【導(dǎo)讀】1. 1.Introduction. 2

　　

【正文】 解析求解并與信道實(shí)測數(shù)據(jù)比較相符，不過，即使建立了 完美的信道解析模型，再把差錯(cuò)控制編碼、均衡器、分集及網(wǎng)絡(luò)模型等因素都考慮再鏈路中之后，要得出鏈路性能的解析在絕大多數(shù)情況下任然是很困難的甚至是不可能的。因此，在分析蜂窩通信鏈路的性能時(shí)，常常需要進(jìn)行仿真。 跟無線鏈路一樣，對蜂窩無線系統(tǒng)的性能分析使用仿真建模時(shí)很有效的，這是由于在時(shí)間和空間上對大量的隨機(jī)事件進(jìn)行建模非常困難。這些隨機(jī)事件包括用戶的位置、系統(tǒng)中同時(shí)通信的用戶個(gè)數(shù)、傳播條件、每個(gè)用戶的干擾和功率級(jí)的設(shè)置（ power level setting）、每個(gè)用戶的話務(wù)量需求等，這些因素共同作用，對系統(tǒng)中 的一個(gè)典型用戶的總的性能產(chǎn)生影響。前面提到的變量僅僅是任一時(shí)刻決定系統(tǒng)中的某個(gè)用戶瞬態(tài)性能的許多關(guān)鍵物理參數(shù)中的一小部分。蜂窩無線系統(tǒng)指的是，在地理上的服務(wù)區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)用戶和基站的全體，而不是將一個(gè)用戶連接到一個(gè)基站的單個(gè)鏈路。為了設(shè)計(jì)特定大的系統(tǒng)級(jí)性能，比如某個(gè)用戶在整個(gè)系統(tǒng)中得到滿意服務(wù)的可能性，就得考慮在覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)使用系統(tǒng)的多個(gè)用 2 戶所帶來的復(fù)雜性。因此，需要仿真來考慮多個(gè)用戶對基站和移動(dòng)臺(tái)之間任何一條鏈路所產(chǎn)生的影響。 鏈路性能是一個(gè)小尺度現(xiàn)象，它處理的是小的局部區(qū)域內(nèi)或者短的時(shí)間間隔內(nèi)信道的順時(shí) 變化，這種情況下可假設(shè)平均接收功率不變。在設(shè)計(jì)差錯(cuò)控制碼、均衡器和其他用來消除信道所產(chǎn)生的瞬時(shí)影響的部件時(shí)，這種假設(shè)時(shí)合理的。但是，在大量用戶分布在一個(gè)廣闊的地理范圍內(nèi)時(shí)，為了確定整個(gè)系統(tǒng)的性能，有必要引入大尺度效應(yīng)進(jìn)行分析，比如在大的距離范圍內(nèi)考慮單個(gè)用戶受到的干擾和信號(hào)電平的統(tǒng)計(jì)行為時(shí)，忽略瞬時(shí)信道特征。我們可以將鏈路級(jí)仿真看作通信系統(tǒng)性能的微調(diào)，而將系統(tǒng)級(jí)仿真看作時(shí)整體質(zhì)量水平粗略但很重要的近似，任何用戶在任何時(shí)候都可預(yù)計(jì)達(dá)到這個(gè)水平。 通過讓移動(dòng)臺(tái)在不同的服務(wù)區(qū)內(nèi)共享或者復(fù)用通信信道，蜂窩系統(tǒng)能達(dá)到 較高的容量（比如，為大量的用戶服務(wù)）。信道復(fù)用會(huì)導(dǎo)致公用同一信道的用戶之間產(chǎn)生同頻干擾，這是影響蜂窩系統(tǒng)容量和性能的主要制約因素之一。因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)蜂窩系統(tǒng)時(shí)，或者在分析和設(shè)計(jì)消除同頻干擾負(fù)面影響的系統(tǒng)方法時(shí)，需要正確理解同屏干擾對容量和性能的影響。這些影響主要取決于通信系統(tǒng)的狀況，如共享信道的用戶數(shù)和他們的位置。其他與傳播信道條件關(guān)系更密切的方面，如路徑損耗、陰影衰落（或叫陰影）、天線輻射模式等對系統(tǒng)性能的影響也很重要，因?yàn)檫@些影響也歲特定 用戶的位置而改變。本章我們將討論在同頻干擾情況下，包括一個(gè)典型系統(tǒng)中的天線和傳播的影響。盡管本章考慮的例子比較簡單，但提出的分析方法可以容易地進(jìn)行擴(kuò)展，以包括蜂窩系統(tǒng)的其他特征。 蜂窩無線系統(tǒng) 系統(tǒng)級(jí)描述： 如圖 171 所示，通過把地理區(qū)域分成一個(gè)個(gè)稱為小區(qū)的部分，蜂窩系統(tǒng)可以在這個(gè)區(qū)域內(nèi)提供無線覆蓋。把可用的頻譜也分成很多信道，每個(gè)小區(qū)分配一組信道，每個(gè)小區(qū)中的基站都配備了可以同移動(dòng)用戶進(jìn)行通信的無線調(diào)制解調(diào)器。從基站到移動(dòng)臺(tái)這個(gè)發(fā)送方向使用的射頻信道稱為前向信道，而從移動(dòng)臺(tái)到 基站這個(gè)發(fā)送方向使用的 信道稱為反向信道。前向信道和反向信道共同構(gòu)成了雙工蜂窩信道。當(dāng)使用頻分雙工（ FDD,frequency division duplex）時(shí)，前向信道和反向信道使用不同的頻率；當(dāng)使用時(shí)分雙工時(shí)（ TDD,time division duplex） 3 時(shí)，前向信道和反向信道占用相同的頻率，但使用不同的時(shí)隙進(jìn)行傳送。 高容量的蜂窩系統(tǒng)在小區(qū)間進(jìn)行頻率復(fù)用，同頻小區(qū)（共用相同頻率的小區(qū)）之間要離開足夠的距離以減輕同頻干擾。如圖 172 所示， N 個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)簇（ cluster，又叫“區(qū)群”），覆蓋地理上的服務(wù)區(qū) ，以實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用， N 是簇的大小。 把服務(wù)區(qū)內(nèi)可用的無線頻譜都分配給每一個(gè)簇，使同一個(gè)簇內(nèi)的小區(qū)不共用相同的信道。如果服務(wù)區(qū)內(nèi)的可用頻譜由 M 個(gè)信道構(gòu)成，用戶均勻分布在服務(wù)區(qū)內(nèi)，則每個(gè)小區(qū)可以分得 M/N 個(gè)信道。因?yàn)榇卦诜?wù)區(qū)內(nèi)復(fù)制，復(fù)用信道將導(dǎo)致同頻小區(qū)的層狀結(jié)構(gòu)（ tier）。同頻基站和移動(dòng)臺(tái)之間的射頻能量傳播，會(huì)引起同頻干擾。例如，如果一個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)接收來自本地小區(qū)基站的信號(hào)和鄰近層的同頻小區(qū)基站產(chǎn)生的信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。本例中，其中一個(gè)同頻前向鏈路信號(hào)（基站到移動(dòng)臺(tái)的傳輸）是我們的有用信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)接收到 的其他同頻信號(hào)就構(gòu)成了對接機(jī)的同頻干擾，同頻干擾的功率級(jí)與同頻小區(qū)之間的分隔距離密切相關(guān)。如果小區(qū)建模為如圖 172 所示的六邊形。兩個(gè)同頻小區(qū)中心之間的最小距離 ND （叫做復(fù)用距離）等于 RDN N3? （ ）式中 R 式小區(qū)的最大半徑（這個(gè)六邊形內(nèi)接在半徑為 R 的圓中）。 因此，我們馬上可以從圖 172 看出，小簇（小復(fù)用距離 ND ）會(huì)引起同頻小區(qū)間的大干擾。 4 在一個(gè)指定小區(qū)中接收到的同頻干擾的電平，還取決于任一時(shí)刻活躍的同頻小區(qū)的數(shù)量。如前所述，在我們感興趣的那個(gè)特定小區(qū)周圍，同頻小區(qū)組成一個(gè)個(gè)的層。在一個(gè)給定層中，同頻小區(qū)的數(shù)量取決于層的階次和用來表示小區(qū)的幾何形狀（如一個(gè)基站覆蓋的面積）。對于典型的六邊形，最近的同頻小區(qū)在第一層，有六個(gè)同頻小區(qū)，第二層有 12 個(gè)，第三層有 18 個(gè)，以此 類推。因此，總的同頻干擾時(shí)從所有層的全部同頻小區(qū)發(fā)送出的同頻干擾信號(hào)的總和。但是第一層的同頻小區(qū)對總的干擾時(shí)從所有層的全部同頻小區(qū)發(fā)送出的同頻干擾信號(hào)的總和。但是第一層的同頻小區(qū)對總的干擾有較強(qiáng)的影響，因?yàn)樗鼈兏拷鼫y量干擾的小區(qū)。 人們認(rèn)識(shí)到同頻干擾時(shí)制約無線通信系統(tǒng)的容量和鏈路質(zhì)量的主要因素之一。在系統(tǒng)容量（大尺度系統(tǒng)問題）和鏈路質(zhì)量（小尺度系統(tǒng)問題）之間作折中時(shí)，它起到舉足輕重的作用。例如，在不增加分配給系統(tǒng)的無線頻譜帶寬的前提下，得到高容量（大量的用戶）的一種措施是，通過減小蜂窩系統(tǒng)簇的大小 N，來縮 短信道復(fù)用距離。然而，減少簇大小又增加了同頻干擾，這會(huì)降低鏈路質(zhì)量。 蜂窩系統(tǒng)中的干擾電平在任何時(shí)候都是隨機(jī)的，必須通過對蜂窩之間的射頻傳播環(huán)境和移動(dòng)用戶的位置進(jìn)行建模才能仿真。另外，每個(gè)用戶話務(wù)量的統(tǒng)計(jì)特性以及基站中信道分配方案的類型決定了瞬時(shí)干擾電平和系統(tǒng)的容量。 同頻干擾的影響可以用通信鏈路的信干比（ SIR）來估計(jì)，這里信干比定義為有用信號(hào)的功率 S 與總干擾信號(hào)的功率 I 之比。由于無線傳播影響，用戶移動(dòng)性以及話務(wù)量的變化，功率級(jí) S 和 I 都是隨機(jī)變量， SIR 也是一個(gè)隨機(jī)變量。因此，同頻干擾對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響的 嚴(yán)重程度，通常用系統(tǒng)的中斷概率來進(jìn)行分析。在這個(gè)特定場合下，中斷概率定義為 SIR 低于給定閾值 0SIR 的概率，即 dxp]S IRP r[S IRP )x0S I R0 S I R0o u t p a g e （???? （ ） 其中 是 SIR 的概率密度函數(shù)。要注意鏈路中斷概率和系統(tǒng)中斷概率之間的區(qū)別，前者是根據(jù)可接受的聲音性能所需的特定誤比特率（ BER）或者Eb/N0 閾值，確定是否為中斷，而后者考慮的是一個(gè)典型用 戶可接受的移動(dòng)性能所需的 SIR 閾值。 如第 11 章所述，用來估計(jì)蜂窩系統(tǒng)中斷概率的解析方法，需要已知射頻傳播影響、用戶移動(dòng)性和話務(wù)量變化等隨機(jī)量的易于處理的模型，以求得 SIR(x)pSIR(x)p 5 的解析表達(dá)式。然而，由于這些影響和接受信號(hào)電平間的復(fù)雜關(guān)系，很難對這些影響采用解析模型。因此，主要靠仿真來估計(jì)蜂窩系統(tǒng)的中斷概率，仿真還為分析提供了靈活性。本章我們給出了蜂窩通信系統(tǒng)的簡單仿真示例，著重考慮通信系統(tǒng)的一些系統(tǒng)方面的問題，包括多用戶性能、話務(wù)量工程和信道復(fù)用。為了進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，要考慮單個(gè)通信鏈路的許多方面，包 括信道模型、天線輻射模式，以及 Eb/N0（如 SIR）和可接受性能之間的關(guān)系。