利用宽带CDMA技术增加蜂窝系统容量研究

Study on Increase in Capacity of Cellular System Using Broad-band CDMA 

[摘要] 本文介绍了宽带CDMA技术的特点，分析了宽带CDMA与GSM系统重叠覆盖时的蜂窝系统容量，通过计算得出用宽带CDMA系统与GSM系统进行频带共享，可以大大提高整个系统的容量的结论。

[关键词] 移动通信；宽带CDMA；GSM；容量

1 引 言

目前，在移动通信系统中应用的多址技术有三类，它们是频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。其中，CDMA技术已经被公认为是性能最优越、最具有发展潜力的技术。这主要是因为CDMA有着其它两种多址技术无法比拟的如下优点：固有的抗多径衰落能力；可以运用话音激活技术增加系统的容量、减小传输功率；具有软切换和软容

量的特性；系统容量大、保密性好、组网简单；适合与窄带系统共享频带等等。

在CDMA技术发展过程中，最先提出的窄带CDMA系统发展迅猛，短短几年就已经完成了从理论向商用产品转变的全过程，而稍后提出的宽带CDMA则更具有无限广阔的发展前景。宽带CDMA，由于更宽的带宽，使其具有更大的抗衰落能力，这就意味着在相同的输出功率下能提供范围更广泛的性能，或者在同样的覆盖范围下可降低功率要求，宽带CDMA的宽广频谱使它对于市区环境中的干扰和多径传播环境具有更高的抗干扰能力，在多蜂窝环境下能够提供更大的容量和更高的话音质量。另外，附加的带宽意味着有更大的能力支持更高带宽业务和提供更灵活多样的混合业务。

宽带CDMA与窄带CDMA的一个重要区别在于窄带CDMA只能在固定的1．25MHz带宽范围内有效，而宽带CDMA则可根据特定的应用需要使用不同的带宽，而且可以更好地与现有的任何窄带系统实现频带共享。这就为我们如何更充分地利用宝贵的频谱资源提供了一种思路。本文就是根据这一思路，应用宽带CDMA技术与现有的蜂窝移动通信系统进行频率共享，以求达到提高频谱利用率、增加整个蜂窝系统容量的目的。

2 宽带CDMA与GSM系统频带共享

在我国，GSM已经成为主要的数字蜂窝系统，发展速度非常快，用户数量连年增加，容量问题正逐渐暴露出来。如何在解决容量问题的同时，向大众提供话音、传真、电子函件、录像等各种灵活多样的业务，实现多媒体通信，已经成为摆在我们面前的重要课题。而宽带CDMA技术的提出使得这些难题迎刃而解。下面我们将对在GSM系统频带上重叠覆盖宽带CDMA系统做一探讨。

如图1所示，宽带CDMA的频带覆盖了整个GSM系统的带宽，KG是GSM区群内小区的数目，WC是CDMA系统的带宽， WG是GSM系统的频道带宽。GSM系统的蜂窝小区大小与结构完全不变，宽带CDMA系统的小区设置与GSM系统的相同，基站与GSM基站建于同一地点，但发射机由两个系统分别单独控制。

3 混合蜂窝容量分析

3．1 容量分析模型

在单一CDMA系统的情况下，系统容量主要取决于反向链路容量。然而在采用混合蜂窝结构时，反向链中移动台自由分布，这样基站受到来自其它移动台的平均干扰要小得多，所以其载干比(C／I)要大于前向链路的C／I。CDMA系统与模拟蜂窝系统重叠覆盖时，两者的前向链路C／I均小于反向链路C／I的结论。TDMA只不过是在FDMA的基础上将载频再分成几个时隙，可以预见当CDMA与TDMA进行频带共享时，两者的前向链路C／I也是均小于反向链路C／I。所以混合蜂窝的容量是由GSM系统与CDMA系统的前向链路来决定的。

图2为KG＝7时混合蜂窝区群结构图。图中，(n，k)代表蜂窝小区基站BSnk在坐标系V—U中的坐标，(0，0)为本地小区，其基站表示为BS00。小区中的阿拉伯数字代表该小区所使用的GSM频率组。

我们考虑最坏的情况，此时本地小区移动台MS0处于图中的M点，受到的干扰最大。设小区半径为R，各小区基站到M点的距离为：

下面我们将分别对GSM系统和宽带CDMA系统的前向链路进行分析，分析是在以下几个条件基础之上进行的：

（1）       电波传播遵循4次的传播损耗规律，忽略阴影效应。

（2）       两个系统各自均具有良好的前向链路与反向链路功率控制。

（3）       CDMA系统采用扇形化技术和话音激活技术，而GSM系统只采用扇形化技术。设扇形化对干扰的减少因子为γ，话音激活因子为µ。

（4）       两个系统的比特速率相同，GSM每载频分为nG个时隙，CDMA系统的处理增益。

3.2 GSM前向链路分析

GSM移动台处于图2中M点时，受到的干扰有小区内GSM干扰I G(in)、小区外GSM干扰IG(OUT)、小区内CDMA干扰Ie(in)和小区外CDMA干扰IC(out)。下面先分析CDMA基站对GSM移动台的干扰。

在CDMA前向链路具有良好的功率控制时，设CDMA移动台接收到来自本基站的信号功率为PC，基站发射总功率为，NC为小区内CDMA移动台数目。考虑采用扇形化和话音激活技术的作用，GSM移动台受到CDMA基站BSnk的干扰为：

则有：

我们只考虑图2中示出的小区的影响，其余小区的干扰可以忽略。将（1）、（2）式代入（3）式，计算得：

所以，GSM前向链路载干比为：

3．3 CDMA前向链路分析

CDMA移动台处于图2中M点时，受到的干扰同样包括小区内GSM干扰IG(in)、小区外GSM干扰IG(out)、小区内CDMA干扰IC(in)和小区外CDMA干扰IC(out)。

(1)GSM基站对CDMA移动台的干扰

GSM具有功率控制时，设GSM移动台接收到来自GSM基站的信号功率为PG，与基站的距离为r，则对此移动台基站需 发射功率PG(r)＝PGr4，那么平均对每个GSM移动台的发射功率为(见图3)：

设NG为GSM系统每小区最大用户数，GSM基站BSnk对CDMA移动台MSO的干扰为：

则有： (6)

只计算图2中所示的小区的GSM基站对CDMA移动台的干扰，将(1)、(5)式代入(6)式得：

(2)CDMA基站对CDMA移动台的干扰

小区内的CDMA干扰为：

用与3．2中同样的方法可以推出：

所以，CDMA前向链路载干比为：

4 容量计算结果

下面我们对混合蜂窝容量进行估算，根据GSM系统标准，取WC＝25MHz，WG＝200kHz，nG＝8，可得G＝1000；取KG＝7，得GSM每小区用户数NG＝143；取话音激活因子µ＝0．5，设每小区分割成3扇区，则γ＝1／3。由于CDMA重叠覆盖而导致的窄带系统用户的CIR减少量不超过1dB。设GSM系统在CDMA重叠覆盖以前的载干比为：

引入CDMA系统后，GSM系统的CIR将遭受1dB的损失，但它至少应等于9dB，所以CIRfg(0)=10dB,代入(8)式可得IG(in+IG(out)＝0．1PG，将这一结果代入(4)式，重叠覆盖前后的CIRG(down)的差值应小于ldB，得：

(9)

通常在实际情况中，PG已经给定，但是可以调整PC的大小，使得NC达到最大值。如果在与GSM系统重叠覆盖情况下，对宽带CDMA系统前后链路的CIR值的要求是CIRC(down)≥5dB，将(9)式代入(7)式，得NC最大值为325(此时PC／PG＝0．035)。这样，混合蜂窝每小区的总用户数为NG十NC＝468，大约是单一GSM系统的3倍。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d5f758d426fff705cc170adf.html