（电路与系统专业论文）内嵌热点微小区的宏小区cdma系统反向容量的研究.pdf

内嵌热点微小区的宏小区c d m a 系统 反向容量的研究 摘要 在无线蜂窝网络中经常出现这样的问题：一个宏小区覆盖范围内存在一个或 多个“热点”。这些热点使系统的容量减少。设置热点微小区是解决此类问题的 最佳方法之一。本文主要研究内嵌热点微小区的单一载波宏小区c d m a 系统的 反向链路用户容量。 现有的c d m a 蜂窝系统容量的研究。大都采用系统仿真而得出各自的结论， 本文采用包括路径损耗和阴影衰落的信道模型，应用数学推导的方法，求解跨层 干扰这一随机变量的均值和方差，计算满足一定可行性的反向链路用户容量。根 据数学推导结果和给定的系统参数，计算并图示了系统容量，说明该算法的有效 性和可靠性。 首先研究理想条件下的双小区系统，采用新的分析方法研究反向链路的用户 容量。随后通过两种算法。结合几何图解法，详细证明了在双小区及多小区系统 中实现网络最大容量的条件是各个小区具有相等的业务负载。 接着对双小区系统作进一步的研究，验证在双小区系统中采用软切换和话音 激活技术可使系统容量有较大增加同时分析阴影衰落方差对系统容量的影响。 然后，为了满足高速移动数据通信的需要，把微小区作为高速数据接入点( d a p ) 使用。采用该算法着重分析了建立d a p 的系统条件，以及通过控制微小区的倒 敏感性，平衡整个系统的利用率和d a p 用户的吞吐量，来实现系统的最优性能。 最后，初步分析了用户终端发射功率受限的非理想条件下，双小区系统的反 向容量，同时考察阴影衰落方差对系统容量和覆盖范围的影响。 主题词：热点微小区。c d m a ，反向容量，跨层干扰，对数正态近似算法，数 据接入点 r e s e a r c h 仰l t e v e r s el i n ku s e r c a p a c i 竹o f m a c r o c e u c d m a s y s t e m w i t ha ne m b e d d e d h o t s p o t m i c r o c e n a b s t r a c t s u c h p r o b l e m s o r e no c c u r 也a tt h e r ea r es m a l l r e 西o n so f d e n s eu s e rt r a 珩cw i 也i n al a r g e rm a c r o c e l l i tl e a d st h a tc a p a c i t yo fn e t 、o r kl e s s e n o n eo f 也eb e s ts o l u t i o n s f o rm i t i g a t i n gt 1 1 e r e s u l t i n gc a p a c i t ys h o n a g ei s t oi n s t a l l h o t s p o tm i c r o c e l l s t h i s r e s e a r c hm a i n l ys t u d i e st t l er e v e r s el i n ku s e rc a p a c 时o fs i n g l e m i c r o c e l “s i n g l e m a c m c e l la r c h i t e c t u r ei na s i n g l e - c a i t i e rc d m as y s t e m t h es y s t e me m u l a t i o ni s m o s t l ya d o p t e dt of i n do u tr e s u n sw h e nr e s e a r c h i n g c a p a c i t yo fc d m as y s t e m sn o w a d a y s t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm o d e l so fp a m f 矾i n ga n d s h a d o w f 甜i n g a r ep r e s e n t e di n 也i sp a p e ll t se x p e c t a t i o na n dv 嘶a n c ew i l l b eg o tb ym a t l l e m a t i c sf o n n u l ab a s e do ns t o c h a s t i cv 撕a b l eo fc r o s s - t i e ri n t e r f 宅r e n c e a f t c rt h 砒，m ec a p a c i t yo fr e v e r s el i n ki sc o m p u t e d s a t i s 母i n gag i v e nf e a s i b i l i t y w i t h m a t h e m a t i cc o n c l u s i o n sa n dg i v e np a r a m e t e r s ，s y s t e mc a p a c i t yi se v a l u a t e da n d g r a p h e d ，s h o w i n go f t h i sa l g o r i t h m se f i b c t i v e n e s sa n dt h ea c c u r a t e n e s s a tf i r s t ，at 、v o - t i e rc d m a s y s t e mo p e r a t i n gi ni d e a lc o n d i t i o n si s c x a m i n e d e x a c ta i l da p p m x i m a t ea i l a l y s e sa r ep r e s e n t e dt oc o m p u t er e v e r s el i n ku s e rc a p a c i t y o f “ss y s t e m ：s u b s e q u e n t l y ，u s i n gb o t hl o 驴o m a la i l dm e a na p p r o x i m a t i o n st om e c r o s s - t i e r i n t e r f c r e n c e ，c o m b i n i n gt l l e 伊叩h ，w es h o wt h a tt h et w o c e l ls y s t e m a c h i e v e sm a x i m u m c a p a c i t y “h c nt h e r e 解ea ne q u a ln u m b e ro fu s e r ss e n ，e db yn l e m a c r o c e l la n dm i c r o c e l l n l i sl o a d - b a l a i l c i n gr e s u l ti st h e ne x t e n d e dt os h o wt h a tt h e o v e m l lu s e rc a p a c i t yi nam u l t i c e l ls y s t e mi sm a x i m a lw h e nt h e r ea r ea n e q u a ln u m b e r o f u s e r ss e r v i c e db ye a c hb a s es t a t i o n s e c o n d l y ，w es t u d ym e b e n e f i t so fs o 俳h a l l d o f r 觚dv o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o na i l d m ee f f b c to fv a r i a n c eo fs h a d o wf 甜i n gt oo u re a r i i e r c 叩a c i t yr e s u l t i nm el a t e r p o n i o n ，w ee x p l o r et 1 1 ep e r f b h 】均n c eo fas p e c i f i ce x a m p l eo fat w o - t i e rs y s t e mw h e r e t h em i c r o c e uo p e r a t e sa sad a t aa c c e s sp o i n t ，a l l o 、撕n go n l yas i n g l eu s e ra tat h e t h es i n g l e m i c r o c e l ll l s e ri sg i v e n1 1 i g h s p e e dd a t aa c c e s s w ed e t e m l i n et l l ep e r - u s e r 1 i t h r o u g h o u t a n dm et o t a ld a pt h r o u 曲o u to ft 1 1 et w o c e l l s y s t e m ，t h er e s u l t i n g p e r f o m a n c e c a nb es h 印e db yc o n 廿0 1 l i n gm ed e s e n s i t i v i t yf a c t o ro f m em i c r o c e l l a t1 a s t ，w ei n v e s t i g a t er e v e r s e1 i n ku s e rc a p a c i t yw h e nu s e rt e n l l i n a lp o w e ri s l i m i t e d a tt h es a m et i m e ，、es t u d yt l l ee 行b c to fv a r i a l l c eo fs h a d o wf a d i n gt 0r e v e r s e l i n kc a p a c i t ya n dc o v e r a g e k e yw o r d s ：h o t s p o tm i c r o c e l l ，c d m a ，r e v e r s el i n ku s e rc 印a c i t y ，c m s s - t i e r i n t c r f e r e n c e ，l o g n o m a la p p r o x i m a t e 芦l l g o r i 也m ，d a t a a c c e s sp o i n t 1 i t 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名； 日期： 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 蜂窝移动通信系统概述 1 1 1 蜂窝移动通信的概念及发展史 2 0 世纪6 0 年代末，美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念和理论，由此开 辟了频谱资源重复利用的新途径，使公用陆地移动通信系统( p l m t s ) 的发展成为 可能。p l m t s 是国际无线电咨询委员会( c c i r ) 给蜂窝移动通信的命名。2 0 世纪 7 0 年代以来，大规模集成电路和微处理器技术的广泛应用，为蜂窝移动通信提 供了技术基础。表面贴装工艺( s m t ) 的出现，加速了无线设备小型化的进程。到 了2 0 世纪8 0 年代初，出现了美国、只本和北欧地区的三个蜂窝移动通信系统。 随后几年，又出现了各种不同的蜂窝移动通信系统。被列入c c i r7 4 2 号报告的 就有8 种，它们是美国的a m p s 、北欧的n m t 、英国的1 1 a c s 、德国的c 4 5 0 和日本的h l m t s 等系统，这些都是所谓的第一代蜂窝通信系统。 蜂窝移动通信主要为社会公众丌放业务。自从第一代模拟蜂窝移动通信系统 问世以来，频谱资源的不足和模拟电子技术的局限性制约着蜂窝移动通信的发 展。在数字通信技术的发展和信息高速公路新概念的推动下，美国、欧共体和日 本从2 0 世纪8 0 年代中期就丌始了数字蜂窝移动通信系统的研制和标准的制定， 欧共体的范欧数字蜂窝移动通信系统( g s m 系统) 、英国的d c s 1 8 0 0 系统、美国 的d a m p s 系统和日本的p d c 系统及美国的i s 9 5 c d m a 系统相继在2 0 世纪 9 0 年代初商用化，更进步推动了蜂窝移动通信在全世界的发展，这就是人们 称之为第二代的蜂窝移动通信系统。 正当第二代蜂窝移动通信系统在全球以前所未有的速度发展时，人类社会迈 入了2 1 世纪的新纪元，2 1 世纪是信息时代，因特网在全球产生了爆炸式的大发 展，美国、欧洲、日本、韩国和我国都提出了被人们称为第三代的蜂窝移动通信 系统的技术标准。3 g 采用更新颖、更复杂的技术，以实现更大的通信容量、更 高的数据速率和多媒体综合业务服务。3 g 主要将各种业务结合起来，用一个单 一的全功能网络来实现，它的特点可以概括为如下几点：全球普及和全球无缝漫 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 游系统；具有支持多媒体业务的能力，它能支持从语音到分组数据、多媒体业务， 能根据需要提供带宽；便于过渡和演进。 由3 g 的特点可以看到它需要使用近年来的各种新型通信技术，包括新型调 制技术、智能天线、多用户检测和多层网络结构等 1 2 】。 1 1 2 蜂窝移动通信的特点 移动通信是用无线电波传输信息的。无线电波传输信息允许用户在一定范围 内自由活动，但是移动通信环境十分复杂，电波传播特性很差。电波不仅仅会因 距离的增加而产生传输损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”， 而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收点。这种多径信号的幅度、相位 和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。移动通信常常 在快速运动中进行，这不仅会产生多普勒频移，产生随机调频，而且会使得电波 的传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。因此，移动通信系统必须 根据移动通信的特征，进行合理的设计。 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的。移动通信系统采用多信道共用技 术。在一个无线小区中，同时通信者会有成百上千基站会有多部收发信机同时 在同一地点工作，会产生许多干扰信号，还有各种工业干扰和人为干扰。归纳起 来有同道干扰、互调干扰、临道干扰、多址干扰等。此外，在反向链路中，如果 保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，使 得移动台与基站间的距离不断变化，靠近基站的移动台信号强；远离基站的移动 台信号弱，因而会产生以强压弱现象，这就是所谓的“远近效应”。在前向链路 中，当移动台位于相邻小区的边界处时，收到所属基站的有用信号功率很低，同 时还会受到相邻小区基站较强的干扰，这就是所谓的“角效应”。在移动通信中， 将采用多种抗衰落、抗干扰技术措施以减少这些干扰信号的影响。 移动通信的市场需求巨大，但可被利用的频谱资源又非常有限。不断地扩大 移动通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。要解决这一难题，一 方面要开辟和启用新的频段，另一方面要研究新技术和新措施。 移动通信对设备的要求苛刻。移动通信设备要求体积小、重量轻、耗电省、 携带方便、操作简单、可靠耐用和维护方便，还要保证在振动、冲击、高低温环 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 境变化等恶劣环境下能够正常工作【l 。 蜂窝移动通信除前面所述的特点之外，还有覆盖区可无限扩展，服务区域不 受限制等特点。可采用多种蜂窝组网技术，提高系统的通信容量。 在无线通信环境中的电波覆盖区域内，如何建立用户之间的无线信道的联 接，这便是多址接入问题。因为无线通信具有大面积无线电覆盖和广播信道的特 点，网内一个用户发射的信号其它用户均可以接收所以，网内用户如何从播发 的信号中识别出是本用户地址就成为建立联接的首要问题。在移动通信系统中， 基站覆盖区内存在许多移动台，移动台必须能识别基站发射的信号中哪一个是发 往本地址的信号，基站也必须能从众多移动台发射的信号中识别并区分出每一个 移动台所发射的信号，这样才能建立通信。在蜂窝移动通信系统中，移动台除能 识别本小区基站发射的信号外，还需能识别相邻小区基站发射的信号。 多址接入技术的基础是信号丁f 交原理。无线电信号可表达为时间、频率和码 型的函数，由此可以建立时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) 。 1 2c d m a 技术与现代蜂窝移动通信系统 c d m a 多址技术的原理基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信 息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的 带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与 接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩， 以实现信息通信。 与f d m a 和下d m a 相比，由于同一频率可以在所有小区内重复使用，所以 c d m a 蜂窝通信系统的所有用户可共享一个无线频道，用户信号的区分只是所 用的码型不同。由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时间，用户间 仅靠地址扩频码的不同，即靠它们间互相关特性加以区分。若用户间的地址码互 相关不为零，则用户间就存在干扰，这类干扰称之为多址干扰。多址干扰是移动 通信中的另一类主要干扰，它与信道的衰落和多径干扰有所不同。它虽然是决定 于信道的多址接入特性，然而多址接入却又决定于多个用户要求同时通信，这就 是说多址干扰的实质原因是由于多个用户同时通信，而又不能完全将他们彼此隔 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 开而引起的干扰。同时c d m a 系统为一个干扰受限系统，即干扰的大小直接影 响系统容量。 除了多址干扰本身直接的影响外，在反向链路中存在远近效应，在前向链路 中存在角效应。此外，电波传播中由于大型建筑物的阻挡形成“阴影效应”产生 慢衰落。这些现象将会导致系统容量下降和实际通信覆盖范围的缩小。 多址干扰、远近效应都是c d m a 蜂窝移动通信中最为重要的问题。为了克 服这些问题，我们就要考虑采用功率控制技术，多径信号的分集与合并技术，多 用户检测技术，软切换技术，话音激活技术等新技术。同时也正是这些新技术的 应用更体现出c d m a 蜂窝移动通信系统的优势。 c d m a 蜂窝系统许多优点中的一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分 是由软切换和功率控制等技术所带来的，主要包括1 7 。8 ： 抗干扰性强。由于c d m a 系统采用扩频技术，信道中的干扰在接收端通 过解扩获得了扩频处理增益g ，接收端输出信干比是输入端信干比的g 倍，亦 即干扰被降低l g 。同时，扩频后信号功率谱密度降低为1 g 倍，对其它通信系 统的干扰也减小为1 g 倍。所以信号有一定的隐蔽性和保密性。 抗衰落性能好。移动信道中最严重的问题是多径干扰，它产生频率选择性 衰落，对数字信号产生多径时散。由于扩频后的信号是宽带的，它能起到频率分 集的作用，比窄带信号具有更强的抗频率选择性衰落的特性。由于扩频信号在设 计时往往能使不同传播路径的多径信号区分开来，并且通过路径分集，变害为利， 即采用r a l ( e 接收机可以利用多径信号能量，使信噪比性能得到改善。 c d m a 系统容量大，且具有软容量特性。c d m a 系统的软容量特性是独 有的，它允许同时通话的用户数超过信道数，使系统的容量与用户数之间存在一 种“软”的关系，在业务高峰期，有可能在一定程度上稍微降低系统的误码性能， 以适当增加系统的用户数目。反之，系统内同时通话的用户数减少时，由于多址 干扰的减少，通话质量会更好。 利用语音激活技术，增大通信容量。c d m a 蜂窝通信系统便于充分利用 对话的突发性，采用可变速率话音编码器。因为速率降低会使处理增益增加，故 要求的信干比可降低，在干扰一定的情况下，信号功率就可降低，这意味着对其 它用户的干扰减小，从而使系统容量增加。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 c d m a 系统采用了功率控制，在前向链路使基站按所需的最小功率进行 发射，减小对其它小区的同频干扰。在反向链路的功率控制保证所有移动用户到 达基站的信号功率相等，避免发生远近效应。 具有软切换特性。在其它蜂窝通信系统中，当用户过境切换而找不到空闲 信道或时隙时，通信必然中断。c d m a 软容量特性使系统可以支持过境切换的 用户。由于过境切换时，只需要改变码型，不需要切换频率，相对而言，切换的 操作和控制比较简单。 1 3 蜂窝小区和双层网络结构 蜂窝系统是由很多低功率的无线电波扩展到整个服务区的，每一个无线电波 组称为一个峰窝小区，基站的发射功率可提供本小区边缘的用户通信需要，传统 的蜂窝式网络中的宏蜂窝小区半径大至2 6 k m ，小至2 k m 。由于覆盖半径较大， 所以基站的发射功率较强，一般在1 0 w 以上，天线也做得较高，一般不低于3 0 米。在每个宏小区里设有一个基站，它与服务区内的移动台建立无线通信链路。 在实际的宏小区内，通常存在着两种特殊的微小区域。一是盲点，由于网络 漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信 号强度极弱：二是热点，由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造 成空间业务负荷的不均匀分布。以上“两点”问题，往往通过设置直放站、分裂 小区等办法加以解决。但从原理上讲，这两种办法不能无限制使用：直放站实质 是一个宽带放大器，设置不合理( 包括选址和安装等) 或设置得太多，都易造成对 周围信号的干扰；小区分裂实质就是采用宏基站变密的办法( 即将覆盖面大的基 站分裂成覆盖面较小的基站) 来增加系统容量，但当小区小到一定程度时，由于 干扰和基站接入等问题使得这种办法难以再进行。特别是随着移动通信的迅速发 展和业务需求的剧增，这些办法更是难奏其效，于是便产生了微小区技术。 微小区是在宏小区的基础上发展起来的一门技术。它的覆盖范围较小，半径 大约3 0 m 3 0 0 m ：发射功率一般在1 w 以下；基站天线置于相对较低的地方， 如屋顶下方，高于地面约5 m l o m 。微小区最初被用来加大无线电覆盖，消除 宏小区内的盲点。同时由于低发射功率的微小区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，且射频( r f ) 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 干扰很低，4 冬它安置在宏下去的热点上，可满足该微小区域通信质量与容量两方 面的需求。 在实际设计中，微下去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、商务楼和停车场等地。在话务量很高的商业 街道等地则可采用双层网络形式进行连续覆盖，即双层小区结构：不同尺寸的小 区重叠起来，不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在，使得整个通信网络呈现 出两层次的结构。在目前的蜂窝移动通信系统中，我们主要通过在宏小区下引入 微小区，形成分级网络结构。 对于f d m a 和t d m a 而言，这种内嵌式的小区网络将会破坏系统的频率规 划方案，原因是必须为微小区内所使用的频段设置足够大的保护区域，从而使得 系统容量大为减小。另一方面，由于内部微小区与外部宏小区之闯的边界划分远 不如大区之问的清晰，造成了内外小区切换时会发生严重的“乒乓”效应。然而， 对于c d m a 而言，外部宏小区与内部微小区均可采用同一频段。尽管外部宏小 区的容量会因为微小区所带来的干扰而有些降低，但是通过合理的设计，可以使 整个系统的容量得以提高。同时，c d m a 系统的软切换技术保证了内外小区之 间的平稳切换【9 - 10 1 。 宏蜂窝小区覆盖范围 微蜂窝小区覆盖范围 图1 1 内嵌两个热点微蜂窝的宏蜂窝示意图 如上所述，宏小区内热点的存在使得在宏小区基站支持的用户数和因为热点 带来的覆盖范围减少间取得折中成为必要。如果基站为大量的高业务量用户服 务，那它必定妨碍覆盖范围内的非热点区域用户的接入。因此为了支持热点区域 用户，宏小区基站的实际覆盖范围必须收缩。解决这个问题最实用的方法是设置 热点微小区。热点微小区设置在一个已有的宏小区系统内，仅仅在宏小区内部用 户密集的某小区域提供覆盖。在这样的系统里，所有的基站都发射一个导频信 南京邮电学院硕j ：学位论文第一章绪论 号，新用户根据它的接受导频信号最大功率来决定和哪个基站通信。换句话说， 用户首先可以和宏基站或微基站通信，当用户移动时，它可以在宏小区和微小区 基站间随意切换。图1 l 画了个覆盖范围的例子，这个例子里有一个宏蜂窝小 区和两个热点微蜂窝小区卧1 2 l 。 另一种重叠微蜂窝网络指定一些信道接入到微小区基站，其他信道接入到宏 小区基站。这样宏小区和微小区用户互不干扰运行起来象两个独立的c d m a 网络，这不属于本文研究的范围。 单一载波的双层c d m a 微小区将会给系统带来跨层干扰。单层c d m a 系统 反向链路用户的信号包括所属小区内其它用户的干扰和周边小区内所有用户的 干扰。但安装热点微小区后，每一个宏小区用户的反向链路信号也受到微小区用 户带来的跨层干扰。在c d m a 前向链路，每一个基站给它服务的用户指定正交 码，可使在同一个小区内向各用户发送的信号互不干扰，但是会受到来自于其它 层基站的跨层干扰。为了分析单一载波双层c d m a 系统的性能，研究这些干扰 源的特性是至关重要的。 1 4 热点微小区网络的研究现状 在双层c d m a 系统中采用热点微小区技术能够改进系统的性能。量度该技 术的优良性能有很多种方法，本文主要通过计算该系统能够支持的话音用户数来 度量。又因为参考文献【1 4 1 8 已经证明，系统容量主要受反向链路的影响，所 以本文主要分析系统的反向容量。系统容量主要取决于系统中的跨层干扰，而跨 层干扰与用户和基站间的传输增益有关，这些传输增益又与用户和基站间的距 离、阴影衰落引起的慢变化、多径效应引起的功率衰落、宏小区基站和微小区基 站的天线，以及传输特性等因素有关，由此可见计算系统容量是个复杂的过程。 如何简化这个计算就成为一个很有意义的课题。当前在这方面已经有一些研究成 果，下面先简介一下。 文献【1 3 】的作者简化了反向链路跨层干扰的计算，论证了该系统比单层系统 能得到更高容量的潜在可能性。同时引入一个重要概念：微小区的倒敏感性，这 个概念将在下文详细论述。 文献f 1 4 】的作者同样计算了跨层干扰的平均值。不同于文献【1 3 】的是，作者 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 在计算这些平均值时，虽然也假定用户均匀分布，但把阴影衰落建模成为一个对 数正态随机变量。文献【1 5 的作者通过计算跨层干扰的均值计算了多个宏小区 单个微小区系统的反向容量。文献【1 6 】的作者同样使用跨层干扰的平均值计算具 有一个微小区的多个宏小区c d m a 系统的爱尔兰容量，在计算平均值时没有考 虑阴影衰落。虽然假定用户均匀分布，但在宏小区和微小区内用户的密度并不相 同。在文献【1 7 1 中，作者在不考虑阴影衰落和功率衰落时，假定用户均匀分布， 推导了计算反向链路跨层干扰的近似算法。使用该算法，计算了反向链路的用户 容量，论证了怎样通过改变微小区的倒敏感性来改善性能。文献【1 8 中，作者考 虑用户空间随机分布特性和阴影衰落的联合影响，分别提出精确的和近似的算 法，计算单个宏小区单个微小区系统的反向容量。 1 5 论文结构 本文从理想情况下的双层c d m a 系统丌始研究。第二章研究了采用硬切换 技术的单个宏小区单个微小区系统。第三章研究多小区系统实现最大容量的条 件。第四章研究采用软切换技术和话音激活技术给系统用户容量带来的影响，以 及为了实现高速移动通信的需要，把微小区作为d a p 使用时的系统性能。第五 章初步研究用户终端发射功率受限的非理想条件下双层c d m a 系统的性能。最 后总结了作者在本文中所做的主要工作，提出下一步研究的设想。 南京邮电学院硕士学位论文第二章理想条件下的双小区系统 第二章理想条件下的双小区系统 本文首先研究理想条件下的双蜂窝小区系统。这里的理想条件是指：用户终 端没有最大发射功率的限制，同时信道带宽足够宽，以至于经过r a k e 接收机处 理后，每一个用户信号的输出功率恒定，且在前向链路中，用户终端采用理想的 多用户检测技术计算小区内干扰，保证基站发送的正交信号在用户终端都保持正 交。这个条件可通过一个非弥散前向链路信道来模拟。 文中的用户容量均指没有呼叫阻塞时，蜂窝c d m a 系统能够支持的话音用 户数。文中计算反向链路用户容量时，把用户位置的统计特性和阴影衰落合并处 理，计算了系统容量到达或者超过一定的用户数的概率有多大? 由于精确计算的 复杂性，本文提出一个简单的近似算法，通过数值分析考察该算法的可靠性。 在分析中采用了两种基站选择方案，一种是静态选择方案( s b s ) ，另种 是动态选择方案( d b s ) ，并比较两种方案对系统容量的影响。 从参考文献 1 6 忡可知理想多小区c d m a 系统容量受制于反向链路用户容 量，这是本文主要研究反向链路性能的原因。 本章第一节详细描述了双小区系统模型。第二节推导系统容量的详细分析步 骤，并提出一个简单的近似算法。最后，从分析一个双小区系统的实例出发，研 究其反向容量性能。 2 1 系统模型 2 1 1 几何模型 给定一个空间区域孵，区域辨内宏小区基站天线高米，微小区基站天线 高 。米。采用直角坐标系g ，y ) 来描述该区域内的位置。设宏小区基站位于坐标 原点，微小区基站和它相距d 米，位于点( d ，o ) 处，如图2 1 所示。用户位置的 概率密度为厶g ，y ) ，0 ，y ) 贸。 区域婀内容纳着。个宏小区用户和。个微小区用户，所有用户在反向链 南京邮电学院硕士学位论文 第二章理想条件下的双小区系统 路中都通过码长为他的随机码以速率r 发送信息，这里的表示系统带宽。 两个基站都采用匹配滤波接收机检测用户比特，控制各自用户的发射功率，这样 就使从所有用户那里接收的信号功率相等，为了满足一定的通信质量，系统支持 的所有用户的信号干扰噪声比( s i n r ) 在宏小区和微小区中分别满足最小值和 l 。 j 宏基站微基站 l-r-、 7 ( o ，o )( d ，o ) | 、 1 l 、，一 一 l 、 图2 1 网络覆盖区域的直角坐标系 x 2 1 2 传播参数 掌握电波传播是对任何无线网络进行研究的基础。事实上，正是无线信道的 特性使得无线网络比有线网络复杂得多。电波传播与特定的场所密切相关，并且 会根据地形、工作频率、干扰源和其他动态因素发生明显的变化。通过主要参数 和数学模型描述的无线信道的准确特性，对于预测信号的覆盖范围、网络的容量 和决定基站天线安装的最佳位置等都是十分重要的。 电波的传播参数决定路径损耗模型，下面分析适用于不同环境的路径损耗模 犁。 2 1 2 1 自由空间传播模型 根据观察，无线信号的强度随着距离的口次幂而降低，称之为距离功率斜率 或路径损耗斜率。如果发送功率是t 经过d 米距离后信号强度将与# d ”成 1 0 南京邮电学院硕士学位论文第二章理想条件下的双小区系统 比例。在最简单的情况下，信号强度在自由空间中随着距离的平方而衰减 ( 口= 2 ) 。当天线发射信号时，信号会在各个方向上传播。在半径为d 的球面上， 信号强度密度等于发射的总信号强度除以球的面积，即4 万d2 。考虑到电波频率， 还有额外的损耗，在自由空间中发射功率只和接收功率只之间的最终关系式如 下式所示【4 】 号= 可南 2 亿- ， 式中的日是一个可载波波长、天线高度和增益有关的常数：d 是发送器天线和接 收器天线间的距离；载波波长为 = c 厂，c 是自由空间中的光速，厂是无线载 波频率。 2 1 2 2 移动无线环境中的双线模型 在自由空间中观察到的距离功率关系并不适用于所有的环境。在自由空间 中，信号从发送器到接收器只沿着单一的路径传播。在现实环境中，信号到达接 收机要经过一些不同的路径。 图2 2 双线模型示意图 我们首先研究用于陆地移动无线通信中的双线模型，也就是双路径模型。传 播环境和模型如图2 2 所示。通常像在自由空间一样，基站和移动终端之间有一 个携带信号的l o s 分量，同时还有另一条在平坦地面反射的传播路径。与基站 天线的高度k 和移动终端的天线高度 。有关的两条传播路径的距离是不相同 的，这会导致接收端的信号强度要么增强，要么减弱。 南京邮电学院硕_ _ _ l 学位论文第二章理想条件下的双小区系统 对于双线模型，发射功率和接收功率之间的关系可近似用下式表示 4 4 】 只：只日等 d ( 2 2 ) 式中，6 是基站的断点距离，它和天线的高度成正比。据观察，在城市无线 信道的路径损耗模型中有两个明显的倾斜，一个在远端，另一个在近端。用断点 距离6 来区分这两段测量路径损耗的线性拟合，如图2 3 所示。断点距离与基站 高度、用户终端高度以及载波频率有关。 鞯 鞲 妲 甓 d 图23 断点距离的概念示意图 从式4 2 看到信号强度随着发送器和接收器之间距离的4 次幂而衰减。另一 个值得注意的现象是因为断点距离和天线高度成正比，所以接收信号的强度可以 通过增加发射天线和接收天线的高度而增加。 在移动通信环境中，与发送点相距同样距离处的接收信号强度会不相同。由 于位置不同而导致的信号强度起伏的现象称为阴影衰落。测试和仿真结果说明， 阴影衰落可以近似为对数正态分布随机变量，对数j 下态分布的概率密度函数为 刷= 去e x p ( 专 。， 式中，“是平均接收信号强度，盯是标准方差。 2 1 2 3 本文采用的传播模型 本文采用文献 1 9 中的传播模型，以功率只发送的信号在r a l 【e 接收机的输 出端以平均功率只被接收，e 和只满足下面的关系式： 南京邮电学院硕士学位论文第二章理想条件下的双小区系统 p r = p 只 d 6 d 6 ( 2 4 ) 式中，d 表示发送机和接收机天线间的距离； 6 是基站的断点距离。距离d 口。时，总用户 容量值为= m + 。 2 2 反向链路用户容量 2 2 1 精确的容量分析算法 南京邮电学院硕士学位论文 第二章理想条件下的双小区系统 咖) 。： 篮 ；( 2 ，) 叩+ ( 一l h + s ，脚笋 和眦= 磊熹曩 眨s ， 彳+ ( ，一1 b ，+ 。 式中，表示用户和宏小区基站之间的发送增益( 只p ) ，k 表示用户女和 微小区基站之间的发送增益：s 。和s 。，分别是宏小区基站和微小区基站满足链路 的扩展因子；s 。矽r 是宏基站对一个给定用户信号的接收功率，s 。矽月表示微 ( 。一1 弦。是宏小区内的所有其它用户的干扰，( ，一l b ，指微小区内的其它用 户产生的干扰：s ，。丁赢o 是指微小区内的用户在宏基站产生的所有干扰， 表示宏小区内的用户在微基站产生的总干扰。 为了实现一定的通信质量需求，在宏基站和微基站s i n r 必须满足最小值l 和l ，则由式2 5 和2 6 解出需要的和s 。 和 s m = 叩 k 一以) + 岬等 ( k 。一0 ) ( 足。 嘲等。篆 ( 2 7 ) 陋。一乩) + 。， & 叫i 瓦而菝 8 ( 一心酝。一虬) 一。争。 南京邮电学院硕士学位论文第二章理想条件下的双小区系统 式中，k “= 每+ 1 ，它表示宏小区的单个小区极点容量，也就是存在噪声和 其它小区干扰时的单个小区容量口0 1 ，同理k ，= 景+ l 表示微小区的单个小区极 点容量。由此可以看出，k 。和k 。，分别表示宏小区和微小区的单小区最大可达 容量。在本文的仿真中，都采用i s 9 5 系统的指标，系统的处理增益r = 1 2 8 ( 2 1 1 d b ) 。不管是宏小区还是微小区