電磁頻譜管理中的頻率分配技術研究

孔維威 劉善海

31437部隊 遼寧 沈陽 110000

引言

移動通信中，要使用頻率分配的技術為不同蜂窩區域的用戶提供可靠的信道服務，并且信道分配技術的應用還能實現信道復用，提升系統容量，改善用戶體驗。在分配技術層面分為固定分配、動態分配以及混合分配技術，對這幾種信道分配技術的優缺點開展深入的研究，將會產生積極的工程應用效果。

1 頻率分配在電磁頻譜管理中的作用

電磁頻譜是移動通信技術的信息傳遞媒介，其在當今世界的通信領域具有非常關鍵的作用。早期的移動通信技術利用安裝在高塔上的大功率發射機來提供數量有限的通信業務頻道，雖然其覆蓋面積非常廣，但是其發射的頻道沒有重復利用的可能性。因此，這種單基站大區制的移動通信系統存在覆蓋面積大而容量低的缺陷。然而，一個非?，F實的問題是現階段的移動通信用戶數量已經達到了非常龐大的規模，此外在很多國家，移動通信已經成為人們日常生活的主要通信方式[1]。這種巨大的用戶規模極大地增加了移動通信系統的負荷，頻率資源的矛盾性也更加突出。在這種情況下，人們逐步發展出頻率復用的技術，并且借助頻率分配技術來促進頻道的重復利用，系統的容量也因此而獲得大幅度的提升。

2 頻率復用

2.1 蜂窩技術

傳統技術采用單一的大功率發射機覆蓋較大區域，并為該區域內的用戶提供通信頻道，但是其缺陷也非常明顯，為改善這一情況，蜂窩技術被提出，其核心原理是放棄使用單一大功率發射機，改用多個小功率發射機，每一個專門負責某個特定小區域的用戶，提供通信頻道，同時臨近基站提供的信道或者頻段是不一樣的。這一改造的優點在于原來的大功率單一發射機將有限的頻道資源覆蓋了較大的區域，但是不同區域的用戶往往不能同時使用同一個頻率，也就是頻率不能實現重復利用[2]。但是蜂窩技術的出現將有限的無線頻譜資源分配到不同的小空間上，不同的區域的用戶和使用相同頻段的信道，進而形成了一種覆蓋面積小而系統容量高的優勢。

2.2 頻率復用的基本原理

無線頻譜資源是有限的，在蜂窩技術之下，臨近的基站覆蓋區域、提供的信道是不相同的，這樣做的目的是防止臨近基站之間形成信號干擾。因此，當兩個基站之間的距離足夠遠時，即使將相同的信道通過基站發射到相關的覆蓋區域內，也不會形成信號干擾，這樣就產生了頻率復用的效果。這種技術措施在實踐應用中產生了非常積極的作用，極大地提高了系統容量，在劃分基站覆蓋區域時主要采用無縫無重復的方式。

3 頻率分配技術

3.1 動態信道分配

在蜂窩系統中，不同的小區域內產生的通信需求具有一定的差異，并且同一個區域內的用戶在不同時間段內產生的通信需求也有所差異。也就是系統中的話務量會隨著時間和空間的變化而不斷改變，動態信道分配技術實際上就是根據這種變化來實時的調整信號分配，進而在最大程度上提高無線頻率資源的使用效率。動態信道分配的核心思想是不會將信號以事先固定的方式分配給每個區域，當特定區域的用戶向基站發出呼叫請求之后，再由基站向MSC請求分配一個服務頻道，至于具體的分配方式和頻道情況，事先編制的算法將對其實現自動控制[3]。概算法在實現信道分配時要綜合四個方面的影響因素。①信道距離大??；②用戶所在小區域之后呼叫發生阻塞的概率；③候選信道使用的頻率；④系統中的其他開銷。在這種信道分配方式中中央信道庫設置在話音信道之后，MSC信道則是由服務基站發出的。每次用戶呼叫結束之后會立即將之前提供服務的信道回收到信道庫之中，以便為其他呼叫提供服務。MSC在分配頻率時也要滿足一定的條件，一方面提出呼叫請求的小區域內還沒有使用該頻率，另一方面是最小頻率復用距離的小區里也沒有使用該頻率，這一點主要是為了防止距離較近的小區域內因使用相同的頻道而產生信號干擾，動態信道分配技術的優缺點可參考表1。在動態信道分配技術中必須有效預防用戶之間的相互干擾，以及提升信道的自適應分配能力。

表1 動態信道分配技術的優缺點

3.2 固定信道分配

基于蜂窩技術的固定信道分配技術也是將整個服務區域劃分成若干個小的區域，設計的重點是實現信道復用，與動態信道分配不同，固定信道分配技術會事先去了解各個小區域內的用戶需求，然后以此為基礎為其分配固定的頻道，這種信道在通信領域成為標稱信道。頻道復用的基本原理一樣，主要是控制好不同小區域之間的距離，相互之間不產生干擾，然后就能將同一個信號應用于不同的小區域內。不同區域之間的用戶需求和通信項目需求存在較大的差異，在固定信道分配管理中關鍵是要處理好話務量和信道分配之間的關系，確保其實現最大程度的使用效率。如果各個小區域之間的話務量分配比較均勻，此時通過合理的信道分配就能實現高效率的利用，充分滿足各個區域內的話務需求。然而實際情況是這種業務需求在不同區域之間的分布往往是不均勻的，并且相關的通信需求呈現出動態變化的趨勢，因為用戶的話務需求具有一定的隨機性，每個時段的通信量都會發生變化。這種情況下就不可能實現均勻分布。另外，每一個小區域內的用戶在向基站發出呼叫請求之后，只能由該區域內的閑置信道來完成這一服務，當區域內的同一時期的用戶將信道占滿之后，就沒有可用的閑置信道，此時如果某個用戶向基站發出呼叫請求，就不可能實現通信，這樣就造成了阻塞。為了防止小區域內的部分用戶因為信道阻塞而不能實現有效地通信，在工程實踐中采取了信道借用的策略，也就是允許用戶在信道阻塞的情況下從臨近的其他小區內臨時借用其他信道。MSC會依靠事先編制好的程序來自動完成這一功能，使用過程中要確保這些信號不會出現中斷或者相互干擾的情況。

3.3 混合信道分配

顯然，固定信道分配技術和動態信道分配技術在實際應用過程中都存在一定的優缺點，將這兩種分配技術綜合在一起后可形成更加靈活、資源利用率更高以及業務適應能力更強的信道分配效果，這樣就形成了混合信道分配方案。具體來說，這種技術模式下，信道分配是動態和固定兩種形式的組合，固定信道只能為固定區域的用戶提供通信服務，其他區域的用戶必須經過MSC的調動才能使用。同時，系統中還為各類用戶提供公共的信道服務，技術層面主要采用動態信道分配。當系統中的固定信道被全部占用之后，其他的用戶可利用公共的動態信道來獲取通信服務。在設計混合信道分配時還要充分考慮到動態信道和固定信道之間的分配比例，因為這兩種信道分配方式的占比情況會嚴重影響系統的資源分配和調度能力，并且用戶話務量在時間和空間上的分布特點也會對這兩種分配方式的比例產生一定程度的影響。另外，動態信道分配技術的缺點對系統的資源利用具有一定的制約作用，主要的問題是動態信道會實時占用大量的系統資源，尤其會增加計算機系統的計算量。因此，在這種情況下應該充分掌握各個小區域內的用戶需求和呼叫請求分布特點，控制好動態分布信道和固定信道分配的比例，進而全面提升系統資源的利用效率。

3.4 信道切換

3.4.1 信道切換的含義。用戶在通信的過程中有可能存在跨區域的情況，此時前一個小區域的信道已經不能再向用戶提供服務，這就必須在新的區域內為用戶匹配到一個可用的信道，并且之前通話時產生的各種信號（如語音）也要一并切換到新地信道上，這一過程主要由MSC自行完成。并且在各個小區域內使用空閑的信道時都要先完成切換，然后再完成用戶的呼叫請求。

3.4.2 信道切換的要點。信道切換必須具備一定的依據，其中較為核心的是判斷當前用戶是否要離開正在使用的信道區域，并即將進入到另一個信道區域，有時候信號的突然衰減會對這一判斷造成較大的干擾，讓系統誤以為用戶即將離開當前的基站，這一點要實現有效的預防。此外為了確保信號切換及時且合理，系統必須對存在衰減的信號監測一段時間，重點是通過這一措施來了解系統信號能量的平均值，如果在監測時間段之內始終都呈現出穩定的衰減信號，那就表明可以實施信號切換。這樣做就能避免因為信號的短暫衰減而造成誤切換。移動終端的移動速度在很大程度上決定了信號切換的時間長短，例如，有些用戶在車輛上使用移動信號，其區域切換的速度就變得很快，此時要觀察平均信號強度的坡度，若坡度非常陡峭，則表明應該盡快完成切換。

3.4.3 駐留時間。用戶發起的一個呼叫請求在接通之后會持續一定的實現，只要沒有經過切換，就將其維持話務的時間稱為駐留時間。這一參數會受到眾多因素的干擾，最常見的為用戶和基站之間的距離，信號之間的相互干擾也比較常見。

3.4.4 注意事項。有些移動終端用戶會在公交車輛、私家車或者地鐵等高速運行的交通工具上使用其移動通信設備，而這種較快的運動速度會增加蜂窩系統的計算負荷，甚至會導致系統難以承受這種負荷。增加小區域的劃分和站點分布可提高蜂窩系統的容量，但是在實際操作中要在城市地區獲得足夠多的站點是一件比較困難的事情，運營商在處理此類問題時往往在同一個基站上設計出多種覆蓋區域，服務不同的用戶。

4 結束語

在移動通信中要利用信道復用的技術措施來提升蜂窩系統的容量、提高通信系統的可靠性以及用戶體驗。而信道分配技術對實現這些目標具有非常重要的作用。在工程實踐中可采用動態信道分配、固定信道分配以及混合信道分配三種技術路線，把握好各自的優缺點，提高資源利用效率。