1、無線通訊系統概論無線通訊系統概論行動通訊與網路行動通訊與網路Chapter 5Chapter 5蜂巢式概念細胞面積細胞面積n在蜂巢式系統，最重要的因素是細胞的大小與形狀。一個細胞是一個傳送台或基地台所能涵蓋的無線電範圍。n所有該區域的行動台都連往基地台，並接受其服務。理想上基地台所能涵蓋的面積可表示為距基地台圓心半徑R 的圓形細胞。第5 章 蜂巢式概念 第 123頁2圖圖5.1 細胞覆蓋面積的形狀細胞覆蓋面積的形狀細胞細胞R(a)理想細胞理想細胞RRRR(c)不同的細胞模型不同的細胞模型(b)實際細胞實際細胞第5 章 蜂巢式概念 第 124頁3表表5.1細胞形狀與半徑於服務特徵之影響細胞形狀與
2、半徑於服務特徵之影響第5 章 蜂巢式概念 第 124頁4圖圖5.2 兩相鄰細胞兩相鄰細胞 I 與與 j 的信號強度等高線的信號強度等高線從邊界左邊選取細胞從邊界左邊選取細胞 i理想邊界理想邊界信號強度信號強度(單位單位 dBm)從邊界右邊選取細胞從邊界右邊選取細胞 j細胞細胞 j-60-70-80-90-100細胞細胞 i-60-70-80-90-100第5 章 蜂巢式概念 第 125頁5圖圖5.3 接收信號強度顯示實際細胞覆蓋接收信號強度顯示實際細胞覆蓋-100-90-80-70-60-60-70-80-90-100信號強度信號強度(in dB)細胞細胞 i細胞細胞 j第5 章 蜂巢式概念
3、第 125頁6接收功率接收功率 P(x)相距相距 BS之距離之距離 x圖圖5.4 基地台接收功率之變異基地台接收功率之變異第5 章 蜂巢式概念 第 126頁7圖圖5.5 換手區域換手區域BSi因BSj之信號強度EX1因BSi之信號強度X3X4X2X5XthMSPminPi(x)Pj(x)BSjX4X2XthEX4X2Xth 第5 章 蜂巢式概念 第 127頁8圖圖5.6 長方形細胞的換手率長方形細胞的換手率cossinsincos212211NNRNNRHn 假設N1是橫軸上單位長度發生換手的行動台數量，N2是縱軸方向的換手數量，則換手可能發生在細胞的R1邊，或細胞的R2邊。通過細胞的R1邊之
4、行動台數量為，整體換手率：H=R1(N1 cos +N2 sin )+R2(N1 sin +N2 cos )N2N1R2VR1Hsin1Ncos1Ncos2Nsin2N第5 章 蜂巢式概念 第 127頁9長方形細胞的換手率長方形細胞的換手率sincoscossin212121NNNNARcossinsincos212122NNNNARn 我們有:cossinsincos22121NNNNAHn 可以獲得：n 簡化為n 1112222HRNAN NRN與第5 章 蜂巢式概念 第 128頁102212122cos sinHA N NNN細胞容量細胞容量n細胞的供給流量負荷通常決定於下列兩個重要隨機
5、參數1.提出服務需求之行動台的平均數量（平均通話到訪率)。2.使用服務之行動台的平均時間長度（平均通話時間T)。n供給流量負荷定義為a=a=T T第5 章 蜂巢式概念 第 130 頁11n 譬如，一個具有100 個行動台的細胞，平均來說，如果一小時有30個服務需求，平均通話時間為T=360秒，則平均服務率（或平均通話到訪率)是n 一個通道在一整個小時都是忙於服務則定義為一個Erlang。因此，前述例子的供給流量負荷，其Erlang 為：細胞容量細胞容量303603 Erlangs3600a 個通話秒秒第5 章 蜂巢式概念 第 131頁1230 =3,600 個要求秒n平均到訪率為 與平均服務（
6、離開)率是。當所有通道都是忙碌的，新到訪的通話是會遭拒絕的。n此系統可以透過一個M/M/S/S 排隊模型來被分析。如第二章所介紹M/M/S/S是M/M/S/的特例，此系統的穩態機率P(i)s 與M/M/S/模型的其他狀態 i=0,S，具有相同的形式。在這裡，S 是細胞的通道數。所以，我們有：其中 供給量細胞容量細胞容量)0(!)(PiaiPi10(0)!iSiaPi-a第5 章 蜂巢式概念 第 131頁13n到訪通話被阻斷的機率P(S)相同於所有通道都是忙碌的機率n稱為Erlang B式，並標記為B(S,a).B(S,a)，也叫做阻斷機率阻斷機率（blocking probability)、遺
7、失機率，或拒絕機率。附錄A 列有Erlang B 表格。在前述例子，若S 為2，a=3，則阻斷機率為：細胞容量細胞容量SiiSiaSaSP0!)(529.0!3!23)3,2(202kkkB第5 章 蜂巢式概念 第 131頁14細胞容量細胞容量n有0.529 比例的話務是阻斷的，需要重新啟始那些通話。因此總阻斷通話量大約為30 0.529=15.87。系統的效率為：第5 章 蜂巢式概念 第 131頁15n 一個到訪通話被延遲的機率為：n 這稱為Erlang C 式。在前述例子，若S=5與a=3，我們有B(5,3)=0.11。所以，一個到訪通話被延遲的機率為：1),(.!1!1,10aSBaSa
8、SBSiaaSSaaSSaaSCSiiSS細胞容量細胞容量第5 章 蜂巢式概念 第 132頁16.(,),15(5,3)=531(5,3)50.11 =0.23605310.11S B S aC S aSaB SaBB 頻率重複使用頻率重複使用n早期蜂巢式系統使用FDMA，其有限範圍限制在半徑2至20公里。一細胞所使用的頻率帶或通道可在另一細胞重複使用，前提是兩細胞得相距夠遠，且信號強度不相互干擾。而這種作法提高了各個細胞的可用頻寬。第5 章 蜂巢式概念 第 132頁17nD、R（各細胞的半徑），以及 N（各叢集的細胞數量）之間有緊密關係：n重複使用係數q 為：頻率重複使用頻率重複使用RND3
9、NRDq3第5 章 蜂巢式概念 第 132 頁18圖圖5.7 頻率重複使用示意圖頻率重複使用示意圖Fx:頻率帶之集合頻率帶之集合F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F1F1F1重複使用距離 D第5 章 蜂巢式概念 第 133頁19圖圖5.8 利用整數利用整數 i 與與 j 來尋找相鄰細胞中心來尋找相鄰細胞中心j 方向方向60 1 2 3 ii 方向方向第5 章 蜂巢式概念 第 133頁20圖圖5.9 u 與與 v 的座標平面的座標平面(4,-3)(-3,3)u(v=0)012-1-2-1-21234-3-43-3v
10、(u=0)第5 章 蜂巢式概念第 134頁21如何形成叢集如何形成叢集22jijiNn ，其中 i 與 j 為整數。n 由於此方法僅適用於j=1（給定N），整數i 也固定如下：n 然後利用n 可以獲得細胞中心為（u,v）的標籤 L。NvuiLmod)1(222 =1NiijjNii 第5 章 蜂巢式概念 第 134-135 頁22n 現在我們提供一個N=7 的例子。利用式子（5.20)，我們有i=2。然後利用式子（5.21)，我們有L=(3u+v)mod7。n 我們可以利用每個細胞的中心位置（u,v)來計算其標籤。表5.2 N=7 的細胞標籤u01-1001-1v0001-111L034162
11、5如何形成叢集如何形成叢集第5 章 蜂巢式概念 第 135頁23圖圖5.10 7-細胞叢集的細胞標籤細胞叢集的細胞標籤L第5 章 蜂巢式概念 第 135 頁24uv04812119512121 10310371162941011120876678910432234560121112012398578910134567859111267321091011765430111109874521012111065432181098765412圖圖5.11 13-細胞叢集的細胞標籤細胞叢集的細胞標籤 L第5 章 蜂巢式概念 第 136頁25圖圖5.12 六角細胞叢集的常見重複使用樣式六角細胞叢集的常見重
12、複使用樣式第5 章 蜂巢式概念 第 136 頁26圖圖5.13 受共通道細胞與受共通道細胞與下行通道干擾之傳輸信號下行通道干擾之傳輸信號行動台行動台(MS)第二階層之共通到基地台第二階層之共通到基地台(BS)提供服務提供服務之基地台之基地台第一階層之共通道第一階層之共通道基地台基地台RD1D2D3D4D5D6第5 章 蜂巢式概念 第 137 頁27圖圖5.14 下行通道干擾的最差情形下行通道干擾的最差情形行動台行動台提供服務之基地台提供服務之基地台共通到基地台共通到基地台RD1D2D3D4D5D6第5 章 蜂巢式概念 第 138 頁28共通道干擾共通道干擾n 共通道干擾比共通道干擾比（co-c
13、hannel interference ratio;CCIR)為：其中Ik 為來自基地台BSk 之共通道干擾，以及M 是共通道干擾細胞之最大數量。當叢集大小為7，M=6，CCIR 為：其中 是傳遞路徑衰減斜率，其值介於2 至5。1MkkCCII載波干擾第5 章 蜂巢式概念 第 137頁2911MDkRkCI圖圖5.15 細胞分裂示意圖細胞分裂示意圖大型細胞大型細胞(低密度低密度)小型細胞小型細胞(高密度高密度)更小型細胞更小型細胞(更高密度更高密度)第5 章 蜂巢式概念 第 139 頁30細胞分區細胞分區n我們主要專注在全向天線全向天線（omnidirectional antennas)，其允
14、許無線電信號在所有方向以相同的功率強度傳送。要設計這樣的天線是困難的，大部分時候，天線能涵蓋的區域為60 度角或120 度角。這些稱為指向型指向型天線天線（directional antennas)，而使用指向型天線的細胞稱為分區細胞。第5 章 蜂巢式概念 第 139頁31圖圖5.16 以指向型天線細胞分區以指向型天線細胞分區(a)全向型全向型120o(b)120o 分區分區abc120o(c)120o 分區分區(另一種另一種)abc(d)90o 分區分區90oabcd60o(e)60o 分區分區abcdef第5 章 蜂巢式概念 第 140 頁32圖圖5.17 下行通道干擾於三個分區的最差情形下行通道干擾於三個分區的最差情形BSMSRDDBSBSBSD第5 章 蜂巢式概念 第 141 頁33圖圖5.18 下行通道干擾於六個分區的最差情形下行通道干擾於六個分區的最差情形D+0.7RMSBSBSR第5 章 蜂巢式概念 第 142 頁34圖圖5.19 一種將指向型天線建置在三個角落一種將指向型天線建置在三個角落的代替選擇的代替選擇ACBX第5 章 蜂巢式概念 第 142頁35
