现代无线通信技术-3章-蜂窝结构系统课件.ppt

1、信电工程学院KUIRSARDOUR2012.09 分区结构和蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的通信技术之一。把整个服务区域划分为若干个无线小区（cell)，每个小区分别设置一个基站。半径2至20km，小的1至3km、500m.5至20W.：负责本区移动通信的联络和控制，又可在移动业务交换中心（）的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。小区制需要解决的问题：越区切换同信道干扰公众通信网 MSBSBSMSBSBSMSCMSC移动交换中心或移动电话交换局MTSO基站移动台移动通信网MSMSMS217：蜂房小区

2、使用的频率编号：蜂房小区使用的频率编号移动台移动台MS长途电话交换网长途电话交换网基站基站BS市话局市话局移动交换中心移动交换中心MSCMS33723146541MS1AB移动通信有以下两种通信链路：(1)移动用户基站交换机其他网络其他用户;(2)移动用户基站交换机基站移动用户。服务区服务区MSCMSC位置区位置区基站基站移动通信网PLMNPLMN公用陆地移动通信网 为了使得服务区达到无缝覆盖，提高系统的容量，就需要采用多个基站来覆盖给定的服务区。（每个基站的覆盖区称为一个小区。）从理论上讲，我们可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频谱利用率很低。为了减少对频率资源的需求

3、和提高频谱利用率，我们需。为了提高频率资源的利用率，用空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，即将若干个小区组成一个区群或簇(Cluster)，区群内不同的小区使用不同的频率，另一区群对应的小区可重复使用相同的频率。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰，但当两同频小区间距足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量。将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用。使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小，只有不同区群中的小区才能进行频率复用（或信道再用）。组成：由采用不同信道的若干小区组成。区群附近的若干小区不能用相同的信道。区群之间可以相邻，且无空隙、无重叠覆盖；a.保证各相邻小区之间

4、的距离相等。区群内的小区数应满足：3,1,1Nij4,0,2Nij7,1,2Nij9,0,3Nij12,2,2Nij13,1,3Nij16,0,4Nij22Niijj其中其中i，j为任意非负整数为任意非负整数22223(/2)(3/2)3()3DrjiiiijjrNr/3QD RNR：小区辐射半径；N：小区数。区群内小区数N越大，D越大，抗干扰强。i,j：沿六边形某一个边垂线移动i定位，再转向120度，移动j个单位。1j12i几何结构p 每个小区有6个最近的同信道小区，同信道小区分层排列；全对称区群的第全对称区群的第k层的层的同信道小区连接而成的同信道小区连接而成的六边形半径为六边形半径为kD

5、?3.2.2 激励方式中心激励（采用全向天线）b.顶点激励（采用定向天线）将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120扇形天线共同覆盖，这就是所谓的，如图b所示。采用120定向天线后，所接收到的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的13，因而可减少系统的同频干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。3.2.2 激励方式3.2.2 激励方式越区切换：(1)越区切换的准则，即何时进行切换；(2)越区切换如何控制；(3)越区切换时的信道分配。3.2.3 越区切换越区切换分类：分硬切换和软切换两类。相对信号强度准则

6、；具有门限规定的相对信号强度准则；具有滞后余量的相对信号强度准则；具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则。越区切换准则3.2.3 越区切换 假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图所示。：3.2.3 越区切换（1）。在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如图A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是，在原基站信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。（2）。仅在移动用户当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图当门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。在该方法中，门限选择具有重要作用。如果门限太高，取为Th1，

7、则该准则与准则1相同。如果门限太低，取为Th3，则会引起较大的越区时延，此时可能会因链路质量较差而导致通信中断。另一方面，它会对同道用户造成额外的干扰。3.2.3 越区切换（3）。仅允许移动用户在新基站信号强度比原基站信号强度强很多（大于滞后余量）的情况下进行越区切换，如图C点。该技术可防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。（4）（准则4）。仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限，并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换，如图5-31中的D点附近。3.2.3 越区切换 CDMA 采用，软切换有切换区。切换区内采用分集方式维持服务

8、质量。在移动通信的无线网设计中，解决无线覆盖区和无线电干扰是两大难题。无线电干扰一般分为等。所有落在收信机通带内的与接收信号频率相同或相近的干扰信号。是通过基站站址布局（保持同频复用距离）、合理的覆盖区设计及频道配置。2.邻频道干扰 工作在，即邻道(k土频道）信号功率落入频道的接收机通带内造成的干扰称为邻频道干扰。解决措施：(1）降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机带外辐射；(2)提高接收机的邻频道选择性；(3)在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用。003/nnND RSIii18SdBI3.3.3 功率控制 两者自动遵循双方约定的计算机控制程序，动态调整互相之间的通

9、话信道、电磁辐射功率与接收灵敏度，当接收到的基站信号减弱，手机和基站都会调高发射功率以保持通信和通话质量。例如，一个覆盖半径在至米的基站，相对于该范围内的移动手机而言，距离基站越远，对应信道和手机的发射峰值功率越强。当手机在距基站米左右的楼内通话时，基站对应信道的发射功率在左右，手机的发射峰值为左右；而当手机移动到距基站至米的视角距离时，基站与手机之间对应的信道发射功率将分别自动调节在左右。3.3.3 功率控制两类信道分配策略：和。固定的信道分配策略：。优点：控制方便，投资少。缺点：信道利用率低。2.动态的信道分配策略:3.4.1信道分配策略可分为动态配置和柔性配置。1.：（信道全部不固定）。

10、：（信道部分不固定）。动态配置法优点：频率利用率高；缺点：控制复杂。(考虑各类干扰、计算、存储和设备因素）3.4.1信道分配策略3.4.2 呼叫接纳控制呼叫接纳控制：。思考：画一个N=4的蜂窝系统结构，要求至少包括3个区群，将簇中小区所用频率组用A,B,C,D标识。1.N=4对应的对应的2维坐标：维坐标：i=0,j=2DACBDACBDACB3.确定相邻区群的位置确定相邻区群的位置2.N=4的基本区群形状：的基本区群形状：DACBN=4,i=0,j=2簇间同频小区位置的确定:沿着任意一条六边形边的垂线方向移动i个小区，并逆时针方向旋转60，再移动j个小区。一定要用寻找相邻同频小区的方法确定相邻

11、区群的位置才能保证同频小区间距离最大：以N=4,i=0,j=2为例，思考 例,蜂窝移动通信系统，若使载干比C/I（假设路径传输损耗因子n为4，并且只考虑第一层同频干扰，不考虑最坏情况）大于13dB，请问区群大小N应该为多少？解：同时N应满足区群构成条件，即N可为4,7,9，所以区群大小N至少为4时，才能满足系统的载干比要求1310131019.95CdBI 43(3)19.956nNCNIm 3.65N例：蜂窝小区N=7的模式，设n=4，问其载干比?解如果，N=4时，41/373.518.76CINdB 4(3)2413.8()6CNdBI例，系统总的可用信道数S=280，相同区域内，用N=7

12、的区群需要复制4次，而用N=4的区群需要复制7次，求 二者能提供的信道总数 N=7时 每个小区的可用信道数 则总的可用信道数 同频复用比 QN=4时 每个小区的可用信道数 则总的可用信道数 同频复用比 Q4 7 4028 401120CMNK/280/740KSN/280/470KSN7 4 7028 701960CMNK 34.58QN33.46QN 41/318.7()6CINdB 4(3)13.8()6CNdBI 结论：N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可有更多的区群，频谱利用率高，有更多的容量。从提高频谱利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提

13、下，N应取最小值为好。系统频谱的分配(以FDD系统为例)频率频率上行链路工作频段上行链路工作频段下行链路工作频段下行链路工作频段fifpfjfq按频道间隔进行信道划分按频道间隔进行信道划分1 2 3 4 M下行链路工作频段下行链路工作频段N个频率组分给一个区个频率组分给一个区 群，相邻区群重复使用群，相邻区群重复使用ACBACBN=3按业务质量干扰等要求按业务质量干扰等要求进行信道分组进行信道分组1 4 频率组频率组A2 5 频率组频率组B3 7 频率组频率组C是度量通信系统通话业务量或繁忙程度是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。的指标。/60AQT0/60AQ T 如果在一个小时内连续

14、不断地占用一个信道，则呼叫话务量为如果在一个小时内连续不断地占用一个信道，则呼叫话务量为1Erl1Erl3.5.3 链路占用数概率分布全部信道被占用，新呼叫不能完成；：在阻塞的情况下，用户必须放弃呼叫，而后重新呼叫；等待制系统维持一个队列保存阻塞的呼叫。队列中的呼叫以一定立即得到链路，需要延迟直到链路空闲。即由于信道阻塞而允许呼叫失败的百分比。呼损也可定义为链路全部被占用的概率，是按同时呼叫数的概率计算，也称为系统的服务等级也称为系统的服务等级(或业务等级或业务等级)全部链路被占用及有呼叫等待的概率。同时呼叫数的概率分布是 恩戈谢特分布及其简化版分布 对于一个通信网来说，要想使呼损减少，只有让

15、呼叫的话务量减少，这样势必要减少系统容纳的用户数，这是不希望的,可见呼损率与话务量是一对矛盾。那么，根据话务理论，话务量A、呼损率B、信道数n之间存在下式所示的定量关系:niiniAnAB0!/!/呼损率、话务量、信道数之间的关系见图3-8 著名的LLC下的爱尔兰呼损公式。3.5.4 呼损 Ba A1%2%3%5%7%10%20%10010002000310053007501110250201530223028203810470059510003045506020715089910571271193040869109212591525174820452954513611657187522182

16、504288140106190922762543296033053758510972501293532503738413946666230831283627398745434999559773699378343454748537058796546852210446150845529621667767511968511516058426328707676878437108571258766615714179508610947412036136607704279678835954310470132221473528200880397301048511473144131581089010965010

17、6331143412484156081688759828105051154412390135001680717965210656113681246113353145221801018104371149112238133351432115548192161911230123331311514315152941657920424爱尔兰损失概率表爱尔兰损失概率表注：A-呼叫话务量；n信道数；B-呼损率全部链路被占用及有呼叫等待的概率。10(0)!1!mkmmkAPAAAmmk第二爱尔兰呼损公式()/()/10()()!1!mm A tm A tkmmkAPtPt eeAAAmmk 被迫等待T秒的概率

18、为下式，是被延迟的概率和延迟T秒的联合概率。下式也表征一个等待系统的服务等级。呼叫平均等待时间：等待系统的标志之一。呼叫平均等待时间：等待系统的标志之一。两种计算方法：两种计算方法：00()(0)()()dPtPttPtdtu mA 1()callu mA系统总容量：1KTKkAQQT/TTACQ考虑手机使用率的系统总容量：电路利用率(是指单位时间（是指单位时间（1 1小时）单位信道的完成话务量。小时）单位信道的完成话务量。表征单位时间内链路使用的程度）：(1)ABm 其中其中n n为共用信道数。为共用信道数。呼损率的计算方法呼损率的计算方法利用完成话务量利用完成话务量Erlang Erlan

19、g 公式公式 ）流入话务量流入话务量A A与完成话务量与完成话务量A A0 0之差即为损失话之差即为损失话务量，损失话务量与流入话务量的比值即为呼损务量，损失话务量与流入话务量的比值即为呼损率率 由由 和和 得得000At0100%AABA0At0iB52101011!610!0.043142!6!nniiiiA nBA ii0(1)AABmm 有一个系统容量有一个系统容量n n=10=10（条线），流入的业务强度（条线），流入的业务强度A=6erlangA=6erlang，系统服务的用户很多，可计算这个系统的，系统服务的用户很多，可计算这个系统的呼损率呼损率为：为：在不同呼损率在不同呼损率B

20、 B的条件下，的条件下，信道利用率信道利用率也是不同的也是不同的（1 1）定义繁忙小时集中系数（又称集中率）定义繁忙小时集中系数（又称集中率）K：（2 2）计算每个用户最繁忙的那个小时的统计平均话务量，即）计算每个用户最繁忙的那个小时的统计平均话务量，即每个用户的忙时话务量每个用户的忙时话务量A A：C C：每一用户每天平均呼叫次数；：每一用户每天平均呼叫次数；T T：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为秒）：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为秒）（3 3）根据给定的呼损率）根据给定的呼损率B B和信道数和信道数n n，查表得系统可提供的流，查表得系统可提供的流入话务量入话务量A A（4 4）则

21、可求得则可求得mm：1K 最忙 小时内的话务量全日话务量3600aACTK3600aaA AA nA nmnACTK54 题题 某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫1010次，每次占次，每次占用信道平均时间用信道平均时间8080秒，要求呼损率秒，要求呼损率10%10%，忙时集中率，忙时集中率K K=0.125=0.125，问给定，问给定8 8个信道可容纳多少用户？个信道可容纳多少用户？解：解：1 1利用爱尔兰损失概率表，查表求得：利用爱尔兰损失概率表，查表求得：A A=5.597Erl=5.597Erl 2 2求每个用户忙时话务量求每个用户忙时话务量A A

22、：C=10,T=80C=10,T=80，3 3每个信道能容纳的用户数每个信道能容纳的用户数m m 4 4系统所容纳的用户数：系统所容纳的用户数：/201.3/8aA Amn201.3201mn用户10.0278Erl3600aACTK 若系统中所有小区都按原小区半径的一半分裂，则理论上，系统容量增长接近4倍。根据服务区内用户的密度不同，在用户密度高的区域，将小区面积划小，采用小区分裂的方法。无线小区还可以继续划小为微小区（Microcell)和微微小区(Piccell)以不断适应用户数增长的需要。120120定向覆盖的同频干扰定向覆盖的同频干扰 DCBAEFGDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDD利用定向天线可以降低同频干扰 m=2或3 3(/)nnNCD RImm