移動通信系統中頻率復用方案理論探討*

李玲玲

（廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州511400）

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

1 頻率復用技術的必要性

蜂窩概念的核心思想是相距較遠的小區 （基站）共用同一頻率。但直到1979年第一個蜂窩系統才在美國變為現實。蜂窩技術極大地提高了系統的容量，其代價是增加了系統結構開銷，使通信技術變得較為復雜，具體表現為實現協議更復雜，設備技術復雜，無線資源管理和移動性管理都變得復雜。但通信技術能夠真正走向大眾，其系統容量增加的解決是關鍵，而蜂窩概念的提出解決了限制容量發展的根本因素。移動通信技術的發展是為了不斷擴充容量、提高頻譜利用率，頻率復用技術的演進見證了移動通信技術的不斷完善和進步。為滿足需求，我國GSM網的頻帶曾3次擴展，但頻譜資源依舊緊張，因此頻率復用技術需要不斷改進，以增加網絡容量，同時網絡服務質量也要不斷提高。特別在一些大城市的中心市區，頻譜資源日益緊張，頻率復用等擴容技術成為通信技術發展的關鍵。中國移動用戶的快速增加使網絡擴容成為必然。

大區制采用大功率的基站提供較大的服務范圍，其頻譜利用率低。而小區制采用小功率基站，采用頻率復用技術提高頻譜利用率，有限頻率得以多次使用，此時系統容量較大。大區制網絡只有一個基站，輸出功率較大，大區制條件下，用戶少，頻率相對豐富，但頻率不能復用。移動通信網是由大區制演變成小區制蜂窩系統的，也就是在進行網絡設計時，將基站發射功率降低，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，網絡如蜂窩一般分布。頻率復用其實就是指一個小區使用的頻率信道在隔一定距離后被另一小區重復使用。這些頻點之間會因距離遠近和信號強弱產生或大或小的同鄰頻干擾。頻率規劃時要根據實際情況采用不同的頻率復用方案技術，頻率規劃在頻譜利用率和網絡容量間找到平衡點，使得在保證一定網絡質量的前提下，取得最大的網絡容量。

國內移動通信已進入4G時代。4G發展過程中，其小區邊緣性能的下降備受關注。小區邊緣性能問題是伴隨著蜂窩移動通信系統的固有問題。改善小區邊緣用戶性能最重要的策略便是頻率復用。在正交頻分多址（OFDMA）系統中，如果復用系數為1，即表示相鄰小區使用相同的頻率資源，此時相鄰小區交界處的用戶所產生的干擾很嚴重，小區服務質量急劇變差。OFDMA本質上是頻分多址，其頻率復用系數只有幾個選擇，如1、3、7等。至于4、12、19等頻率復用方案在理論上可行，但在頻分多址系統中實際使用并不多。頻率復用系數應選得較大一些，這樣可以有效抑制小區間的干擾，小區邊緣性能得以改善，但頻譜效率損失較大，滿足不了高質量、高速率的4G系統的業務需求。有文獻提出軟頻率復用方法，其系統性能在一定程度上得以改善，但其小區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的頻率復用方法則是對小區邊緣用戶和小區中心用戶采用不同的頻率復用策略。

移動通信中，地形、環境和氣候都會影響無線電波的傳播，會產生嚴重的多徑衰落，為重復使用有限的頻譜資源，人們發明了蜂窩移動通信技術。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網絡必須擁有10 MHz以上的頻率才能有效利用好頻譜資源。在20世紀末，中國大部分地區每平方公里只能容納6 000～8 000個用戶，難以滿足通信業務的發展，要提高頻譜利用率，必須改進頻率復用技術。

現在常用的一些頻率復用方案都是在有限的頻率帶寬資源下，利用跳頻系統的特性，犧牲一定的通話質量換取容量的提高。各種頻率復用方案效果優劣不一，復雜的通信環境要求在基于理論分析的基礎上現場勘查，選取合適的規劃方案，通過比較與分析選擇網絡質量好的頻率復用方案。分析頻率復用方案必須考慮干擾因素，這些干擾的強弱與四周的環境和天線的性能密切相關。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。頻率復用主要產生同鄰頻干擾，其中以同頻干擾為主，同頻干擾與同頻復用基站距離和基站小區半徑相關。干擾嚴重影響系統服務質量，需要進行精確的頻率規劃以使干擾滿足要求。

2 選擇頻率復用因子的理論依據

頻率復用概念在時域和空間域都可以使用。時域內的頻率復用叫時分復用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域里配置相同的頻率，主要指在一個系統的同一區域內重復使用相同的頻率——這種方案用于蜂窩結構系統中。一個系統中可以有許多同頻小區，將整個頻譜分配劃分為K個頻率復用的模式，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，分配的總信道數是固定不變的，K太大，導致K個小區分配給每個小區的信道數大大減少。K增加但分配給K個小區的信道總數不變，其中繼效率自然就會降低。在同一地區，如果給兩個不同的網絡系統分配同一組信道，將降低其頻率利用率。

在滿足系統性能的條件下應該盡可能使K值最小。為使K值最小，必須使頻率復用距離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為同頻小區數）。從某區轉到同頻小區的方法是：順時鐘走i格，再順時鐘轉60°走j格。

圖1 尋找同頻小區示意圖

以K=7為例（即i=2，j=1），相應模型如圖2所示。

圖2 K=7的相應模型

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域。這些小區要盡可能接近圓形，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域。正六邊形的同頻小區數滿足n=i2+j2+ij；正四邊形滿足n=i2+j2。其中i，j為非零整數。通過分析發現，i、j滿足j=i+1。

在理論上，用正六邊形分析蜂窩系統，第一層有6個同頻小區[2]。因為第一層的周長=2πD，相鄰同頻小區的距離可以近似認為是D，同頻干擾小區數≈2πD/D≈6。

蜂窩系統的布局很有講究，布局不好，干擾源將會增多。每區中小區數目越多（K越大），網絡質量越好，但頻譜利用率越低。

如何充分利用有限頻譜資源，多網復用，全面覆蓋，頻率復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劃而導致的干擾嚴重的問題，需要提供好的、實用的頻率規劃。在給定頻率資源情況下，分配給單位面積的信道數越多，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，盡量地少產生相互干擾。

小區基站和移動臺都可能在中心小區有同頻干擾，如圖3所示。

圖3 小區1的6個有效干擾小區

K的實際物理意義為頻率復用簇中的基站數目。K越大網絡質量越好，但其頻譜利用率越低。

3 多種頻率復用技術

為提高小區邊緣用戶性能，頻率復用可以成為一種有效方式。提高小區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）通過抑制小區間干擾提高小區邊緣用戶性能，根據小區中心與邊緣通信環境的差異，對小區中心與小區邊緣實施不同的頻率復用策略。好的頻率復用方法可以提高系統吞吐量并改善小區邊緣用戶性能。

移動通信網都是從大區制演變成小區制蜂窩系統的。大區制條件下網絡只有一個基站，天線功率大而且覆蓋范圍廣，頻率不需要復用；但隨著用戶和容量的增加其信道數滿足不了需求，因此只能改用小區制的蜂窩系統，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用模式規劃，因為地理分片方式千變萬化且不規則，為減少干擾，普遍采用的方法有：調整天線高度及下傾角，降低基站發射功率。頻率分配需要全面規劃和合理分配，要考慮不同地區頻率復用問題，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越多，頻譜資源的利用越充分。干擾包括鄰道干擾、互調干擾和同頻干擾。如何充分利用有限的頻譜資源提高頻譜利用率，是頻率復用方案要解決的主要問題。

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

GSM中采用了許多抗干擾技術，包括跳頻技術、功率控制技術、分集接收技術等，有效利用以上技術可以提高載波干擾比，從而改善頻率復用技術以增加網絡容量，滿足電信服務質量。

當各基站分布均勻規則且小區方位一致時，相同復用頻率方案下其干擾最小。如果想增加網絡容量，就要盡量保持理想網孔，也就是讓網孔保持正六邊形形狀，理論證明這種形狀的網孔分布最為理想。可以采用相應的技術增加網絡容量，包括小區分裂、利用新的頻率資源和采用緊密頻率復用技術等。還可以采用同心圓技術提高頻率復用技術的效率[3]。

為有效地利用有限的頻譜資源，人們推出多項技術以提高頻率復用，包括TACS/AMPS、GSM/CDMA IS95、WCDMA/CDMA2000等，每一次技術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。蜂窩的頻率復用問題解決得好不好，直接關系著無線網絡容量的發展。

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

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

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