4.3GSM频率复用技术解析课件

1、4.3 频率复用技术频率复用原理常规频率复用技术紧密频率复用技术蜂窝系统的扩容 4.3.1 频率复用原理 蜂窝通信网络把整个服务区域划分为若干个较小的区域（Cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区。 蜂窝系统的基本原理是频率复用。通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰（称同道干扰），但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同道干扰（保证信干比高于某一门限）。为此，把若干相邻的小区按一定数目划分成区群

2、，并把可供使用的无线频道分成若干个（等于区群中的小区数）频率组，区群内小区均使用不同的频率组，而任意小区使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再用，这就是频率复用，如图4-13所示。频率复用是蜂窝通信网络家解决用户增多而被有限频谱制约的重大突破。 图4-13 蜂窝系统频率复用示意图 一般说，小区越小（频率组不变），单位面积可容纳的用户越多，即系统的频率复用率越高。由此可以设想，当用户数增多并达到小区所能服务的最大限度时，如果把这些小区分割成更小的蜂窝状区域，并相应减小新小区的发射功率和采用相同的频率再用模式，那么分裂后的新小区能支持和原小区同样数量的用户，也就提高了系统单位面积可服务的面积

3、数。而且，当新小区所支持的用户数又达到饱和时，还可以将这些小区进一步分裂，以适应持续增长的业务需求。这种过程称为小区分裂，是蜂窝通信系统在运行过程中为适应业务需求的增长而逐步提高其容量的独特方式。但是不能说，无限制地减小小区面积可以无限度地增加用户数量，因为小区半径减小到原小区半径的1/10时，可容纳的用户数可增加100倍，而小区数也需要增加100倍，一般小区基站的建立费用是昂贵的，特别在城市区域中，占用房地产的费用非常高，这是不能不考虑的实际问题（另外还有其它的限制）。此外，区群中的小区数越少，系统所划分的频率组数就越少，每个频率组所含的频道数就越多，因而每个小区能使用的频道数就越多，可同时

4、服务的用户数也增多，然而频率复用距离是和区群所含的小区数有关的，区群所含的小区数越少，频率复用距离越短，相邻区群中使用相邻频道的小区的同道干扰就越强。因为频率复用距离必须足够大，才能保证这种同道干扰低于某个预定的门限值，这也就限制了区群中所含小区数目不能小于某种值。 4.3.2 常规频率复用技术 频谱利用效率可以用频率复用度来表征，它反映了频率复用的紧密程度。 频率复用度越小，其频率复用越紧密，频率的利用率越高。但随着频率复用紧密程度的增加，带来干扰增大，需要相关抗干扰技术的支持。频率复用度越大，其频谱利用率越小，但容易获得较高的网络话音质量，如图4-14所示。 在GSM系统中，最基本的频率复

5、用方式为频率复用方式，“4”表示4个基站，“3”表示每基站3个小区，即将一个蜂窝中等分成三份，使用3种不同频率。这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。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体制对同频干扰和邻频干扰的指标要求。使GSM网络运行质量好，安全性好。频率复用方式下，它的频率复用度为12。 图4-14 频率复用度示意图 在GSM系统中，最基本的频率复用方式为频率复用方式，“4”表示4个基站，“3”表示每基站3个小区，即将一个蜂窝等分成三个小区，使用3组不同频率。这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。这种频率复用方式由于同频复用

6、距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰和邻频干扰的指标要求。使GSM网络运行质量好，安全性好。频率复用方式下，它的频率复用度为12，如图4-15所示。 图4-15 4*3频率复用方式 4.3.3 紧密频率复用技术 随着无线服务需求的提高，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。从这一点来看，需要一些蜂窝设计技术来给单位覆盖区域提供更多的信道。在实际应用中小区分裂（splitting）、裂向（sectoring）和覆盖区分区域（coverage zone）的方法是增大蜂窝系统容量的有效方法。另外在现有的频谱资源下，采用紧密频率复用技术提高网络容量是最经济、最快捷的手段，

7、因此也是最受移动运营商欢迎的手段。 比较典型的频率紧密复用技术主要有: 3x3, 2x6, 2x3, MRP, 1x3, 1x1复用技术以及同心圆技术。 MRP (Multiple Reuse Pattern)即多重复用技术，其实质是将载波分层，各层采用不同的复用模式，以达到扩容的目的。多重复用就是把所有频带分为几部分,每部分采用不同的频率复用系数,就是说同一网络采用不同的频率复用方式。例如共有37 个信道,其中控制信道载频以12扇区为一复用群,业务信道载频分别以9 、6 、4扇区为复用群。在多重复用方式中,同一小区的业务载频的复用度之所以能一个比一个高,是因为采用跳频技术,通过跳频将不同载频

8、干扰进行了平均,主要保证平均干扰情况符合要求,就能满足通话要求。 MRP技术可根据容量需求及话务量分布情况灵活进行频率规划，可逐步提高网络容量，比仅使用3x3复用方式网络容量高，与2x3,1x3相比对网络质量影响小，采用的技术如跳频、功率控制，不连续发射(DTX)是较成熟的技术，在设备及软件上无其它特殊要求，只要进行仔细的网络规划和优化，能满足网络安全可靠运行。容量提高较高，较大地提高了频率利用率，频道配置灵活，不同的频率复用方式可根据容量需求逐步引入，还可根据话务量分布情况，仅在话务量高的地方增加载频。 下面介绍1x3频率复用方式，采用1x3频率复用方式时，每个基站的三个小区组成一个簇，按簇

9、进行频率复用，即每个基站的1, 2, 3小区分别使用相同的频率集，如图4-16所示。 图4-16 1x3频率复用方式 1x3紧密复用方式的复用度比3x3复用方式和MRP技术更加紧密，能提高更多的容量。频率规划简单，在优化阶段需调整或增扩载频时，无需重新规划频率。采用射频跳频，获取比基带跳频更大的跳频增益。当然，随着复用距离的减小，同频和邻频干扰也显著增加，需要相关措施解决。 在许多实际问题中采用1x3的组网方式，由于目前话务量还没有达到过于拥塞的程度，所以采用了一些基本的控制干扰的措施如降低静态输出功率、降低天线下倾角等方法就能解决干扰问题。但是当用户量的进一步增加，话务量进一步增大的情况下，

10、有可能要增加基站或载频数，这时的网络具有以下的特点：站距更为紧密，频率复用度更高，话务量更大，网络的干扰严重。因此当用户量进一步增加的话，如何避免或减少无线干扰，保证话音质量，就成为需要解决的关键问题。 为了解决这一问题，研究人员开发出了紧密复用模式下的同心圆（Concentric Cell）技术 。如图4-17所示 。图4-17 同心圆复用方式 同心圆技术就是在GSM网中，将无线覆盖小区（一个基站或基站的一部分小区），分为两层，外层和内层，又称顶层(Overlay)和底层(Underlay)。外层的覆盖范围是传统的蜂窝小区，而内层的覆盖范围主要集中在基站附近；外层一般采用常规的4x3复用方式

11、，而内层则采用密化的复用方式，如3x3,2x3或1x3等。因而，所有的载频被分为两组，一组用于外层，一组用于内层。外层和内层是共站址的，而且共用一套天线系统。共用同一个广播控制信道（BCCH），但公共控制信道(CCCH)必须设置在外层载频信道上，这就意味着通话的建立必须在外层信道上进行。 使用同心圆技术，我们将把一个小区的载频根据频率复用情况分为内圆载频和外圆载频。频率复用度低的载频，其干扰也低，因此配置为外圆载频；频率复用度高的载频干扰大，配置为内圆载频。对于离基站近的地区，呼叫的上下行电平高，抗干扰能力强，因此我们希望能将这种呼叫分配到内圆载频上。而在离基站远的地区，其电平相对较低，抗干扰

12、能力弱，同时由于处于小区的边缘地带，受到其他小区的干扰电平也强，同时对其他邻近小区的干扰也强。在这种情况下，我们希望将这种呼叫分配到外圆载频上，这样该呼叫受到的干扰小，话音质量好，同时对其他小区造成的干扰也小。这样，对于大面积开通的同心圆小区来说，可以降低整网的干扰效应；反过来说，要降低整网的干扰，只开通少数同心圆小区是不起作用的。例如，只开通了一个同心圆小区，对于这个同心圆小区来说，它根据同心圆的信道分配技术，减少了对其他临近小区的干扰，但是其他小区对该同心圆小区的干扰并没有减少，网络质量没有明显改善。 4.3.4 蜂窝系统的扩容 随着无线服务需求的进一步提高，若要进一步提高系统容量，除了上

13、文所介绍到的技术手段外，在实际应用中，小区分裂（splitting）和裂向（sectoring）是增大蜂窝系统容量的有效方法。 （1）小区分裂技术 小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区的方法，每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂提高了信道的复用次数，因而能提高系统容量。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区（称为微小区），使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。假设每个小区都按原来半径的一半来分裂，如图4-18所示。为了利用这些更小的小区来覆盖整个服务区域，将需要大约原来小区数4倍的小区。为了理解这个概念我们用R为半径画一个圆。以

14、R为半径的圆所覆盖的区域是以R/2为半径的圆所覆盖的区域的4倍。小区数的增加将增加覆盖区域内的簇数目，这样就增加了覆盖区域内的信道数量，从而增加了容量。小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统容量的增长，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4-18 小区分裂示意图（2）小区裂向技术 另一种增大系统容量的办法就是保持小区半径不变，而设法减小D/R的比值。下面介绍裂向（划分扇区技术）。 小区裂向可增大信干比SIR(Signal to Interference Ratio)，但可能导致簇大小减小。在这种方法中，首先使用定向天线提高SIR ，而容量的提高是用过

15、减小簇中小区数量以提高频率复用度来实现的。但是为了做到这一点，需要在不降低发射功率的前提下减小相互干扰。蜂窝系统中的同频干扰能通过用定向天线来代替基站中单独的一根全向天线而减小，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裂向（sectoring）。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个的扇区或是个的扇区。如图4-19（a）和（b）所示。 图4-19（a）120度裂向 ；（b）60度裂向 利用裂向以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用。假设为7小区复用，对120扇区，第一层的干扰源数目由6个下降到2个。这是因为6个同频小区中只有2个能接收