电磁频谱管理中的频率分配技术研究

2022-02-18孔维威刘善海

科学与信息化 2022年3期

孔维威刘善海

31437部队辽宁沈阳 110000

引言

移动通信中，要使用频率分配的技术为不同蜂窝区域的用户提供可靠的信道服务，并且信道分配技术的应用还能实现信道复用，提升系统容量，改善用户体验。在分配技术层面分为固定分配、动态分配以及混合分配技术，对这几种信道分配技术的优缺点开展深入的研究，将会产生积极的工程应用效果。

1 频率分配在电磁频谱管理中的作用

电磁频谱是移动通信技术的信息传递媒介，其在当今世界的通信领域具有非常关键的作用。早期的移动通信技术利用安装在高塔上的大功率发射机来提供数量有限的通信业务频道，虽然其覆盖面积非常广，但是其发射的频道没有重复利用的可能性。因此，这种单基站大区制的移动通信系统存在覆盖面积大而容量低的缺陷。然而，一个非常现实的问题是现阶段的移动通信用户数量已经达到了非常庞大的规模，此外在很多国家，移动通信已经成为人们日常生活的主要通信方式[1]。这种巨大的用户规模极大地增加了移动通信系统的负荷，频率资源的矛盾性也更加突出。在这种情况下，人们逐步发展出频率复用的技术，并且借助频率分配技术来促进频道的重复利用，系统的容量也因此而获得大幅度的提升。

2 频率复用

2.1 蜂窝技术

传统技术采用单一的大功率发射机覆盖较大区域，并为该区域内的用户提供通信频道，但是其缺陷也非常明显，为改善这一情况，蜂窝技术被提出，其核心原理是放弃使用单一大功率发射机，改用多个小功率发射机，每一个专门负责某个特定小区域的用户，提供通信频道，同时临近基站提供的信道或者频段是不一样的。这一改造的优点在于原来的大功率单一发射机将有限的频道资源覆盖了较大的区域，但是不同区域的用户往往不能同时使用同一个频率，也就是频率不能实现重复利用[2]。但是蜂窝技术的出现将有限的无线频谱资源分配到不同的小空间上，不同的区域的用户和使用相同频段的信道，进而形成了一种覆盖面积小而系统容量高的优势。

2.2 频率复用的基本原理

无线频谱资源是有限的，在蜂窝技术之下，临近的基站覆盖区域、提供的信道是不相同的，这样做的目的是防止临近基站之间形成信号干扰。因此，当两个基站之间的距离足够远时，即使将相同的信道通过基站发射到相关的覆盖区域内，也不会形成信号干扰，这样就产生了频率复用的效果。这种技术措施在实践应用中产生了非常积极的作用，极大地提高了系统容量，在划分基站覆盖区域时主要采用无缝无重复的方式。

3 频率分配技术

3.1 动态信道分配

在蜂窝系统中，不同的小区域内产生的通信需求具有一定的差异，并且同一个区域内的用户在不同时间段内产生的通信需求也有所差异。也就是系统中的话务量会随着时间和空间的变化而不断改变，动态信道分配技术实际上就是根据这种变化来实时的调整信号分配，进而在最大程度上提高无线频率资源的使用效率。动态信道分配的核心思想是不会将信号以事先固定的方式分配给每个区域，当特定区域的用户向基站发出呼叫请求之后，再由基站向MSC请求分配一个服务频道，至于具体的分配方式和频道情况，事先编制的算法将对其实现自动控制[3]。概算法在实现信道分配时要综合四个方面的影响因素。①信道距离大小；②用户所在小区域之后呼叫发生阻塞的概率；③候选信道使用的频率；④系统中的其他开销。在这种信道分配方式中中央信道库设置在话音信道之后，MSC信道则是由服务基站发出的。每次用户呼叫结束之后会立即将之前提供服务的信道回收到信道库之中，以便为其他呼叫提供服务。MSC在分配频率时也要满足一定的条件，一方面提出呼叫请求的小区域内还没有使用该频率，另一方面是最小频率复用距离的小区里也没有使用该频率，这一点主要是为了防止距离较近的小区域内因使用相同的频道而产生信号干扰，动态信道分配技术的优缺点可参考表1。在动态信道分配技术中必须有效预防用户之间的相互干扰，以及提升信道的自适应分配能力。

表1 动态信道分配技术的优缺点

3.2 固定信道分配

基于蜂窝技术的固定信道分配技术也是将整个服务区域划分成若干个小的区域，设计的重点是实现信道复用，与动态信道分配不同，固定信道分配技术会事先去了解各个小区域内的用户需求，然后以此为基础为其分配固定的频道，这种信道在通信领域成为标称信道。频道复用的基本原理一样，主要是控制好不同小区域之间的距离，相互之间不产生干扰，然后就能将同一个信号应用于不同的小区域内。不同区域之间的用户需求和通信项目需求存在较大的差异，在固定信道分配管理中关键是要处理好话务量和信道分配之间的关系，确保其实现最大程度的使用效率。如果各个小区域之间的话务量分配比较均匀，此时通过合理的信道分配就能实现高效率的利用，充分满足各个区域内的话务需求。然而实际情况是这种业务需求在不同区域之间的分布往往是不均匀的，并且相关的通信需求呈现出动态变化的趋势，因为用户的话务需求具有一定的随机性，每个时段的通信量都会发生变化。这种情况下就不可能实现均匀分布。另外，每一个小区域内的用户在向基站发出呼叫请求之后，只能由该区域内的闲置信道来完成这一服务，当区域内的同一时期的用户将信道占满之后，就没有可用的闲置信道，此时如果某个用户向基站发出呼叫请求，就不可能实现通信，这样就造成了阻塞。为了防止小区域内的部分用户因为信道阻塞而不能实现有效地通信，在工程实践中采取了信道借用的策略，也就是允许用户在信道阻塞的情况下从临近的其他小区内临时借用其他信道。MSC会依靠事先编制好的程序来自动完成这一功能，使用过程中要确保这些信号不会出现中断或者相互干扰的情况。

3.3 混合信道分配

显然，固定信道分配技术和动态信道分配技术在实际应用过程中都存在一定的优缺点，将这两种分配技术综合在一起后可形成更加灵活、资源利用率更高以及业务适应能力更强的信道分配效果，这样就形成了混合信道分配方案。具体来说，这种技术模式下，信道分配是动态和固定两种形式的组合，固定信道只能为固定区域的用户提供通信服务，其他区域的用户必须经过MSC的调动才能使用。同时，系统中还为各类用户提供公共的信道服务，技术层面主要采用动态信道分配。当系统中的固定信道被全部占用之后，其他的用户可利用公共的动态信道来获取通信服务。在设计混合信道分配时还要充分考虑到动态信道和固定信道之间的分配比例，因为这两种信道分配方式的占比情况会严重影响系统的资源分配和调度能力，并且用户话务量在时间和空间上的分布特点也会对这两种分配方式的比例产生一定程度的影响。另外，动态信道分配技术的缺点对系统的资源利用具有一定的制约作用，主要的问题是动态信道会实时占用大量的系统资源，尤其会增加计算机系统的计算量。因此，在这种情况下应该充分掌握各个小区域内的用户需求和呼叫请求分布特点，控制好动态分布信道和固定信道分配的比例，进而全面提升系统资源的利用效率。

3.4 信道切换

3.4.1 信道切换的含义。用户在通信的过程中有可能存在跨区域的情况，此时前一个小区域的信道已经不能再向用户提供服务，这就必须在新的区域内为用户匹配到一个可用的信道，并且之前通话时产生的各种信号（如语音）也要一并切换到新地信道上，这一过程主要由MSC自行完成。并且在各个小区域内使用空闲的信道时都要先完成切换，然后再完成用户的呼叫请求。

3.4.2 信道切换的要点。信道切换必须具备一定的依据，其中较为核心的是判断当前用户是否要离开正在使用的信道区域，并即将进入到另一个信道区域，有时候信号的突然衰减会对这一判断造成较大的干扰，让系统误以为用户即将离开当前的基站，这一点要实现有效的预防。此外为了确保信号切换及时且合理，系统必须对存在衰减的信号监测一段时间，重点是通过这一措施来了解系统信号能量的平均值，如果在监测时间段之内始终都呈现出稳定的衰减信号，那就表明可以实施信号切换。这样做就能避免因为信号的短暂衰减而造成误切换。移动终端的移动速度在很大程度上决定了信号切换的时间长短，例如，有些用户在车辆上使用移动信号，其区域切换的速度就变得很快，此时要观察平均信号强度的坡度，若坡度非常陡峭，则表明应该尽快完成切换。

3.4.3 驻留时间。用户发起的一个呼叫请求在接通之后会持续一定的实现，只要没有经过切换，就将其维持话务的时间称为驻留时间。这一参数会受到众多因素的干扰，最常见的为用户和基站之间的距离，信号之间的相互干扰也比较常见。

3.4.4 注意事项。有些移动终端用户会在公交车辆、私家车或者地铁等高速运行的交通工具上使用其移动通信设备，而这种较快的运动速度会增加蜂窝系统的计算负荷，甚至会导致系统难以承受这种负荷。增加小区域的划分和站点分布可提高蜂窝系统的容量，但是在实际操作中要在城市地区获得足够多的站点是一件比较困难的事情，运营商在处理此类问题时往往在同一个基站上设计出多种覆盖区域，服务不同的用户。