移動通信-第五章-蜂窩組網(wǎng)技術(shù)

第五章胡蘇通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室移動通信蜂窩組網(wǎng)技術(shù)*主要內(nèi)容5.1移動通信網(wǎng)的基本概念5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)5.3多址接入技術(shù)5.4

碼分多址關(guān)鍵技術(shù)5.5蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析5.6CDMA系統(tǒng)中的功率控制5.7切換、位置更新2*主要內(nèi)容5.1移動通信網(wǎng)的基本概念5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)5.3多址接入技術(shù)5.4

碼分多址關(guān)鍵技術(shù)5.5蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析5.6CDMA系統(tǒng)中的功率控制5.7切換、位置更新3*5.1移動通信網(wǎng)的基本概念移動通信網(wǎng)絡(luò)組成:空中網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)多址接入地面網(wǎng)絡(luò)各基站相互連接基站與固定網(wǎng)絡(luò)（PSTN、ISDN、PDN）的連接4*主要內(nèi)容5.1移動通信網(wǎng)的基本概念5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)5.3多址接入技術(shù)5.4

碼分多址關(guān)鍵技術(shù)5.5蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析5.6CDMA系統(tǒng)中的功率控制5.7切換、位置更新5*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)蜂窩:將服務(wù)區(qū)劃分成許多小面積覆蓋區(qū)域，用一個小功率的發(fā)射機(jī)來服務(wù)一個小面積覆蓋區(qū)。移動通信網(wǎng)的區(qū)域覆蓋方式分為兩類小容量的大區(qū)制大容量的小區(qū)制6*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)小容量大區(qū)制一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)天線架設(shè)高發(fā)射功率大頻譜效率低，小容量的通信網(wǎng)控制方式簡單、設(shè)備成本低

大區(qū)制移動通信網(wǎng)BSMS1MS3MS27*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)大容量小區(qū)制小區(qū)制移動通信系統(tǒng)的頻率復(fù)用和覆蓋有兩種一種是帶狀服務(wù)覆蓋區(qū)另一種是面狀服務(wù)覆蓋區(qū)8*帶狀服務(wù)覆蓋區(qū)可采用多個頻率組復(fù)用ABABABABCABC雙頻組三頻組*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)頻率復(fù)用：將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，而相鄰區(qū)群重復(fù)使用相同的頻率組分配模式10*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)同頻小區(qū)：頻率復(fù)用意味著在一個給定的覆蓋區(qū)域內(nèi)，存在著許多使用同一組頻率的小區(qū)，這些小區(qū)叫做同頻小區(qū)。同頻干擾：這些同頻小區(qū)之間的信號干擾叫做同頻干擾（也叫同道干擾）。為了減小同頻干擾，同頻小區(qū)必須在物理上隔開一個最小的距離，為傳播提供充分的隔離*面狀服務(wù)覆蓋區(qū):蜂窩網(wǎng)在平面區(qū)域內(nèi)劃分小區(qū)全向天線的覆蓋區(qū)是圓形。三種形狀小區(qū)移動通信系統(tǒng)廣泛使用六邊形進(jìn)行理論分析和設(shè)計正六邊形構(gòu)成小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最少，無重疊區(qū)實際形狀*蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)13*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)按基站對小區(qū)的覆蓋方式：中心激勵小區(qū)：基站位于小區(qū)中心，有時會有輻射。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，以避免輻射陰影中心激勵

頂點激勵*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)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15*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)

構(gòu)成簇的基本條件：基本圖案（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。16*

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：

i

和j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)，不能同時為零28272521191613129743N435434323221j230120120101i17*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)

簇間同頻小區(qū)位置的確定沿著任意一條六邊形邊的垂線方向移動i個小區(qū)，并逆時針方向旋轉(zhuǎn)60°，再移動j個小區(qū)。確定同頻小區(qū)的方法AiAAAAAADj18*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)

利用尋找同頻小區(qū)的方法確定簇例如：N=3,i=1,j=1AAAAAAABCCCCCCBBBBBBCA19*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)常見正六邊形小區(qū)群的圖案ACBN=3,i=1,j=1DACBN=4,i=0,j=2N=7,i=1,j=2DCBAEFG20*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)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(biāo)識。1.N=4對應(yīng)的2維坐標(biāo)：

i=0,j=2DACBDACBDACB3.確定相鄰區(qū)群的位置2.N=4的基本區(qū)群形狀：DACBN=4,i=0,j=221*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)同頻小區(qū)之間的距離D22*H為小區(qū)中心到邊的距離

相鄰j個小區(qū)的中心距離同頻小區(qū)之間的距離DHRAA12023*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)由于R是小區(qū)的半徑，有帶入有*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)

一定要用尋找相鄰?fù)l小區(qū)的方法確定相鄰區(qū)群的位置才能保證同頻小區(qū)間距離最大：

以N=4,i=0,j=2為例，思考DACBDACBDACBDACBD=3R錯誤正確*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)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(qiáng)。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1111第三層1126*

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R，干擾臺離MS的距離分別為Dk(k=1,2…m)MSBSBSBSBSBSBSRDBSD1D2D3D4D5D62)有效信號：3)無效信號：4)全向小區(qū)系統(tǒng)C/I：275.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)若干擾基站與移動臺的距離相等，D=Dk，則移動臺的載干比可近似表示為則28*

例,蜂窩移動通信系統(tǒng)，若使載干比C/I（假設(shè)路徑傳輸損耗因子n為4，并且只考慮第一層同頻干擾，不考慮最壞情況）大于13dB，請問區(qū)群大小N應(yīng)該為多少？解：同時N應(yīng)滿足區(qū)群構(gòu)成條件，即N可為4,7,9……，所以區(qū)群大小N至少為4時，才能滿足系統(tǒng)的載干比要求29*例：蜂窩小區(qū)N=7的模式，設(shè)n=4，問其載干比?解如果，N=4時，30*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次則可用無線信道的總數(shù)S=KN信道的總數(shù)C(容量)C=MKN=MSBCAN=3,K=S/NM=3,C=MSAAABCCCBB315.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)同頻復(fù)用比Q:與區(qū)群的大小有關(guān)。對于六邊形系統(tǒng)來說，Q可表示為Q的值越小則容量越大；Q值大可以提高傳播質(zhì)量，因為同頻干擾小*例，系統(tǒng)總的可用信道數(shù)S=280，相同區(qū)域內(nèi)，用N=7的區(qū)群需要復(fù)制4次，而用N=4的區(qū)群需要復(fù)制7次，求二者能提供的信道總數(shù)

N=7時每個小區(qū)的可用信道數(shù)

則總的可用信道數(shù)

同頻復(fù)用比QN=4時每個小區(qū)的可用信道數(shù)

則總的可用信道數(shù)

同頻復(fù)用比Q33*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)結(jié)論：N越大，則意味著同頻小區(qū)間距離越遠(yuǎn)，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)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。34*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)利用定向天線可以降低同頻干擾

m=2或3120°定向覆蓋的同頻干擾

DCBAEFGDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD35*5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)蜂窩無線系統(tǒng)的典型干擾噪聲——內(nèi)部噪聲，人為噪聲，自然噪聲同頻道干擾定義：相鄰區(qū)群中同頻小區(qū)中同頻信道之間的干擾典型解決方案：組網(wǎng)時的頻率規(guī)劃36*f理想濾波器鄰道干擾定義：來自相鄰的或相近的頻道的干擾主要的產(chǎn)生原因：非理想濾波器典型解決方案：

接收機(jī)濾波器阻帶衰減設(shè)計，最大程度地衰減鄰道干擾組網(wǎng)的頻率規(guī)劃：同一小區(qū)內(nèi)的頻率組有足夠的隔離度實際濾波器帶外輻射37*互調(diào)干擾定義：非線性器件產(chǎn)生的組合頻率成分落入本頻道造成的干擾主要的產(chǎn)生原因：非線性器件38*典型解決方案：器件的非線性優(yōu)化處理組網(wǎng)的頻率規(guī)劃：同一小區(qū)內(nèi)的頻率組盡可能避免所產(chǎn)生的組合頻率相互產(chǎn)生互調(diào)干擾39*小結(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)小區(qū)組網(wǎng)的基本條件：基本圖案能彼此鄰接且無空隙地覆蓋整個面積。相鄰單元中，同頻道的小區(qū)間距離相等且為最大蜂窩結(jié)構(gòu)小區(qū)組網(wǎng)步驟1.通信質(zhì)量C/I載波/同頻干擾比N2.確定區(qū)群的大小3.考慮鄰道干擾和互調(diào)干擾的抑制分配可用信道*思考題

某蜂窩系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制，假設(shè)接收信號為瑞利衰落，用戶要求的誤碼率為10-3，若系統(tǒng)的主要干擾和噪聲只考慮同頻干擾，求能滿足此要求的最小復(fù)用因子N？假設(shè)干擾能近似為高斯分布假設(shè)路徑損耗因子為4已知誤碼率Pb與SIR的關(guān)系為Pb＝1.5/SIR(dB)41*

某蜂窩系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制，假設(shè)接收信號為瑞利衰落，用戶要求的誤碼率為10-3，若系統(tǒng)的主要干擾和噪聲只考慮同頻干擾，求能滿足此要求的最小復(fù)用因子N？假設(shè)干擾能近似為高斯分布假設(shè)路徑損耗因子為4已知誤碼率Pb與SIR的關(guān)系為Pb＝0.015/SIR(dB)解:由Pb與SIR的關(guān)系,可知SIR=0.015/Pb=15(dB)因為假設(shè)系統(tǒng)的主要噪聲和干擾為同頻干擾,且服從高斯分布可知,SIR≈CIR中心極限定理42*信道共用技術(shù)：小區(qū)內(nèi)的所有信道對所用用戶共享。移動用戶可選取小區(qū)內(nèi)的任一空閑信道通信。信道共用提高了小區(qū)內(nèi)信道利用率。n個信道12……m個用戶n信道共用方式……43*系統(tǒng)頻譜的分配(以FDD系統(tǒng)為例)頻率上行鏈路工作頻段下行鏈路工作頻段fifpfjfq按頻道間隔進(jìn)行信道劃分1234

M下行鏈路工作頻段N個頻率組分給一個區(qū)群，相鄰區(qū)群重復(fù)使用ACBACBN=3按業(yè)務(wù)質(zhì)量干擾等要求進(jìn)行信道分組14

頻率組A25

頻率組B37

頻率組C44*主要內(nèi)容5.1移動通信網(wǎng)的基本概念5.2頻率復(fù)用和蜂窩小區(qū)5.3多址接入技術(shù)5.4

碼分多址關(guān)鍵技術(shù)5.5蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析5.6CDMA系統(tǒng)中的功率控制5.7切換、位置更新*5.3多址接入技術(shù)移動通信網(wǎng)下行鏈路(基站移動臺)各移動臺能識別發(fā)送給本移動臺的信號？2.上行鏈路(移動臺基站)基站如何識別來自各個不同移動臺的信號？

解決方案：多址接入技術(shù)(MultipleAccess）基站下行鏈路基站上行鏈路移動臺移動臺移動臺移動臺移動臺移動臺46*5.3多址接入技術(shù)多址接入技術(shù)將正交的信號維度（時域、頻域等）劃分為不同的信道后分配給用戶，以支持多用戶通信。盡量保證不同用戶發(fā)射的信號相互正交47*典型的多址技術(shù)頻分多址(FDMA)：沿頻率軸將信號維度劃分為不同的頻道，頻帶獨享，時間共享。每個用戶占用一個頻道，在呼叫的整個過程中，其他用戶不能共享這一頻段。用戶1用戶2用戶3用戶K48*FDMA系統(tǒng)的頻譜管理分配給每個用戶一對頻譜，分別用于下行和上行

用戶與用戶之間，上下行之間必須有足夠的保護(hù)間隔......反向信道保護(hù)頻帶前向信道保護(hù)頻隙f1’f2’fN’f1f2fN

保護(hù)頻段的作用：補(bǔ)償濾波特性不理想、鄰道干擾和多普勒擴(kuò)展。49*FDMA系統(tǒng)的頻譜管理兩個移動用戶之間的通信必須通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，同時占用2對頻譜5.3多址接入技術(shù)50*FDMA系統(tǒng)內(nèi)的主要干擾互調(diào)干擾器件的非線性效應(yīng)線性度通過頻率規(guī)劃抑制鄰道干擾鄰道信號的寄生輻射頻道間隔同頻道干擾同頻小區(qū)蜂窩組網(wǎng)規(guī)劃51*FDMA系統(tǒng)的特點每信道占用一個載頻：每個頻道只傳送一路業(yè)務(wù)信息。載波間隔必須滿足業(yè)務(wù)信息傳輸帶寬的要求。往往是窄帶移動臺實現(xiàn)簡單如果頻帶較窄，無需自適應(yīng)均衡?；緩?fù)雜龐大多部收發(fā)信機(jī)以支持多用戶

帶通濾波器組

52*5.3多址接入技術(shù)需要周密的頻率規(guī)劃限制鄰道干擾和同頻道干擾越區(qū)切換復(fù)雜切換的瞬時信息可能丟失53*時分多址(TDMA)：時隙劃分，時隙獨享，

頻率共享。沿時間軸劃分信號維度分配給用戶的是互不重疊并周期重復(fù)的時隙（TimeSlot，TS）。每個用戶只能按指定TS向基站發(fā)射和接收來自基站的信號。發(fā)射數(shù)據(jù)采用的是“緩存–突發(fā)”法，對每個用戶而言，發(fā)射不連續(xù)用戶1用戶2用戶3用戶1TS1545.3多址接入技術(shù)工作過程55*5.3多址接入技術(shù)同步和定時是TDMA系統(tǒng)正常工作的前提。同步位同步：針對每個符號，是正確接收符號的基礎(chǔ)。時隙同步：針對每個時隙，是接收機(jī)正確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)。幀同步：針對每個幀，進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用所需。56*5.3多址接入技術(shù)定時關(guān)系不同MS到BS的距離差異，導(dǎo)致不同的信號延遲。會使得BS接收到的信號相互交疊解決辦法：設(shè)定保護(hù)時間（GuardTime）用戶提前發(fā)送TGT>⊿T57*

TDMA系統(tǒng)的特點同步開銷較大，突發(fā)傳輸速率高>語音編碼速率通常為寬帶高速均衡要求較高

要增加系統(tǒng)支持的時隙數(shù)，需要增加發(fā)射信號速率基站復(fù)雜性減小，不需雙工器；干擾較小，頻譜利用率較高越區(qū)切換簡單，不會造成數(shù)據(jù)丟失。58*碼分多址(CDMA)：碼型劃分，時隙、頻率共享。用戶k用戶3用戶1用戶25.3多址接入技術(shù)595.3多址接入技術(shù)CDMA系統(tǒng)工作原理CDMA系統(tǒng)為每個用戶分配各自特定的地址碼（擴(kuò)頻碼）60m序列MobileCommunicationTheorym序列的自相關(guān)性由圖可見，當(dāng)τ=0時，m序列的自相關(guān)函數(shù)Ra（τ）出現(xiàn)峰值1；當(dāng)τ偏離0時，相關(guān)函數(shù)曲線很快下降；當(dāng)1≤τ≤P-1，相關(guān)函數(shù)值為-1/P；當(dāng)時τ=P，又出現(xiàn)峰值；如此周而復(fù)始。當(dāng)周期P很大時，m序列的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲類似。

61m序列m序列的互相關(guān)性

對于兩個周期P=2n-1的m序列{an}和{bn+τ}（an，bn取值是1和-1），兩個m序列的互相關(guān)函數(shù)可由下式計算：對于周期為的m序列組，其最好的m序列對的互相關(guān)函數(shù)值只取三個，這三個值是：這三個值被稱為理想三值，能夠滿足這一特性的m序列對稱為m序列優(yōu)選對，它們可以用于實際工程。其中：*CDMA系統(tǒng)的特點各用戶

地址碼的準(zhǔn)正交性會帶來多址干擾類白噪聲

多用戶可共享頻率；容量相對較大；容量的軟特性

，用戶的增加相當(dāng)于噪聲增加采用擴(kuò)頻和Rake接收，減小多徑衰落的影響單頻組網(wǎng)，相鄰小