呼吸效應的利弊及對策

摘要：本文對CDMA無線系統中的小區呼吸現象進行了較為全面的介紹，內容包括小區呼吸的成因、小區呼吸的特性及其利用、小區呼吸效應所帶來的問題和相應的對策等。

關鍵詞：小區呼吸 利弊 對策

1 小區呼吸概述

小區呼吸是CDMA網絡的一個重要特征。小區呼吸即指小區的覆蓋面積與系統的瞬時噪聲的關系非常密切，也就是說小區負載的業務量與其覆蓋范圍是成反比的。因為小區的用戶行為會影響到小區內的業務量，其覆蓋范圍也會相應的發生變化。

2 小區呼吸的成因

CDMA小區覆蓋范圍與小區負載之間的相互關系導致了小區呼吸效應的出現。分析其成因如下：

CDMA系統中干擾主要來源于兩點，一是移動臺和基站同時工作在同一頻帶造成的自干擾；二是相鄰頻帶和模擬信號造成的干擾，其中，對系統通信造成最嚴重影響的是自干擾，對小區覆蓋起著決定性的作用，即CDMA是自干擾受限系統。其自干擾抑制能力表現為在保證一定通話質量下前端I/C可取值。因為導頻Ec/Io對下行鏈路小區起著決定性的作用，小區負載對上行鏈路小區起著決定性的作用，而且上下行不平衡，初期時候，主要是小區大小主要是被上行鏈路限制，在分析小區覆蓋范圍時，要從上行鏈路基站系統的自干擾抑制能力I/C值來看。

I/C=WIo/EbRb=W/Rb/Eb/Io=G/Eb/Io

在上面的式子中：擴譜帶寬用W來表示，W=1.2288MHz，系統熱噪聲加干擾用Io來表示，信號比特能量用Eb來表示，信號傳輸速率用Rb來表示，系統解擴處理增益用G來表示，經解擴處理后的信號質量用Eb/Io來表示。

圖1即為系統模型：

現在擴頻處理增益G的取值是21dB，移動性會影響到Eb/Io值，高移動性的用戶要求8dB，低移動性的用戶要求3～4dB，統計取定為7dB。經計算可知，I/C取值為14dB（25.1），這也就是說，噪聲及干擾強度比有用信號強度大14dB，話音通信質量依舊是正常的。系統的熱噪聲和其他用戶干擾共同決定著IO值，NoW即為系統熱噪聲，No=NeKT，Ne為噪聲系數取值為5dB，計算出No為-168dBm/Hz，NoW為107.1dBm。因為CDMA采用的是精密的功率控制技術，所以小區內全部正在通信的用戶到達基站的信號強度是一樣的，其值至少為覆蓋范圍邊緣的手機發射功率Pt經傳輸耗損T（r）到達基站的信號強度值PtT（r）。如果哦我們用n來表示小區內同時通信手機用戶數，則I/C為：

I/C=（NoW+（n-1）PtT（r）γ）/PtT（r）=NoW/PtT（r）+（n-1）γ

在上面的公式里γ=VAF（1+f）。其中，話音激活因子用VAF來表示，VAF=0.4，其它扇區對當前小區的干擾因子用f來表示，三扇區取值為0.85，全向基站取值為0.66，Pt一般取定為23dBm。

由上式可推導出T（r）=-130-10lg（25.1-（n-1）γ），顯然25.1-（n-1）γ>0，當三扇區γ=0.74，N=35時，系統達到極限容量，這時候干擾能夠完全抑制系統噪聲。

當小區內同時通信用戶數n變大時，系統所能容納的傳輸耗損|T（r）|會相應的變小，也就是說小區半徑會變小，這樣才能保證系統的I/C。小區覆蓋半徑d隨小區容量n的變大而減小，也就是說當I/C固定的情況下，增大覆蓋半徑d能減小小區容量，增加小區容量能縮小覆蓋半徑d。

3 小區呼吸效應的利用

3.1 小區呼吸實現話務分擔 如果緊挨著的小區間負荷的輕重不一樣，一大一小，如果是小區的負載比較大，則可以降低導頻發射功率，這樣本小區的邊沿用戶就會因為達不到相應的導頻強度而切換到相鄰小區，讓其能夠分擔一部分負荷，這樣就間接的使本小區的容量變大了。

3.2 動態覆蓋 通過控制導頻發射功率的大小，CDMA系統就可以通過負載的輕重的變化來適當的改變蜂窩小區的覆蓋范圍。

3.3 差別覆蓋 在小區覆蓋中，城市和農村具有顯著的差異，在城市里，單位面積內話務量相對比較大，這樣就很容易出現“熱點”，這就需要我們集中力量解決容量問題；而鄉村中話務量相對要少很多，這就要求我們集中力量解決覆蓋范圍問題。CDMA系統特性中容量與覆蓋范圍的關系與這種情況是一致的：在進行規劃時，對在城市來說，可以以縮小覆蓋范圍方式來加大小區容量，如果大城市模型中覆蓋范圍是1000米，那么允許20人同時通信。對于鄉村來說，可以以減小負載的方式來加大覆蓋范圍，這樣可以減少投資。

4 小區呼吸所帶來的問題

小區呼吸效應所帶來的問題主要有兩個方面：

4.1 覆蓋空洞 舉個例子：一個基站運轉良好，它的三個扇區分別覆蓋一條街道、一些辦公樓和住宅小區。如上班高峰期街道發生堵塞，很自然，一些使用CDMA手機的用戶就會聚集在這條街道上。他們中的一些人就會打電話告訴其同事他們將會遲到；而另外一些人則可能會下載最新的地圖來查找其他可選擇的道路。這時基站的下行數據流量將急速增加，通信覆蓋隨之惡化，呼損增加，掉話產生，話費就相應的損失了，平時在這一地區本還可以正常通話的用戶會感到不滿意。扇區的呼吸效應導致了這種情況，即隨著一個基站的負荷增加，干擾也隨之增加，從而縮小了基站的有效覆蓋區域。

這種情況在小區覆蓋的邊緣地帶將尤為明顯。在小區話務負荷較輕時，通常可對小區邊緣實現有效覆蓋，小區內的通話質量也會比較好。但隨著小區內用戶數的增加，每個用戶所能分到的基站導頻功率將越來越少，如果沒有相鄰小區的信號進行填補，在小區邊緣將出現覆蓋空洞。同時因每個用戶對系統及小區內的其他用戶而言都相當于是一個干擾源，小區內的總體干擾水平將不斷上升，從而導致信號及用戶通話質量的下降。

4.2 通話質量的下降 通話質量的下降是由于小區負載增加對Eb/Io的影響而造成的。在CDMA系統中，當小區負載比小區容量大時，為了要滿足用戶的接入和通信，服務等級就會變低，這是與GSM等系統的最大差異。在GSM等系統中，如果小區容量比用戶數少，系統會自動禁止此用戶的接入，但是如果系統空出空閑信道是可以接入的，這就是硬容量特性。CDMA軟容量特性是跟這種硬容量特性是相對而言的。我們可以根據小區負載的變大來分析Eb/Io的影響，得到相應的小區容量下用戶數n與Eb/Io的關系曲線。

小區實際容量還要看負載，取負載75%，小區同時可通信的用戶數為極限容量，用Nmax來表示，Nmax×75%=26，考慮30%的切換用戶，小區實際容量為20。

當n=26時，T（r）=-138.2dB。

Eb/Io=21-10lg（NoW/PtT（r）+（26-1）*0.74+（n-1）*（0.4）=21-10lg（NoW/PtT（r）+18.5+（n-26）*0.4）=21-10lg（25.1+（n-26）*0.4）

因為小區負載的增加而造成的Eb/Io值不會減少很多，說明CDMA對超負載還是比較遲鈍的，但是話音質量不會很高。這還說明CDMA是軟容量性能比較好、抗話務負荷能力比較好的系統。

5 小區呼吸的對策

5.1 CDMA網絡規劃中的小區呼吸因素

在小區呼吸效應的作用下，由于各個小區的覆蓋區域大小是動態的，這就增加了網絡規劃的復雜性。

一般情況下，在網絡發展初期，CDMA是一個覆蓋受限的系統，尤其是會受到移動終端的發射功率的限制，通常都是上行覆蓋影響著網絡。而隨著網內用戶的逐漸變多，因為是全部的終端用戶共享基站發射功率和小區呼吸效應，網絡將主要被下行覆蓋限制，這時就要加大傳輸功率來使鏈路平衡。所以，容量和覆蓋規劃在CDMA網絡建設中是密不可分的一個整體，需要平衡后綜合考慮。

5.2 CDMA組網策略 CDMA無線網絡總體組網，依據的是連續覆蓋原則，并非熱點覆蓋。CDMA系統初期建網時的負荷需要做到合理，主要是宏蜂窩三扇區單載頻，而且要注意對那些比較重要的建筑考慮室內分布系統。后期擴容主要是加大載頻。

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