频率复用技术分析与比较课程设计.docx

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频率复用技术分析与比较课程设计

课程设计报告

课程名称：

移动通信原理课程设计

设计题目：

频率复用技术分析与比较

学生班级：

学生姓名：

指导教师：

完成日期：

2016-6-17

数学与计算机学院

课程设计项目研究报告

目录

第1章项目简介4

1.1项目名称4

1.2开发人员4

1.3指导教师4

第2章项目研究意义4

2.1频率复用的原理：

4

2.2需求分析5

2.3研究意义5

第3章移动通信的区域覆盖方式5

3.1小容量的大区制：

5

3.2大容量的小区制：

5

第4章4*3频率复用技术7

4.14×3频率复用技术的概念7

4.24×3频率复用技术的优点7

第5章MRP技术8

5.1MRP技术基本原理8

5.2固定型MRP9

5.3改进型MRP9

5.4MRP技术的主要特点9

第6章阐述不同蜂窝网络的增容方式及其原理10

6.1CDMA蜂窝系统10

6.2FDMA和TDMA蜂窝系统11

第7章各种频率复用方式容量的比较12

第八章新型频率复用方式的比较13

8.1分数频率复用13

8.2软频率复用技术14

8.3一种新颖的频率复用方案14

8.4结论15

第9章频率复用的应用15

9.1ICIC技术简介及其实现方式15

9.2不同的频率复用系数SINR的计算16

第10章课程总结：

16

第11章参考文献17

第1章项目简介

1.1项目名称

频率复用技术分析与比较

1.2开发人员

2013通信工程2班黄莹（组长）、刘清海、赵敏敏

1.3指导教师

韩辉珍

第2章项目研究意义

2.1频率复用的原理：

频率复用也称频率再用，就是重复使用（reuse）频率，是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。

FDM常用于模拟传输的宽带网络中。

在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多。

如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。

在频分复用系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段，每路信号用其中一个频段传输，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收。

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道；然后在每个子信道上传输一路信号，以实现在同一信道中同时传输多路信号。

多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠；然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号都在以它的载波频率为中心，一定带宽的通道上进行传输。

为了防止互相干扰，需要使用抗干扰保护措施带来隔离每一个通道。

在GSM网络中频率复用就是，使同一频率覆盖不同的区域（一个基站或该基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以满足将同频干扰抑制到允许的指标以内。

2.2需求分析

我国城市人口密度很大，GSM网经过几次大规模扩容后，特大城市和部分大城市的市区宏蜂窝基站平均站距不到1000m，小区覆盖半径也就是几百米左右，有些“热点”地区站距只有300m左右。

可见，再靠大规模小区分裂技术来增加网络容量已经不现实了。

因此，对于许多经济发达的城市，为了满足移动用户迅猛增长的需求，一个措施是向DCS1800发展，建立双频网。

另一个措施就是在900MHZ现有的频率资源情况下，采用密化的频率复用技术。

2.3研究意义

研究频率复用技术的主要目的在于通过抑制单元间干扰，实现高质量通信以及进一步提高频率使用效率，实现更大容量的信息传输。

增

第3章移动通信的区域覆盖方式

3.1小容量的大区制：

大区制是指一个基站覆盖正割服务区。

为了增大单基站的服务区域，天线架设要高，发射功率要大。

但是这只能保证移动台可以接收到基站的信号。

反过来，当移动台发射时，由于受到移动台发射功率的限制，就无法保障通信。

为了解决这个问题，可以在服务区内设若干分集接收点与基站相连，利用分集接收来保证上行链路的通信质量；也可以在基站端采用全向辐射天线和定向接收天线，从而改善上行链路的通信质量。

为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数（装备量也随之加大），因此，大区制只能适用于小容量的通信网，这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。

3.2大容量的小区制：

由于蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的智能分配和复用，所以基站天线设计要做到能获得某一定小区内的期望。

通过将覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可以覆盖不同的小区，只要这些小区的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划。

3.2.1小区制的概念

将所要覆盖的地区划分为若干小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10公里左右，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。

3.2.2频率复用

用有限的频率数就可以服务多个小区，每一个小区和其他小区可再重复使用这些频率，称为频率复用。

这种组网方式可以构成大区域大容量移动通信系统。

3.2.3小区域覆盖区

小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种，一种是带状服务覆盖区；另一种是面状服务覆盖区。

（1）带状服务区

一般应用在铁路、公路、沿海等地。

按横向排列覆盖整个服务区，BS使用定向天线，有许多细长的无线小区相连而成。

为了克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组或四频组的频率配置方式，如图111所示。

从造价和频率利用率来看，选择二频组最好，但二频组的抗干扰能力最差。

（2）面状服务区

陆地移动通信大部分是在一个宽广的平面上实现的，平面服务区的无线小区组成的实际形状取决于电波传播条件和天线方向性。

如果服务区的地形、地物相同，且基地台采用全向天线，其覆盖范围大体是一个圆。

为了不留空隙地覆盖整个服务区，无线小区之间会有大量的重叠。

在考虑重叠之后，每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形，这些多边形有正三角形、正方形和正六边形。

但是用六边形作为覆盖模型，则用最小的小区数就能覆盖整个地理区域；而且，六边形最接近于全向的基站天线和自由空间传播的全向辐射模式。

所以正六边形小区形状最佳，且相互邻接构成蜂窝状网络结构。

六边形的面状服务区的形状像蜂窝——称蜂窝网。

蜂窝网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干个无线区群构成整个服务区。

为了实现同频复用，防止同频干扰，要求每个区群中的小区，不得使用相同频率，只有在不同的无线区群中，才可使用相同的频率进行频率复用。

实际上，由于无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。

当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶点之中的3个上（顶点激励小区）。

通常的频率复用方式有：

“4*3”复用，“3*3”复用，以及更为紧密的“1*3”复用。

不同频率复用方式具有不同的频率利用率。

本文主要采用“4*3”复用的方式。

第4章4*3频率复用技术

4.14×3频率复用技术的概念

“4×3”复用复用方式针对每基站划分为3扇区的规划。

12个频率为一组，并轮流分配到4个站点，每个站点可用其中的3个频率，如图1所示。

这是“900MHzTDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网络技术体制”建议采用的复用方式，也是GSM系统中最常用和最典型的复用方式。

对于三叶草60°天线，其D/R=6；对于120°天线，其D/R=3.46。

采用三叶草60°天线时抗同频干扰性能会更好。

4.24×3频率复用技术的优点

这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求。

使GSM网络运行质量好，安全性好。

各个厂家都根据自己设备的能力及软件功能采用了不同的密化的复用技术，但这是以减少同频复用距离，降低干扰保护比为代价的。

由于在GSM系统中，采取了许多抗干扰技术，如跳频、功率控制、话音不连续传输（DTX）、分集接收等，将这些技术有效应用会进一步提高载波干扰比C/I，使C/I有一定的富余，因此，可通过采用密化的频率复用技术进一步增加网络容量，并使网络满足服务质量要求。

根据GSM体制规范的建议，通常在无线网络规划中都采用4×3频率复用方式，即4个基站区（每个基站分为3个120°扇形小区或60°三叶草形小区），12个扇形区为一小区群。

这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求，使GSM网络运行质量好，安全性好。

但是，这种复用方式频率利用率低，满足不了业务量大的地区扩大网络容量的要求。

我国城市人口密度很大，GSM网经过几次大规模扩容后，特大城市和部分大城市的市区宏蜂窝基站平均站距不到1000m，小区覆盖半径也就是几百米左右，有些“热点”地区站距只有300m左右。

可见，再靠大规模小区分裂技术来增加网络容量已经不现实了。

“4*3”复用方式针对每基站划分为3扇区的规划区域。

12个频率为一组，并轮流分配到4个站点，每个站点可用其中的3个频率。

如上图所示。

当GSM系统话务需求量很大时，通常采用多重频率复用（MRP）方式。

第5章MRP技术

5.1MRP技术基本原理

多重复用模式（MRP）技术就是把所有可用的载频有规律地分为几组，每一组中的载频作为独立的一层，在做频率规划时，每组的载频可根据网络容量的需要采用不同的复用方式。

需要指出的是，由于广播控制信道（BCCH）不使用不连续发射（DTX）和跳频技术，发射功率较大，其干扰特性与业务信道（TCH）不同，因此，为了保证网络的服务质量和安全可靠，建议BCCH采用4×3复用方式，显然，用于BCCH的载频数应不少于12个。

在实际应用中，一般分配12---15个。

现以频率带宽为6MHz加以说明，国家组委会在900MHz 频段上，划分给中国电信的频段，当用于GSM网的频带为6MHz时，可用载频数为30对，频道号是 65---95（划分给中国联通的频段有29对载频，频道号是96---124），采用MRP技术时，将30对载频按12/9/6/3分为4组，分组方式如表1所述。

广播控制信道（BCCH），业务信道TCH1， TCH2 及微蜂窝分别可有12，9，6，3 对载频可配置，那么，BCCH采用4×3复用方式，TCH1采用3×3复用方式，TCH2采用2×3复用方式，可配置成3/3/3结构的基站，比单纯使用4×3模式提高了容量。

 有效应用抗干扰技术将会提高C/I，密化频率复用方式，提高频率利用率。

BCCH使用4*3或更高的复用系数，以保证BCCH信道质量；而TCH则使用相对紧密的复用方式。

根据BCCH和TCH载频选取的方式不同，又分几种MRP。

 频率多重复用MRP（MultiplefrequencyReusePattern）方式就是将所有可用载频分为几组，每一组载频作为独立的一层，不同层的频率采用不同的复用方式，也就是说在同一网络中采用不同的频率复用方式，频率复用逐层紧密。

为保证BCCH的安全，MRP中用于BCCH的载频数应不少于12个。

按TCH分组方法的不同，MRP又可分为固定型MRP与改进型MRP。

5.2固定型MRP

固定型的MRP就是划分给业务信道（TCH）各层的载频固定不变，互相独立，不重叠，如表1所示，做频率规划时，逐层配置载频，这样做的优点是TCH载频调整容易，如果某层TCH出现了干扰等问题，只要调整那一层即可，不必考虑其它层载频的影响。

缺点是载频配置不灵活。

表16MHz带宽MRP载频分组方式

逻辑信道

频道号

BCCH（12）

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

TCH1（9）

78

79

80

81

82

83

84

85

86

TCH2（6）

87

88

89

90

91

92

微蜂窝（3）

93

94

95

5.3改进型MRP

改进型的MRP就是划分给业务信道（TCH）各层的载频互相重叠，不独立，具体分组方式如表2所示，TCH3层分配的载频不变，而在TCH2层中增加了TCH3层的载频，在TCH1层中增加了TCH2层的载频，在作频率规划时，可根据话务量密度分布情况，采用不同的复用方式，灵活配置载频。

表2改进型的MRP分组方式（7.2MHz带宽）

逻辑信道

频道号

BCCH（12）

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

TCH1（24）

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

TCH2（15）

81

82

83

84

85

86

87

88

89

TCH3（7）

89

5.4MRP技术的主要特点

MRP技术打破了传统的固定频率复用模式，使载频配置灵活，特别是使一个扇形小区分配的载频不可能与同频复用的扇形小区的载频完全相同，既改善了同频干扰保护比，也改善了跳频效果，这是MRP技术显著的特点。

 MRP技术可根据容量需求及话务量分布情况灵活进行频率规划，可逐步提高网络容量，比单纯使用4×3复用方式网络容量高，与单纯采用3×3，2×3，1×3复用方式相比对网络质量影响小，采用的技术如跳频、功率控制，不连续发射（DTX）是GSM系统应具备的技术，在设备及软件上无其它特殊要求，只要进行精心的网络规划和优化，能满足网络安全可靠运行。

富余的载频可用于微蜂窝。

第6章阐述不同蜂窝网络的增容方式及其原理

6.1CDMA蜂窝系统

决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：

处理增益、

、语音负载周期、频率再用效率，以及基站天线扇区数。

若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，则接收信号的载干比

式中，

为信息的比特能量；

为信息的比特速率；

为干扰的功率谱密度；

为总频带宽度（即CDMA信号所占的频谱宽度）；

类似通常所说的归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率或语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；

为系统的处理增益。

若

个用户公用一个无线频道，显然每一个用户的信号都受到其他

个用户信号的干扰。

假设到达一个接收机的信号强度和各个干扰强度都相等，则载干比为

，即

如果把背景热噪声

考虑进去，则能够接入此系统的用户数可表示为

在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率，减小归一化信噪比，增大系统的处理增益都有利于提高系统的容量。

假定条件是，所谓到达接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，对单一小区（没有邻近小区的干扰）而言，在前向传输时，不加功率控制即可满足；但在反向传输时，各个移动台向基站发送的信号必须进行理想的功率控制才能满足。

其次，应根据CDMA蜂窝移动系统的特点对这里得到的公式进行修正。

（1）采用语音激活技术提高系统容量

在典型的全双工通话中，每次通话中语音存在时间小于35%，即语音的激活期（占空比）d通常小于35%，即其他用户收到的干扰会相应地平均减小65%，从而使系统容量提高到原来的1/d=2.86倍。

为此CDMA系统的容量公式被修正为

当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时，用户数可表示为

（2）利用扇区划分提高系统容量

CDMA小区扇区化有很好的容量扩充作用。

当利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分为3个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一，相应的各用户之间的多址干扰分量也就减小为原来的三分之一，从而使系统的容量增加约3倍（实际上，由于相邻天线覆盖之间有重叠，一般能提高到G约等于2.55倍）。

为此CDMA系统的容量公式又被修正为

式中，G为扇区分区系数。

（3）频率再用

在CDMA系统中，所有用户共享一个无线频率，即若干小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。

因此任一小区的移动台都会收到相邻小区基站的干扰，任一小区的移动台对相邻小区基站（反向信道）的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台（前向信道）的总干扰量是不同的，对系统容量的影响也有差别。

对于反向信道，因为相邻小区基站中的移动台功率受控而不断调整，对被干扰小区基站的干扰不易计算，只能从概率上计算出平均值的下限。

然而理论分析表明，假设各小区的用户数为M,M个用户同时发射信号，前向信道和反向信道的干扰总量对容量的影响大致相等，因而在考虑邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响时，一般按前向信道计算。

对于前向信道，在一个蜂窝小区内，基站不断地向移动台发送信号，移动台在接收它自己所需的信号时，也接受到基站发诶其他移动台的信号，而这些信号对它所需的信号将形成干扰。

当系统采用前向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因，对于靠近基站的移动台，受到的本小区基站发射的信号干扰比距离远的移动台要大，但受到相邻小区基站的干扰较小；位于小区边缘的移动台，受到本小区基站发射的信号干扰比距离近的移动台要小，但受到相邻小区基站的干扰较大。

移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方。

假设各小区中同时通信的用户数是M，即各小区的基站同时向M个用户发送信号，理论分析表明，在采用功率受控时，没小区同时通信的用户数将下降到原来的60%，即信道复用效率F=0.6，也就是系统容量下降到没有考虑邻区干扰时的60%。

此时，CDMA系统的容量公式再次被修正为

6.2FDMA和TDMA蜂窝系统

对于模拟FDMA系统来说，无线容量为

对于数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4-5dB（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以再近一些。

所以可以采用比7小的方案，例如，N=3的方案，则可求得TDMA的无线容量：

式中，

为TDMA的等效带宽，等效带宽与TDMA系统的每个载频时分的时隙数有关，即

式中，

为TDMA的频道带宽，

是每个频道包含的时隙数。

第7章各种频率复用方式容量的比较

表3列出了在不同的带宽条件下，采用4×3复用方式和采用其他复用方式

容量的比较。

从表中可以看出采用1×3复用方式，频率利用率最高，网络容量提高最大，但干扰严重，对网络运行质量影响大，一般都慎重采用。

而MRP或IUO技术可使网络容量提高较大，网络调整优化容易，能保证网络的服务质量。

表3GOS（呼吸率）=0.02a（话务量）=0.025Er1

带宽

复用方式

可负荷话务量

可容纳用户

容量比

6MHz

4*3

37.99

1519

1

3*3

44.685

1788

1.18

1*3

65.796

2631

1.73

MRP（12，9，6）

44.685

1788

1.18

2*6

49.20

1968

1.30

IUO4*3+2*3

44.685

1788

1.18

7.2MHz

4*3

44.685

1788

1

3*3

65.796

2631

1.47

1*3

84.76

3390

1.90

MRP（12，9，8，7）

65.796

2631

1.47

2*6

69.495

2780

1.55

IUO4*3+2*3

65.796

2631

1.47

随着无线通信技术的发展，我们对频率资源的需求越来越大。

如何有效利用频率资源，实现信道容量的最大化，实现高质量的信息传输，覆盖尽可能多的on过户一直是我们追求的目标。

随之涌现出的一大批无线通信技术中，频率复用技术显示出其非凡的应用前景。

第八章新型频率复用方式的比较

8.1分数频率复用

8.1.1简介

分数频率复用（FFR）是指小区内部的频率复用因子FRF=1，小区边缘的FRF=3。

由于FRF既不完全等于1，也不完全等于3，所以称为FFR。

采用FFR的原因是因为当小区内部的干扰可以消除时，通过Shannon信道容量计算公式可以得到：

FRF=3可实现小区边缘容量的最大化。

增大FRF减少了每个小区可使用的频带，但同时也提高了干扰加噪声比（SINR）。

两者在FRF=3时达到了最佳状态，实现了容量的最大化。

而OFDMA又可以满足“小区内部干扰被消除”的条件，使得FFR变得切实可行。

对于小区内部而言，由于SINR较大，不需要通过增大FRF来提高SINR，所以采用同频复用即FRF=1。

8.1.2网络结构

在蜂窝网络单元六边形的靠近顶点的边界上放置六个中继站（RS）。

这样，夹于两个RS之间的扇区与基站（BS）之间只有2/3个单元半径。

移动站（MS）可以直接与BS通信，也可以通过RS与BS进行通信。

这就要求RS要能覆盖单元边界。

具体的网络结构：

每个单元被非为X，Y，Z三个扇区；每个扇区的RS可以分别使用F1，F2和F3频带进行RS-MS通信。

8.1.3帧结构和频率复用算法

帧结构包含了上行帧和下行帧。

总共有N个时隙和两个DGT（duplexguardtime），上行帧占有其中的M个时隙，其余的均被下行帧占有。

每帧也有L个子通道，并且在频域中等分为F1，F2和F3三种频带。

每个时隙又分成两个时间和频率上都相等的单元，称为OFDMA符号。

在OFDMA符号之间又加入一个GTG（guardtimegap）。

F1用于RS-MS通信，F2和F3用于BS-MS通信，其它扇区中的工作方式可以此类推。

8.1.4方案优势

不同干扰抑制因子（ISF）情况下小区中的SINR。

FFR可以有效地抑制单元间干扰（ICI）。

8.2软频率复用技术

8.2.1简介

在软频率复用（SFR）中，频带不再只有使用和不使用两种选择方式，而是可以通过功率门限决定其在多大程度上被使用，所以FRF可以在1到3之间平滑过渡，SFR因此得名。

与FFR相比，无论是在小区边缘还是小区内部，SFR都可以获得更多的频带和更大的频谱使用率。

此外，通过调整副载波与主载波的功率门限的比值，SFR还可以适应负载在小区内部和小区边缘的分布，从而可以进一步提高频谱使用率。

8.2.2网络结构

SFR的网络结构把每个小区分为三个扇区