几种多址方式的蜂窝移动通信系统容量比较

蜂窝移动通信系统使用的频谱是很有限的，因而如何最高实现频谱利用率，即通信容量最大,是蜂窝系统设计的一个重要方面。蜂窝系统的容量与多址方式有着密切的关系。由于容量不足和其它性能上的问题，第1代FDMA模拟蜂窝移动通信系统仅仅运行了几年，就被第2代TDMA数字蜂窝移动通信系统所替代。随着第2代系统的推广普及，用户数的增长速度随之加快，对系统容量的需求也日益加大。1993年，美国研制的IS－95空中接口标准下的窄带CDMA蜂窝移动通信系统投入使用，成为与TDMA并驾齐驱的数字蜂窝系统。

　　但它还是受到传输带宽的限制，不能真正发挥CDMA的特性。第3代移动通信的特点应是多媒体和智能化，现在业界只是在认为其应采用CDMA技术方面已经达成共识，很多方面的问题还有待进一步讨论。多载波CDMA方式(MC－CDMA)作为对CDMA方式的重要发展，在系统容量上又有了新的突破，是宽带移动通信的一种重要解决方案。

　　1 蜂窝移动通信系统的容量度量方法

　　通信系统的通信容量可以用不同表征方法进行度量。对蜂窝移动通信系统而言，因为信道在蜂窝中的分配，涉及到频率再用和由此产生的共信道干扰问题，因而系统的通信容量用每个小区的可用信道数进行度量比较合适。每小区的可用信道数即每小区允许同时工作的用户数(小区容量)越大，系统的通信容量也越大。此外，还可以用每小区的爱尔兰数、每平方公里的用户数以及每平方公里每小时的通话次数等进行度量。当然这些度量方法之间是可以相互转化的。本文的容量度量以每小区可用的信道数为度量方法。

　　2 频分多址(FDMA)的小区容量

　　FDMA方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，每个频道的宽度都能传输一路话音信息，在相邻频道间无明显的串扰。把系统中的小区划为区群，每个区群有K个小区。再把总频段W分成U=W/B(B是频道宽度)个频道，把它们互不重复地分成K个频组，指配给一个区群的K个小区使用。利用蜂窝区群结构的频率复用特点，U个频道在蜂窝结构的不同区群中被重复利用，这样能同时通话的用户数，即每小区的用户数会大幅增加。在总频率资源和用户信道带宽M给定的前提下，区群内的信道数是一定的，所以小区的容量就取决于区群内所含的小区数，即小区数K越小，小区内的频道数M/K就越大。但是小区数K越小，相邻区群之间的地理位置靠得越近，同频(共道)小区之间存在的同频(共道)干扰就越大。因此小区数目受制于同频小区的共道干扰。在模拟蜂窝系统中，一般要求接收端载干比(C/I)大于等于18dB，这时解调后的基带信噪比(S/N)可达38dB，能满足通信话音质量的要求。令小区半径为R，D为相邻同频小区间距离，C为信号的载波功率，路径损耗因子λ一般取－4。I为总的共道干扰，Ii为每一同频小区的干扰，有，假设只考虑蜂窝系统的第一层同频小区的干扰，有L=6，则I=6 Dλ，于是可得到：

　　式(1)中，q=D/R，是六边形蜂窝结构的共道再用因子，它与区群内小区数K的关系为：

　　把上面对模拟系统的要求C/I≥18dB，代入(1)，有1/6qλ≥63.096，由(2)可得K≥6.48，实际应用中K一般取7，即7小区区群蜂窝系统结构。这样在7小区区群蜂窝结构中的小区容量为：
　　W/(KB)=M/K≤W/(B(2C/3I)1/2)=M/(2C/3I)1/2。 (3)

　　例如总带宽W=25MHz，信道带宽B=30kHz，小区半径为1km，则区群总信道数U=W/B≈833，在7小区区群蜂窝系统结构的通信系统中小区容量为U/7=119 (结果1)。

　　由于共信道干扰的存在，为了满足系统所要求的载干比，K不能任意小。但也可采用小区基站使用定向天线以减少共道小区的相互干扰等方法来减少K，提高小区容量。

　　3 时分多址(TDMA)的小区容量

　　TDMA方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号；在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。由于TDMA采用了话音编码技术，再加上移动台辅助越区切换技术、跳频技术和分集技术等手段的运用，TDMA数字蜂窝通信系统的容量可以提升至FDMA系统的3倍乃至更高。

　　以GSM系统为例，系统总带宽W=25MHz，信道宽度B=200kHz，每频道含8个时隙，则信道总数M=25×8/0.2=1000；小区半径为1km，每小区分3个扇区，运用了跳频技术后的C/I=9dB，由(1)式可得共道再用因子q=2.62≈3；每小区信道数为1 000/3≈333(结果2)。

　　4 码分多址(CDMA)的小区容量

　　CDMA多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的，而FDMA、TDMA系统信道的数量要受到频率或时隙的限制。在发射端，信息数据被高速地址码调制；在接收端，用一与发端相同的本地地址码控制的相关器进行相关接收；其它与本地地址码不同码型的信号被作为多址干扰处理。

　　在CDMA蜂窝系统中，为了实现双工通信，前向信道(基站到移动台)与反向信道(移动台到基站)各使用一个频率，即频分双工。在实际中前后向信道是不完全对称的，不能以基站收到的信号功率大小来确定用户所需的基站发射功率；一般用前向与后向链路功率之和(是一个常数)来确定基站发射功率。下面以前向链路在考虑功率控制的情况下，估算CDMA系统的小区容量。

　　对于一般的扩频通信系统，C/I与基带Eb/I0密切相关。又由于到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则有：C/I= EbRb/I0W=1/(M－1) (4)

　　Eb为基带每比特信息能量，I0为单位赫兹的干扰功率，Rb为基带信息速率，W为载波带宽。当M>>1时可得：M=I0W/EbRb (5)

　　根据CDMA系统的特点，对(5)式进行如下修正：

　　(1)小区扇区化。利用方向性天线将小区分成3个扇区，这样多址干扰只有原来的1／3，理论上容量可增加3倍，但考虑天线覆盖的重叠因素，一般扇区化因子g=2.5、系统容量增加为M1=2.5M；

　　(2)话音激活。利用话音激活技术减小干扰，由于人类语音的间歇性质，在实际通话过程中发音时间一般只占35％，使不发音期只有很低功率的背景噪声发出，这样通过话音激活容量可提高1／0.35=2.8倍，有M2=2.8M1=7M。

　　(3)功率控制。让基站发给用户的功率是根据移动台和基站的距离进行调整，距离越远，功率越大，反之则越小。经过功率控制后基站发射的总功率减小一半，意味着干扰也减小一半，即用户数比系统增大一倍。M3=2M2=14M；

　　(4)邻近小区干扰。作为近似计算，只取3层多址干扰，另有本小区M－1个多址干扰(M为小区内移动台数)。由蜂窝几何结构可计算出第一、二、三层小区的基站到所假设的移动台距离分别为R、2R、2.64R。小区边界处移动台接收信号载波强度为C=PRR－4，则可得移动台接收载干比为：C/I =PRR－4/[M－1)×PRR－4＋2MPRR－4＋3MPR×(2R)－4＋6MPR×(2.64R)－4]≈0.3/M。

　　也就有：M=0.3/(C/I)，即信道再用效率F=0.3，则：M4=M3×0.3=4.2M (6)

　　设Rb=8kbit/s，W=25MHz。CDMA系统在保证通信质量的前提下，要求Eb/I0≥7dB，由(5)得M=625，再代入(6)知M=2 625。考虑CDMA的频率复用因素，同信道干扰抑制因子取q=2，由(2)可得频率复用因子K=1.33。最后得到小区容量M/K =2 625/1.33=1 973(结果3)。

　　5 多载波码分多址(MC－CDMA)的小区容量

　　多载波调制的原理是将所要传输的数据流串/ 并变换成若干个并行低速率的比特流，并且用这些数据流去并行调制若干个相互正交的子载波。MC－CDMA是使用给定的扩频码对并行数据进行扩展，然后将每个码片与一个不同的载波进行调制，这种扩频是在频域上进行的，各个子载波相互正交，实现了信道的正交频分复用(OFDM)。因此，MC－CDMA是OFDM与CDMA相结合的一种多址方式，它主要用于前向信道。

　　由于DS－CDMA的扩展序列之间不是全部正交的，并且不得不选择好的互相关特性，系统的用户数MDS很难达到GDS；而MC－CDMA系统可以近似达到GMC个用户。

　　图1为DS－CDMA系统性能图。在图1中的参数选择为：扩频处理增益为GDS=63，信号带宽为1.25MHz。由图1可见，对于可接受的BER为10－2与10－3，系统最多可支持16个用户，相应的SNR为8dB与大于20dB。

图1　DS-CDMA系统性能图

　　图2中的系统是取GMC=8，扩频采用WH码，每个OFDM码元可以传送用户8个数据码元。子载波间隔为2.441kHz，因而码元周期Ts为409.6μS。为克服信道时延扩展，选择保护间隔d为16μs。Ts＋d远小于相干时间1/fdmax。由于同步等引起的15％开销时，净码片速率为1.0236Mchip/s。另外，由于保护时间，还要增加开销。为了减少相邻子载波衰落相关性，使用了伪随机频率交织。从图3中可看出当BER在10－2和10－3之间时，系统可支持64个用户。

图2 MC－CDMA系统性能图

　　比较图1和图2可知，对于中等程度的用户数量，常规检测的MC－CDMA系统与DS－CDMA系统性能相同。而当用户数较高时，MC－CDMA的性能较DS－CDMA要更优。

　　从图3所示的频谱效率中可清楚看出，当Pb=10－2时，在Eb/N0=8.5dB处，MC－CDMA系统的频谱效率为0.8bit/(s.Hz)(64用户)，而DS－CDMA系统仅为0.2bit/(s.Hz)(16用户)，即MC－CDMA系统支持的用户数超过DS－CDMA系统的4倍。当Pb=10－2时，在Eb/N0=13dB处，MC－CDMA系统的频谱效率为0.8bit/(s.Hz)(64用户)，而DS－CDMA系统仅为0.15bit/(s.Hz)(12用户)，即MC－CDMA系统支持的用户数超过DS－CDMA系统的5倍(结果4) 。

图3　频谱效率比较图

　　6 结论

　　从上面计算分析得到的结果1～4可知4种多址方式下的容量关系为：VMC－CDMA≥4VCDMA≥20VTDMA≥64VFDMA。可以看出CDMA方式下的容量比前两种有很大增加。而MC－CDMA系统又比CDMA系统的容量有很大的增加。MC－CDMA可以使用更宽的带宽，大大降低了OFDM的码速率，又具有抗干扰、抗频率选择性衰落的能力，从而满足了高数据率、高可靠性及大容量的宽带多媒体通信的要求。但它还存在着对子载波频率和相位偏移敏感、对非线性失真敏感、对信道参数估计要求严格等缺点和难题。随着MC－CDMA技术的完善，MC－CDMA会在未来的无线通信发展中得到越来越广泛的应用。

参考文献

1 张星等.码分多址蜂窝移动通信系统容量估算.通信技术,1999,(2)
2 赵刚.多载波CDMA.移动通信,1999,(1)
3 李建东等.个人通信.北京:人民邮电出版社,1998
4 郭梯云等.数字移动通信.北京:人民邮电出版社,1996
5 孟维晓等.第三代移动通信候选方案的比较和分析.移动通信,1999,(1)

[摘要] 系统容量是衡量蜂窝移动通信系统性能的重要指标。文章在同等条件下对不同多址技术下的蜂窝移动通信系统容量进行了比较。通过第三代移动通信可选方案之一的多载波CDMA在系统容量上与前两代相比的优越性，展示了其良好的前景。

[关键词] 蜂窝系统小区容量 频分多址 时分多址 码分多址 多载波码分多址

[Abstract] System capacity is an important criterion to scale the performance of cellular mobile communication system. This paper makes a capacity comparison among the cellular systems of different multiple access techniques under equivalent conditions. The result demonstrates that MC－CDMA, one of the schemes which can be used in the 3G mobile communication, has more capacity than others do, and brings forth a prospective future.

[Keywords] Cellular system cell capacity FDMA TDMA CDMA MC－CDMA