《蜂窩移動通信系統(tǒng)》課件

1、移動通信系統(tǒng)原理與應(yīng)用授課老師：肖悅辦公地點：電子通信大樓511房間教師社區(qū)： 進入 通信學院 肖悅 課件下載密碼：comm電子郵件:xiaoyue1第二章蜂窩移動通信系統(tǒng)2第二章 蜂窩移動通信系統(tǒng) 學習重點和要求：掌握關(guān)于蜂窩的概念掌握頻率復(fù)用的概念以及頻率復(fù)用模型掌握同頻干擾的計算理解信道分配策略以及切換策略理解干擾與系統(tǒng)容量之間的關(guān)系理解各種提高系統(tǒng)容量的方法了解中繼的概念掌握服務(wù)等級的計算3第二章 內(nèi)容 2.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 (2.1) 2.2. 干擾和信道容量 (2.3) 2.3. 電信業(yè)務(wù)流量與服務(wù)等級 (2.4) 2.4. 信道切換策略 (2.2) 本章有大量補充內(nèi)容，

2、請結(jié)合課件及參考書現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)學習42.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 52.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 2.1.1 大區(qū)制移動通信系統(tǒng)2.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) 62.1.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng)(1/4)大區(qū)制在一個服務(wù)區(qū)域（如一個城市）內(nèi)只有一個基站，并由它負責移動通信的聯(lián)絡(luò)和控制。 大區(qū)制移動通信網(wǎng)BSMS1MS3MS272.1.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng)(2/4)早期的移動通信網(wǎng)一般是大區(qū)制主要特點：基站天線很高，幾十幾百米基站發(fā)射功率大：50200W覆蓋半徑：3050km優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，成本低缺點：頻譜利用率低，服務(wù)性能差，容量小，一般用戶幾十幾百個，一般用于專網(wǎng)。82.1

3、.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng)(3/4)提高覆蓋半徑是大區(qū)制需解決的問題決定覆蓋半徑的因素：地球的曲率限制了傳輸?shù)臉O限范圍地形環(huán)境影響，信號傳播可能產(chǎn)生盲區(qū)多徑反射限制了傳輸距離移動臺發(fā)射功率小，上行信號傳輸距離有限（上下行傳輸增益差可達612dB）92.1.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng)(4/4)解決上行問題的辦法：如圖, 設(shè)置分集接收臺基站發(fā)射用全向天線，接收用定向天線提高基站接收靈敏度 大區(qū)制設(shè)置分集接收臺示意圖MS1MS2BSRdRdRd102.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 2.1.1 大區(qū)制移動通信系統(tǒng)2.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) 112.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -前言(1/2

4、) 小區(qū)制網(wǎng)構(gòu)成方式基本概念小區(qū)制：利用頻率復(fù)用的概念，將整個服務(wù)區(qū)域劃分成若干個小區(qū)，每個小區(qū)分別設(shè)置一個低發(fā)射功率的基站，負責本小區(qū)的通信。頻率復(fù)用：N個相鄰的小區(qū)組成一個區(qū)群(簇)將可供使用的頻道劃分成N組區(qū)群內(nèi)的每個小區(qū)使用不同的頻率組相鄰區(qū)群重復(fù)使用相同的頻率組分配模式122.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -前言(2/2)基本小區(qū)有：（r0：小區(qū)半徑）超小區(qū)：r0 20km（農(nóng)村）宏小區(qū)：r0 120km（人口稠密地區(qū)）微小區(qū)：r0 0.11km（城市繁華區(qū)）微微小區(qū)：r0 0.1km（辦公室、家庭）優(yōu)點：提高頻率利用率，組網(wǎng)靈活缺點：網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜按服務(wù)區(qū)形狀分：條狀服務(wù)區(qū)、

5、面狀服務(wù)區(qū)132.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -條狀服務(wù)區(qū) (1/3)條狀服務(wù)區(qū)用戶的分布呈條狀（或帶狀），如鐵路、公路、沿海水域等。小區(qū) 條狀服務(wù)區(qū)142.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -條狀服務(wù)區(qū) (2/3)圖2-1 多頻復(fù)用方式ABABABABCABCABCDABCD可采用多個頻率復(fù)用二頻復(fù)用三頻復(fù)用四頻復(fù)用152.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -條狀服務(wù)區(qū) (3/3)組網(wǎng)時需確定重疊區(qū)及載波/同頻干擾比：重疊區(qū)重疊區(qū)太大，越區(qū)干擾大重疊區(qū)小，弱電場區(qū)可能多。f1ABf2af1ABf2a162.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(1/11)指服務(wù)

6、區(qū)不呈條狀而是一個寬廣的平面172.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(2/11)小區(qū)形狀：應(yīng)該是規(guī)則結(jié)構(gòu)：圓形（全向天線），三角形，正方形，六邊形r182.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(3/11)蜂窩的由來：對于同樣大小的服務(wù)區(qū)域，采用正六邊形構(gòu)成小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最少，無重疊區(qū)，故所需的頻率組數(shù)也最少，最經(jīng)濟。僅有理論分析和設(shè)計意義。192.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(4/11)按基站對小區(qū)的覆蓋方式：中心激勵：基站位于小區(qū)中心，有時會有輻射陰影。頂點激勵：在頂點上設(shè)置基站，并采用三個互成120的定向天線，以避免輻射陰影。202.

7、1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(5/11)簇（區(qū)群）：共同使用全部可用頻率的N個小區(qū)叫做一簇(區(qū)群)）若N越小，則系統(tǒng)中區(qū)群復(fù)制得越多，系統(tǒng)容量越大，頻率的利用率越高。N叫做區(qū)群的大小，典型值3、4、7、9、12 、構(gòu)成蜂窩網(wǎng)的二次幾何圖形212.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(6/11)設(shè)蜂窩移動系統(tǒng)共有S個不同的雙向信道其簇的大小為N簇內(nèi)每個小區(qū)分配有K個信道，小區(qū)間信道分配各不相同簇在系統(tǒng)中復(fù)制M次則 S=KN C=MKN=MSAAABCCCBBBCA222.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(7/11) 構(gòu)成簇的基本條件：基本圖案

8、（簇）能彼此鄰接且無空隙地覆蓋整個面積。 相鄰單元（簇）中，同頻道的小區(qū)間距離相等，且為最大。232.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(8/11) 滿足上述兩個條件的簇的形狀和簇內(nèi)小區(qū)數(shù)N是有限的，并且N應(yīng)該滿足下式： a 和b分別為相鄰?fù)l小區(qū)之間的二維距離（相鄰小區(qū)數(shù)），都為正整數(shù)，不能同時為零28272521191613129743N435434323221b230120120101a242.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(9/11) 簇內(nèi)同頻小區(qū)位置的確定 沿著任意一條六邊形邊的垂線方向移動a個小區(qū)，并逆時針方向旋轉(zhuǎn)60，再移動b個小區(qū)。圖 2.3

9、 確定同頻小區(qū)的方法AaADb252.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(10/11)常見正六邊形小區(qū)群的圖案ACBN=3,a=1,b=1DACBN=4,a=0,b=2N=7,a=1,b=2DCBAEFG262.1.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信系統(tǒng) -面狀服務(wù)區(qū)(11/11)思考：畫一個N = 4的蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要求至少包括3個區(qū)群，將簇中小區(qū)所用頻率組用A,B,C,D標識。1. N=4對應(yīng)的2維坐標： a=2,b=0DACBDACBDACB3. 確定相鄰區(qū)群2. N=4的基本區(qū)群形狀：DACBN=4,a=2,b=027第二章 內(nèi)容 2.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 2.2. 干

10、擾和信道容量 2.3. 電信業(yè)務(wù)流量與服務(wù)等級 2.4. 信道切換策略 282.2.干擾和信道容量292.2.干擾和信道容量 -前言(1/2) 干擾是蜂窩無線系統(tǒng)性能的主要限制因素。 噪聲內(nèi)部噪聲，人為噪聲，自然噪聲 鄰頻干擾相鄰頻率之間的干擾 同頻干擾相同頻率之間的干擾 互調(diào)干擾器件特性造成的干擾 多址干擾碼字相關(guān)帶來的干擾302.2.干擾和信道容量 -前言(1/2)一對矛盾：同頻干擾頻譜利用率同頻小區(qū)之間距離越小，頻譜利用率越高，但同頻干擾越大；同頻小區(qū)之間距離越大，則同頻干擾越小，但頻譜利用率降低。312.2. 干擾和信道容量 2.2.1 同頻干擾2.2.2 相鄰頻道的干擾2.2.3 蜂

11、窩小區(qū)的系統(tǒng)容量及改善322.2.1 同頻干擾 -前言同頻干擾：指所有落到接收機同帶內(nèi)的、與有用信號頻率相同或相近的無用信號所產(chǎn)生的干擾。在諸多干擾因素中，同頻干擾主要地決定了蜂窩系統(tǒng)的通話質(zhì)量產(chǎn)生同頻干擾的無用信號與有用信號具有相同的信號特征（同頻），所以，在接收端無法濾除和抑制同頻干擾。332.2.1 同頻干擾 -前言在蜂窩移動通信中，由于采用了頻率復(fù)用提高頻譜利用率，所以同頻干擾不可避免。定義同頻小區(qū)：使用相同頻率的小區(qū)。同頻復(fù)用距離(D)：當信號/同頻干擾比滿足通信質(zhì)量要求或達到規(guī)定的C/I指標時，兩個同頻小區(qū)之間的距離。342.2.1 同頻干擾 -前言 對同頻干擾和同頻復(fù)用距離的研究

12、是小區(qū)制移動通信網(wǎng)頻率分配的依據(jù)。兩頻復(fù)用和三頻復(fù)用的帶狀服務(wù)區(qū)（圖示）ABABABCABABCDD352.2.1 同頻干擾 信號/同頻干擾比 條狀服務(wù)區(qū)的C/I 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 1). 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/I 2). 定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I36 信號/同頻干擾比 信號/同頻干擾比 (只考慮兩個單獨的小區(qū))同頻小區(qū)A同頻干擾示意圖Q=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B D 為同頻復(fù)用距離 r0 為小區(qū)半徑 Q=D/r0 為同頻復(fù)用比37 信號/同頻干擾比 假設(shè)A、B基站具有相同的發(fā)射功率，則移動臺處的信號/同頻干擾比主要取決于傳輸損耗差對移動信道的測量表明，任一點接收到的平均信號能量隨發(fā)射機和接收機

13、之間距離的冪指數(shù)下降A(chǔ)MSDIr0DSB38 信號/同頻干擾比路徑損耗差信號/干擾比392.2.1 同頻干擾 信號/同頻干擾比 條狀服務(wù)區(qū)的C/I 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 1). 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/I 2). 定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I40 條狀服務(wù)區(qū)的C/I (1/3)條狀服務(wù)區(qū)中移動臺的C/I 與D、r0、a和K的關(guān)系1，只考慮一個相鄰?fù)l小區(qū) 如圖，雙頻復(fù)用，A, C同頻，D=4r0-2a，C/I =J3r0-2ar0ACD=2*2r0-2a41 條狀服務(wù)區(qū)的C/I (2/3)2. 考慮多個同頻小區(qū)的影響(m) 對條狀小區(qū)，典型的, m=2AAABBB42 條狀服務(wù)區(qū)的C/I (3/3) 例，在a

14、=0， m=2時，求同頻復(fù)用比分別為8、6、4時，系統(tǒng)所需要的頻率組 因為a=0，所以 D/r0=2K123同頻小區(qū)之間應(yīng)隔的小區(qū)234所需頻率組(K)162530.8C/I（dB）468同頻復(fù)用比(D/r0)信干比頻譜利用率 432.2.1 同頻干擾 信號/同頻干擾比的推導(dǎo) 條狀服務(wù)區(qū)的C/I 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 1). 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/I 2). 定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I44 面狀服務(wù)區(qū)的C/I同頻復(fù)用距離：同頻復(fù)用比：N347912R33.54.65.26.0表 4 - 445 面狀服務(wù)區(qū)的C/I結(jié)論：N越大，則意味著同頻小區(qū)間距離越遠，同頻干擾越小。N越小，則意味著一個系統(tǒng)中可有更多的區(qū)

15、群，頻譜利用率高，有更多的容量。從提高頻譜利用率的角度，在保持滿意的通信質(zhì)量的前提下，N應(yīng)取最小值為好。 46 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 需要掌握兩種同頻干擾的估計： 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/Ia). 系統(tǒng)平均C/I b). 最壞情況下的C/I定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I472.2.1 同頻干擾 信號/同頻干擾比的推導(dǎo) 條狀服務(wù)區(qū)的C/I 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 1). 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/I 2). 定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I481). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(1/10)兩種同頻干擾的影響(a) BS接收(b) MS接收MSMSMSMSMSMSBSMSBSBSBSBSBSBSMSr0DBS 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算491

16、). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(2/10)全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算如圖，同頻小區(qū)圍繞著某一小區(qū)可分為多層。來自第一層的同頻干擾最強。分析時，可只考慮第一層同頻干擾。同頻小區(qū)分布1第一層111111第二層111第三層11501). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(3/10)C/I計算(以MS接收為例)：m : 干擾源的總數(shù)(典型值：6)Ik為相互獨立的第k個干擾源對移動臺接收機的干擾功率 回顧路徑損耗：任一點接收到的平均信號能量隨發(fā)射機和接收機之間距離的冪指數(shù)下降(一般n=4)。511). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(4/10) 設(shè)所有BS發(fā)射功率相同，同頻復(fù)用距離為D，小區(qū)半徑為r0，干擾臺離MS的距

17、離分別為Dk (k=1,2m)MSBSBSBSBSBSBSr0DBSD1D2D3D4D5D6521). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(5/10)有效信號：無效信號：全向小區(qū)系統(tǒng)C/I ：531). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(6/10)全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算a) 系統(tǒng)平均C/I b) 最壞情況下全向天線系統(tǒng)C/I541). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(7/10)a). 系統(tǒng)平均C/I：令Dk=D，并注意到同頻復(fù)用比:551). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(8/10) 舉例說明：蜂窩小區(qū)N=7的模式，設(shè)n=4，求其載干比。解： 滿足17dB載干比的要求。561). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(9/10)b

18、). 最壞情況下全向天線系統(tǒng)C/I的計算： 將最短干擾距離( )帶入計算：以此C/I值為依據(jù)進行系統(tǒng)設(shè)計，即使是在業(yè)務(wù)繁忙時也能有好的系統(tǒng)性能最壞情況下的同頻干擾r0DDD-r0D-r0D+r0D+r0MSBSBSBSBSBSBSBS571). 全向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算(10/10)思考：若某蜂窩系統(tǒng)要求載干比C/I在任何情況下都必須大于14dB，求其允許的最小區(qū)群大?。繌娬{(diào)“任何情況”，適用最壞情況下全向天線系統(tǒng)C/I的分析最壞情況下全向天線系統(tǒng)C/I與N的關(guān)系：求解：582.2.1 同頻干擾 信號/同頻干擾比的推導(dǎo) 條狀服務(wù)區(qū)的C/I 面狀服務(wù)區(qū)的C/I 1). 全向小區(qū)系統(tǒng)的C/I 2)

19、. 定向小區(qū)系統(tǒng)的C/I592). 定向小區(qū)系統(tǒng)C/I的計算利用定向天線可以降低同頻干擾(頂點激勵) m = 3(3天線) m = 1(6天線)120定向覆蓋的同頻干擾 DCBAEFGDDDDDDDDDDDDD602.2. 干擾和信道容量 2.2.1 同頻干擾2.2.2 相鄰頻道的干擾2.2.3 蜂窩小區(qū)的系統(tǒng)容量及改善612.1.2 相鄰頻道的干擾（1/4）鄰道干擾是一種來自相鄰的或相近的頻道的干擾 通常討論小區(qū)內(nèi)頻距最小的頻道間干擾。干擾臺B移動臺Af2f1622.1.2 相鄰頻道的干擾（2/4）鄰近頻道干擾的主要產(chǎn)生原因：非理想濾波器可以通過接收機濾波器阻帶衰減設(shè)計，最大程度地衰減鄰道干

20、擾。f理想濾波器f實際濾波器632.1.2 相鄰頻道的干擾（3/4）阻帶衰減：對遠離接收機通帶的干擾進行抑制fdfu通帶阻帶KdB/Oct642.1.2 相鄰頻道的干擾（4/4）減小鄰道干擾的措施提高收發(fā)信機濾波器性能。合理調(diào)整信道分配，在頻率管理中在同一小區(qū)不分配相鄰的頻點，并提供足夠的保護間隔。移動臺具有自適應(yīng)控制功率的能力。65近端對遠端干擾遠近效應(yīng)：近端無用的強信號抑制遠端有用的弱信號 基站接收的有用信號功率PA30，提高不明顯，共用不宜太多。1202.3.4 通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和負荷能力(15/15) 系統(tǒng)信道設(shè)計總結(jié)：選定B，正確選定a(一般公網(wǎng)0.01Erl，專網(wǎng)0.06Erl)采

21、用信道共用，根據(jù)B和a確定M與n的值。121第二章 內(nèi)容 2.1. 蜂窩小區(qū)的概念和特點 2.2. 干擾和信道容量 2.3. 電信業(yè)務(wù)流量與服務(wù)等級 2.4. 信道切換策略 1222.4. 信道切換策略1232.4. 信道切換策略 2.4.1信道切換原理2.4.2 實際系統(tǒng)切換的一些考慮124 2.4.1信道切換原理(1/9)信道切換:當前正在通信的移動臺與服務(wù)基站之間的鏈路轉(zhuǎn)移到另一個新基站的過程目的： 實現(xiàn)蜂窩移動通信的“無縫隙”覆蓋，保證移動臺跨區(qū)時通信的連續(xù)性。 分類： 按實現(xiàn)技術(shù)分為： 1. 硬切換：新的連接建立前，先中斷舊的連接。例如GSM系統(tǒng)。 2. 軟切換：指既維持舊的連接，又

22、同時建立新的連接。例如CDMA系統(tǒng)。125 2.4.1信道切換原理(2/9)切換過程 包括識別新小區(qū)和分配給移動臺在新小區(qū)的語音信道和控制信道。 切換的原因：小區(qū)信號的強度或質(zhì)量下降到由系統(tǒng)規(guī)定的一定參數(shù)以下，此時移動臺被切換到信號較強的相鄰小區(qū)。由于小區(qū)業(yè)務(wù)信道容量全被占用或幾乎全被占用，這時移動臺被切換到業(yè)務(wù)信道容量較空閑的相鄰小區(qū)。126 2.4.1信道切換原理(3/9)切換的準則決定何時需要進行越區(qū)切換，通常根據(jù)移動臺處接收的平均信號強度，或信噪比、信干比、誤比特率等參數(shù)。切換過程控制主要有三種： 移動臺控制的越區(qū)切換 網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換 移動臺輔助的越區(qū)切換127 2.4.1信道切換

23、原理(4/9)(1) 移動臺控制的越區(qū)切換 移動臺連續(xù)監(jiān)測當前基站和幾個越區(qū)時的候選基站的信號強度和質(zhì)量，當滿足某種越區(qū)切換準則后，移動臺選擇具有可用業(yè)務(wù)信道的最佳候選基站，并發(fā)送越區(qū)切換請求。DECT等小系統(tǒng)常采用，在大系統(tǒng)中容易引起切換沖突。128 2.4.1信道切換原理(5/9) (2) 網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質(zhì)量，當信號低于某個門限后，網(wǎng)絡(luò)開始安排向另一個基站的越區(qū)切換。缺點：若MS失去聯(lián)系，將造成信號中斷。第一代模擬系統(tǒng)采用此方法切換時間長，可達10S。 129 2.4.1信道切換原理(6/9)(3) 移動臺輔助的越區(qū)切換網(wǎng)絡(luò)要求移動臺測量其周圍基站的信號并

24、把結(jié)果報告給舊基站，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測試結(jié)果決定何時進行越區(qū)切換以及切換到哪一個基站。第二代系統(tǒng)GSM，CDMA都采用此方法。特點：時間快，切換過程1s2s ，信號中斷1s。 130 2.4.1信道切換原理(7/9)信道切換按照切換的性質(zhì)可分： 同基站內(nèi)不同扇區(qū)的切換、微小區(qū)與宏小區(qū)之間的切換、不同運營商之間的切換等等131 2.4.1信道切換原理(8/9)不同系統(tǒng)采用不同的切換策略 切換次數(shù)和中斷次數(shù)最小 無明顯干擾的快速通話轉(zhuǎn)接對新呼叫阻塞的影響最小132 2.4.1信道切換原理(9/9)越區(qū)切換時的信道分配 越區(qū)切換時的信道分配涉及切換優(yōu)先問題。系統(tǒng)處理切換請求時常采用越區(qū)切換請求優(yōu)先于初始呼叫請求。 保留小區(qū)中所