作者：夏明華  周淵平  中山大學信息與通信技術研究中心

    【摘要】文章提出了一種針對室內分布系統與室外宏蜂窩系統之間的新的話務均衡方法，介紹了該方法的工作原理、過程。最后通過MonteCarlo仿真證實其有效性。

    【要害詞】室內分布系統室外宏蜂窩話務均衡 電調天線

    1  引言

    隨著移動通信網絡覆蓋的進一步完善，基站密度增加，城市的室外區域已經基本做到了無縫覆蓋，熱點地區的室內區域也通過直放站或者室內分布系統實現了有效覆蓋。但是，到目前為止，室內分布系統只是專門為樓宇內部的用戶服務，這就會造成系統資源的極大浪費。比如，超市和娛樂場所的室內分布系統通常在晚上有較大的話務量，而白天的話務量極低；展覽中心、會議中心等地只在周末等某些舉行活動的特定日子存在大量的話務量，其余時段則十分空閑。因此，與傳統的話務均衡方法[1,2,3]不同，我們提出，給室內分布系統加裝一副室外電調天線，根據其話務分布模型，自適應地利用它的低話務量時段去吸收室外宏蜂窩系統的部分話務量，最終實現話務均衡，這既提高了室內分布系統的資源利用率，也降低了室外宏蜂窩的話務負荷，從而增加宏蜂窩覆蓋區域內能夠容納的用戶數量，提高整個移動通信系統的服務質量。

    2  系統工作原理

    圖1是系統的工作原理圖。位于D點的BS1代表室外宏蜂窩基站的天線，位于E點的BS0代表我們為室內分布系統安裝的室外電調天線。S1、S2、S3代表室外宏蜂窩的三個扇區，室內分布系統位于S2扇區內。我們的目標是，通過不斷調節BS0的下傾角和發射功率來改變其覆蓋范圍；通過用戶在空閑模式下的小區選擇，使越來越多的原來接入BS1的用戶轉向接入到BS0當中去，最終實現BS1和BS0的話務均衡，這就使得BS1的S2扇區的話務負荷降低。進一步，從系統的觀點來看，由于扇區間切換的存在，BS1的S2扇區話務負荷降低，會有助于降低BS1的S1、S3扇區的負荷和擁塞狀況；同理，由于小區間切換的存在，BS1負荷和擁塞狀況的改善，會導致整個系統性能的改善。

    圖1  系統工作原理

    值得注重的是，一方面，為了盡可能不造成對其它小區的干擾，BS0的覆蓋范圍既受限于設計時設置的最大覆蓋半徑，也受限于BS0與BS1兩基站之間的距離，即不超過圖1中的E、F兩點之間的距離；另一方面，話務均衡的精度與覆蓋半徑的調節精度密切相關，這直接影響到天線控制算法的復雜度。

    3  小區選擇與話務均衡

    當室內分布系統的室外電調天線開啟時,原來處于室外宏蜂窩系統覆蓋區域內的用戶在空閑狀態下將進行小區選擇。根據GSM規范GSM05.08[4]，小區選擇準則包含接收信號強度指標（接收信號功率、小區選擇參數C1），結合考慮接收信號質量指標（接收載干比CIR）。小區選擇的流程圖如圖2所示：

    圖2  小區選擇流程圖

    話務均衡是指位于同一區域的不同基站的無線信道資源應根據話務和覆蓋的需求進行配置，使無線信道的話務負荷大致相當，從而降低網絡阻塞率、提高無線信道利用率[2]。我們采用的話務均衡準則為：室外宏蜂窩和室內分布系統的單位話務量所支持的用戶數相當，即：

    （1）

    其中，Num_User_Macro，Num_User_Micro分別代表室外宏蜂窩和室內分布系統所承擔的用戶數；Traffic_Macro，Traffic_Micro分別代表室外宏蜂窩和室內分布系統所支持的理論話務量。

    在實際的天線調節過程當中,由于調節步長的限制，不可能做到嚴格滿足式(1)。在室內分布系統的室外電調天線開啟之前，式(1)的左邊遠大于右邊；當電調天線開啟之后，我們通過自動調節天線參數逐步增大室內分布系統在室外的覆蓋范圍，使式(1)的右邊逐步增大，與此同時，由于用戶在空閑模式下的小區選擇作用的存在，式(1)的左邊相應減小，當天線調節到達一定程度的時候，式(1)的左邊近似等于式(1)的右邊，那么停止天線調節、固定此時的天線參數。當然，為了不影響其它小區的正常工作，室內分布系統的室外覆蓋范圍和發射功率嚴格受限，也就可能出現式(1)的左邊永遠大于式(1)的右邊的情況，此時，只能使室內分布系統天線的有效覆蓋范圍達到最大，以充分提高室內分布系統的資源利用率。

    4  仿真結果與分析

    我們采用MonteCarlo方法在一個3*7頻率復用模式的多小區蜂窩系統環境中驗證我們提出的話務均衡方法，在目標小區外考慮第一層的六個同頻干擾小區[5]。我們假設室外宏蜂窩的小區覆蓋半徑為500m；室內分布系統的室外覆蓋范圍的最大半徑為300m，調節步長為50m。對我們的實測數據采用MMSE準則處理并經傳播模型校正之后[6]，分別取路徑損耗指數PLE=3.77，反映陰影效應的標準差Sigma=7.42；最小答應接入電平ACCMIN設為-90dBm，載干比門限值CIR0設為12dB。仿真流程如圖3所示：

    圖3  仿真流程圖

    表1對應的仿真參數配置實現了話務均衡,此時，室內分布系統1的室外天線的覆蓋半徑為250m,小于設計的最大覆蓋半徑300m。表1顯示，經過話務均衡之后，接入室外宏蜂窩的用戶數量顯著降低，相反，接入室內分布系統1的用戶數量明顯增加，這同時也意味著室外宏蜂窩所覆蓋的目標區域內可以容納更多的用戶。如圖4所示，經過話務均衡之后，室內分布系統1的相對于理論最大支持用戶數量配置的歸一化用戶數量稍大于室外宏蜂窩系統，之所以沒有精確實現式（1）所示的相等，是由于天線覆蓋范圍調節步長的限制造成的。

    表1  仿真參數配置1與相應的仿真結果

    圖4  話務均衡分

    表2對應的仿真參數配置與表1相比，室內分布系統2的理論話務量增大了，使得室內分布系統2的覆蓋半徑達到我們約束的最大覆蓋半徑300m。如圖5所示，室內分布系統2的歸一化用戶數量小于室外宏蜂窩。因此，由于天線最大覆蓋范圍的限制，盡管沒有實現完全話務均衡，但是室內分布系統2的利用率達到最高。

    表1和表2也分別給出了使室內分布系統1、2達到話務均衡或者最大利用率時候的電調天線控制參數。

    表2  仿真參數配置2與相應的仿真結果

    圖5  話務均衡分析

    5  結束語

    通過給室內分布系統安裝一副室外電調天線，我們可以將其在低話務量時段的系統容量調配給室外宏蜂窩系統。通過自適應調節室外天線的下傾角和發射功率，能夠實現室內分布系統和室外宏蜂窩的話務均衡，既提高了室內分布系統的利用率，也降低了室外宏蜂窩的話務負荷，結合切換技術，這會導致整個系統的用戶容量的增加和擁塞率的降低。

    本文提出的方案打破了目前的室外宏蜂窩和室內分布系統相互獨立吸收話務量的局面，它在高話務密度的熱點地區的廣泛應用，必將顯著提高室內分布系統的資源利用率，并有效改善整個移動通信系統的服務質量。

    參考文獻

    【1】朱東照，吳松．GSM系統中話務均衡的研究．電信科學，2002（12）．

    【2】張威．GSM網絡優化原理與工程．北京：人民郵電出版社，2003-10．

    【3】啜鋼，CDMA無線網絡的規劃與優化，北京：機械工業出版社，2004-04．

    【4】GSM05.08(ETS300568)．Digital cellular telecommunication system (Phase 2)．Radio Subsystem Link Control.

    【5】WilliamHTranter，etal．PRinciples of Comunication Systems Simulation with Wireless applications．Printice Hall，2003．

    【6】TheodoreSRappaport．WirelessCommunicationsPrinciples and Practice．Prentice Hall Inc., 1996．

    【作者簡介】

    夏明華：中山大學博士生，主要研究方向為空-時無線通信。

    周淵平：博士，教授，博士生導師，中山大學信息與通信技術研究中心主任，主要研究方向為通信系統中的空時域信號處理。