具有雙層系統的分扇區ＣＤＭＡ小區上行鏈路容量

摘 要：碼分多址系統與傳統的時分多址和頻分多址系統相比，在各方面都具有優勢，尤其是能提供更好的服務質量和更大容量，因而成為第三代移動通信系統的核心技術。通過在小區中劃分扇區能進一步提升系統容量，在扇區中又引入雙層系統，可以顯著提高該扇區內容量。由于CDMA系統是噪聲受限系統， 因此以信干比為標準，分析具有雙層系統的分扇區CDMA小區系統的上行鏈路容量。最后通過仿真結果證明了該系統上行鏈路容量相對普通小區系統上行鏈路容量的提升。

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關鍵詞：雙層系統;上行鏈路容量;信干比(SIR);CDMA

中圖分類號：TN914.53 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-050-03

Uplink Capacity of a Sectorized CDMA Cell with a Hot-Spot Two-tier System

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FAN Yan

(Zhejiang Foresty University，Lin′an，311300，China)

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Abstract：Comparing to the traditional TDMA and FDMA systems，the Code Division Multiple Access(CDMA) system has the advantages over different aspects，especially in providing high quality of service and high capacity. Therefore，CDMA has become the core technology in the third generation mobile system. By sectorizing a cell，the system capacity can be further improved，and introducing a hot-spot two-tier system into a sector can obviously improve the capacity of the sector. Since the CDMA system is noise-limited，analysis is carried out，based on Signal-to-Interference Ratio(SIR) criteria，about the uplink capacity of a sectorized CDMA cell with a hot-spot in one sector. Finally，simulation results demonstrate an uplink capacity improvement comparing to the common systems.

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Keywords：two-tier system;uplink capacity;SIR;CDMA

1 引 言

碼分多址(CDMA)系統比時分多址(TDMA)系統和頻分多址(FDMA)系統能提供更大容量^[1]，但是在某些場合下，如辦公樓、體育場，由于用戶密度太大，CDMA系統也無法同時為更多用戶提供服務。為了提高CDMA小區的容量，可以將小區劃分為多個扇區^[2]，并且通過優化系統的參數提高容量^[3]。此外，引入雙層系統到小區中也是提高容量行之有效的辦法^[4-6]。因此，在分扇區的小區之中引入雙層系統，能夠通過提高雙層系統所在扇區的容量而提高整個系統的容量。由于CDMA系統是干擾受限系統，所以可以忽略噪聲對系統的影響，主要研究用戶間干擾對容量的影響，因此，信干比(SIR)成為容量分析中的一個關鍵參數。

不同的用戶受到的干擾不同，通過確定用戶的干擾源可以計算得到信干比，在此基礎之上進行蒙特卡洛仿真，并將仿真結果與普通的CDMA蜂窩模型進行比較。

2 系統模型

圖1所示為系統的幾何模型，該模型采用圓形蜂窩替代六角形蜂窩以簡化分析。宏蜂窩被分為三個扇區，即扇區I、II和III，宏蜂窩的基站也即中心位于原點處，扇區I和III之間的邊界與坐標橫軸成θ角度。對于微蜂窩，將其中心設置于坐標橫軸上，距離宏蜂窩d1，基站也置于坐標橫軸上，距離微蜂窩圓心為x。根據文獻［4］，信號傳輸模型為：



Pr=(λ/4π)2d2Pt，d≤bp=4πhmhbλ

(hmhb)2d4Pt，d>bp

(1)



其中，Pt和Pr分別為發射功率和接收功率;bp表示斷點，它與基站天線高度hb、移動站天線高度hm及波長λ有關;d為移動站天線與基站天線間的距離。在斷點內，信號能量損耗與基站和移動站之間距離的平方成反比，在斷點外，則與該距離的四次方成反比。

對于該系統模型，還有如下假定：

(1) 宏蜂窩半徑為R=10 km，微蜂窩半徑為r=1 km。

(2) 宏蜂窩與微蜂窩中的用戶都為均勻分布。

(3) 宏蜂窩基站天線高度為9 m，微蜂窩基站天線高度為60 m，移動站天線高度為1.5 m，在900 MHz情況下波長為0.33 m。由此可得宏蜂窩的斷點bp=3 393 m，微蜂窩斷點bp=509 m。

(4) 在IS-95中，軟切換是CDMA系統中的一項關鍵技術，為了順利實現軟切換，必須根據用戶接收到的來自宏蜂窩與微蜂窩的導頻信號強度確定一個切換的界限——用戶位于該界限上時，接收到的來自兩個蜂窩的導頻信號強度相同。

圖1 蜂窩幾何模型

在圖1中，取微蜂窩與坐標橫軸兩交點A和B。在A點，接收到來自宏蜂窩的導頻信號強度為：



PrM=(hmhMb)2(d1－r)4αMPtM

(2)



其中，PtM是宏蜂窩發射功率，PrM是移動站接收到的宏蜂窩信號功率，αM是導頻信號功率所占總發射功率比率，hm和hMb分別表示移動站天線高度和宏蜂窩天線高度。

接收到的來自微蜂窩的導頻信號強度為：



Prμ=(hmhμb)2(r－x)4αμPtμ

(3)



上角標和下角標μ表示微蜂窩，由于接收到的來自宏蜂窩和微蜂窩的導頻信號強度相同，即PrM=Prμ′，于是有：



(hMb)2(d1－r)4αMPtM=(hμb)2(r－x)4αμPtμ

(4)



同理，在B點有：



(hMb)2(d1+r)4αMPtM=(hμb)2(r+x)4αμPtμ

(5)



由式(4)，式(5)可得：



x=r2/d1

(6)



(5) 軟切換的實現是基于信號干擾比標準。對于CDMA系統，維持上行鏈路通信所需最小信噪比約為7 dB，系統處理增益約為21 dB，所以上行鏈路SIR的門限值為-14 dB。

3 分析與仿真

三個扇區中的宏蜂窩天線為定向天線，角度為120°。扇區I和II中的用戶受到的干擾主要來自同扇區內其他用戶而不會受到其他扇區用戶的干擾。因此，這兩個扇區內用戶的上行鏈路信干比為：



SIRi=Pr，i/∑mj=1j≠iPr，j



其中，m為扇區內同時支持的用戶數，Pr，i是宏蜂窩基站接收到的來自第i個用戶的信號強度。由于功率控制技術，基站接收到的每個用戶信號強度相同。此外，假定移動站發射功率沒有限制，這樣始終可以維持所需要的信干比。因為上行鏈路門限值為-14 dB，由該門限值可以得到扇區內能同時支持的最大用戶數：



mmax=25



位于扇區III即具有雙層系統的扇區中的用戶，由于其所屬蜂窩不同，干擾源也不同。對于微蜂窩用戶，其干擾包括三個扇區內宏蜂窩用戶的干擾和微蜂窩內其他用戶的干擾，信干比為：



(SIR)μ  = Pμr∑MPMr′(Pathloss)μ (Pathloss)M  + IMμ  + (N-1)Pμr

(7)



其中，M為宏蜂窩同時支持的用戶數，N為微蜂窩同時支持的用戶數，PMr和Pμr分別表示宏蜂窩基站和微蜂窩基站接收到的信號強度。分母中的第一項表示雙層系統扇區中所有宏蜂窩用戶產生的干擾，第二項IMμ表示另外兩個扇區用戶產生的干擾，第三項表示其他微蜂窩用戶產生的干擾。路徑損耗由式(1)決定。

對于宏蜂窩用戶，干擾來自整個扇區內所有用戶(宏蜂窩用戶和微蜂窩用戶)，其信干比為：



(SIR)M  = PMr′∑NPμr(Pathloss)M (Pathloss)μ  + (M-1)PMr′

(8)



與(SIR)μ相似，分母第一項表示微蜂窩用戶產生的干擾，第二項表示該扇區內其他宏蜂窩用戶產生的干擾。

基于式(7)，式(8)進行計算機仿真。仿真時，對θ和d1取不同的值以比較微蜂窩處于不同的位置對系統容量的影響。

圖2 微蜂窩坐標為θ=π/6，

d1=5 000時，扇區用戶數

圖3 微蜂窩坐標為θ=π/3，

d1=5 000時，扇區用戶數

圖2~圖5為不同θ和d1對應的扇區III的用戶數。圖2和圖3顯示出扇區III的最高用戶數達到了40，相比扇區I和II(普通扇區)的最大用戶數25，容量提升了60%。但是圖4和圖5并沒有提升，而與扇區I和II持平。其原因在于，當微蜂窩接近宏蜂窩邊緣時，根據假定(2)用戶均勻分布于整個小區，所以在宏蜂窩的邊緣處用戶數量大于接近宏蜂窩基站處的用戶數，導致宏蜂窩用戶對微蜂窩用戶的干擾明顯加大。此外，在實際系統中，宏蜂窩邊緣處受到相鄰宏蜂窩的干擾也會增加，這也會增大對微蜂窩小區用戶的干擾。

圖4 微蜂窩坐標為θ=π/6，

d1=8 000時，扇區用戶數

圖5 微蜂窩坐標為θ=π/3，

d1=8 000時，扇區用戶數

4 結 語

通過在扇區中引入一個微蜂窩構成雙層系統能夠顯著提高該扇區的容量從而提高整個系統的容量，但是微蜂窩與宏蜂窩的位置影響著容量的提升。當微蜂窩接近宏蜂窩邊緣時，系統容量不再增加，而與普通系統持平；當微蜂窩接近宏蜂窩基站時，系統容量顯著提高。

參 考 文 獻

［1］Gilhousen K S，Jacobs I M，Padovani R，et al.On the Capacity of a Cellular CDMA Systems\\[J\\].IEEE Trans.on Veh.Technol.，1991，40:303-312.

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［2］Koo I，Bang S，Ahn J，et al.Erlang Capacity of Smart Antenna CDMA System Considering the Sector Operation.IEEE Proc.of VTC′03，2003.

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［3］White R G.CDMA Network Capacity Improvements through Operating Parameter Optimization:Analysis and Trial Results.IEEE Proc.of ICC′04，2004.

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［4］Jung-Shyr Wu，Ming-Tzong Sze，Jen-Kung Chung.Uplink and Downlink Capacity Analysis for Two-Tier CDMA Cellular Systems.IEEE Proc.of INFOCOM 1997，1997，626-634.

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［5］Jung-Shyr Wu，Jen-Kung Chung，Yu-Chuan Yang.Performance Study for a Microcell Hot Spot Embedded in CDMA Macrocell Systems\\[J\\].IEEE Trans.on Veh.Technol，1999，48(1):47-59.

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［6］Jobin J，Faloutsos M，Tripathi S K，et al.Understanding the Effects of Hotspots in Wireless Cellular Networks.IEEE Proc.of INFOCOM，2004.

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作者簡介 樊 艷 女，1981年出生，湖北沙市人。主要從事通信理論方向的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。