号强度。分母中的第一项表示双层系统扇区中所有宏蜂窝用户产生的干扰，第二项IMμ表示另外两个扇区用户产生的干扰，У谌项表示其他微蜂窝用户产生的干扰。路径损耗由式(1)决定。
对于宏蜂窝用户，干扰来自整个扇区内所有用户(宏蜂窝用户和微蜂窝用户)，其信干比为：
И
(SIR)M = PMr′∑NPμr(Pathloss)M (Pathloss)μ + (M-1)PMr′
(8)
И
与(SIR)μ相似，分母第一项表示微蜂窝用户产生的干扰，第二项表示该扇区内其他宏蜂窝用户产生的干扰。
基于式(7)，式(8)进行计算机仿真。仿真时，对Е泉Ш酮d1取不同的值以比较微蜂窝处于不同的位置对系统容量的影响。
图2 微蜂窝坐标为θ=π/6，
d1=5 000时，扇区用户数
图3 微蜂窝坐标为θ=π/3，
d1=5 000时，扇区用户数
图2~图5为不同Е泉Ш酮d1Ф杂Φ纳惹III的用户数。图2和图3显示出扇区III的最高用户数达到了40，相比扇区I和II(普通扇区)的最大用户数25，容量提升了60%。但是图4和图5并没有提升，而与扇区I和II持平。其原因在于，当微蜂窝接近宏蜂窝边缘时，根据假定(2)用户均匀分布于整个小区，所以在宏蜂窝的边缘处用户数量大于接近宏蜂窝基站处的用户数，导致宏蜂窝用户对微蜂窝用户的干扰明显加大。此外，在实际系统中，宏蜂窝边缘处受到相邻宏蜂窝的干扰也会增加，这也会增大对微蜂窝小区用户的干扰。
图4 微蜂窝坐标为θ=π/6，
d1=8 000时，扇区用户数
图5 微蜂窝坐标为θ=π/3，
d1=8 000时，扇区用户数
4 结 语
通过在扇区中引入一个微蜂窝构成双层系统能够显著提高该扇区的容量从而提高整个系统的容量，但是微蜂窝与宏蜂窝的位置影响着容量的提升。当微蜂窝接近宏蜂窝边缘时，系统容量不再增加，而与普通系统持平；当微蜂窝接近宏蜂窝基站时，系统容量显著提高。
参 考 文 献
［1］Gilhousen K S,Jacobs I M,Padovani R,et al.On the Capacity of a Cellular CDMA Systems\[J\].IEEE Trans.on Veh.Technol.,1991,40:303-312.
［2］Koo I,Bang S,Ahn J,et al.Erlang Capacity of Smart Antenna CDMA System Considering the Sector Operation.IEEE Proc.of VTC′03,2003.
［3］White R G.CDMA Network Capacity Improvements through Operating Parameter Optimization:Analysis and Trial Results.IEEE Proc.of ICC′04,2004.
［4］Jung-Shyr Wu,Ming-Tzong Sze,Jen-Kung Chung.Uplink and Downlink Capacity Analysis for Two-Tier CDMA Cellular Systems.IEEE Proc.of INFOCOM 1997,1997,626-634.
［5］Jung-Shyr Wu,Jen-Kung Chung,Yu-Chuan Yang.Performance Study for a Microcell Hot Spot Embedded in CDMA Macrocell Systems\[J\].IEEE Trans.on Veh.Technol,1999,48(1):47-59.
［6］Jobin J,Faloutsos M,Tripathi S K,et al.Understanding the Effects of Hotspots in Wireless Cellular Networks.IEEE Proc.of INFOCOM,2004.
作者简介 樊 艳 女，1981年出生，湖北沙市人。主要从事通信理论方向的研究。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。