自適應(yīng)陣列天線區(qū)域覆蓋算法研究

蔡衛(wèi)紅，劉軍華，雷超陽

（長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410015）

0 引 言

傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)基站天線一般采用全向信號(hào)的覆蓋模式，這樣原始射頻信號(hào)的能量只有很少一部分能夠到達(dá)所要傳遞的用戶，射頻信號(hào)的大部分能量都浪費(fèi)了，更糟糕的情況是，可能形成干擾信號(hào)，減弱了其他用戶的信號(hào)質(zhì)量.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量不斷擴(kuò)大，隨著用戶數(shù)量的增加，用戶間的干擾也會(huì)增加，信干比不斷劣化，直至引發(fā)掉話現(xiàn)象.

自適應(yīng)陣列天線一般采用4～8天線陣元結(jié)構(gòu)，利用空間切割方式，將全向覆蓋區(qū)域切割成許多差異性小區(qū)域，通過無線資源管理算法控制發(fā)射射頻信號(hào)能量，動(dòng)態(tài)地集中發(fā)射給所要傳遞的用戶，同時(shí)避免射頻信號(hào)干擾網(wǎng)絡(luò)中的其他用戶，這樣就大大提高了信干比，優(yōu)化了空中無線接口的容量，從而擴(kuò)大基站覆蓋范圍，提高了信號(hào)質(zhì)量.自適應(yīng)陣列天線可廣泛的應(yīng)用于3G和4G移動(dòng)系統(tǒng).

1 自適應(yīng)陣列基站天線覆蓋

1.1 自適應(yīng)陣列天線覆蓋原理

在自適應(yīng)陣列天線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，每個(gè)蜂窩基站Ci由多個(gè)感測(cè)器所組成的天線陣列，每個(gè)感測(cè)器只負(fù)責(zé)Ci內(nèi)一個(gè)微小區(qū)域信號(hào)的收發(fā)，全部感測(cè)器所覆蓋區(qū)域可劃分為兩類：非重疊區(qū)域和重疊區(qū)域.下面以有三個(gè)感應(yīng)器的自適應(yīng)陣列天線為例來說明.

圖1 蜂窩基站Ci的區(qū)域

令N（X）表示同一基站中與區(qū)域X相鄰的非重疊區(qū)域，O（X）表示同一基站中與區(qū)域X相鄰的重疊區(qū)域，則圖1中有

再令Ci，j表示某蜂窩基站 Ci中感應(yīng)器 Si，j實(shí)際覆蓋范圍，即Ci，j的覆蓋范圍只能屬于基站Ci中感應(yīng)器Si，j信號(hào)能達(dá)到的范圍 Ni，j∪O（Ni，j），同時(shí)假設(shè)任意兩個(gè)不 同 感 測(cè) 器 Si，j和 Si，k服 務(wù) 的 范 圍 Ci，j和Ci，k沒有交集，且Ci內(nèi)全部感測(cè)器能覆蓋整個(gè)蜂窩基站范圍.

定義1：一個(gè)由 Si，1，Si，2，…，Si，m等 m 個(gè)感測(cè)器提供的服務(wù)的范圍為 Ci，1，Ci，2，……，Ci，m所構(gòu)成的蜂窩基站Ci必須滿足：

同蜂窩基站Ci的區(qū)域間有彼此干擾問題，因此當(dāng)Ci，k中使用一個(gè)碼來建立通話時(shí)，最小干擾范圍（Dmin）內(nèi)的其他區(qū)域Ci，j不能用相同的碼來建立通信，否則信號(hào)將會(huì)相互干擾.在蜂窩基站Ci的每一個(gè)扇形區(qū)域Ci，k被配置一全部系統(tǒng)碼B的部分碼B（Si，j）.B（Si，j）的配置必需滿足定義2，即干擾范圍內(nèi)的區(qū)域不能被配置相同的碼.

定義2：感測(cè)器 Si，j干擾范圍定義為離小于最小干擾范圍 Dmin的同蜂窩基站的區(qū)域﹜.

定義3：Si，j的碼分配 B（Si，j）必須滿足：對(duì)任一圖2 中蜂窩基站Ci的地理區(qū)域被切割成Ci，1，Ci，2，…，Ci，12等12個(gè)區(qū)域，若最小干擾范圍Dmin為2個(gè)區(qū)域，則IN配 置 一 碼 B（Si，3）時(shí)，Si，1，Si，2，Si，4和Si，5中所配置的碼 B（Si，1），B（Si，2），B（Si，4）和 B（Si，5）就不能有任何相同的碼是一樣的.即對(duì)IN（Si，3）中的任一區(qū)域 Si，j，B（Si，3）∩B（Si，j）為空集合.

圖2 感測(cè)器的負(fù)責(zé)區(qū)域

定義4：一個(gè)蜂窩基站Ci的某一區(qū)域Ci，j，所需承載的通話量定義中t為 Ci，j中移動(dòng)臺(tái)一次電話的平均通話時(shí)間，a為在單位時(shí)間內(nèi) Ci，j中所有移動(dòng)臺(tái)的通話次數(shù).n為頻寬 B（Si，j）中的碼數(shù).其中 Ci，j所分配到的碼 B（Si，j）會(huì)影響 Ci，j的通話中斷率.評(píng)估區(qū)域Ci，j的通話阻塞率可用式1表示.

1.2 自適應(yīng)陣列天線區(qū)域資源傳統(tǒng)分配算法及改進(jìn)

1.2.1 自適應(yīng)陣列天線區(qū)域資源傳統(tǒng)分配算法

目前，自適應(yīng)陣列天線區(qū)域資源傳統(tǒng)分配算法主要有：固定式區(qū)域資源分配算法、最大最小區(qū)域資源分配算法.

（1）固定式區(qū)域資源分配算法

固定式區(qū)域資源分配算法的基本思路為：蜂窩基站 Ci中的每個(gè)感測(cè)器 Si，j的負(fù)責(zé)范圍Oi，j都是固定（j＝1，2，…，m）.

（2）最大最小區(qū)域資源分配算法

最大最小區(qū)域資源分配算法的基本思路為：蜂窩基站 Ci中的每個(gè)感測(cè)器Si，j的負(fù)責(zé)范圍 Ci，j是還沒有被配置的重疊區(qū)域中負(fù)載量最高的會(huì)優(yōu)先配置給鄰近的負(fù)載量最低的感測(cè)器.而非重疊區(qū)域Ni，j固定分配給 Si，j感應(yīng)器.

其具體分配方法如下：

初始化：將在蜂窩基站Ci的非重疊區(qū)域集合﹛定到對(duì)應(yīng)的 Ci，j，O（Ci）為重疊區(qū)域集合﹛ Oi，1，Oi，2，…，Oi，m﹜，其中j＝1，2，…，m，m為一個(gè)蜂窩基站感應(yīng)器的數(shù)量.

步驟1：判斷O（Ci）是否為空集合，假如是空集合表示蜂窩基站Ci重疊區(qū)域已配置完成，配置完成；否則執(zhí)行下列步驟2.

步驟2：找出蜂窩基站Ci重疊區(qū)域集合O（Ci）中話務(wù)量λ（Oi，j）最大的區(qū)域 Oi，j，執(zhí)行步驟3.

步驟3：找出話務(wù)量λ（Oi，j）最大重疊區(qū)域 Oi，j的對(duì)應(yīng)相鄰非重疊區(qū)域集合N（Oi，j）中兩個(gè)話務(wù)量較小的一個(gè)區(qū)域Ci，k，接著執(zhí)行步驟4.

步驟4：將 Oi，j歸 Ci，k管理，并將 Oi，j從 O（Ci）中移除，重新執(zhí)行步驟1.

1.2.2 區(qū)域資源傳統(tǒng)分配算法改進(jìn)

固定式區(qū)域資源分配算法由于每個(gè)感應(yīng)器覆蓋區(qū)域保持不變，不能動(dòng)態(tài)跟隨基站覆蓋區(qū)域用戶話務(wù)量負(fù)載變化和變化.而最大最小區(qū)域資源分配算法雖然較固定式區(qū)域資源分配算法效果有大大提高，但該算法仍然沒有綜合整個(gè)基站的話務(wù)負(fù)載分布情況，達(dá)不到最佳的話務(wù)均衡效果.因此，這里提出一種新的改進(jìn)算法，即最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法.

算法改進(jìn)思路如下：

對(duì)于一個(gè)由m個(gè)感測(cè)器所組成的蜂窩基站Ci，整個(gè)基站覆蓋區(qū)域可分成 m 個(gè)重疊區(qū)域｛Oi，1，Oi，2，…，Oi，m｝和m 個(gè)非重疊區(qū)域｛Ni，1，Ni，2，…，Ni，m｝.任一非重疊區(qū)域 Ni，j只能由感應(yīng)器Si，j負(fù)責(zé)覆蓋，而任一個(gè)重疊區(qū)域Oi，j可為它提供覆蓋的感應(yīng)器有兩個(gè).例如：在圖1中Oi，3所能提供覆蓋的感應(yīng)器有Si，2和Si，3.因此，對(duì)于有 m 個(gè)感測(cè)器的基站的配置方式共有2m種，令這2m種配置方式的集合為A（Ci）＝｛Ai，1，Ai，2，…，Ai，2m｝.假設(shè)λ（Ci）為 Ci的全部負(fù)載量，則Ci中每個(gè)感測(cè)器平均所需承載的負(fù)載量Xi如式（1）所示，其中m為Ci中感測(cè)器數(shù)目.

Xi＝λ（Ci）／m （式1）

例如：在圖1中，假設(shè)非重疊區(qū)域和重疊區(qū)域各自的負(fù)載量如表1所示.

表1 蜂窩基站小區(qū)Ci中各區(qū)域的負(fù)載量

由于感測(cè)器數(shù)目m＝3，因此，共有23＝8種不同覆蓋配置方式，全部8種配置情形如表2所示.

表2 A（Ci）內(nèi)所有子集的配置方式

對(duì)于Ci中的一種配置方式Ai，k，假設(shè)，，…，為配置中m 個(gè)感測(cè)器所負(fù)責(zé)的區(qū)域.對(duì)于配置中m個(gè)感測(cè)器所承載話務(wù)負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)差σ（Ai，k）如式（2）所示.

其算法步驟如下：

步驟1：由 A（Ci）＝｛Ai，1，Ai，2，…，Ai，2m 中選擇一個(gè) Ai，k，其中標(biāo)準(zhǔn)差σ（Ai，k為σ（A（Ci））＝｛σ（Ai，1），σ（Ai，2），…，σ（Ai，2m）｝的最小的值.

步驟2：Ci依照Ai，k的配置方式分配不同的區(qū)域給m個(gè)感應(yīng)器.

以圖1為例，表2為重疊區(qū)域和非重疊區(qū)域各自的負(fù)載量，根據(jù)最小平均差算法在步驟1時(shí)會(huì)計(jì)算8種配置方式的標(biāo)準(zhǔn)差σ（Ai，1），σ（Ai，2），…，σ（Ai，8），如表2所示，選擇其中標(biāo)準(zhǔn)差最小配置方式 Ai，6.在步驟2中，依照 Ai，6的配置方式指派給Ci的三個(gè)感測(cè)器，其負(fù)責(zé)的范圍分別

2 自適應(yīng)陣列天線區(qū)域資源分配算法仿真

（1）仿真參數(shù)設(shè)置

為了比較以上三種算法的資源分配效果差別，可通過仿真來驗(yàn)證.其仿真模擬基本情況如下：①基站數(shù)量及每個(gè)基站感測(cè)器數(shù)量分別為：9個(gè)及6個(gè)；②每基站碼數(shù)量為：60個(gè)；③干擾影響范圍為：2個(gè)微小區(qū)域；④移動(dòng)用戶總數(shù)為：10000個(gè)；⑤平均每小時(shí)每用戶通話次數(shù)和通話時(shí)間分別為：0.4～2.8次、4分鐘；⑥重疊區(qū)域人數(shù)占比分別為：10%、20%、30%；⑦高負(fù)載區(qū)域個(gè)數(shù)和人數(shù)占比分別為：5個(gè)、10%；

（2）仿真比較

當(dāng)重疊區(qū)域人數(shù)占比分別為10%、20%、30%時(shí)，通過仿真比較三種區(qū)域資源分配算法模擬阻塞率仿真情況如圖3～圖5所示.

從圖2～圖4可以看出：①當(dāng)重疊區(qū)域的人數(shù)占10%時(shí)：固定式區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～6.3%，最大最小區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～3.5%，最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～3.4%；②當(dāng)重疊區(qū)域的人數(shù)占20%時(shí)：固定式區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～6.2%，最大最小區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～2.8%，最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～2.7%；③當(dāng)重疊區(qū)域的人數(shù)占30%時(shí)：固定式區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～6.1%，最大最小區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～1.7%，最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法的通話阻塞率為0%～1.6%；

3 結(jié) 論

最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法相對(duì)于固定式區(qū)域資源分配算法和最大最小區(qū)域資源分配算法對(duì)基站覆蓋區(qū)域的負(fù)載平衡效果最好、話務(wù)阻塞率最小的原因是：固定式區(qū)域資源分配算法由于感測(cè)器間的承載量不會(huì)平均，負(fù)載平衡效果相對(duì)于后兩種來說肯定最差；最小標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)域資源分配算法比最大最小區(qū)域資源分配算法效果好的原因在于它考慮到了另外兩種全部的配置方式，然后由全部的配置結(jié)果中找出一組每個(gè)感測(cè)器間承載量差異性最低的一組配置，以達(dá)到負(fù)載平衡.

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