蜂窩無線系統建模與仿真分析

田永毅

（陜西工業職業技術學院電氣工程學院，陜西 咸陽 712000）

1.引言

當今大多數無線通信系統都是建立在蜂窩無線電概念之上的。無線蜂窩系統的性能不僅受限于無線通信鏈路惡劣的物理信道特性，還會受限于來自其他用戶的干擾。

為了設計特定的系統級性能，就要考慮在覆蓋區域內同時使用系統的多個用戶的位置、系統中同時通信的用戶個數、傳播條件、每個用戶的干擾和功率級的設置、每個用戶的話務量需求等因素對基站和移動臺之間任何一條鏈路所產生的影響[1,2]。而普通的解析模型很難描述如此復雜的信道條件，更難得到鏈路性能的解析解。

本文旨在考慮射頻傳播特性、用戶移動性、話務量變化與接收信號電平間的關系的基礎之上，建立一種蜂窩通信系統仿真模型，為系統級性能設計提供測試平臺。

2.系統描述

蜂窩系統為獲得較高的容量在小區間進行頻率復用，從而導致同頻干擾。對于六邊形小區模型，兩個同頻小區中心之間的最小距離（最小復用距離）DN為：

式（1）中，R為是小區的最大半徑。

在一個指定小區中接收到的總的同頻干擾是所有同頻小區發送出的同頻干擾信號的總和，且第一層的同頻小區對被測小區的干擾影響最大。

同頻干擾是制約無線通信系統的容量和鏈路質量的主要因素之一。為了獲得高容量，一般通過減小蜂窩系統簇（區群）的大小N，來縮短信道復用距離。然而減少簇大小又增加了同頻干擾，降低了鏈路質量。

同頻干擾的影響可以用通信鏈路的信干比（SIR）來估計。由于無線傳播影響、用戶移動性以及話務量的變化，有用信號功率與干擾信號功率是隨機變量，故SIR也是隨機變量。因此，通常采用系統的中斷概率P（在特定場合下，SIR低于給定閾值SIR的概率）來量度同頻干擾對系統性能影響的嚴重程度[3]。即：

式（2）中 Q（.）是高斯 Q 函數。

3.蜂窩通信系統建模

下面討論蜂窩系統的信道模型和扇區化小區這兩個方面，以中斷概率為參考指標，來建立蜂窩通信系統的仿真模型。

3.1 信道模型

在分析蜂窩系統的性能時，非常重要的一點是精確地建立無線傳播對接收信號影響的模型，因為這些影響通常是系統性能惡化的主要原因。而接收信號的統計特性主要牽涉到兩個傳播效應：由局部區域的多徑造成的小尺度衰落；由樹木、建筑物、地形等因素引起本地平均信號的隨機衰減造成的陰影（大尺度衰落）。

一般的通信系統設計與仿真中，必須同時考慮小尺度衰落和有用信號、干擾信號的陰影。但由于空間分集、擴頻、編碼與交織技術已被廣泛應用于抵消小尺度衰落的影響，故，在此只考慮陰影與路徑損耗對性能的影響。

無線通信系統的本地平均信號電平可以用對數正態隨機變量精確地建模。用分貝表示時，本地平均信號電平服從正態分布，用面積均值和標準差來刻畫[4，5]。采用分貝形式，本地平均信號功率（用ρ表示）可以表示為：

式（3）中，mx是用dBW表示的區域平均功率（大尺度傳播路徑損耗），χ是標準差的零均值正態隨機變量（大尺度障礙造成的陰影）。

而區域平均功率mx通常建模為接收機與發射機之間分割距離d、路徑損耗指數γ，發射功率PT，發射和接收天線增益GR、GT的函數，即：

式（4）中的常數K由模型中所有不變的項組成；θT和φT是信號發射端到接收端的發射俯仰角和方位角；θR和φR是信號到達接收天線的到達俯仰角和方位角。這四個角度取決于移動臺和基站天線的相對位置。

3.2 小區的扇區化

為了減少同頻干擾，蜂窩通信系統通常要在基站中使用幾個扇區化天線。每個扇區化天線在指定的扇區內發射，而且為每個扇區分配小區全部可用信道中的一部分信道。因此，由于基站天線的定向性，減少了基站或者移動臺接收機天線的同頻干擾。

3.3 總的同頻干擾

給予接收到的單個干擾信號僅受陰影和路徑損耗的影響這一假設，總的同頻干擾可以建模為單個干擾信號的復合，它們的本地平均功率級服從于對數正態變化。通常假設每一個單個干擾的相移因散射而變化顯著，因而可以假設相位是隨機的，在本地區域作平均時，信號是非相干地疊加的。因此，給定位置的總的同頻干擾I可以建模為對數正態分布信號之和，即：

4.系統仿真

4.1 仿真流程

蜂窩系統中SIR與中斷概率的仿真流程如圖1所示。

圖1 蜂窩系統仿真流程圖

4.2 仿真參數

小區半徑R=1000；路徑損耗指數γ=4；分貝為單位的對數正態陰影的標準差（σ）=8dB；每個小區的扇區數：0度、120度、360度；基站扇區化天線的正反向比=30dB；要仿真的瞬時位置的組數（M）=1000；同頻小區數量=6。

4.3 仿真結果與分析

以中斷概率為參考指標，六種不同配置情況下蜂窩系統的性能如圖2所示。

由圖2可見，簇大小固定時，扇區化減小了SIR低于某一給定閥值的平均中斷概率，即減少了同頻干擾，提高了蜂窩系統的性能。扇區固定時，一個小的簇會增加系統容量，但同時增加了每個用戶的干擾電平，降低了系統性能。

圖2 不同配置下蜂窩系統鏈路中斷概率比較圖

5.結束語

本文研究并建立了一種蜂窩無線通信系統仿真模型。該建模方法具有普遍意義，可以進行擴展，以包括蜂窩系統的其它特征。通過性能的仿真驗證了，蜂窩系統的簇大小、阻塞率、扇區數、平均信干比等設計參數，都會影響蜂窩無限通信系統的質量，并且他們相互關聯，經常需要針對系統性能要求進行折中。

[1]胡智娟，張華清.移動通信技術實用教程[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2]楊大成.移動傳播環境理論基礎、分析方法和建模技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]肖明波，楊光松等譯.通信系統仿真原理與無線應用[M].北京：機械工業出版社，2005

[4]T.S.Rappaport,Wireless Communications：principles and practice[M],2nd ed.,Upper saddle River,NJ：Prentice Hall,2002.

[5]P.Cardieriand T.S.Rappaport,Statistical Analysisof Co-Channel Interferencein Wireless Communications Systems[J],Wireless Communications and Mobile Computing,Vol.1,No.1,January-March 2007：111-121.