移動通信系統(tǒng)中頻率復(fù)用方案理論探討*

李玲玲

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州511400）

21世紀，移動通信技術(shù)迅猛發(fā)展，頻譜資源的有限性催生出頻率復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，蜂窩概念的提出就是為了解決頻率不足的問題。

1 頻率復(fù)用技術(shù)的必要性

蜂窩概念的核心思想是相距較遠的小區(qū) （基站）共用同一頻率。但直到1979年第一個蜂窩系統(tǒng)才在美國變?yōu)楝F(xiàn)實。蜂窩技術(shù)極大地提高了系統(tǒng)的容量，其代價是增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開銷，使通信技術(shù)變得較為復(fù)雜，具體表現(xiàn)為實現(xiàn)協(xié)議更復(fù)雜，設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，無線資源管理和移動性管理都變得復(fù)雜。但通信技術(shù)能夠真正走向大眾，其系統(tǒng)容量增加的解決是關(guān)鍵，而蜂窩概念的提出解決了限制容量發(fā)展的根本因素。移動通信技術(shù)的發(fā)展是為了不斷擴充容量、提高頻譜利用率，頻率復(fù)用技術(shù)的演進見證了移動通信技術(shù)的不斷完善和進步。為滿足需求，我國GSM網(wǎng)的頻帶曾3次擴展，但頻譜資源依舊緊張，因此頻率復(fù)用技術(shù)需要不斷改進，以增加網(wǎng)絡(luò)容量，同時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量也要不斷提高。特別在一些大城市的中心市區(qū)，頻譜資源日益緊張，頻率復(fù)用等擴容技術(shù)成為通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。中國移動用戶的快速增加使網(wǎng)絡(luò)擴容成為必然。

大區(qū)制采用大功率的基站提供較大的服務(wù)范圍，其頻譜利用率低。而小區(qū)制采用小功率基站，采用頻率復(fù)用技術(shù)提高頻譜利用率，有限頻率得以多次使用，此時系統(tǒng)容量較大。大區(qū)制網(wǎng)絡(luò)只有一個基站，輸出功率較大，大區(qū)制條件下，用戶少，頻率相對豐富，但頻率不能復(fù)用。移動通信網(wǎng)是由大區(qū)制演變成小區(qū)制蜂窩系統(tǒng)的，也就是在進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，將基站發(fā)射功率降低，每個基站覆蓋范圍縮少，原先一個天線覆蓋的范圍由多個天線覆蓋，網(wǎng)絡(luò)如蜂窩一般分布。頻率復(fù)用其實就是指一個小區(qū)使用的頻率信道在隔一定距離后被另一小區(qū)重復(fù)使用。這些頻點之間會因距離遠近和信號強弱產(chǎn)生或大或小的同鄰頻干擾。頻率規(guī)劃時要根據(jù)實際情況采用不同的頻率復(fù)用方案技術(shù)，頻率規(guī)劃在頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)容量間找到平衡點，使得在保證一定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的前提下，取得最大的網(wǎng)絡(luò)容量。

國內(nèi)移動通信已進入4G時代。4G發(fā)展過程中，其小區(qū)邊緣性能的下降備受關(guān)注。小區(qū)邊緣性能問題是伴隨著蜂窩移動通信系統(tǒng)的固有問題。改善小區(qū)邊緣用戶性能最重要的策略便是頻率復(fù)用。在正交頻分多址（OFDMA）系統(tǒng)中，如果復(fù)用系數(shù)為1，即表示相鄰小區(qū)使用相同的頻率資源，此時相鄰小區(qū)交界處的用戶所產(chǎn)生的干擾很嚴重，小區(qū)服務(wù)質(zhì)量急劇變差。OFDMA本質(zhì)上是頻分多址，其頻率復(fù)用系數(shù)只有幾個選擇，如1、3、7等。至于4、12、19等頻率復(fù)用方案在理論上可行，但在頻分多址系統(tǒng)中實際使用并不多。頻率復(fù)用系數(shù)應(yīng)選得較大一些，這樣可以有效抑制小區(qū)間的干擾，小區(qū)邊緣性能得以改善，但頻譜效率損失較大，滿足不了高質(zhì)量、高速率的4G系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。有文獻提出軟頻率復(fù)用方法，其系統(tǒng)性能在一定程度上得以改善，但其小區(qū)邊緣信號采用完全正交的頻率集合，因此頻譜效率大打折扣。而基于OFDMA的頻率復(fù)用方法則是對小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶采用不同的頻率復(fù)用策略。

移動通信中，地形、環(huán)境和氣候都會影響無線電波的傳播，會產(chǎn)生嚴重的多徑衰落，為重復(fù)使用有限的頻譜資源，人們發(fā)明了蜂窩移動通信技術(shù)。郵電部門在900 MHz頻段獲有24 MHz頻率，在1 800 MHz頻段獲有10 MHz頻率，GSM網(wǎng)絡(luò)必須擁有10 MHz以上的頻率才能有效利用好頻譜資源。在20世紀末，中國大部分地區(qū)每平方公里只能容納6 000～8 000個用戶，難以滿足通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，要提高頻譜利用率，必須改進頻率復(fù)用技術(shù)。

現(xiàn)在常用的一些頻率復(fù)用方案都是在有限的頻率帶寬資源下，利用跳頻系統(tǒng)的特性，犧牲一定的通話質(zhì)量換取容量的提高。各種頻率復(fù)用方案效果優(yōu)劣不一，復(fù)雜的通信環(huán)境要求在基于理論分析的基礎(chǔ)上現(xiàn)場勘查，選取合適的規(guī)劃方案，通過比較與分析選擇網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好的頻率復(fù)用方案。分析頻率復(fù)用方案必須考慮干擾因素，這些干擾的強弱與四周的環(huán)境和天線的性能密切相關(guān)。干擾源包括各種多徑信號干擾、同頻干擾、鄰頻干擾和其他噪聲干擾等。頻率復(fù)用主要產(chǎn)生同鄰頻干擾，其中以同頻干擾為主，同頻干擾與同頻復(fù)用基站距離和基站小區(qū)半徑相關(guān)。干擾嚴重影響系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，需要進行精確的頻率規(guī)劃以使干擾滿足要求。

2 選擇頻率復(fù)用因子的理論依據(jù)

頻率復(fù)用概念在時域和空間域都可以使用。時域內(nèi)的頻率復(fù)用叫時分復(fù)用TDM（Time-Division Multiplexing），指在不同的時隙里占用相同的工作頻率。在空間域除了在兩個不同的地理區(qū)域里配置相同的頻率，主要指在一個系統(tǒng)的同一區(qū)域內(nèi)重復(fù)使用相同的頻率——這種方案用于蜂窩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。一個系統(tǒng)中可以有許多同頻小區(qū)，將整個頻譜分配劃分為K個頻率復(fù)用的模式，其中K一般為3、4、7、12、19。

K為多少比較合適呢？從理論上來講，K應(yīng)該大些，這樣可以緩解頻率不足帶來的壓力。但是，分配的總信道數(shù)是固定不變的，K太大，導(dǎo)致K個小區(qū)分配給每個小區(qū)的信道數(shù)大大減少。K增加但分配給K個小區(qū)的信道總數(shù)不變，其中繼效率自然就會降低。在同一地區(qū)，如果給兩個不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分配同一組信道，將降低其頻率利用率。

在滿足系統(tǒng)性能的條件下應(yīng)該盡可能使K值最小。為使K值最小，必須使頻率復(fù)用距離D最小以減少同頻干擾。Q為同頻干擾衰減因子，[1]。

尋找同頻小區(qū)的示意圖如圖1所示。具體方法是選擇合適的i和j，滿足K=i2+j2+ij（K為同頻小區(qū)數(shù)）。從某區(qū)轉(zhuǎn)到同頻小區(qū)的方法是：順時鐘走i格，再順時鐘轉(zhuǎn)60°走j格。

圖1 尋找同頻小區(qū)示意圖

以K=7為例（即i=2，j=1），相應(yīng)模型如圖2所示。

圖2 K=7的相應(yīng)模型

圖2的表達式如下：

蜂窩就是將地面劃分成一個個形狀相同的無線電覆蓋區(qū)域。這些小區(qū)要盡可能接近圓形，要求互相鄰接，盡可能全面覆蓋。能滿足要求的首推正六邊形；其次就是按正四邊形劃分區(qū)域。正六邊形的同頻小區(qū)數(shù)滿足n=i2+j2+ij；正四邊形滿足n=i2+j2。其中i，j為非零整數(shù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，i、j滿足j=i+1。

在理論上，用正六邊形分析蜂窩系統(tǒng)，第一層有6個同頻小區(qū)[2]。因為第一層的周長=2πD，相鄰?fù)l小區(qū)的距離可以近似認為是D，同頻干擾小區(qū)數(shù)≈2πD/D≈6。

蜂窩系統(tǒng)的布局很有講究，布局不好，干擾源將會增多。每區(qū)中小區(qū)數(shù)目越多（K越大），網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越好，但頻譜利用率越低。

如何充分利用有限頻譜資源，多網(wǎng)復(fù)用，全面覆蓋，頻率復(fù)用方案的選擇和實施十分重要。要改變因為歷史原因引起的頻率范圍缺乏規(guī)劃而導(dǎo)致的干擾嚴重的問題，需要提供好的、實用的頻率規(guī)劃。在給定頻率資源情況下，分配給單位面積的信道數(shù)越多，頻譜資源的利用就越充分。要有效地利用頻譜資源就是在全部利用信道資源時，盡量地少產(chǎn)生相互干擾。

小區(qū)基站和移動臺都可能在中心小區(qū)有同頻干擾，如圖3所示。

圖3 小區(qū)1的6個有效干擾小區(qū)

K的實際物理意義為頻率復(fù)用簇中的基站數(shù)目。K越大網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越好，但其頻譜利用率越低。

3 多種頻率復(fù)用技術(shù)

為提高小區(qū)邊緣用戶性能，頻率復(fù)用可以成為一種有效方式。提高小區(qū)邊緣用戶性能的同時，也要想辦法有效提高頻譜利用率。正交頻分多址（OFDMA）通過抑制小區(qū)間干擾提高小區(qū)邊緣用戶性能，根據(jù)小區(qū)中心與邊緣通信環(huán)境的差異，對小區(qū)中心與小區(qū)邊緣實施不同的頻率復(fù)用策略。好的頻率復(fù)用方法可以提高系統(tǒng)吞吐量并改善小區(qū)邊緣用戶性能。

移動通信網(wǎng)都是從大區(qū)制演變成小區(qū)制蜂窩系統(tǒng)的。大區(qū)制條件下網(wǎng)絡(luò)只有一個基站，天線功率大而且覆蓋范圍廣，頻率不需要復(fù)用；但隨著用戶和容量的增加其信道數(shù)滿足不了需求，因此只能改用小區(qū)制的蜂窩系統(tǒng)，將原來的大天線用若干小天線代替。

實際基站分布時難以完全按照理論上的頻率復(fù)用模式規(guī)劃，因為地理分片方式千變?nèi)f化且不規(guī)則，為減少干擾，普遍采用的方法有：調(diào)整天線高度及下傾角，降低基站發(fā)射功率。頻率分配需要全面規(guī)劃和合理分配，要考慮不同地區(qū)頻率復(fù)用問題，減少相互干擾，充分利用有限的頻率資源。在給定頻率資源的情況下，分配給單位面積的信道數(shù)越多，頻譜資源的利用越充分。干擾包括鄰道干擾、互調(diào)干擾和同頻干擾。如何充分利用有限的頻譜資源提高頻譜利用率，是頻率復(fù)用方案要解決的主要問題。

同頻復(fù)用距離是指允許使用同一頻率的兩個網(wǎng)的基地臺間距離，它主要取決于有用信號和干擾信號的傳播損耗。同頻復(fù)用基站距離越近，同頻干擾越大；同頻干擾不僅與復(fù)用距離有關(guān)，還與基站小區(qū)的覆蓋半徑有關(guān)。干擾信號包括信號自身的多徑信號干擾、同頻復(fù)用產(chǎn)生的同鄰頻干擾、雷達站和環(huán)境噪聲等系統(tǒng)外部干擾。干擾嚴重影響系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，進行頻率規(guī)劃時必須保證相關(guān)同鄰頻干擾滿足要求。

GSM中采用了許多抗干擾技術(shù)，包括跳頻技術(shù)、功率控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等，有效利用以上技術(shù)可以提高載波干擾比，從而改善頻率復(fù)用技術(shù)以增加網(wǎng)絡(luò)容量，滿足電信服務(wù)質(zhì)量。

當各基站分布均勻規(guī)則且小區(qū)方位一致時，相同復(fù)用頻率方案下其干擾最小。如果想增加網(wǎng)絡(luò)容量，就要盡量保持理想網(wǎng)孔，也就是讓網(wǎng)孔保持正六邊形形狀，理論證明這種形狀的網(wǎng)孔分布最為理想?？梢圆捎孟鄳?yīng)的技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量，包括小區(qū)分裂、利用新的頻率資源和采用緊密頻率復(fù)用技術(shù)等。還可以采用同心圓技術(shù)提高頻率復(fù)用技術(shù)的效率[3]。

為有效地利用有限的頻譜資源，人們推出多項技術(shù)以提高頻率復(fù)用，包括TACS/AMPS、GSM/CDMA IS95、WCDMA/CDMA2000等，每一次技術(shù)的改進都大大提高了頻譜利用率。解決了容量問題，無線通信才能真正為普通大眾接受。蜂窩的頻率復(fù)用問題解決得好不好，直接關(guān)系著無線網(wǎng)絡(luò)容量的發(fā)展。

[1]LEEWCY.無線與蜂窩通信[M].陳威兵，黃晉軍，張聰，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]李宇翔.移動通信網(wǎng)的頻率復(fù)用問題[J].電信科學(xué)，1987（8）：30-31.

[3]周敏.提高移動電話網(wǎng)絡(luò)容量的幾種頻率復(fù)用技術(shù)[J].四川通信技術(shù)，1999（4）：3-4.