摘 要：碼分多址系統(tǒng)與傳統(tǒng)的時分多址和頻分多址系統(tǒng)相比，在各方面都具有優(yōu)勢，尤其是能提供更好的服務(wù)質(zhì)量和更大容量，因而成為第三代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。通過在小區(qū)中劃分扇區(qū)能進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量，在扇區(qū)中又引入雙層系統(tǒng)，可以顯著提高該扇區(qū)內(nèi)容量。由于CDMA系統(tǒng)是噪聲受限系統(tǒng)， 因此以信干比為標(biāo)準(zhǔn)，分析具有雙層系統(tǒng)的分扇區(qū)CDMA小區(qū)系統(tǒng)的上行鏈路容量。最后通過仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)上行鏈路容量相對普通小區(qū)系統(tǒng)上行鏈路容量的提升。

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關(guān)鍵詞：雙層系統(tǒng);上行鏈路容量;信干比(SIR);CDMA

中圖分類號：TN914.53 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)比時分多址(TDMA)系統(tǒng)和頻分多址(FDMA)系統(tǒng)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(tǒng)也無法同時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)劃分為多個扇區(qū)^[2]，并且通過優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)提高容量^[3]。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^[4-6]。因此，在分扇區(qū)的小區(qū)之中引入雙層系統(tǒng)，能夠通過提高雙層系統(tǒng)所在扇區(qū)的容量而提高整個系統(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系統(tǒng)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(guān)鍵參數(shù)。

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(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化分析。宏蜂窩被分為三個扇區(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。對于微蜂窩，將其中心設(shè)置于坐標(biāo)橫軸上，距離宏蜂窩d1，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)［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(fā)射功率和接收功率;bp表示斷點(diǎn)，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(guān);d為移動站天線與基站天線間的距離。在斷點(diǎn)內(nèi)，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(diǎn)外，則與該距離的四次方成反比。

對于該系統(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=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(diǎn)bp=3 393 m，微蜂窩斷點(diǎn)bp=509 m。

(4) 在IS-95中，軟切換是CDMA系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，為了順利實現(xiàn)軟切換，必須根據(jù)用戶接收到的來自宏蜂窩與微蜂窩的導(dǎo)頻信號強(qiáng)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(dǎo)頻信號強(qiáng)度相同。

圖1 蜂窩幾何模型

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)，接收到來自宏蜂窩的導(dǎo)頻信號強(qiáng)度為：



PrM=(hmhMb)2(d1－r)4αMPtM

(2)



其中，PtM是宏蜂窩發(fā)射功率，PrM是移動站接收到的宏蜂窩信號功率，αM是導(dǎo)頻信號功率所占總發(fā)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(dǎo)頻信號強(qiáng)度為：



Prμ=(hmhμb)2(r－x)4αμPtμ

(3)



上角標(biāo)和下角標(biāo)μ表示微蜂窩，由于接收到的來自宏蜂窩和微蜂窩的導(dǎo)頻信號強(qiáng)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(diǎn)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(xiàn)是基于信號干擾比標(biāo)準(zhǔn)。對于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-14 dB。

3 分析與仿真

三個扇區(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自同扇區(qū)內(nèi)其他用戶而不會受到其他扇區(qū)用戶的干擾。因此，這兩個扇區(qū)內(nèi)用戶的上行鏈路信干比為：



SIRi=Pr，i/∑mj=1j≠iPr，j



其中，m為扇區(qū)內(nèi)同時支持的用戶數(shù)，Pr，i是宏蜂窩基站接收到的來自第i個用戶的信號強(qiáng)度。由于功率控制技術(shù)，基站接收到的每個用戶信號強(qiáng)度相同。此外，假定移動站發(fā)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(qū)內(nèi)能同時支持的最大用戶數(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。對于微蜂窩用戶，其干擾包括三個扇區(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：



(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(shù)，N為微蜂窩同時支持的用戶數(shù)，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(qiáng)度。分母中的第一項表示雙層系統(tǒng)扇區(qū)中所有宏蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾，第二項IMμ表示另外兩個扇區(qū)用戶產(chǎn)生的干擾，第三項表示其他微蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾。路徑損耗由式(1)決定。

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



(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(chǎn)生的干擾，第二項表示該扇區(qū)內(nèi)其他宏蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾。

基于式(7)，式(8)進(jìn)行計算機(jī)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(tǒng)容量的影響。

圖2 微蜂窩坐標(biāo)為θ=π/6，

d1=5 000時，扇區(qū)用戶數(shù)

圖3 微蜂窩坐標(biāo)為θ=π/3，

d1=5 000時，扇區(qū)用戶數(shù)

圖2~圖5為不同θ和d1對應(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，根據(jù)假定(2)用戶均勻分布于整個小區(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)致宏蜂窩用戶對微蜂窩用戶的干擾明顯加大。此外，在實際系統(tǒng)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(qū)用戶的干擾。

圖4 微蜂窩坐標(biāo)為θ=π/6，

d1=8 000時，扇區(qū)用戶數(shù)

圖5 微蜂窩坐標(biāo)為θ=π/3，

d1=8 000時，扇區(qū)用戶數(shù)

4 結(jié) 語

通過在扇區(qū)中引入一個微蜂窩構(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，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，系統(tǒng)容量顯著提高。

參 考 文 獻(xiàn)

［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，F(xiàn)aloutsos 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(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。