田永毅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1.引言

當(dāng)今大多數(shù)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)都是建立在蜂窩無(wú)線(xiàn)電概念之上的。無(wú)線(xiàn)蜂窩系統(tǒng)的性能不僅受限于無(wú)線(xiàn)通信鏈路惡劣的物理信道特性，還會(huì)受限于來(lái)自其他用戶(hù)的干擾。

為了設(shè)計(jì)特定的系統(tǒng)級(jí)性能，就要考慮在覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)使用系統(tǒng)的多個(gè)用戶(hù)的位置、系統(tǒng)中同時(shí)通信的用戶(hù)個(gè)數(shù)、傳播條件、每個(gè)用戶(hù)的干擾和功率級(jí)的設(shè)置、每個(gè)用戶(hù)的話(huà)務(wù)量需求等因素對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)之間任何一條鏈路所產(chǎn)生的影響[1,2]。而普通的解析模型很難描述如此復(fù)雜的信道條件，更難得到鏈路性能的解析解。

本文旨在考慮射頻傳播特性、用戶(hù)移動(dòng)性、話(huà)務(wù)量變化與接收信號(hào)電平間的關(guān)系的基礎(chǔ)之上，建立一種蜂窩通信系統(tǒng)仿真模型，為系統(tǒng)級(jí)性能設(shè)計(jì)提供測(cè)試平臺(tái)。

2.系統(tǒng)描述

蜂窩系統(tǒng)為獲得較高的容量在小區(qū)間進(jìn)行頻率復(fù)用，從而導(dǎo)致同頻干擾。對(duì)于六邊形小區(qū)模型，兩個(gè)同頻小區(qū)中心之間的最小距離（最小復(fù)用距離）DN為：

式（1）中，R為是小區(qū)的最大半徑。

在一個(gè)指定小區(qū)中接收到的總的同頻干擾是所有同頻小區(qū)發(fā)送出的同頻干擾信號(hào)的總和，且第一層的同頻小區(qū)對(duì)被測(cè)小區(qū)的干擾影響最大。

同頻干擾是制約無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量和鏈路質(zhì)量的主要因素之一。為了獲得高容量，一般通過(guò)減小蜂窩系統(tǒng)簇（區(qū)群）的大小N，來(lái)縮短信道復(fù)用距離。然而減少簇大小又增加了同頻干擾，降低了鏈路質(zhì)量。

同頻干擾的影響可以用通信鏈路的信干比（SIR）來(lái)估計(jì)。由于無(wú)線(xiàn)傳播影響、用戶(hù)移動(dòng)性以及話(huà)務(wù)量的變化，有用信號(hào)功率與干擾信號(hào)功率是隨機(jī)變量，故SIR也是隨機(jī)變量。因此，通常采用系統(tǒng)的中斷概率P（在特定場(chǎng)合下，SIR低于給定閾值SIR的概率）來(lái)量度同頻干擾對(duì)系統(tǒng)性能影響的嚴(yán)重程度[3]。即：

式（2）中 Q（.）是高斯 Q 函數(shù)。

3.蜂窩通信系統(tǒng)建模

下面討論蜂窩系統(tǒng)的信道模型和扇區(qū)化小區(qū)這兩個(gè)方面，以中斷概率為參考指標(biāo)，來(lái)建立蜂窩通信系統(tǒng)的仿真模型。

3.1 信道模型

在分析蜂窩系統(tǒng)的性能時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是精確地建立無(wú)線(xiàn)傳播對(duì)接收信號(hào)影響的模型，因?yàn)檫@些影響通常是系統(tǒng)性能惡化的主要原因。而接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性主要牽涉到兩個(gè)傳播效應(yīng)：由局部區(qū)域的多徑造成的小尺度衰落；由樹(shù)木、建筑物、地形等因素引起本地平均信號(hào)的隨機(jī)衰減造成的陰影（大尺度衰落）。

一般的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真中，必須同時(shí)考慮小尺度衰落和有用信號(hào)、干擾信號(hào)的陰影。但由于空間分集、擴(kuò)頻、編碼與交織技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于抵消小尺度衰落的影響，故，在此只考慮陰影與路徑損耗對(duì)性能的影響。

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的本地平均信號(hào)電平可以用對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量精確地建模。用分貝表示時(shí)，本地平均信號(hào)電平服從正態(tài)分布，用面積均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)刻畫(huà)[4，5]。采用分貝形式，本地平均信號(hào)功率（用ρ表示）可以表示為：

式（3）中，mx是用dBW表示的區(qū)域平均功率（大尺度傳播路徑損耗），χ是標(biāo)準(zhǔn)差的零均值正態(tài)隨機(jī)變量（大尺度障礙造成的陰影）。

而區(qū)域平均功率mx通常建模為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間分割距離d、路徑損耗指數(shù)γ，發(fā)射功率PT，發(fā)射和接收天線(xiàn)增益GR、GT的函數(shù)，即：

式（4）中的常數(shù)K由模型中所有不變的項(xiàng)組成；θT和φT是信號(hào)發(fā)射端到接收端的發(fā)射俯仰角和方位角；θR和φR是信號(hào)到達(dá)接收天線(xiàn)的到達(dá)俯仰角和方位角。這四個(gè)角度取決于移動(dòng)臺(tái)和基站天線(xiàn)的相對(duì)位置。

3.2 小區(qū)的扇區(qū)化

為了減少同頻干擾，蜂窩通信系統(tǒng)通常要在基站中使用幾個(gè)扇區(qū)化天線(xiàn)。每個(gè)扇區(qū)化天線(xiàn)在指定的扇區(qū)內(nèi)發(fā)射，而且為每個(gè)扇區(qū)分配小區(qū)全部可用信道中的一部分信道。因此，由于基站天線(xiàn)的定向性，減少了基站或者移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)天線(xiàn)的同頻干擾。

3.3 總的同頻干擾

給予接收到的單個(gè)干擾信號(hào)僅受陰影和路徑損耗的影響這一假設(shè)，總的同頻干擾可以建模為單個(gè)干擾信號(hào)的復(fù)合，它們的本地平均功率級(jí)服從于對(duì)數(shù)正態(tài)變化。通常假設(shè)每一個(gè)單個(gè)干擾的相移因散射而變化顯著，因而可以假設(shè)相位是隨機(jī)的，在本地區(qū)域作平均時(shí)，信號(hào)是非相干地疊加的。因此，給定位置的總的同頻干擾I可以建模為對(duì)數(shù)正態(tài)分布信號(hào)之和，即：

4.系統(tǒng)仿真

4.1 仿真流程

蜂窩系統(tǒng)中SIR與中斷概率的仿真流程如圖1所示。

圖1 蜂窩系統(tǒng)仿真流程圖

4.2 仿真參數(shù)

小區(qū)半徑R=1000；路徑損耗指數(shù)γ=4；分貝為單位的對(duì)數(shù)正態(tài)陰影的標(biāo)準(zhǔn)差（σ）=8dB；每個(gè)小區(qū)的扇區(qū)數(shù)：0度、120度、360度；基站扇區(qū)化天線(xiàn)的正反向比=30dB；要仿真的瞬時(shí)位置的組數(shù)（M）=1000；同頻小區(qū)數(shù)量=6。

4.3 仿真結(jié)果與分析

以中斷概率為參考指標(biāo)，六種不同配置情況下蜂窩系統(tǒng)的性能如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，簇大小固定時(shí)，扇區(qū)化減小了SIR低于某一給定閥值的平均中斷概率，即減少了同頻干擾，提高了蜂窩系統(tǒng)的性能。扇區(qū)固定時(shí)，一個(gè)小的簇會(huì)增加系統(tǒng)容量，但同時(shí)增加了每個(gè)用戶(hù)的干擾電平，降低了系統(tǒng)性能。

圖2 不同配置下蜂窩系統(tǒng)鏈路中斷概率比較圖

5.結(jié)束語(yǔ)

本文研究并建立了一種蜂窩無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)仿真模型。該建模方法具有普遍意義，可以進(jìn)行擴(kuò)展，以包括蜂窩系統(tǒng)的其它特征。通過(guò)性能的仿真驗(yàn)證了，蜂窩系統(tǒng)的簇大小、阻塞率、扇區(qū)數(shù)、平均信干比等設(shè)計(jì)參數(shù)，都會(huì)影響蜂窩無(wú)限通信系統(tǒng)的質(zhì)量，并且他們相互關(guān)聯(lián)，經(jīng)常需要針對(duì)系統(tǒng)性能要求進(jìn)行折中。

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