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复用度

修订记录

1、

第1章概述1

第2章频率划分和载干比要求2

2.1频率划分2

2.2载干比2

第3章频率规划原则5

第4章常规频率复用技术6

4.14×3复用的载干比6

4.210MHz带宽4×3复用7

4.319MHz带宽4×3复用8

4.46MHz带宽4×3复用9

4.54×3复用小结10

第5章紧密的频率复用技术10

5.13×3频率复用模式10

5.22×6频率复用模式12

5.32×3频率复用方式14

5.41×3频率复用方式15

5.51×1频率复用方式18

5.6A+B频率复用方式18

第6章同心圆（ConcentricCell）技术20

6.1同心圆技术的概念20

6.2普通同心圆GUO（GeneralUnderlayOverlay）21

6.3智能同心圆IUO（IntelligentUnderlayOverlay）21

6.4同心圆技术的特点22

第7章MRP（MultipleReusePattern）技术23

7.1基本原理23

7.2连续的MRP分组25

7.3间隔的MRP分组26

7.4MRP技术的主要特点28

7.5与1X3复用方式的比较28

第8章各种频率复用方式容量比较29

关键词：

频率复用载干比紧密复用同心圆MRP1×31×1

摘要：

频率规划是GSM为了规划和优化中最关键的技术之一。

本文系统地总结了GSM常用的频率规划技术，各种频率规划技术的特点，具体使用情况介绍，及其容量对比。

缩略语清单：

第1章概述

对于移动通信，频率资源始终是一项珍贵资源，如何提高频谱资源的利用效率是运营商、设备商和众多专家学者关注和研究的重要课题，这些研究工作推动了通信技术的向前发展。

移动通信到目前经历了三个阶段：

模拟的TACS/AMPS、GSM/CDMAIS95、WCDMA/CDMA2000，每一次技术的飞跃都大大提高了频谱利用效率。

提高频谱资源利用效率就是在有限的频谱资源范围内，在保证网络质量可以被接受的前提下，提高网络容量。

在不考虑增加频率资源的前提下，提高GSM的网络容量的途径主要有两个：

一是小区分裂，通过增加基站密度，提高网络容量；二是频率复用技术。

本文主要研究GSM的频率复用技术，即频率规划技术。

要提高网络容量，就必须对有限的频率资源进行重复使用；频率复用提高了网络容量，但又带来了新问题――通话质量的恶化；频率复用越紧密，带来的网络干扰也越大。

如何取得网络容量和话音质量的平衡是频率规划必须解决的问题。

也就是说，一个良好的频率规划可以在维持良好话音质量的基础上实现网络容量的提升。

目前，GSM常用的频率复用技术有：

4×3、3×3、2×6、1×3、1×1、MRP、同心圆等，这些频率复用技术在实际的使用过程中各有优缺点。

如4×3方式，其频率利用率较低，但网上通常能获得较高的载干比，能较轻松的获得良好的话音；1×3方式下，频率的利用率较高，但由于同频复用距离减小（与4×3相比），网上干扰增加，话音质量会变差，需要开启抗干扰措施，如跳频、DTX等。

对于GSM的网络规划和优化工程师，频率规划技术是一项十分关键的技术。

频率规划质量的好坏对网络质量起决定性影响。

本文就频率复用的几种方式，根据系统要求和频率复用度进行论述，介绍频率复用规则，根据实例介绍各种复用方式下频率的分组，及其载干比和频率复用度。

对于有些规划工程师喜欢采用的没有任何规律的频率方法因无法归纳总结本文不予介绍。

并且由于这种方法在优化时调整频点的困难和对网络干扰的难以预测，这种规划方法也越来越少地被采用。

第2章频率划分和载干比要求

2.1频率划分

蜂窝系统根据所用频段可以分为GSM900M和DCS1800M系统，载频间隔为200KHz。

其上、下行频率划分如下：

表1.GSM频率划分

频段（MHz）

带宽（MHz）

频道号

载频数（对）

GSM900

上行890～915

下行935～960

1～124

124

DCS1800

上行1710～1785

下行1805～1880

512～885

374

注：

上下行以基站为参照物，基站发——手机收为下行；手机发——基站收为上行。

GSM900：

共124个频点，绝对载频号（ARFCN）为1～124，在两端留有200KHz的保护带。

按照中国无委规定：

中国移动占用890～909/935～954MHz，对应的ARFCN为1～95（通常频点95保留不用）；联通占用909～915/954～960MHz，对应的ARFCN为96～124。

其它国家运营商获得的频率范围与国内不一定相同，但可以根据频率与ARFCN的关系计算：

基站收：

f1（n）＝890.2＋（n－1）×0.2MHz

基站发：

f2（n）＝f1（n）＋45MHz

DCS1800:

共374个频点，ARFCN为512～885。

频率与载频号（n）的关系如下：

基站收：

f1（n）＝1710.2＋（n－512）×0.2MHz

基站发：

f2（n）＝f1（n）＋95MHz

移动占用1710MHz～1720MHz，对应ARFCN为512～561；联通占用1745MHz～1755MHz，对应ARFCN为687～736。

2.2载干比

在GSM系统中由于频率的重复使用造成相互之间的干扰，称之为同频干扰。

不少人认为同频复用基站之间的距离越近，同频干扰越大。

但实际上同频干扰不仅与复用距离有关，还与基站小区的覆盖半径有关。

下面以全向站为例证明这一点。

假设所有基站的覆盖半径相同，小区覆盖半径为R，同频复用距离为D，f1为复用频率。

图1全向基站同频复用示意图。

图1全向基站同频复用示意图

复用距离D、小区半径R、每个频率复用簇的小区数N之间满足下列关系：

（1）

上式中

，i和j为正整数，q为同频干扰衰减因子。

对于定向小区，N的实际物理意义为频率复用簇中的基站数目。

如果同频小区与服务小区同时工作，则在中心服务小区内的手机既收到本小区基站发射的有用信号，又收到同频小区的干扰信号。

那么小区的同频载干比（C/I）可表示为：

（2）

式中

为第k个干扰信号。

上式也可表达为【1】：

（3）

式中

是第k个同频干扰小区的同频干扰衰减因子，

是实际地形环境确定的路径损耗斜率，移动环境中路径损耗斜率取值

＝3～5，一般取4。

从图2可以看出，对于规则复用的全向基站，第一层同频干扰源为6个（下图中橙色所示6个同频复用小区）；第二层有12个（黄色所示12个小区），但相对第一层的6个干扰源干扰较小，可以忽略不计。

图2全向基站干扰示图

若6个同频复用小区到服务小区的无线传播环境相同，则：

（4）

（5）

（6）

根据式

（1）得到，载干比C/I与复用簇中的基站数N的关系为：

（7）

当手机处于服务小区的边界时，通常手机接收到的服务小区信号最弱，而接收到的干扰信号最强，按最糟糕的情况，需要的载干比应该为【1】：

（8）

如果蜂窝布局不好，干扰源将会增多，载干比将会下降。

从上式可以推论：

每簇中小区数目越多，载干比C/I越大，网络质量越好，但频率利用率越低。

另外GSM的干扰程度还与话务负荷有关，话务高峰时的同频干扰比其他时间大。

GSM的频率规划通常采用4×3复用方式。

对于业务量较大的地区，还可以采用其它的复用方式，如3×3、1×3。

无论采用哪种复用方式，必须满足干扰保护比的要求。

GSM系统中，对载干比的要求是：

同频载干比：

C/I≥9dB；工程中加3dB余量，即C/I≥12dB

邻频载干比：

C/I≥－9dB；工程中加3dB余量，即C/I≥－6dB

载波偏离400KHz时的载干比：

C/I（载波/干扰）≥－41dB

第3章频率规划原则

在进行频率规划时，一般采用地理分片的方式进行，但需要在分片交界处预留一定频点（频率足够使用时）或进行频段划分。

交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区，通常从基站最密集的地方开始规划，如首先从市区繁华地段开始规划，直到郊区载频配置较小的基站（通常选择O1/或S1/1/1为分界），当市区有江河或较大湖泊时也要特别关注，避免水面的强发射带来的干扰。

由于实际基站分布的不规则性，难以保证同层载频的频率能完全按照4*3或3*3等常用模式进行规划，需要根据实际情况灵活调整。

不管采用何种方式进行频率规划，必须遵循以下原则：

1）同基站内不允许存在同频、邻频频点；

2）同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400K以上；

3）没有采用跳频时，同一小区的TCH间的频率间隔最好在400K以上；

4）直接邻近的基站应避免同频（即使其天线主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影响也会带来较大的干扰）；

5）考虑到天线挂高和传播环境的复杂性，距离较近的基站应尽量避免同频、邻频相对（含斜对）；

6）通常情况下，1*3复用应保证参与跳频的频点应是参与跳频载频数的二倍以上；

7）重点关注同频复用，避免在邻近区域存在同BCCH同BSIC的情况。

第4章常规频率复用技术

4.14×3复用的载干比

频谱利用效率可以用频率复用度来表征，它反映了频率复用的紧密程度。

频率复用度

可以表示如下：

（9）

其中，NARFCN——总的可用频点数；NTRX——小区配置的TRX

对于n×m频率复用方式：

n表示复用簇中有n个基站，m表示每个基站有m个小区。

那么，它的频率复用度为：

＝n×m

但通常实际规划时所分配的频点数会大于n×m，因此实际的freuse往往大于上述值。

显而易见，频率复用度越小，其频率复用越紧密，频率的利用率越高，但随着频率复用紧密程度的增加，带来网上的干扰增大，需要相关技术的支持，如DTX、功率控制等；频率复用度越大，其频谱利用率率小，但容易获得较高的网络话音质量。

频率规划就是在频率利用率和网络容量之间寻找平衡点，做到在保证一定网络质量的前提下，使网络容量最大。

GSM系统中最基本的频率复用方式为4×3频率复用方式，“4”表示4个基站（每个基站由3个小区组成），“3”表示每基站3个小区。

这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。

这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求。

使GSM网络运行质量好，安全性好。

4×3频率复用方式下，它的频率复用度为12。

对于下述的紧密复用，由于BCCH载频的重要性，及其不能采用功控、DTX、跳频（射频跳频时）等抗干扰手段，BCCH载频必须采用4×3或更宽松的频率复用模式。

图3常规频率复用4×3

这种复用方式下，N＝4，则

在4×3复用方式下，每个小区为120度定向小区，此时干扰源减小为2个，理论上载干比为【1】：

实际情况下，由于基站布局的不规则，天线挂高的差别，以及实际无线环境的影响，载干比C/I不可能达到这么高。

4.210MHz带宽4×3复用

假设可用带宽为10MHz，信道号为45～94。

如果BCCH分配81～94，共14个频点，其余分配给TCH用，下表为4×3频率规划例子。

表2.4×3频率复用分配表

频率组号

各频率组的频点号

从表中可以看出给基

上表中第一行的频点是BCCH频点，其中81、82为BCCH备用频点。

频率组与图3中的小区编号相对应，小区A1的BCCH为94，其它载频为80、68、56；其它依次类推。

而以12个小区为单位的一簇内，基站A的频率组为｛A1、A2、A3｝；基站B的频率组为｛B1、B2、B3｝；基站C的频率组为｛C1、C2、C3｝；基站D的频率组为｛D1、D2、D3｝。

从上表可以看出，在同一复用簇内，所有频点没有被重复使用，并且同一小区、相邻小区不可能出现同频或邻频。

但是这种复用方式频率利用率低，容量的提高需要占用大量的频率资源，所以这种复用方式满足不了业务量大的地区扩大网络容量的要求。

在10MHz带宽下，采用4×3常规复用模式可以实现的最大站型为S4/4/4。

频率复用度为50/4=12.5。

在这个频率规划例子中频率复用度比12略大，是因为BCCH分配的频点比较宽裕。

注：

本文所指最大站型均指连续成片的基站均能达到的站型配置，不包括孤站。

4.319MHz带宽4×3复用

根据上述4×3频率规划方法，对于中国移动19MHz的频率（1～94），采用4×3频率复用模式，BCCH为79～94，共16个频点，其余全部分配给TCH，不考虑微蜂窝预留频点。

则频率规划方案如下表：

表3.4×3频率复用分配表

频率组号

各频率组的频点号

从表中可以看出给基

79～82频点为BCCH备用频点。

在19MHz带宽下，4×3复用模式可以实现的最大站型为S8/7/7。

频率复用度为分别为11.75/13.43/13.43，平均频率复用度为12.87。

4.46MHz带宽4×3复用

根据上述4×3频率规划方法，对于中国联通6MHz的频率（96～124），采用4×3频率复用模式，BCCH为111～124，共14个频点，其余全部分配给TCH，不考虑微蜂窝预留频点。

则频率规划方案如下表：

表4.4×3频率复用分配表

频率组号

各频率组的频点号

124

123

122

121

120

119

118

117

116

115

114

113

110

109

108

107

106

105

104

103

102

101

100

从表中可以看出给

111、112为BCCH备用频点。

可见在6MHz带宽下，4×3复用模式可以实现的最大站型为S3/2/2。

频率复用度分别为9.67/13.5/13.5，平均频率复用度为12.22。

4.54×3复用小结

对于其它国家运营商不同的频率范围可以参照以上方式分配。

4×3作为常规的频率复用模式是基本的频率规划技术，其它各种频率紧密复用技术的BCCH都必须采用4×3复用模式。

理论分析表明，当各基站分布比较规则、小区方位一致时，同样复用模式下的干扰最小。

因此要想增加网络容量，就必须尽可能保持基站分布符合理想网孔规则，小区方位角保持一致，天线高度也维持在同一高度（不考虑分层网）。

但有时为了覆盖的需要，又往往期望通过调整天线方位角来改善覆盖，在这里与网络容量的提高是一个矛盾，需要权衡取舍。

当需要继续增加网络容量时，可以采用的措施有：

1）小区分裂。

但目前市区宏蜂窝基站平均覆盖半径已经小于500米，进一步大规模小区分裂在技术上和经济上的难度越来越大。

2）利用新的频率资源。

如引入1800MHz频率资源，建设DCS1800网络。

3）在900MHZ现有的频率资源情况下，采用紧密频率复用技术，提高网络容量。

采用频率紧密复用技术提高网络容量是最经济、最快捷的手段，因此也是最受运营商欢迎的手段。

比较典型的频率紧密复用技术主要有3×3，2×6，2×3，1×3，1×1复用技术。

第5章紧密的频率复用技术

5.13×3频率复用模式

在业务量较大的地区，可以采用3×3复用模式；即以3个基站为一组，每个基站3个小区，这9个小区为一个频率复用簇。

同一簇中的各小区使用不同的频率。

这种复用方式相对于4×3方式，同频复用距离减小，所以网上干扰有所增加。

图43×3复用模式

假设可使用带宽为10MHz，信道号为45～94，BCCH采用4×3常规复用，频率为81～94，共14个频点。

TCH采用3×3，频率为45～80，共36个频点。

表5.3×3频率复用分配表

频率组号

各频率组的频点号

10MHz带宽采用3×3复用可以实现的最大站型为S5/5/5。

频率复用度为10。

根据式

（1），N=3，q＝3；此时第一层同频干扰源为2个；若r＝4，则理论载干比为：

实际情况下，由于基站布局的不规则，天线挂高的差别，以及实际无线环境的影响，载干比C/I不可能达到这么高。

在10MHz带宽下，站型可做到S5/5/5，而同样带宽采用4×3复用方式站型只能做到S4/4/4，所以在频带一定的情况下，网络容量得到一定程度的提高。

在网络用户容量不是很多的情况下，使用这种复用方式可适当缓解网络容量的压力；但由于实际基站分布的不规则，天线挂高不一致，各基站的覆盖范围不一致，会导致网上干扰上升，要取得较好的话音质量，须采取一定的抗干扰技术，如跳频、DTX的使用等，以减小网上干扰。

这种复用方式主要特点是：

●对现有网络结构不需做改动，实施容易。

●频率分组简单，系统容量一定程度上得到提高。

●相对于4×3复用方式，干扰有增加，但总体干扰可控制的较小。

●采用跳频时，需要有足够的频带宽度，以保证跳频效果。

5.22×6频率复用模式

这种复用方式是在原有4×3复用方式的基础上，通过改变小区结构，使每基站小区数增加为6个，2个基站（每个基站分为6个60°扇形小区）共12个小区为一频率复用簇，这时，一个复用簇包含12个60°扇形小区，这样的复用方式就是2×6频率复用。

图52×6复用模式

这种复用方式下，根据式

（1）得，

那么，2×6复用方式下，每个小区为60度定向小区，所以每个小区所受到的第一层干扰源减小为1个，理论上载干比为：

实际情况下，由于基站布局的不规则，天线挂高的差别，以及实际无线环境的影响，载干比C/I不可能达到这么高。

假设可使用带宽为10MHz，信道号为45～94，采用2×6频率复用模式，在这里由于2×6蜂窝结构的特殊性，BCCH也采用2×6复用模式，频率为81～94共14个频点，其余为TCH频点。

下表为2×6频率规划例子：

表6.2×6频率复用分配表

频道组号

各频道组的频点号

从上表中看出，在给基站分配频率时，选择频率的规律是｛A1，A2，A3，A4，A5，A6｝｛B1，B2，B3，B4，B5，B6｝，同一小区中、直接相邻的小区中不可能出现同频、邻频。

这种复用方式是通过增加基站内小区的数目来获得容量的提高，通过增加小区数目，10MHz带宽的频率，基站的最大配置可做到S4/4/4/4/4/4，相比4×3复用方式，单个基站的容量提高了1倍；但是这种复用方式进一步缩短了同频复用距离，使得网络干扰显著增加；并且由于小区数目的增加，对于天线半功率角和天线其它指标的要求高，同时对网络结构的改动大，需要增加天馈，实际施工难度较大，所以网上很少使用这种复用方式。

2×6的频率复用度为12.5。

2×6复用方式主要特点：

●通过增加每基站扇形小区数，使每个基站的容量有较大的提高。

●需要高性能的半功率角更小的天线，对天线、站址规划要求高。

●天线辐射信号更加集中，有利于改善室内覆盖。

●需要BSS系统支持6扇区。

●需要增加天线，从现有的4×3方式改为2×6方式，对天线系统及频率规划需要做较大的调整及优化。

●增加了切换频次。

●同频复用距离小，网络干扰增大，须使用DTX、射频跳频等抗干扰措施。

5.32×3频率复用方式

这种复用方式就是2个基站，每基站3个小区，共6个小区为一个频率复用簇，同一簇内各小区使用不同的频率，不同簇使用相同的频率组，这种复用方式就成为2×3频率复用。

图62×3复用方式频率配置

这种复用方式下，每个同频小区所受干扰小区的数目为3（第一层），此时N=2，则

对于规则小区，理论上载干比

在理想的规则小区结构下，此种频率复用方式也不能达到网络的载干比要求，必须依靠跳频、功率控制、DTX等技术进行补偿，才能满足系统的通信要求。

对于10MHz带宽，可是用频点为45～94，若BCCH频率为81～94共14频点，其余为TCH频点，则2×3复用模式的频率分配如下：

表7.2×3频率复用分配表

频道组号

各频道组的频点号

BCCH使用较宽松的4×3复用方式，分配频点1

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