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移動(dòng)通信中的物理信道空間資源的利用

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移動(dòng)通信中的物理信道必須要占據(jù)一定的時(shí)間、頻率、功率和空間，而這些資源是有限的，并且是所有信道共享的 。在頻分多址系統(tǒng)中，主要以頻率的不同劃分不同的信道；在時(shí)分多址系統(tǒng)中，在頻率分開的基礎(chǔ)上，又在時(shí)間上劃分出了許多信道；碼分多址系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，其本質(zhì)是許多信道共享功率資源，而區(qū)分這些信道的是PN碼 。時(shí)間、頻率和功率資源可以看作是一維的資源，其分離可以在一根坐標(biāo)軸上表示，業(yè)界對(duì)這些資源的利用已經(jīng)非常成熟 。而空間資源是一種二維的甚至是三維的資源，真正充分利用空間資源的技術(shù)難度也相應(yīng)較大 。從無線通信發(fā)展初期到現(xiàn)在，雖然大家越來越重視開發(fā)利用空間資源，但到目前為止，在空間資源方面仍然還有很大的潛力可挖 。本文主要介紹了各種空間資源利用技術(shù)，包括相對(duì)簡單的蜂窩結(jié)構(gòu)、小區(qū)分裂、空間接收分集，到相對(duì)復(fù)雜的空間分集發(fā)射、MIMO天線和空時(shí)編碼、智能天線等前沿技術(shù) 。
蜂窩結(jié)構(gòu)和小區(qū)分裂
在無線通信發(fā)展之初，通常只有一個(gè)地面站覆蓋整個(gè)城市，即大區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng) 。這種系統(tǒng)的發(fā)射功率很大（50～200W），覆蓋半徑可達(dá)30～50km，但是系統(tǒng)容量很小，一般只能同時(shí)容納幾十個(gè)到幾百個(gè)用戶 。
隨著系統(tǒng)容量需求和有限頻譜資源的矛盾日益突出，出現(xiàn)了小區(qū)制蜂窩覆蓋技術(shù) 。蜂窩技術(shù)在平面空間上劃分許多正六邊形的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)架設(shè)覆蓋該小區(qū)的天線，在空間上相隔一定距離的各個(gè)小區(qū)進(jìn)行頻率復(fù)用，從而提高了頻率利用率 。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)組網(wǎng)靈活，可以基本實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋 。這是無線通信利用空間資源的一個(gè)里程碑 。
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)也不斷增加，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)容量也很快達(dá)到飽和，而且各個(gè)小區(qū)的用戶密度不相等 。非凡是在城市環(huán)境中，用戶密度較大，原來的蜂窩系統(tǒng)容量不能滿足需求 。最簡單的方法就是進(jìn)一步把蜂窩劃分得更小，進(jìn)一步提高頻率復(fù)用程度，這就是小區(qū)分裂 。小區(qū)分裂的方式有許多種，一種常用的方式是在原小區(qū)的基礎(chǔ)上，用定向天線代替全向天線，將全向覆蓋的小區(qū)分裂成定向覆蓋的小區(qū)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加新的基站 。工程中大量采用的是把一個(gè)全向小區(qū)分成3個(gè)120°覆蓋的扇形小區(qū) 。常見的還有分成6個(gè)60o扇形小區(qū)的方案、將原正六邊形小區(qū)分裂成3個(gè)新的正六邊形小區(qū)的1:3方案 。還有一種辦法就是在適當(dāng)?shù)胤皆黾有碌幕?，一般是把原來的小區(qū)分裂成4個(gè)半徑縮小一半的六邊形小區(qū) 。當(dāng)用戶數(shù)繼續(xù)大量增加時(shí)，可以組合使用上面的方法進(jìn)行二次小區(qū)分裂 。如形成1×6×3方式，1×3×4方式 。通過小區(qū)分裂的不斷進(jìn)展，一些原來由宏蜂窩覆蓋的區(qū)域由許多微蜂窩或微微蜂窩覆蓋，或者由大小不同的蜂窩同時(shí)覆蓋，從而出現(xiàn)了分層蜂窩結(jié)構(gòu) 。
小區(qū)分裂盡量在空間上增加頻率的復(fù)用效率是移動(dòng)通信擴(kuò)容的一項(xiàng)重要技術(shù)，但現(xiàn)在“小區(qū)分裂”已接近其技術(shù)極限 。GSM在我國開通運(yùn)營以來，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容一直以小區(qū)分裂為主，但在大中城市高話務(wù)密度地區(qū)，如北京、上海、廣州、深圳等大城市的GSM網(wǎng)絡(luò)，基站布局已經(jīng)很密，市區(qū)基站間距已經(jīng)縮小到300～500米，不可能再大規(guī)模地增加基站，只能在個(gè)別地區(qū)采用非凡措施新建少量基站 。
空間分集接收和分集發(fā)射
無線信號(hào)在復(fù)雜無線信道中傳播會(huì)產(chǎn)生多徑瑞利衰落，在不同空間位置上，其衰落特性是不同的 。假如兩個(gè)位置相隔十個(gè)無線信號(hào)波長以上，就可以認(rèn)為兩處的信號(hào)是完全不相關(guān)的 。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間分集接收 ?？臻g分集一般用兩副相距十個(gè)波長以上的天線同時(shí)接收信號(hào)，然后在基帶處理中把兩路信號(hào)合并 。根據(jù)兩路信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，合并的方法可分為選擇合并、開關(guān)合并、等增益合并和最大比合并 。其中，最大比合并之后信號(hào)的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，是最佳的合并方式 。在CDMA系統(tǒng)的軟切換過程中，還可以通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收（宏分集），從而提高移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量 。

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