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【无线通信】蜂窝系统——干扰与系统容量

news 来源：原创 2025/5/18 5:34:07

干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。干扰来源包括同一小区中的其他移动终端、邻近小区正在进行的通话、其他基站在同一频段内的工作信号，或者任何不属于蜂窝系统的设备偶然向蜂窝频段泄漏信号。语音信道中的干扰会导致串音，使得用户在通话时听到背景中的干扰声。控制信道中的干扰会导致丢失和阻塞通话，造成数字信号错误。城市地区的干扰更为严重，因为这些地区的RF噪声底座更高，并且基站和移动设备的数量更多。干扰被认为是增加容量的主要瓶颈，经常是掉话的原因。蜂窝系统产生的两种主要干扰是共信道干扰和邻信道干扰。尽管干扰信号通常是在蜂窝系统内部产生的，但在实际应用中很难控制（因为传播效应是随机的）。更难以控制的是外带用户产生的干扰，这种干扰没有预警，通常是由于用户设备的前端过载或间歇性互调产物引起的。在实际操作中，竞争蜂窝运营商的发射器往往是外带干扰的重要来源，因为竞争对手通常会将基站安装得很接近，以便为客户提供相似的覆盖。

同信道干扰

频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区称为同频小区，这些小区之间的干扰称为同频干扰。与通过增加信噪比（SNR）来克服的热噪声不同，共信道干扰不能通过简单地增加发射器的载波功率来对抗。这是因为增加载波的发射功率会增加对邻近共信道小区的干扰。为了减少共信道干扰，必须确保共信道小区之间有足够的物理间距，以便由于传播效应能够提供足够的隔离。

当每个小区的大小大致相同，且基站的发射功率相同的时候，共信道干扰比率与发射功率无关，而是与小区半径（R）和最近的共信道小区中心之间的距离（D）有关。通过增大D/R的比率，可以增加共信道小区相对于小区覆盖距离的空间分离度，从而通过改善共信道小区的无线能量隔离来减少干扰。参数Q，称为共信道复用比，与集群大小相关： $Q=\frac{D}{R}=\sqrt{3N}$

小的 Q 值提供更大的容量，因为集群大小 N 较小；而大的 Q 值可以改善传输质量，因为共信道干扰的水平较低。在实际的蜂窝设计中，必须在这两个目标之间进行权衡。

设 $i_0$ 为共信道干扰小区的数量。那么，移动接收机监测前向信道时的信号与干扰比SIR可以表示为： $\frac{S}{I}=\frac{S}{\sum_{i=1}^{i_0}I_i}$ ，其中，S 是来自期望基站的期望信号功率， $I_i$ 是第 i 个干扰共信道小区基站引起的干扰功率。如果已知共信道小区的信号强度，则可以通过方程计算出前向链路的 S/I 比率。

传播测量表明，移动无线电信道中的平均接收信号强度随着发射机与接收机之间的距离遵循幂律衰减。距离发射天线一定距离处平均接收功率 $P_r$ 可以通过以下公式近似： $P_r=P_0(\frac{d}{d_0})^{-n}$ ，其中， $P_0$ 是接近参考点时的接收功率， $d_0$ 是距离发射天线的小距离，n 是路径损耗指数。现在考虑前向链路，其中期望信号来自服务基站，而干扰则来自共信道基站。如果第 i 个干扰源距离移动设备的距离为 $D_i$ ，则来自第 i 个干扰小区的接收功率与 ( $D_i$ )–n 成正比。路径损耗指数通常在城市蜂窝系统中介于 2 和 4 之间。

当每个基站的发射功率相等，且覆盖区域内的路径损耗指数相同，移动设备的 S/I 可以近似为： $\frac{S}{I}=\frac{R^{-n}}{\sum_{i=1}^{i_0}(D_i)^{-n}}$ .

邻信道干扰

邻道干扰是指来自与所需信号频率相邻的信号引起的干扰。邻道干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。当邻道用户与用户接收器之间距离非常近时，邻道干扰尤其严重，同时接收器试图接收基站的信号。这种现象被称为近远效应，其中一个靠近基站的移动设备发射在一个接收器附近接收同频道基站的信号时，接收器可能会被过度干扰。相反，近远效应也发生在当一个离基站很近的移动设备在一个与远距离的移动设备使用的信道非常接近时，基站可能难以区分弱小移动设备的期望信号和“泄漏”的邻道信号。

邻道干扰可以通过精心设计的滤波器和信道分配来最小化。由于每个小区仅分配部分可用信道，因此不必将所有信道都分配给相邻的频率。通过确保每个信道之间的频率分隔尽可能大，可以显著减少邻道干扰。因此，与其将连续的频率带分配给特定小区，不如将信道分配得尽量让每个小区内的信道之间有尽可能大的频率间隔。通过依次将频率带中的连续信道分配给不同的小区，许多信道分配方案能够将每个小区的相邻信道隔开N个信道带宽，其中N是簇大小。一些信道分配方案还避免使用相邻小区站点的邻道信道，从而防止了邻道干扰的二次源。

使用精确的滤波器；
合适的信道分配使其减小；
使小区中的信道间隔尽可能的大；
避免在相邻小区使用邻频信道来阻止次要的邻频干扰；
选用合适的频率复用比例。

蜂窝小区容量的改善

小区分裂 Cell Splitting

小区拆分是将一个拥塞的小区分割成更小的小区，每个小区都有自己的基站，并且减少天线高度和发射功率。小区拆分通过增加信道的复用次数来增加蜂窝系统的容量。通过定义新小区，并将这些较小的小区（称为微小区）安装在原有小区之间，容量因为每单位面积的信道数量增加而提高。

假设每个小区都按半径的一半来分裂，如图所示。为了用这些更小的小区来覆盖整个服务区域，将需要大约为原来小区数目4倍的小区。分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率，整个服务区基站数目增加。

扇区划分 Sectoring

蜂窝系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向。采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用

120度裂向如何减小同频小区干扰？当采用分区技术时，某个小区使用的信道被分解为多个分区组，并仅在特定的分区内使用。假设使用七小区复用，对于120°分区的情况，第一个层次的干扰源从六个减少到两个。这是因为只有六个同信道小区中的两个会受到特定分区信道组的干扰。如下图所示，考虑位于右侧小区内的移动设备，其所接收到的干扰仅来自两个干扰小区。这就导致了S/I的显著提升。

扇区划分（裂向）减少同频干扰，以N=7小区的复用结构为例：

全向天线：6个干扰源；
120度定向天线：2个或3个干扰源；
60度定向天线：1个干扰源

扇区划分提高系统容量，扇区划分提高系统容量的方法是保持小区半径R不变，而寻找办法来减小D/R比值。在扇区划分的方法中，容量的提高是通过降低同频干扰，从而减小区群中的小区数量N，相应提高频率复用来实现的。但需要在不降低发射功率的前提下减小相互干扰。采用裂向方法会降低中继效率。

新微小区

基于7小区复用的微小区概念，如图所示。在这个方案中，每3个(或者更多)区域站点(在图中以Tx/Rx表示)与一个单独的基站相连，并且共享同样的无线设备。各微小区用同轴电缆、光导纤维或微波链路与基站连接。多个微小区和一个基站组成一个小区。

使用新微小区有很多优点，当移动台在小区内从一个微小区运动到另一个微小区时，它使用同样的信道。移动台在小区内的微小区之间运动时不需要MSC进行切换。以这种方式，某一信道只是当移动台在微小区内时使用，因此，基站辐射被限制在局部，同频干扰减小了。小区既可以保证覆盖半径，又能够减小蜂窝系统的同频干扰，同频干扰的减小提高了信号质量，也增大了系统容量。没有裂向引起的中继效率的下降。

新微小区增加容量：