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蜂窝移动通信系统的容量分析

2016-10-24 13:42:45 | 297人围观 | 评论:0

　　蜂窝系统的无线容量可定义为：

信道/小区
　　其中m――无线容量大小
　　Bt ――分配给系统的总的频谱
　　Bc ――信道带宽
　　N ――频率重用的小区数
　　1、FDMA和TDMA蜂窝系统的容量
　　对于模拟FDMA蜂窝移动通信系统, 频率重用的小区数为N，N由所需的载干比决定，即

　　则FDMA的无线容量

信道/小区
　　2、对于数字TDMA系统
　　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。可采用N=4、3的复用方式。
　　则TDMA的无线容量

　　其中，设载波间隔为Bc，每载波共有M个时隙，则等效带宽为

　　3、CDMA蜂窝系统的容量
　　CDMA系统的容量是干扰受限的，而FDMA和TDMA系统的容量是带宽受限的。因此干扰的减少将导致CDMA容量的线性增加。决定系统容量的主要参数
　　①处理增益
　　②E_b/N₀、
　　③话音负载周期、
　　④频率再用效率、
　　⑤以及基站天线扇区数
　　（1）一般扩频通信系统的容量
　　先不考虑蜂窝系统的特点，接收信号的载干比可写成:

　　式中E_b：信息的比特能量；
　　R_b：信息的比特速率；
　　N₀：干扰的功率谱密度
　　W：信号所占的频谱宽度；
　　E_b/R_b：类似于归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；
　　W/R_b：系统的处理增益。
　　若m个用户共用一个无线频道，显然每一用户的信号都受到其他m个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为：

　　如果考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表示为：

　　结果表明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将有利于提高系统的容量。
　　（2）CDMA蜂窝通信系统的容量
　　考虑反向功率控制和CDMA蜂窝通信系统的特点，对一般公式进行修正
　　①采用话音激活技术--提高系统容量
　　在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）d 通常小于35%，如果CDMA系统在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会相应地平均减少65%，从而使系统容量提高到原来的1/d=2.86倍。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
　　如利用120o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成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少为原来的三分之一，从而系统的容量将增加近3倍（实际上，由于相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高G=2.55倍左右，G为扇区分区系数），CDMA系统的容量公式被修正为

　　③邻区干扰--降低系统容量
　　在CDMA系统中，所有用户共享一个无线频率，因此任一小区的移动台（基站）都会受到相邻小区基站（移动台）的干扰。假设各小区的用户数为M，M个用户同时发射信号，理论分析表明，正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影响时，一般按正向信道计算。
　　当系统采用正向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因，移动台最不利的位置是处于3个小区交界处（图6.12 MS点）；在采用功率控制时，每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，使系统容量下降到未考虑邻区干扰时的60%，CDMA系统的容量公式被修正为

图6.12 CDMA系统移动台受干扰示意图　　（3）三种系统容量的计算
　　给定的一个窄带码分系统的总频宽B_t =1.25MHz
　　模拟TACS系统（FDMA方式）
　　设：信道带宽Bc=25kHz
　　频率重用的小区数N =7
　　得TACS系统容量

（信道/小区）
　　数字GSM系统（TDMA方式）
　　设：载频间隔 Bc=200kHz
　　每载频时隙数为 8
　　频率重用的小区数 N =4
　　得GSM系统容量

（信道/小区）
　　数字CDMA系统
　　设：话音编码速率Rb=9.6kbit/s
　　话音占空比 d=0.35
　　扇形分区系数 G=2.55
　　信道复用效率 F =0.6
　　归一化信噪比 E_b/N₀=7dB
　　得CDMA系统容量

（信道/小区）　　FDMA/TDMA/CDMA三种系统容量的比较：
　　理论可得：在总频带宽度为1.25MHz时，三种体制的系统容量的比较结果为：

　　实际的CDMA系统的容量比理论值有所下降，其下降多少将随着其功率控制精度和某些参数的选取而变化；当前比较普遍的看法是CDMA数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟FDMA系统的8~10倍。

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