蔡卫红，刘军华，雷超阳

（长沙通信职业技术学院，长沙410015）

0 引 言

传统蜂窝移动系统基站天线一般采用全向信号的覆盖模式，这样原始射频信号的能量只有很少一部分能够到达所要传递的用户，射频信号的大部分能量都浪费了，更糟糕的情况是，可能形成干扰信号，减弱了其他用户的信号质量.当网络容量不断扩大，随着用户数量的增加，用户间的干扰也会增加，信干比不断劣化，直至引发掉话现象.

自适应阵列天线一般采用4～8天线阵元结构，利用空间切割方式，将全向覆盖区域切割成许多差异性小区域，通过无线资源管理算法控制发射射频信号能量，动态地集中发射给所要传递的用户，同时避免射频信号干扰网络中的其他用户，这样就大大提高了信干比，优化了空中无线接口的容量，从而扩大基站覆盖范围，提高了信号质量.自适应阵列天线可广泛的应用于3G和4G移动系统.

1 自适应阵列基站天线覆盖

1.1 自适应阵列天线覆盖原理

在自适应阵列天线移动通信系统中，每个蜂窝基站Ci由多个感测器所组成的天线阵列，每个感测器只负责Ci内一个微小区域信号的收发，全部感测器所覆盖区域可划分为两类：非重叠区域和重叠区域.下面以有三个感应器的自适应阵列天线为例来说明.

图1 蜂窝基站Ci的区域

令N（X）表示同一基站中与区域X相邻的非重叠区域，O（X）表示同一基站中与区域X相邻的重叠区域，则图1中有

再令Ci，j表示某蜂窝基站 Ci中感应器 Si，j实际覆盖范围，即Ci，j的覆盖范围只能属于基站Ci中感应器Si，j信号能达到的范围 Ni，j∪O（Ni，j），同时假设任意两个不 同 感 测 器 Si，j和 Si，k服 务 的 范 围 Ci，j和Ci，k没有交集，且Ci内全部感测器能覆盖整个蜂窝基站范围.

定义1：一个由 Si，1，Si，2，…，Si，m等 m 个感测器提供的服务的范围为 Ci，1，Ci，2，……，Ci，m所构成的蜂窝基站Ci必须满足：

同蜂窝基站Ci的区域间有彼此干扰问题，因此当Ci，k中使用一个码来建立通话时，最小干扰范围（Dmin）内的其他区域Ci，j不能用相同的码来建立通信，否则信号将会相互干扰.在蜂窝基站Ci的每一个扇形区域Ci，k被配置一全部系统码B的部分码B（Si，j）.B（Si，j）的配置必需满足定义2，即干扰范围内的区域不能被配置相同的码.

定义2：感测器 Si，j干扰范围定义为离小于最小干扰范围 Dmin的同蜂窝基站的区域﹜.

定义3：Si，j的码分配 B（Si，j）必须满足：对任一图2 中蜂窝基站Ci的地理区域被切割成Ci，1，Ci，2，…，Ci，12等12个区域，若最小干扰范围Dmin为2个区域，则IN配 置 一 码 B（Si，3）时，Si，1，Si，2，Si，4和Si，5中所配置的码 B（Si，1），B（Si，2），B（Si，4）和 B（Si，5）就不能有任何相同的码是一样的.即对IN（Si，3）中的任一区域 Si，j，B（Si，3）∩B（Si，j）为空集合.

图2 感测器的负责区域

定义4：一个蜂窝基站Ci的某一区域Ci，j，所需承载的通话量定义中t为 Ci，j中移动台一次电话的平均通话时间，a为在单位时间内 Ci，j中所有移动台的通话次数.n为频宽 B（Si，j）中的码数.其中 Ci，j所分配到的码 B（Si，j）会影响 Ci，j的通话中断率.评估区域Ci，j的通话阻塞率可用式1表示.

1.2 自适应阵列天线区域资源传统分配算法及改进

1.2.1 自适应阵列天线区域资源传统分配算法

目前，自适应阵列天线区域资源传统分配算法主要有：固定式区域资源分配算法、最大最小区域资源分配算法.

（1）固定式区域资源分配算法

固定式区域资源分配算法的基本思路为：蜂窝基站 Ci中的每个感测器 Si，j的负责范围Oi，j都是固定（j＝1，2，…，m）.

（2）最大最小区域资源分配算法

最大最小区域资源分配算法的基本思路为：蜂窝基站 Ci中的每个感测器Si，j的负责范围 Ci，j是还没有被配置的重叠区域中负载量最高的会优先配置给邻近的负载量最低的感测器.而非重叠区域Ni，j固定分配给 Si，j感应器.

其具体分配方法如下：

初始化：将在蜂窝基站Ci的非重叠区域集合﹛定到对应的 Ci，j，O（Ci）为重叠区域集合﹛ Oi，1，Oi，2，…，Oi，m﹜，其中j＝1，2，…，m，m为一个蜂窝基站感应器的数量.

步骤1：判断O（Ci）是否为空集合，假如是空集合表示蜂窝基站Ci重叠区域已配置完成，配置完成；否则执行下列步骤2.

步骤2：找出蜂窝基站Ci重叠区域集合O（Ci）中话务量λ（Oi，j）最大的区域 Oi，j，执行步骤3.

步骤3：找出话务量λ（Oi，j）最大重叠区域 Oi，j的对应相邻非重叠区域集合N（Oi，j）中两个话务量较小的一个区域Ci，k，接着执行步骤4.

步骤4：将 Oi，j归 Ci，k管理，并将 Oi，j从 O（Ci）中移除，重新执行步骤1.

1.2.2 区域资源传统分配算法改进

固定式区域资源分配算法由于每个感应器覆盖区域保持不变，不能动态跟随基站覆盖区域用户话务量负载变化和变化.而最大最小区域资源分配算法虽然较固定式区域资源分配算法效果有大大提高，但该算法仍然没有综合整个基站的话务负载分布情况，达不到最佳的话务均衡效果.因此，这里提出一种新的改进算法，即最小标准差区域资源分配算法.

算法改进思路如下：

对于一个由m个感测器所组成的蜂窝基站Ci，整个基站覆盖区域可分成 m 个重叠区域｛Oi，1，Oi，2，…，Oi，m｝和m 个非重叠区域｛Ni，1，Ni，2，…，Ni，m｝.任一非重叠区域 Ni，j只能由感应器Si，j负责覆盖，而任一个重叠区域Oi，j可为它提供覆盖的感应器有两个.例如：在图1中Oi，3所能提供覆盖的感应器有Si，2和Si，3.因此，对于有 m 个感测器的基站的配置方式共有2m种，令这2m种配置方式的集合为A（Ci）＝｛Ai，1，Ai，2，…，Ai，2m｝.假设λ（Ci）为 Ci的全部负载量，则Ci中每个感测器平均所需承载的负载量Xi如式（1）所示，其中m为Ci中感测器数目.

Xi＝λ（Ci）／m （式1）

例如：在图1中，假设非重叠区域和重叠区域各自的负载量如表1所示.

表1 蜂窝基站小区Ci中各区域的负载量

由于感测器数目m＝3，因此，共有23＝8种不同覆盖配置方式，全部8种配置情形如表2所示.

表2 A（Ci）内所有子集的配置方式

对于Ci中的一种配置方式Ai，k，假设，，…，为配置中m 个感测器所负责的区域.对于配置中m个感测器所承载话务负载的标准差σ（Ai，k）如式（2）所示.

其算法步骤如下：

步骤1：由 A（Ci）＝｛Ai，1，Ai，2，…，Ai，2m 中选择一个 Ai，k，其中标准差σ（Ai，k为σ（A（Ci））＝｛σ（Ai，1），σ（Ai，2），…，σ（Ai，2m）｝的最小的值.

步骤2：Ci依照Ai，k的配置方式分配不同的区域给m个感应器.

以图1为例，表2为重叠区域和非重叠区域各自的负载量，根据最小平均差算法在步骤1时会计算8种配置方式的标准差σ（Ai，1），σ（Ai，2），…，σ（Ai，8），如表2所示，选择其中标准差最小配置方式 Ai，6.在步骤2中，依照 Ai，6的配置方式指派给Ci的三个感测器，其负责的范围分别

2 自适应阵列天线区域资源分配算法仿真

（1）仿真参数设置

为了比较以上三种算法的资源分配效果差别，可通过仿真来验证.其仿真模拟基本情况如下：①基站数量及每个基站感测器数量分别为：9个及6个；②每基站码数量为：60个；③干扰影响范围为：2个微小区域；④移动用户总数为：10000个；⑤平均每小时每用户通话次数和通话时间分别为：0.4～2.8次、4分钟；⑥重叠区域人数占比分别为：10%、20%、30%；⑦高负载区域个数和人数占比分别为：5个、10%；

（2）仿真比较

当重叠区域人数占比分别为10%、20%、30%时，通过仿真比较三种区域资源分配算法模拟阻塞率仿真情况如图3～图5所示.

从图2～图4可以看出：①当重叠区域的人数占10%时：固定式区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～6.3%，最大最小区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～3.5%，最小标准差区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～3.4%；②当重叠区域的人数占20%时：固定式区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～6.2%，最大最小区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～2.8%，最小标准差区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～2.7%；③当重叠区域的人数占30%时：固定式区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～6.1%，最大最小区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～1.7%，最小标准差区域资源分配算法的通话阻塞率为0%～1.6%；

3 结 论

最小标准差区域资源分配算法相对于固定式区域资源分配算法和最大最小区域资源分配算法对基站覆盖区域的负载平衡效果最好、话务阻塞率最小的原因是：固定式区域资源分配算法由于感测器间的承载量不会平均，负载平衡效果相对于后两种来说肯定最差；最小标准差区域资源分配算法比最大最小区域资源分配算法效果好的原因在于它考虑到了另外两种全部的配置方式，然后由全部的配置结果中找出一组每个感测器间承载量差异性最低的一组配置，以达到负载平衡.

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