具有雙層系統(tǒng)的分扇區(qū)CDMA小區(qū)上行鏈路容量

l 引 言
    碼分多址(CDMA)系統(tǒng)比時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)和頻分多址(FDMA)系統(tǒng)能提供更大容量，但是在某些場(chǎng)合下，如辦公樓、體育場(chǎng)，由于用戶密度太大，CDMA系統(tǒng)也無(wú)法同時(shí)為更多用戶提供服務(wù)。為了提高CDMA小區(qū)的容量，可以將小區(qū)劃分為多個(gè)扇區(qū)，并且通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)提高容量。此外，引入雙層系統(tǒng)到小區(qū)中也是提高容量行之有效的辦法。因此，在分扇區(qū)的小區(qū)之中引入雙層系統(tǒng)，能夠通過(guò)提高雙層系統(tǒng)所在扇區(qū)的容量而提高整個(gè)系統(tǒng)的容量。由于CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，所以可以忽略噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，主要研究用戶問(wèn)干擾對(duì)容量的影響，因此，信干比(SIR)成為容量分析中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
    不同的用戶受到的干擾不同，通過(guò)確定用戶的干擾源可以計(jì)算得到信干比，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行蒙特卡洛仿真，并將仿真結(jié)果與普通的CDMA蜂窩模型進(jìn)行比較。

2 系統(tǒng)模型
    圖1所示為系統(tǒng)的幾何模型，該模型采用圓形蜂窩替代六角形蜂窩以簡(jiǎn)化分析。宏蜂窩被分為三個(gè)扇區(qū)，即扇區(qū)I、II和III，宏蜂窩的基站也即中心位于原點(diǎn)處，扇區(qū)I和III之間的邊界與坐標(biāo)橫軸成θ角度。對(duì)于微蜂窩，將其中心設(shè)置于坐標(biāo)橫軸上，距離宏蜂窩d1，基站也置于坐標(biāo)橫軸上，距離微蜂窩圓心為x。根據(jù)文獻(xiàn)，信號(hào)傳輸模型為：

其中，Pt和Pr分別為發(fā)射功率和接收功率；bp表示斷點(diǎn)，它與基站天線高度hb、移動(dòng)站天線高度hm及波長(zhǎng)λ有關(guān)；d為移動(dòng)站天線與基站天線間的距離。在斷點(diǎn)內(nèi)，信號(hào)能量損耗與基站和移動(dòng)站之間距離的平方成反比，在斷點(diǎn)外，則與該距離的四次方成反比。
    對(duì)于該系統(tǒng)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=l 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(dòng)站天線高度為1．5 m，在900 MHz情況下波長(zhǎng)為O．33 m。由此可得宏蜂窩的斷點(diǎn)bp=3 393 m，微蜂窩斷點(diǎn)bp=509 m。
    (4)在IS一95中，軟切換是CDMA系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為了順利實(shí)現(xiàn)軟切換，必須根據(jù)用戶接收到的來(lái)自宏蜂窩與微蜂窩的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度確定一個(gè)切換的界限——用戶位于該界限上時(shí)，接收到的來(lái)自兩個(gè)蜂窩的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度相同。

在圖1中，取微蜂窩與坐標(biāo)橫軸兩交點(diǎn)A和B。在A點(diǎn)，接收到來(lái)自宏蜂窩的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度為：

其中，PtM是宏蜂窩發(fā)射功率，PrM是移動(dòng)站接收到的宏蜂窩信號(hào)功率，αM是導(dǎo)頻信號(hào)功率所占總發(fā)射功率比率，hm和hMb分別表示移動(dòng)站天線高度和宏蜂窩天線高度。
    接收到的來(lái)自微蜂窩的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度為：

上角標(biāo)和下角標(biāo)μ表示微蜂窩，由于接收到的來(lái)自宏蜂窩和微蜂窩的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度相同，即PrM=Prμ’，于是有：

(5)軟切換的實(shí)現(xiàn)是基于信號(hào)干擾比標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，維持上行鏈路通信所需最小信噪比約為7 dB，系統(tǒng)處理增益約為21 dB，所以上行鏈路SIR的門限值為一14 dB。

3 分析與仿真
    三個(gè)扇區(qū)中的宏蜂窩天線為定向天線，角度為120°。扇區(qū)I和II中的用戶受到的干擾主要來(lái)自同扇區(qū)內(nèi)其他用戶而不會(huì)受到其他扇區(qū)用戶的干擾。因此，這兩個(gè)扇區(qū)內(nèi)用戶的上行鏈路信干比為：

其中，m為扇區(qū)內(nèi)同時(shí)支持的用戶數(shù)，Pr，i是宏蜂窩基站接收到的來(lái)自第i個(gè)用戶的信號(hào)強(qiáng)度。由于功率控制技術(shù)，基站接收到的每個(gè)用戶信號(hào)強(qiáng)度相同。此外，假定移動(dòng)站發(fā)射功率沒(méi)有限制，這樣始終可以維持所需要的信干比。因?yàn)樯闲墟溌烽T限值為一14 dB，由該門限值可以得到扇區(qū)內(nèi)能同時(shí)支持的最大用戶數(shù)：

    mmax=25
    位于扇區(qū)III即具有雙層系統(tǒng)的扇區(qū)中的用戶，由于其所屬蜂窩不同，干擾源也不同。對(duì)于微蜂窩用戶，其干擾包括三個(gè)扇區(qū)內(nèi)宏蜂窩用戶的干擾和微蜂窩內(nèi)其他用戶的干擾，信干比為：

其中，M為宏蜂窩同時(shí)支持的用戶數(shù)，N為微蜂窩同時(shí)支持的用戶數(shù)，PMr和Prμ分別表示宏蜂窩基站和微蜂窩基站接收到的信號(hào)強(qiáng)度。分母中的第一項(xiàng)表示雙層系統(tǒng)扇區(qū)中所有宏蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾，第二項(xiàng)IMμ表示另外兩個(gè)扇區(qū)用戶產(chǎn)生的干擾，第三項(xiàng)表示其他微蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾。路徑損耗由式(1)決定。
    對(duì)于宏蜂窩用戶，干擾來(lái)自整個(gè)扇區(qū)內(nèi)所有用戶(宏蜂窩用戶和微蜂窩用戶)，其信干比為：

與(SIR)μ相似，分母第一項(xiàng)表示微蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾，第二項(xiàng)表示該扇區(qū)內(nèi)其他宏蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾。
    基于式(7)，式(8)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。仿真時(shí)，對(duì)θ和d1取不同的值以比較微蜂窩處于不同的位置對(duì)系統(tǒng)容量的影響。

圖2～圖5為不同θ和d1對(duì)應(yīng)的扇區(qū)III的用戶數(shù)。圖2和圖3顯示出扇區(qū)III的最高用戶數(shù)達(dá)到了40，相比扇區(qū)I和II(普通扇區(qū))的最大用戶數(shù)25，容量提升了60％。但是圖4和圖5并沒(méi)有提升，而與扇區(qū)I和II持平。其原因在于，當(dāng)微蜂窩接近宏蜂窩邊緣時(shí)，根據(jù)假定(2)用戶均勻分布于整個(gè)小區(qū)，所以在宏蜂窩的邊緣處用戶數(shù)量大于接近宏蜂窩基站處的用戶數(shù)，導(dǎo)致宏蜂窩用戶對(duì)微蜂窩用戶的干擾明顯加大。此外，在實(shí)際系統(tǒng)中，宏蜂窩邊緣處受到相鄰宏蜂窩的干擾也會(huì)增加，這也會(huì)增大對(duì)微蜂窩小區(qū)用戶的干擾。

4 結(jié) 語(yǔ)
    通過(guò)在扇區(qū)中引入一個(gè)微蜂窩構(gòu)成雙層系統(tǒng)能夠顯著提高該扇區(qū)的容量從而提高整個(gè)系統(tǒng)的容量，但是微蜂窩與宏蜂窩的位置影響著容量的提升。當(dāng)微蜂窩接近宏蜂窩邊緣時(shí)，系統(tǒng)容量不再增加，而與普通系統(tǒng)持平；當(dāng)微蜂窩接近宏蜂窩基站時(shí)，系統(tǒng)容量顯著提高。