第三講蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

前文回顧移動(dòng)通信的基本概念移動(dòng)通信的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)移動(dòng)通信的特殊性通信介質(zhì)（無(wú)線信道）的特殊性通信終端的特殊性移動(dòng)通信原理與應(yīng)用第三講蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)通信中的噪聲和干擾噪聲內(nèi)部噪聲/人為噪聲/自然噪聲鄰道干擾同頻干擾互調(diào)干擾多址干擾噪聲對(duì)移動(dòng)通信的影響人為噪聲主要表現(xiàn)為車輛點(diǎn)火噪聲噪聲強(qiáng)度隨地點(diǎn)的分布近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布噪聲對(duì)話音質(zhì)量產(chǎn)生惡化車輛在行進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，惡化量為達(dá)到靜態(tài)條件下一樣的話音質(zhì)量所需的接收電平增加量鄰道干擾來(lái)自相鄰或者相近的頻道的干擾f理想濾波器f實(shí)際濾波器非理想的濾波器是產(chǎn)生鄰道干擾的主要原因由于工作頻帶緊隨的若干頻帶的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產(chǎn)生的干擾移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)，一組空間分散的臨近工作頻道引入的干擾1、發(fā)信邊帶擴(kuò)展：發(fā)信頻譜超出限定的寬度，成為落到相鄰頻道的帶外輻射干擾?！救缥覈?guó)在第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中規(guī)定，在160MHz和450MHz頻段，落在相鄰頻道16KHz帶內(nèi)的干擾功率，應(yīng)較載波功率低70dB。解決方法：拉寬頻率間隔；發(fā)信端使用濾波器】2、發(fā)信機(jī)邊帶噪聲存在于發(fā)信機(jī)載頻的兩側(cè)，而且噪聲頻譜很寬，可能在數(shù)M赫茲內(nèi)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾鄰道干擾鄰道干擾3、發(fā)信機(jī)的雜散輻射在有用帶寬以外的某些頻率點(diǎn)上的寄生輻射，如發(fā)信機(jī)內(nèi)部的源的寄生輻射等4、蜂窩網(wǎng)內(nèi)臨近信道的干擾網(wǎng)內(nèi)距離最小，具有討論價(jià)值的頻道間的干擾同頻干擾所有落在接收機(jī)通帶內(nèi)，與有用信號(hào)頻率相同或者相近的無(wú)用信號(hào)所產(chǎn)生的干擾。同頻干擾在諸多干擾因素中主要地決定了蜂窩系統(tǒng)的通話質(zhì)量。由于產(chǎn)生同頻干擾的無(wú)用信號(hào)與有用信號(hào)具有非常相似甚至相同的信號(hào)特征，而且和有用信號(hào)表現(xiàn)為加性，所以接收端無(wú)法濾除和抑制同頻干擾。同頻干擾——產(chǎn)生的原因同頻干擾產(chǎn)生主要原因是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了頻率復(fù)用來(lái)提高頻譜利用率，因此同頻干擾不可避免。同頻干擾<->頻率復(fù)用率對(duì)同頻干擾和同頻復(fù)用距離的研究是小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)頻率分配的依據(jù)規(guī)定射頻防衛(wèi)度：達(dá)到主觀上比較滿意的接收質(zhì)量時(shí)，射頻信道與干擾信號(hào)的比值。亦即，接收信號(hào)與同頻干擾的比值必須大于射頻防衛(wèi)度。一般規(guī)定話音4級(jí)時(shí)17dB，3級(jí)時(shí)12dB。話音質(zhì)量同頻干擾幾個(gè)定義：同頻小區(qū)：使用相同頻率的小區(qū)。R：小區(qū)半徑同頻復(fù)用距離(D)：兩個(gè)同頻基站之間的距離。Q=D/R:同頻復(fù)用比同頻干擾示意圖同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B同頻干擾假設(shè)：A、B兩個(gè)基站具有相同的設(shè)備參數(shù)，發(fā)射功率同為歸一化功率Pt（dBW）。移動(dòng)臺(tái)MS此時(shí)應(yīng)該具有最小的載干比（最大的同頻干擾）。LS為基站A到MS的路徑損耗，LI為基站B到MS的路徑損耗。那么，易知：-

MS接收到A基站的輸入信號(hào)功率為：C=Pt-

LSMS接收到B急診的同頻干擾功率為：I=Pt-

LI同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B設(shè)DS、DI分布為MS到基站A和基站B的距離，λ為信號(hào)的波長(zhǎng)，α為衰落指數(shù)，可以取2～4，路徑損耗由以下公式給出：LS=(4πDS

/λ)α

LI=(4πDI

/λ)α以dB表示信號(hào)/干擾之比同頻干擾同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B互調(diào)干擾當(dāng)多個(gè)不同頻率的信號(hào)加到非線性器件上時(shí)，非線性變換將會(huì)產(chǎn)生許多組合頻率，其中一部分可能會(huì)落到接收機(jī)通帶內(nèi)，從而對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生干擾，成為互調(diào)干擾。產(chǎn)生原因發(fā)射機(jī)功率放大器的非線性性接收機(jī)高頻放大器或者混頻器的非線性性一般分析互調(diào)干擾是只需要考慮三階的互調(diào)干擾多址干擾CDMA系統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)中，所有的用戶在同一頻率上同一時(shí)間上工作，通過(guò)一系列正交碼字來(lái)區(qū)別各個(gè)用戶。如果由于無(wú)線環(huán)境造成碼字的非完全正交性，必然會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。多址干擾是CDMA系統(tǒng)的主要干擾，因此決定了CDMA系統(tǒng)的容量。問(wèn)題1蜂窩概念的引入大區(qū)制在一個(gè)服務(wù)區(qū)域（如一個(gè)城市）內(nèi)只有一個(gè)基站，并由它負(fù)責(zé)移動(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)和控制。BSMS1MS3MS2大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)蜂窩概念的引入早期的移動(dòng)通信網(wǎng)一般是大區(qū)制主要特點(diǎn)：基站天線很高，幾十～幾百米基站發(fā)射功率大：50～200W覆蓋半徑：30～50km優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低缺點(diǎn)：頻譜利用率低，服務(wù)性能差，容量小，一般用戶幾十～幾百個(gè)，一般用于專網(wǎng)。蜂窩概念的引入提高覆蓋半徑是大區(qū)制需解決的問(wèn)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(hào)傳播可能產(chǎn)生盲區(qū)多徑反射限制了傳輸距離移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率小，上行信號(hào)傳輸距離有限（上下行傳輸增益差可達(dá)6～12dB）蜂窩概念的引入解決上行問(wèn)題的辦法：設(shè)置分集接收臺(tái)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(tái)示意圖MS1MS2BSRdRdRd蜂窩概念的引入出發(fā)點(diǎn)：解決或者緩和有限的頻譜資源和用戶容量之間的矛盾目的

1、解決無(wú)縫覆蓋問(wèn)題

2、通過(guò)某種機(jī)制提升通信系統(tǒng)用戶容量

蜂窩系統(tǒng)-----小區(qū)制系統(tǒng)1974年Bell實(shí)驗(yàn)室提出蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)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(gè)服務(wù)區(qū)域劃分成若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)分別設(shè)置一個(gè)低發(fā)射功率的基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)的通信。頻率復(fù)用：N個(gè)相鄰的小區(qū)組成一個(gè)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(gè)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蜂窩系統(tǒng)——小區(qū)制系統(tǒng)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

＝1～20km（人口稠密地區(qū)）微小區(qū)：r0

＝0.1～1km（城市繁華區(qū)）皮小區(qū)（微微小區(qū)）：r0

＜0.1km（辦公室、家庭）解決的問(wèn)題：用戶容量大，服務(wù)性能號(hào)，頻譜利用率相對(duì)較高，用戶終端小巧且電池使用時(shí)間長(zhǎng)，輻射小等新的問(wèn)題：系統(tǒng)復(fù)雜，越區(qū)切換，漫游，位置登記，更新和管理以及系統(tǒng)鑒權(quán)，需要有交換設(shè)備，使成本增加按服務(wù)區(qū)形狀分：帶狀服務(wù)區(qū)、面狀服務(wù)區(qū)蜂窩系統(tǒng)——帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)小區(qū)帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)用戶的分布呈條狀（或帶狀），如鐵路、公路、沿海沿河水域等蜂窩系統(tǒng)——帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)的多頻復(fù)用雙頻復(fù)用ABABABABCDABCDABCABC三頻復(fù)用四頻復(fù)用課堂習(xí)題試計(jì)算如下帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)下的同頻干擾的C/I值RaMSAACBRaMSAACB……m個(gè)小區(qū)蜂窩系統(tǒng)——帶狀服務(wù)區(qū)的重疊區(qū)f1ABf2af1ABf2a重疊區(qū)域過(guò)大，越區(qū)干擾比較大重疊區(qū)域過(guò)小，形成弱電場(chǎng)蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)指服務(wù)區(qū)不呈條狀而是一個(gè)寬廣的平面蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)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，六邊形蜂窩的由來(lái)：對(duì)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(wú)重疊區(qū)，故所需的頻率組數(shù)也最少，最經(jīng)濟(jì)。僅有理論分析和設(shè)計(jì)意義。r蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)的激勵(lì)方式中心激勵(lì)基站位于小區(qū)中心，有時(shí)會(huì)有輻射陰影頂點(diǎn)激勵(lì)在頂點(diǎn)上設(shè)置基站，并采用三個(gè)互成120°的定向天線，以避免輻射陰影蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)的區(qū)群區(qū)群（簇，Cluster）：共同使用全部可用頻率的N個(gè)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)的二次幾何圖形蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)設(shè)蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)區(qū)群的大小為N、區(qū)群內(nèi)每個(gè)小區(qū)分配有K個(gè)信道，小區(qū)間信道分配各不相同區(qū)群在系統(tǒng)中復(fù)制M次每個(gè)區(qū)群的雙向信道有：S=KN該系統(tǒng)的容量為：C=MKN=MSAAABCCCBBBCA蜂窩系統(tǒng)——構(gòu)成區(qū)群的條件構(gòu)成區(qū)群的基本條件：基本圖案能彼此鄰接且無(wú)空隙地覆蓋整個(gè)面積。相鄰單元中，同頻道的小區(qū)間距離相等，且為最大。滿足上述兩個(gè)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(shí)為零AaADb蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)區(qū)群內(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穿過(guò)a個(gè)小區(qū)，并逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)60°，再穿過(guò)b個(gè)小區(qū)。a=3,b=2，N=19(右圖)圖2.3確定同頻小區(qū)的方法60o蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)常見(jiàn)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=2DCBAEFG蜂窩系統(tǒng)——面狀服務(wù)區(qū)思考：畫(huà)一個(gè)N=4的蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要求至少包括3個(gè)區(qū)群，將簇中小區(qū)所用頻率組用A,B,C,D標(biāo)識(shí)。1.N=4對(duì)應(yīng)的2維坐標(biāo)：

a=0,b=2DACBDACBDACB3.確定相鄰區(qū)群2.N=4的基本區(qū)群形狀：DACBN=4,a=0,b=2問(wèn)題2干擾和信道容量干擾和噪聲噪聲——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(lái)的干擾同頻干擾<->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。同頻干擾1、定義：同頻干擾：指所有落到接收機(jī)同帶內(nèi)的、與有用信號(hào)頻率相同或相近的無(wú)用信號(hào)所產(chǎn)生的干擾同頻小區(qū)：使用相同頻率的小區(qū)。同頻復(fù)用距離(D)：當(dāng)信號(hào)/同頻干擾比滿足通信質(zhì)量要求或達(dá)到規(guī)定的C/I指標(biāo)時(shí)，兩個(gè)同頻小區(qū)之間的距離。

2、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3、產(chǎn)生同頻干擾的無(wú)用信號(hào)與有用信號(hào)具有相同的信號(hào)特征（同頻），所以，在接收端無(wú)法濾除和抑制同頻干擾4、對(duì)同頻干擾和同頻復(fù)用距離的研究是小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)頻率分配的依據(jù)信號(hào)/同頻干擾比同頻小區(qū)A同頻干擾示意圖Q=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B話音質(zhì)量和信噪比要求話