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[通信前沿] 提高移动系统容量的几种方法 [复制链接]

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发表于 2005-2-3 17:22:00 |只看该作者 |倒序浏览

近几年，移动通信在世界上得到了迅速的发展，尤其在我国，移动电话的发展更为迅猛，到目前为止，总用户已超过４０００万，并正以每月新增１００万以上用户的速度继续发展。但随着用户的迅速增长，现有频率资源对移动通信发展的制约却越来越大。因此，如何提高频率利用率，尽可能提高系统容量，已成为移动通信运营者极其关心的热点问题。本文将根据当今世界出现的一些新技术，介绍几种提高系统容量的方法。
一、同心圆（ＣｏｎｃｅｎｔｒｉｃＣｅｌｌ）技术
同心圆技术是现阶段ＧＳＭ系统中广泛采用的一种提高频率复用率的技术，其基本原理就是将普通的蜂窝小区分为内层和外层又称底层和顶层　内、外两层共站址，共用一套天线系统，共用同一ＢＣＣＨ信道，外层的覆盖范围与普通的蜂窝小区相同，内层采用较低的发射功率，覆盖范围较小，内、外层频率复用系数不同，外层一般采用４×３复用，内层采用更为紧密的３×３、２×３等复用方式。由于内、外层覆盖区域的中心点相同而范围大小不同因此将这种技术称之为同心圆技术。
同心圆按其实现方式分类，一般可分为普通同心圆和智能双层网（ＩＵＯ），它们的基本原理是完全相同的，主要区别就在于内层的发射功率和内外层间的切换算法。普通同心圆内层的发射功率一般要低于外层功率，从而减小覆盖范围，提高了距离比，避免了同频干扰，其内层与外层间的切换一般是基于功率和距离的。而ＩＵＯ的内层（通常称为超级层）的发射功率与外层（通常称为常规层）是完全相同的，基于Ｃ／Ｉ进行切换，其切换过程如下：首先通话在常规层建立，然后ＢＳＣ不断监视此通话下行链路超级组信道的Ｃ／Ｉ值，当某超级信道的Ｃ／Ｉ达到可用门限时，便将通话信道切换到此超级信道上，同时继续监测此信道的Ｃ／Ｉ，如果变坏到一定门限，便切换到常规信道上。因此，要采用ＩＵＯ，系统必须增加以下功能：下行同频Ｃ／Ｉ的估算，与ＩＵＯ相关的切换算法。
同心圆技术对容量的提高主要是通过对内层采用更紧密的复用方式，增加内层小区的ＴＲＸ来实现的。在同心圆技术中，所有载波信道被分为两组，一组用于外层，一组用于内层。规定公共控制信道ＢＣＣＨ、ＳＤＣＣＨ必须放在外层，即通话必须在外层信道上建立。因此，为了保证整个网络的运行质量，外层一般采用传统的４×３复用方式。而内层主要是业务信道ＴＣＨ，则可采用更紧密的复用方式，如３×３、２×３或１×３等。因此，同心圆技术对容量的提高是比较有限的。对于普通同心圆其内层发射功率低，不易吸收室内的话务量，因此频率效率提高不大，实际容量提高约为１０％～３０％。对于ＩＵＯ，由于它内层发射功率不变，能够吸收室内话务，且基于质量进行切换，对容量吸收比较灵活，因此实际容量提高相对较大，约２０％～４０％。
需要注意的是，同心圆内层的覆盖半径一般小于普通蜂窝小区，其对话务量的吸收是受话务分布情况及覆盖范围限制的。话务越集中于基站附近，效果越明显，而在话务均匀分布的情况下，同心圆技术对容量的提高很少，甚至会降低。　　

二、ＭＲＰ ＭｕｌｔｉｐｌｅＲｅｕｓｅＰａｔｔｅｒｎ　技术
ＭＲＰ技术是爱立信公司提出的一种紧密频率复用的方法，在现实应用中取得了较好的经济效益。其基本原理就是把所有可用载频分成几种不同的组合，每一组合作为独立的一层，代表不同的复用组。做频率规划时逐层分配载频，不同层的频率采用不同的复用方式，频率复用逐层紧密，也就是说在整个网络中采用不同的复用类型。随着基站频率复用的逐渐紧凑，复用距离越来越小，这样就可以将一些频率释放出来用于宏蜂窝中提供额外容量，或用于建室内微蜂窝或微微蜂窝。
采用ＭＲＰ技术，由于同频复用距离缩短，同频干扰变大，必须采用跳频、动态功率控制、不连续发射等技术对抗干扰，这是ＭＲＰ技术应用的前提条件。在实际频率规划时，对于ＢＣＣＨ，由于控制信道不使用ＤＴＸ和跳频，发射功率大，干扰特性与ＴＣＨ不同，为保证ＢＣＣＨ的安全，用于ＢＣＣＨ的载频数应不少于１２个，一般取１２～１５个；对于ＴＣＨ，则可采用９、６、４等复用模式。另外，应注意频率分配的顺序，即先分配ＢＣＣＨ，然后分配ＴＣＨｎ，接下来做ＴＣＨｎ－１，逐层规划，最后分配ＴＣＨ１。这是由于ＴＣＨｎ的载频个数少，频率分配较难，因此做完ＢＣＣＨ后应先做ＴＣＨｎ，且使其限制条件较少，例如对每个小区定义较少的邻区，同一小区或相邻小区的载频间隔较小等。随着载频数量的增加，应逐步增加限制条件。
例如，现有可用频谱７．２ＭＨｚ，那么可用载频数为３６个。将载频编号从１至３６，分成４组，则分组方法如表１所示：
在上表中，广播控制信道（ＢＣＣＨ）组有１２个载频可供复用；业务信道分ＴＣＨ１、ＴＣＨ２、ＴＣＨ３三组，每组分别有９、８、７个载频可供复用。在频率规划时，先分配ＢＣＣＨ，１２个载频按４／１２复用方式，每个小区分配１个ＢＣＣＨ载频；接着分配ＴＣＨ３，每个小区分配ＴＣＨ３中的１个载频；然后依次分配ＴＣＨ２、ＴＣＨ１。这样，每个基站扇区最多可有４个载频（１个ＢＣＣＨ和３个ＴＣＨ）。如果按传统的４／１２复用方式，每扇区最多只能有３个载频。

三、双频带 ＤｕａｌＢａｎｄ　技术
随着移动通信用户的增加，９００ＭＨｚ频段已无法满足ＧＳＭ网络的发展需求。为了寻取更大的网络容量和更好的网络质量，国内外移动通信运营者纷纷考虑在原ＧＳＭ９００网络的基础上发展ＧＳＭ９００／１８００双频网。ＧＳＭ１８００（或称ＤＣＳ１８００）系统的广泛应用已成为ＧＳＭ网络发展的必然途径。目前我国在北京、上海和广州等地已相继开通了ＧＳＭ１８００系统。
ＧＳＭ１８００（或称ＤＣＳ１８００）是在ＧＳＭ９００的基础上发展起来的新的移动电话制式，它们共同遵守ＧＳＭ的标准。因此，ＧＳＭ９００与ＧＳＭ１８００网除射频部分不同外，其他网络技术标准完全一致。也就是说，ＧＳＭ１８００与ＧＳＭ９００是ＧＳＭ规范下的两种设备，它们遵循完全相同的设备结构和信令体系，唯一的区别在于不同的工作频段。
在ＧＳＭ９００网的基础上发展ＧＳＭ１８００，可从１８００ＭＨｚ频谱此频段有３７５个信道而９００ＭＨｚ中只有１２５个信道　中更宽的可用频率范围里增加更多的容量。网的布局非常迅速、灵活和节省。因为ＧＳＭ系统的基本网络组成部分移动交换中心－ＭＳＣ、归属位置登记设备－ＨＬＲ、基站控制器－ＢＳＣ、变码器－ＴＲＣ　是现成的，可支持双频段网。只需对现有ＢＴＳ或一些ＧＳＭ１８００ＢＴＳ增加ＧＳＭ１８００ＢＴＳ。
在网络规划方面，由于无线电波的传播特性，ＧＳＭ９００相对于ＧＳＭ１８００网的覆盖面大，且目前我国ＧＳＭ９００网已有较大规模，因此建设双频网既可以继续发挥ＧＳＭ９００ＭＨｚ覆盖广、业务种类多、漫游能力强、已被我国公众广为接受等优势，又可以充分利用ＧＳＭ１８００丰富的频率资源大规模扩充ＧＳＭ网络容量。特别要注意的是，在ＧＳＭ１８００系统建立初期，由于能够进入ＧＳＭ１８００覆盖层的双频用户较少，这一层的话务量也相应较小，为了充分发挥ＧＳＭ１８００系统的作用，应通过合理的设置，使双频移动台尽可能进入ＧＳＭ１８００系统，从而减小ＧＳＭ９００系统的负荷。

四、微蜂窝（ｍｉｃｒｏｃｅｌｌ）技术
微蜂窝技术是在宏蜂窝的的基础上发展起来的一种技术，是目前解决高话务量地区容量问题的行之有效的方法之一。
微蜂窝的覆盖半径大约为３０ｍ～３００ｍ；发射功率较小，一般在１Ｗ以下；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面５～１０ｍ，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。因此，微蜂窝可以被用来加大无线电覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，且ＲＦ干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。
微蜂窝在初期一般是提高覆盖，在容量方面主要应用在零散的“热点”地区，即话务量比较集中，且面积较小的地区，此时对容量的提高很有限。随着容量需求增大，高话务量地区已由点逐渐连成片时，宏蜂窝已无法满足时，微蜂窝可以在一定范围内进行连续覆盖，此时效果就很明显了。表２举例说明频带为７．２ＭＨｚ时微蜂窝对容量的提高情况。

表2 微蜂窝对容量的提高
微　蜂　窝
小区参数宏蜂窝热点
(1微蜂窝/扇区) 连续覆盖
(6微蜂窝/扇区)

小区半径(km) 1 0.1 0.1
微蜂窝/小区　 3 18
小区配置 3/3/3 3/3/3+2TRX×3 3/2/2+2TRX×6×3
容量(户) 1788 2868 7800
容量比 1 1.6 4.36

在实际设计中，微蜂窝作为无线覆盖的补充，一般用于宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量的地点如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。作为热点应用的场合一般是话务量比较集中的地区，如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等地。
微蜂窝组网简单，可直接加入到现有系统中，而不需改变现有网络结构。其设备体积小，容易安装，因此应用灵活，可直接在需要的地方进行建设，从而快速解决覆盖盲点、热点地区通信问题。它对容量的提高是明显的，但需要付出较高的经济代价。

五、分层小区技术（ＨＣＳ）
分层小区技术是伴随着微蜂窝及微微蜂窝技术的发展而发展起来的一门新兴技术。它主要是通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分层小区结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络容量的。
在一个分层小区结构中，不同尺寸的小区相互重叠，不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在，整个通信网络呈现出多层次的结构。每一层分配不同的频率段，以保证各层之间独立运作，不会相互干扰。相邻微蜂窝的切换都回到所在的宏蜂窝上，宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏蜂窝上层网络，并作为移动用户在两个微蜂窝区间移动时的“安全网”，而大量的微蜂窝则构成微蜂窝下层网络。当有用户接入时，系统根据所测得的信号强度和各蜂窝的容量为某一呼叫选择恰当的蜂窝宏蜂窝、微蜂窝或微微蜂窝　，层间切换与普通的蜂窝切换一样，切换点由系统决定，由ＧＳＭ移动台自动辅助切换测量来完成，切换过程还取决于当时各级的容量，如果微蜂窝和微微蜂窝已饱和，业务将切换至更高一级的蜂窝。
一个分层小区网络，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。如图１所示：上图为一个三层分级蜂窝结构示意图，它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。每种蜂窝执行早已定义好的不同功能。一般来说，宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务，微蜂窝处理慢速移动，集中于步行或交通阻塞车辆的业务，微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。将负载按这种方式分层的原因与切换功能有关，因为车载电话在微蜂窝间快速移动会产生频繁切换，加重网络的负担，从网络管理出发，将产生频繁切换的业务转移到较小切换的宏蜂窝，将提高网络效率；慢速移动的车辆，由于它穿过蜂窝边界需花较长的时间，产生切换的可能性较小，因此由微蜂窝来处理这类业务。
在实际应用中，上述几种方法可单独或结合使用，也可逐步逐项地加入网络中，但应注意不同的技术适应于不同的场合，并与厂家提供的设备的软、硬件能力有关，运营者只有根据本地的实际情况和厂商的能力选择适当的技术，并切实做好网络的规划和优化，才能充分发挥这些技术的作用。

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