传统蜂窝系统覆盖半径与前向容量的提高
2020-10-19
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第4期 通信学报 、,01.27 NO.4 2006年4月 Joumal on Communications April 2006 传统蜂窝系统覆盖半径与前向容量的提高 邱德润,王南兰 (湖南文理学院电气工程系,湖南常德415000) 摘要:通过合理假设与范例分析,表明将软件无线通信中通用的可扩展硬件平台应用于传统蜂窝通信网后,可 以实现快速的越区切换,而且与传统的蜂窝系统相比,能够带来更低的中断率,提高系统的覆盖半径:最后证明 了采用闭环发送分集方案,可以大大改善接收能干比,提高系统的前向容量。 关键词:蜂窝通信网;软件无线通信;覆盖半径;闭环发送分集方案:前向容量 中图分类号:TN 929 文献标识码:B 文章编号:1000—436X(2006)04-0114—05 Improvement to the coverage radius and forward・link capacity of the conventional cell system QIU De-run,WANG Nan-lan (DepartmentofElectricalEngineering。HunanUniversityofArts andScience,Changde 415000,China) Abstract:By way of the reasonable supposition and exemplification analysis,it stated clearly that it can realize the fast switch across areas after the general expandable hardware platform in software radio was applied to traditional conlmu— nication cell network.And it would cause lower interruption rates and increase the coverage radius of the system corn— pared wiht traditional honeycomb systems.Finally it is proved htat hte closed-loop transmission scheme can improve the receiving the energy and hte interference ratio and increase the forward link capacity of hte system. Key words:communication cell network;software radio;coverage radius;closed—loop transmission scheme; forward-link capacity 1 引言 2传统蜂窝系统覆盖半径的提高 当前,无线通信技术的发展日新月异,一些重大体 在传统的蜂窝网络结构中,CDMA的软切换 制改变和技术进步将成为21世纪无线通信领域革命 最多只能采用选择式宏分集I4 J,难以实现一些性 的标志,ITU在制订IMT-2000标准的同时,开始把目 能更好的宏分集算法;而在软件无线通信系统中, 光放到3G以后的无线通信上。软件无线电是1992 当移动台运动时,与其相关的接收天线可以相应变 年美国首次提出的一种实现无线通信的新的体系结 动:把这些天线接收的信号都送到某一个固定的 构。它是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方 基带处理模块去进行解调;也就是说,基带解调 式,其基本概念是采用开放的、可扩展的硬件平台, 模块可以处理从不同天线传送来的某一个移动台 用软件来实现无线通信系统各个功能单元的联系;按 的信号一一这使得多种宏分集算法变得非常容 照这种使传统蜂窝通信软件化的思路来构造无线通 易,相对于CDMA中的软切换,系统的中断率会 信系统,具有十分重要的现实意义Il叫。 大大改善。 收稿日期:2005.09.08;修回日期:2006—02—10 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 邱德润等:传统蜂窝系统覆盖半径与前向容量的提高 ・115・ 2.1信号的损耗 在无线通信系统中,考虑路径损耗和阴影衰落 后,信道模型中信号的损耗可设为 a(r, ):r一 10 (1) 式中 :3或4, 则由两部分组成:一部分是 移动台地形位置的影响,另一部分是基站地形位置 的影响。一般 服从正态分布,其均值为0,方差 为or。 如果用 表示移动台地形位置的影响,用 表 示第f个基站地形位置的影响,则第f个基站接收 的信号所受到的损耗为 = + (2) 其中 a +b =1 (3) 而且 、 、 为相互独立的随机变量,满足 E(O---E(O---E( ̄)----0 (4) vat(5)---,car(C)--var( ̄)= (5) E( =O(所有f) (6) E( ̄)--0(所有f Cj) (7) 当移动台附近和基站附近的衰落具有同样的 方差 时,有a2=6 =0.5。 基于这种合理的假设情况,可以进行下面的讨 论。 2.2传统蜂窝系统的中断率 传统蜂窝系统的中断率 只 = (r一 lO 。 <七) (8) 式中七表示为弥补路径损耗与阴影衰落而需要 的信号功率。 在实现二小区宏分集时,移动台的信号被距离 其最近的两个小区天线同时进行宏分集接收。传统 蜂窝系统中的-d,区宏分集工作示意图如图1所示。 图1 传统蜂窝系统中的二小区宏分集工作示意图 图1中,移动小车的信号被1号天线和2号天 线同时收到后,由基站控制系统(BCS)进行分析、 处理。 这种CDMA软切换采用选择式宏分集,其中 断率为 P=o 一 P ̄[max(r—M lO-0.191)<七] (9) 等价表示为 Po 。 =Pr[min(10glg,i+ ,10/2lg r2+ )> (10) 其中 ),=一10lg(七) (11) 相应的解析表达式为 =去£e-O,5x2Q( ]. Q( ] 2.3软件无线通信系统的中断率 在软件无线通信系统中,采用最大比合并宏分 集算法,其中断率公式变为 Po tMRc=P ̄L(r—M 10_o+ + —r一 10_0・ )<七] (13) 将式(2)代入式(13),有 (r一“10 T +r- lO ) :10-o (r—HlO-o +r- lO_o'。 ) 可得只ut—MRC=P ̄L(r—M10_o・。 十r-/ ̄alO-o。 )<七] 即 Po 卜MRc=PfilO-o ・(r—M10_o'。%+r一 10-o )<七] = 1 E Ee一 )・ QfI ra l-glO ̄).1b ̄x七.at-F2-.UIo"O'Ib ̄Y1) (14) 在k值相同的情况下,对软件无线通信系统的 中断率表达式(14)和传统蜂窝系统的中断率表达式 (9)进行比较,容易发现: t_sc>尸0 t_MRc。 2.4范例分析 图2是移动小车越区切换示意图。可以根据对 称性,通过图2中的小车遍历阴影三角区域时系统 中断率变化的规律,推测出小车遍历某个小区时系 统中断率变化的整体情况,得到系统中断率变化的 仿真曲线如图3所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 通信学报 第27卷 图2蜂窝二小区切换示意图 图3软件无线通信和传统蜂窝通信中断率的比较 图3是在弥补功率k值相同的情况下得到的 (X、Y为移动台遍历阴影三角区域时与基站之间的 相对位置坐标),仿真条件为:/a=3,a2=b2=0.5,阴 影衰落方差o=-8dB。 通过图3仿真曲线,能对传统蜂窝系统和软件 无线通信系统两种情况下的系统中断率变化过程 进行比较。由图3可知: (1)采用软件无线通信系统比传统蜂窝系统有 较低的中断率:对应于图2中斜线阴影区边界处的 A点,P0 t.MRc=O.068要比Pout-sc=0.101低很多。 (2)由于中断率的降低等价于相应系统增益的 下降,因此,采用软件无线通信系统可以降低系统 对增益的要求。 (3)在系统增益相同的情况下,采用软件无线 通信系统的小区面积可以更大一些:也就是说,采 用软件无线通信系统可以提高传统蜂窝系统的覆 盖半径。 (4)由于软件无线通信系统可以处理更多天线 接收的信号,具有极大的可塑性,因此能够比传统 蜂窝系统具有更高的传输可靠性。 (5)由于软件无线通信系统不再依赖基础骨干 网的重复建设,可以在任何网络节点接入,因此能 够比传统蜂窝系统具有更灵活的可扩展性。 3 闭环发送分集方案与系统前向容量的提高 3.1 软件无线通信系统的闭环发送分集方案 采用软件无线通信系统虽然可以抗衰落、改善 反向信道质量,但是对于前向信道来说,系统内的 总干扰会随着参与宏分集基站数目的增多而增大, 导致前向容量的下降【5】。 软件无线通信系统的闭环发送分集方案[6】也就 是反馈发送分集(FBTD)方案 】,通过移动台的信息 反馈,联合调整参与宏分集各基站发送信号的相 位、时间和发送功率,实现系统对基站发送信号的 闭环控制,能够大大改善接收能干比,提高系统的 前向容量。 虽然闭环发送分集方案比较复杂,但是其优点 要比各种开环发送分集方案【8】多得多。 关于闭环发送分集方案的实现问题,将另外撰 文探讨。下面仅从移动台接收的有用信号总功率、 干扰总功率以及每比特能干比等方面对闭环发送 分集方案的优越性予以证明。 3.2闭环系统前向容量的提高 设某移动台k分别与日个基站 >1)建立联 系。在闭环发送分集方案中,各基站联合调节发送 给移动台k的信号相位和发送时间,使得各信号同 时、同相到达移动台k,从而使移动台k接收到的有 用信号总功率为 L f=O - ]j 。 (15) 式(15)中,v膻为第i个基站到移动台k的信 道增益;面 表示基站i相对移动台k不同路径的 发送功率加权值, .P为第i个基站发给移动台k 的功率。 由式(15)可知:各基站通过闭环调节发送给移 动台k的信号相位、发送时间和发送功率加权值, 使得各信号同时、同相到达移动台k时,移动台k 的总有用信号接收功率是各基站发送到移动台k 的有用信号功率和的平方。 由于开环发送分集方案 】采用各基站等功率发 送,不能调节发送信号的相位、时间和功率加权值, 只能使移动台k接收的总有用信号功率只是各基 站发送到移动台k的有用信号功率的代数和。因 此,功率分配方案的好坏直接影响到系统前向容量 的大小 开环发送分集方案虽然可以抗衰落,改善 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 邱德润等:传统蜂窝系统覆盖半径与前向容量的提高 ・117・ 接收信号质量,但同时也会导致前向容量的下降【 。 也就是说:闭环发送分集方案使移动台k的总 有用信号接收功率,随参与宏分集基站数目的增 多,按平方律增长,有利于接收能干比与前向容量 的提高。 下面进一步考察匹配滤波后的总干扰功率。经 过匹配滤波后的干扰功率为 L-I  ̄Pjm+P]+ + 其中等式右边第一项为 个基站以外的总干 扰,第二项为 个基站以内的总干扰,L表示基站 总数目,』v表示扩频比,七f表示与基站.7相联系的 移动台数,P肺表示基站_『发给移动台m的功率, = 0,1,…L一1,P为导频功率。系数1/2缘于载波不 相关。 因为与基站_『(-『=0,l,…L一1)相联系的移动台 数岛服从二项分布,所以当移动台数目很大时,七 可近似看作Possion分布。可以证明,当移动台数 目很大时,各天线发出干扰的相对波动几乎可以不 计,即 kj -1"qlim …l7) k— 曲 出的总干扰∑p加可近似由平均干扰E J p抑J= 嘉 ≥2N——l[ c∑ ・— T —o, ] l(18) (K+1)∑V肛 设g(w ): ,对于V七,采用拉格朗 日法可求得最优功率分配方案: 当 :IL , ,i=O , ,0 … , O J f 时. max g(w )= Wk Ⅳ一1—— 用E【・】表示对阴影衰落求平均(具体计算过程见 参考文献【9】),用【 /,n】 表示平均每比特能干比, 由Jensen不等式,有E I lf墨1,0 I l ≥f墨1成立。,n 嘲 考虑每小区用户数 的最大值即给定性能要求 时,系统能够容纳的最小用户数,对于V k,在最 优功率分配方案下,有 H -1 ≤min ¨∑ 一 (札,Yk) 。E[E[∑L-1 +1】 (20) ∑¨】 j=Oj ̄i ik由于前向容量Ca=Km ,故有闭环发送分集方案 一L三J 下的前向容量为 叫一一 .] : (21) 若系统性能要求为BER< ̄10~,则对应的每比 特能干比要求为( ,0)≥7dB¨Ⅲ,可设平均每比特 能干比为(Eb//o)=7dB,扩频比N=127,基站总数 目L=19,阴影衰落方差口=8dB,代入式(21)可 得到闭环发送分集方案下前向容量的仿真结果如 图4所示(图中劬 表示距离衰减因子)。 鏊 罴 U 基站个数 图4闭环发送分集方案下前向容量G随参与基站数H的变化曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com 通信学报 第27卷 由图4易知,在闭环发送分集方案下,不仅可 以大大提高前向容量,而且前向容量会随着参与宏 分集基站数目的增加而增加。 4结束语 通过合理假设与范例分析,利用二小区传统 蜂窝无线通信系统的仿真比较,表明将软件无线 通信中通用的可扩展硬件平台应用于传统蜂窝无 线通信网后,可以实现快速的越区切换;与传统 的蜂窝系统比较,不仅能够带来更低的中断率, 而且能够降低对系统增益的要求,提高系统的覆 盖半径和传输可靠性:软件无线通信系统具有非 常明显的优点。 采用软件无线通信系统虽然可以抗衰落、改善 反向信道质量,但是对于前向信道来说,系统内的 总干扰会随着参与宏分集基站数目的增多而增大, 从而导致前向容量的下降。 如果在软件无线通信系统中采用闭环发送分 集方案,通过移动台的信息反馈,联合调整参与宏 分集各基站发送信号的相位、时间和发送功率,实 现系统对基站发送信号的闭环控制,就可以有效解 决这个问题。仿真结果表明:在闭环发送分集方案 下,不仅可以大大提高系统的前向容量,而且容量 会随着参与宏分集基站数目的增加而增加,因此能 够大大改善系统的接收能干比,提高系统的前向容 量,更适合于多小区情况。 目前,第三代移动通信正在向全IP方向发展, 未来无线移动通信系统(4G)可将无线通信的传输容 量和速率提高十倍甚至数百倍,形成分层无缝隙全 覆盖的“通用无线电环境”,实现各系统之问的完 美互通。因此,对于软件无线通信的深入研究、开 发,无疑具有十分重要的现实意义。 参考文献: f1】张向荣,李耀民.现代通信新技术发展现状及趋势fJ1.中国数据通 信,2002(10):12.15. 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