蜂窝移动通信网络设计的三层HOP方法

　　在第一层，决定了小区数量的上界和相应的小区覆盖范围。HOP的输入参数如下：忙时的话务负荷，覆盖要求和整个服务区域的地形特征。并选择典型情况下的传播参数。任务为用最小的小区数量覆盖整个区域并满足平均话务需求。

　　在第二层，小区的数量和最佳的小区位置由大型的组合优化模型决定。模型的规划目标是使总的系统成本最小化，同时确保覆盖的质量，并努力符合非一致话务负载的要求。我们考虑到了不同用户的话务密度和不同类型服务区域的地形特征。如图1 所示，整个区域被划分为市区，郊区和农村。这些区域进一步被划分为更小的网格。环境结构方面的信息，用户密度和每个网格的平均俯角等都可以从地理信息系统 (GIS)的数据库里得到。

　　详细规划在第三层进行，每个小区的具体参数，如天线模型及其增益，发射功率，天线高度和信道利用率等都在这一层设置。最后，把成本估计出来。

　　规划过程的总体系统性能很大程度上取决于不同层次上的不同活动和决策相结合的程度。如图2所示，决策必须在双向上相互调整和加强。

　　为了获得这个HOP方法和最优成本模型，需要考虑几个复杂的关系：覆盖率的要求，小区的覆盖范围和小区边界信号强度之间的关系[2];传播损失和具体的人造建筑物及地形外表之间的关系[17];设备和成本之间的关系。

　　A. 第一层：小区数量和小区大小的最初决定

　　首先，根据整个地区的覆盖性能和平均话务需求决定需要的最小基站数。为了确定系统设计中需要的小区数的上界，这个最小的基站数是在最差的情况下计算的的。在此我们取小区复用因子k=7，并给定地区覆盖概率 和用户阻塞率 。

　　把覆盖区域对移动话务量的要求考虑为在忙时由在此区域内的移动单元发起的所有呼叫尝试。它是根据覆盖区域内车辆的交通流量来预测的。给定预估的呼叫尝试率，该区域的话务负载就转化为忙时在此区域内的移动用户数。

　　我们定义以下符号：

　　根据每个小区的信道数和给定的阻塞率 得到的每个小区可以提供的话务量(用户数/小时)。

　　整个服务区的总话务量(用户数/小时)。

　　覆盖边界处的接收信号强度的门限电平。

　　射频输出的峰值功率(dbW)。

　　发射天线的输入功率(dbW)。

　　接收天线的接收功率(dbW)。

　　, 分别为基站和移动单元的天线增益(db)。

　　, 分别为基站和移动单元的天线高度。

　　d 小区的平均辐射半径(km)。

　　S 服务区的总面积(km )。

　　首先考虑覆盖性能。从发射机到接收机射频功率的链接预算资源由下列方程给出[1]，[9]：

　　= + – L(d) + (4)

　　= – l (5)

　　其中L(d)是传输损耗(db)，而l是绝缘体，组合器和射频电缆的复合损耗。

　　整个地区小区数量的上界由关于市区的Hata传播模型决定。关于郊区和农村的模型将在规划的下一层考虑。假设有下列条件[1]，[9]： = 10W， =30m， =3m， =12dBi， = 2dBi，l = 4dB，f = 900MHz。则关于传播损失L的公式(1)变为：

　　L(d) = 123.73 + 35.22•log(d) (6)

　　为保证满足覆盖要求，我们有

　　= – 73.73 – 35.22•log(d) ≥ (7)

　　即 log(d) ≤ log(d ) = ( - – 73.73)/35.22 (8)

　　其中d 是在大城市市区环境下最大的小区辐射半径。

　　那么，小区的最小数量为：

　　(9)

　　如果由业务量的分布情况来确定覆盖区图形，小区数量就由话务量决定[1]。在这种情况下，小区的最小数量为：

　　(10)

　　由此可以给出小区的最小数量为：

　　n = max{ ， } (11)

　　在最初的系统设计中，我们设n为小区数量的上界以得到成本有效的设计。在给定小区数量后，平均小区辐射半径由d = 决定。

　　B. 第二层：最优小区位置和小区数量及小区大小的确定

　　在这一层，考虑了整个区域的非一致话务分布。有关地形结构和环境的数据，话务密度，俯角均存储在每个网格中。一旦已知小区数量的上界，下一步就是要确定那一个网格属于那一个小区。进而就确定了小区的数量，不同的小区位置和小区大小。一般地，小区由相邻的具有相同分类的几个网格组成。在本论文中，建立了一个组合优化模型来确定那个网格属于那个小区和基站参数的最优值。我们考虑关于覆盖标准的“硬”约束和非一致话务需求的“软”约束，“软”约束可被放松且可通过补偿项合并入目标函数。模型的目标是使整个系统成本最小化。在轻话务量条件下，小区的数量可进一步减少。

　　1)经济优化模型的数学阐述：为了阐明这个问题，我们引入以下决策变量：

　　= 1，若网格i属于小区k = 1，若小区k被网格占据

　　0， 若网格i不属于小区k 0，若小区k内没有网格(节约一个小区)

　　进一步，我们定义如下：

　　1， 网格i内的市区结构

　　= 2， 网格i内的郊区结构

　　3， 网格i内的农村结构

　　网格i内的话务密度(用户数/小时)。

　　n 总的小区数。

　　m 总的网格数。

　　交换机房，硬件和安装的固定成本。

　　基站内的硬件和安装的成本。

　　考虑其增益的天线的成本系数。

　　考虑其发射功率的发射机和接收机的成本系数。

　　小区k内的基站发射功率，且 ，其中 和 分别是其相应的上界和下界。

　　分别为小区k内的基站和移动单元的天线增益，且 其中 和 分别是其相应的上界和下界。

　　分别为小区k内的基站和移动单元的天线高度。

　　小区k的辐射半径。

　　网格的范围。

　　在EOM模型中，目标函数 (12)的目的是最小化总的系统成本。约束(13)用来确保覆盖性能。约束(14)保证设计满足非一致话务量的要求。约束(15)-(17)确保小区由具有相同结构且彼此相邻的网格组成。约束(18)-(20)给出了 和 之间的关系，即当 =0时， =0;当 0时， =1。

　　信号传播损耗 通过Hata预测模型进行计算。根据以下条件[1],[9]： = 10W， =30m， =3m， =12dBi， = 2dBi，l = 4dB，f = 900MHz，我们有：

　　= а+35.22•log( ) (21)

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