無線通信第二章蜂窩網(wǎng)的概念

1第二章蜂窩網(wǎng)的概念2目錄概述小區(qū)與區(qū)群的概念信道分配策略過區(qū)切換干擾和系統(tǒng)容量提高蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)容量32.1概述多用戶無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)必須能夠在有限的資源（頻率/時間/天線等）下允許多個用戶同時進(jìn)行通信，使多個用戶同時進(jìn)行通信的問題可以被劃分為兩個部分：多址問題：對某個特定基站而言，怎樣與多個移動臺同時通信？蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題：多個基站情況下，如何將頻譜資源分配給它們以使得可能用戶的總數(shù)最大化？以及這些基站在給定地理區(qū)域上如何布置？42.1概述早期：采用大區(qū)制特點：高架天線、大功率發(fā)射機(jī) －－增大覆蓋面積缺點：傳輸損耗隨著距離的增加而增加，而且與地形環(huán)境密切相關(guān)，因而移動臺與基站之間的通信距離是有限的，服務(wù)范圍受到限制?？扇菁{的用戶數(shù)是有限制的，無法滿足大容量的要求。改進(jìn)：將整個服務(wù)區(qū)劃為許多小的區(qū)域(小區(qū))每個小區(qū)設(shè)置一個基站，它只覆蓋本小區(qū)的區(qū)域相鄰小區(qū)使用不同的頻道，但相距一定距離的小區(qū)可以采用相同的頻道（同頻道再用）52.1概述早期：采用大區(qū)制特點：高架天線、大功率發(fā)射機(jī) －－增大覆蓋面積缺點：傳輸損耗隨著距離的增加而增加，而且與地形環(huán)境密切相關(guān)，因而移動臺與基站之間的通信距離是有限的，服務(wù)范圍受到限制?？扇菁{的用戶數(shù)是有限制的，無法滿足大容量的要求。改進(jìn)：將整個服務(wù)區(qū)劃為許多小的區(qū)域(小區(qū))每個小區(qū)設(shè)置一個基站，它只覆蓋本小區(qū)的區(qū)域相鄰小區(qū)使用不同的頻道，但相距一定距離的小區(qū)可以采用相同的頻道（同頻道再用）62.1概述例：30個雙向頻道大區(qū)制時只能有30個用戶同時通信小區(qū)制時：分為30個小區(qū)，相鄰3個小區(qū)采用不同的頻道，每個小區(qū)有10個雙向頻道整個服務(wù)區(qū)可同時為300個用戶提供服務(wù)如果將小區(qū)進(jìn)一步劃小，可獲得更大的容量72.2小區(qū)與區(qū)群的概念一、小區(qū)的形狀全向天線輻射的覆蓋區(qū)是個圓形。為了不留空隙地覆蓋整個平面，一個個圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實際上每個輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個多邊形。要用多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個平面的區(qū)域，可取的形狀只有三種。8小區(qū)的形狀9這三種形狀中哪一種最好呢?在輻射半徑r相同的條件下，計算出三種形狀小區(qū)的鄰區(qū)距離、小區(qū)面積、交疊區(qū)寬度和交疊區(qū)面積如下表所示。10小區(qū)形狀的確定在服務(wù)區(qū)面積一定的情況下，正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形，相鄰小區(qū)的重疊部分最少，小區(qū)的面積最大。用它覆蓋整個服務(wù)區(qū)所需的基站數(shù)最少，也最經(jīng)濟(jì)，且相鄰小區(qū)之間的相互干擾最小。正六邊形構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形同蜂窩，因此把小區(qū)形狀為正六邊形的小區(qū)制移動通信網(wǎng)稱為“蜂窩網(wǎng)”。11二、區(qū)群的組成在小區(qū)范圍之內(nèi)，無線電信號要保持足夠的強度（有效通信距離為小區(qū)的半徑）。但無線電信號不可能只限制在小區(qū)的范圍之內(nèi)。為了減小同頻道干擾，相鄰小區(qū)不能使用相同的頻道。為了保證同信道小區(qū)之間有足夠的距離，附近的若干個小區(qū)都不能用相同的頻道。這些相鄰的、使用不同頻道的小區(qū)組成一個區(qū)群，只有不同區(qū)群內(nèi)的小區(qū)才能進(jìn)行頻道再用。12什么是區(qū)群？區(qū)群的定義：相鄰的使用不同頻道的所有小區(qū)，這些小區(qū)共同使用了系統(tǒng)提供的所有頻率資源。含義：區(qū)群中的每個小區(qū)只使用了部分頻率資源，但一個區(qū)群包含了全部的頻率資源。13區(qū)群的組成14區(qū)群組成所滿足的條件區(qū)群的組成應(yīng)滿足兩個條件：區(qū)群之間可以鄰接，且無空隙無重疊地進(jìn)行覆蓋。鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。滿足上述條件的區(qū)群形狀和區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)不是任意的?？梢宰C明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)應(yīng)滿足下式：N＝1，3，4，7，9，12，13，16，19，21，……15區(qū)群的形狀161718相鄰?fù)l道小區(qū)位置的確定自某一小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂線方向跨j個小區(qū)，逆時針（或順時針）旋轉(zhuǎn)60°，再跨i個小區(qū)，這樣就到達(dá)同頻道小區(qū)A。在正六邊形的六個方向上，可以找到六個相鄰?fù)l道小區(qū)，所有相鄰A小區(qū)之間的距離都相等。1920相鄰?fù)l道小區(qū)距離的確定方法相鄰小區(qū)之間的距離：相鄰?fù)l道小區(qū)的距離：21區(qū)群大小的選擇設(shè)系統(tǒng)共有S個可用的雙向信道，服務(wù)區(qū)域可劃分為M個小區(qū)，小區(qū)半徑固定為r，區(qū)群內(nèi)每個小區(qū)的信道數(shù)目相同，區(qū)群大小為N。每小區(qū)信道數(shù)k＝S／N系統(tǒng)總的信道數(shù)C=M×k=S×M／N同頻道再用距離

系統(tǒng)容量↑→

k↑

→

N↓

。同頻干擾↓→

D↑

→

N↑

。同頻干擾和系統(tǒng)容量之間有一個折衷。22小區(qū)的激勵形式中心激勵：基站設(shè)在小區(qū)的中心（全向天線）；頂點激勵：基站設(shè)在小區(qū)的某幾個頂點上（方向性天線）例如：120度天線，三個頂點。優(yōu)點：有利于避免小區(qū)內(nèi)障礙物的陰影效應(yīng)；對干擾有一定隔離度，同頻道小區(qū)距離可適當(dāng)減小。缺點：控制復(fù)雜。23242.3信道分配策略一、固定分配法將所有信道分成N組，每個小區(qū)固定使用其中的一組。1.分組時的考慮：每組中的頻道不會形成明顯的干擾。分區(qū)分組配置法（小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)干擾）。等頻距配置法（按等頻率間隔來配置信道，只要頻距N選得足夠大，就可有效地避免鄰道干擾）。2.優(yōu)點：簡單；缺點：可能造成頻率資源的浪費。3.改進(jìn)：空閑頻道借用。當(dāng)某個小區(qū)中的所有頻道已使用完，又有新的呼叫請求時，從相鄰的小區(qū)中借用空閑頻道。25互調(diào)干擾產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)兩個或多個不同頻率的信號同時輸入到非線性電路時，會產(chǎn)生許多諧波和組合頻率分量。這些分量的頻率如果和有用信號的頻率相同或接近，便會產(chǎn)生干擾。非線性器件的輸入u和輸出ic的一般表示：假設(shè)有兩個信號同時作用于該非線性器件，即：則失真項為：互調(diào)干擾平方項中的各諧波分量與相差都比較大，不易產(chǎn)生干擾。立方項中的

諧波分量不易產(chǎn)生干擾但

和

諧波分量與接近，將產(chǎn)生干擾，即三階互調(diào)干擾（或三階I型互調(diào)干擾）i=5、7、9……項中也會產(chǎn)生一些與相近的組合頻率，稱為5階、7階互調(diào)干擾，但由于它們的幅度比較小，一般忽略不計。2627相容頻道

（無三階互調(diào)干擾的頻道組）在一個通信系統(tǒng)中，為了避免三階互調(diào)干擾，在分配頻率時，應(yīng)合理地選用頻道集合中的頻率，使它們產(chǎn)生的互調(diào)頻率不在所選的頻率組中。產(chǎn)生的三階互調(diào)干擾頻率為：為方便起見，常使用序號表示頻率。則設(shè)任意兩個頻道序號的差值為，則三階互調(diào)干擾還可以表示為如果所選頻道組中任意兩個頻道的差值都不相同，則該頻道組為相容頻道組。該問題可以采用圖解的方式求解。例：1，2，4，6，9282930分區(qū)分組配置法（N=7）第一組1，5， 14，20，34，36第二組2，9， 13，18，21，31第三組3，8， 19，25，33，40第四組4，12， 16，22，37，39第五組6，10，27，30，32，41第六組7，11， 24，26，29，35第七組15，17，23，28，38，42可能產(chǎn)生較大的鄰道干擾，如上面第七組中的15與1731等頻距配置法：（N=7）第一組1，8， 15，22，29，…第二組2，9， 16，23，30，…第三組3，10，17，24，31，…第四組4，11，18，25，32，…第五組5，12，19，26，33，…第六組6，13，20，27，34，…第七組7，14，21，28，35，…這樣的頻率配置可能正好滿足產(chǎn)生互調(diào)的頻率關(guān)系，但正因為頻距大，干擾易于被接收機(jī)輸入濾波器濾除而不易作用到非線性器件，避免了互調(diào)的產(chǎn)生。32二、動態(tài)頻道分配法所有頻道不是固定地分配給小區(qū)。只有在用戶發(fā)出呼叫時，才為服務(wù)的小區(qū)分配頻道。1.分配時考慮的因素：不會對本小區(qū)已經(jīng)使用的其它頻道產(chǎn)生明顯的干擾最小復(fù)用距離內(nèi)的小區(qū)未使用，避免同道干擾以后呼叫阻塞的可能性、候選頻道使用的頻次，等2.優(yōu)缺點：優(yōu)點：頻率利用率高，可適應(yīng)業(yè)務(wù)分布的動態(tài)變 化；減少呼叫阻塞概率；缺點：控制復(fù)雜、開銷較大（要求MSC增加存儲量和運算量）33柔性配置法給每個小區(qū)分配若干信道（只分配全部信道中的一部分）預(yù)留其他部分信道，各個小區(qū)均可使用優(yōu)點：簡單、實用，既能提高頻率利用率，減少呼叫阻塞概率，又能降低開銷。342.4過區(qū)切換一、基本概念：1.定義：MS從一個BS的覆蓋區(qū)進(jìn)入到另外一個BS的覆蓋區(qū)，為了保持通信的連續(xù)性，將通信鏈路從當(dāng)前基站轉(zhuǎn)移到另一基站的過程。（也稱為ALT——自動鏈路轉(zhuǎn)換）2.關(guān)鍵問題：切換的準(zhǔn)則——何時切換？切換的控制——過程如何？切換時的信道分配352.4過區(qū)切換3.性能指標(biāo)：切換失敗的概率；切換失敗導(dǎo)致通信中斷的概率切換的速率切換引起通信中斷的時間間隔切換發(fā)生的時延4.分類：硬切換：新鏈路建立前先中斷舊鏈路。軟切換：新舊鏈路同時保持，直到新鏈路可靠工作，再斷開舊的鏈路36二、過區(qū)切換的準(zhǔn)則：1.相對強度準(zhǔn)則（準(zhǔn)則Ⅰ）：選擇最強信號的基站鏈路。2.具有門限規(guī)定的相對強度準(zhǔn)則（準(zhǔn)則Ⅱ）：當(dāng)前基站信號足夠弱（低于門限），且新基站的信號強度優(yōu)于本基站。3.具有滯后余量的相對強度準(zhǔn)則（準(zhǔn)則Ⅲ）：新基站的信號強度比當(dāng)前基站高出某一門限（滯后余量）。4.具有滯后余量和門限規(guī)定的相對強度準(zhǔn)則（準(zhǔn)則Ⅳ）：新基站的信號強度比當(dāng)前基站高出某一門限（滯后余量），且當(dāng)前基站信號足夠弱（門限）。3738三、過區(qū)切換的策略1.移動臺控制的過區(qū)切換：MS連續(xù)監(jiān)測當(dāng)前BS和幾個越區(qū)時候選BS的信號強度和質(zhì)量，滿足越區(qū)切換準(zhǔn)則后，MS選擇具有可用業(yè)務(wù)信道的最佳候選BS，并發(fā)送越區(qū)切換請求。如：PACS、DECT等小系統(tǒng)中使用，大系統(tǒng)中容易引起切換沖突。2.網(wǎng)絡(luò)控制的過區(qū)切換：BS監(jiān)測來自MS的信號強度和質(zhì)量，在信號低于某個門限后，網(wǎng)絡(luò)開始安排越區(qū)切換，要求MS周邊所有BS檢測該MS的信號，并上報檢測結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)從中選擇一個BS作為越區(qū)切換的新基站，一方面通過舊基站通知移動臺；另一方面通知新基站。如：模擬網(wǎng)、TACS等，切換時間過長，10s左右。3.移動臺輔助控制的過區(qū)切換（MAHO）由MS檢測周圍基站的信號能量，將結(jié)果傳給為其服務(wù)的BS，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測試結(jié)果決定何時進(jìn)行越區(qū)切換以及切換到哪一個基站。如：IS-95、GSM等，可以顯著加快切換，1-2s左右，適用于微小區(qū)3940四、過區(qū)切換的信道分配信道分配方法不同，服務(wù)的質(zhì)量不同。1.與呼叫請求相同的方法分配；2.保留部分信道專門用于過區(qū)切換；3.對切換請求進(jìn)行排隊*。過區(qū)切換的其它問題（多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）412.5干擾和系統(tǒng)容量干擾是影響蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)性能和容量的主要因素。干擾的主要類型：鄰道干擾——相鄰的或鄰近頻道的信號相互干擾。互調(diào)干擾——互調(diào)干擾是由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生的。當(dāng)兩個或多個不同頻率的信號同時輸入到非線性電路時，由于非線性器件的作用，會產(chǎn)生許多諧波和組合頻率分量，其中與所需信號頻率ω0相接近的組合頻率分量會順利通過接收機(jī)而形成干擾，即互調(diào)干擾。同頻干擾——由于同頻道再用導(dǎo)致同頻小區(qū)之間相互干擾。汽車火花干擾等外界干擾信號和噪聲的影響。其中，同頻干擾、鄰道干擾和互調(diào)干擾的影響最大，且無法根除，屬于系統(tǒng)干擾。42一、同頻干擾與系統(tǒng)容量：對于蜂窩網(wǎng)，頻率再用直接導(dǎo)致了同頻干擾的存在——同頻小區(qū)。為了減小同頻道干擾的影響和保證接收信號的質(zhì)量，必須使接收機(jī)輸入端的有用信號功率與同頻道干擾功率之比大于某個數(shù)值，該數(shù)值稱為射頻防護(hù)比。由于同頻道干擾影響與調(diào)制制度及頻偏有關(guān)，因此在不同信號和不同干擾下，射頻防護(hù)比有所不同。不能靠簡單地增加發(fā)射功率來克服。一般通過增大頻率復(fù)用的距離來解決。但復(fù)用距離的增加，又導(dǎo)致頻率利用率（系統(tǒng)容量的減?。?。實際應(yīng)用中必須在二者中進(jìn)行折衷。4344僅考慮相鄰的同頻小區(qū)之間的干擾。因此有以下表達(dá)式： 信干比（射頻防護(hù)比）假設(shè)所有的基站的發(fā)射功率都相同。整個覆蓋區(qū)域的路徑衰減指數(shù)相同。分析45距離發(fā)射天線d處接收到的平均信號功率Pr可由下式來估算：可見：其中，P0為距離d0處的接收功率。n（＝2～4）為路徑衰減指數(shù)，與電波傳播環(huán)境有關(guān)。在最壞情況下，移動臺位于小區(qū)的邊緣，此時有用信號最弱，而同頻干擾最強。4647則有：如果N足夠大，可做近似：則有：可見，同頻干擾決定了鏈路性能，同時也確定了頻率復(fù)用方案和蜂窩系統(tǒng)的總體容量。48例題例：在某系統(tǒng)中，接收機(jī)要求的信干比門限為，n＝4。求系統(tǒng)允許的最小N。解：49二、鄰道干擾1.定義：相鄰頻道之間的相互干擾2.產(chǎn)生原因：已調(diào)信號帶外衰減不夠快接收濾波器不夠理想惡果：易產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)（發(fā)生在一個小區(qū)內(nèi)）3.解決方法：在一個小區(qū)中（甚至相鄰的小區(qū)中）不使用相鄰頻道。精確濾波50三、功率控制功率控制是減小各種系統(tǒng)干擾的有效手段。1.基本思想：當(dāng)移動臺距離基站較近時，以較小的發(fā)射功率進(jìn)行通信；反正，則以較大的發(fā)射功率進(jìn)行通信。保證每個用戶所發(fā)射的功率都是所需的最小功率。2.常用方法：開環(huán)功率控制（無反饋）閉環(huán)功率控制（有反饋）3.優(yōu)點：可減小系統(tǒng)干擾，從而增大系統(tǒng)容量；可減小移動臺的功耗，從而增加其工作時間。512.6提高蜂窩系統(tǒng)的容量無線服務(wù)的需求不斷增大，頻率資源越來越緊張，需要采用一些技術(shù)手段提高頻率資源利用率，以達(dá)到擴(kuò)容的目的。目前的主要技術(shù)有：小區(qū)分裂劃分扇區(qū)新的微小區(qū)概念52一、小區(qū)分裂原因：在整個服務(wù)區(qū)中，每個小區(qū)的大小可以是相同的，這只能適應(yīng)用戶密度均勻的情況。事實上服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶密度是不均勻的。在用戶密度高的市中心區(qū)可使小區(qū)的面積小一些，在用戶密度低的市郊區(qū)可使小區(qū)的面積大一些。1.基本方法：當(dāng)某些小區(qū)分配的信道數(shù)不夠用時，將原來的小區(qū)再劃分成更小的小區(qū)，分裂后的小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)地降低天線高度和發(fā)射功率。原理：提高信道的復(fù)用次數(shù)，從而提高容量?！^(qū)分裂可以提高單位面積的信道數(shù)。53特點不影響信道分配策略（同頻再用距離按比例減少，但是發(fā)射功率也減少。）分裂之后的微小區(qū)仍然使用原有的頻率復(fù)用計劃，只是按比例縮小了區(qū)群的幾何形狀。在新舊小區(qū)的邊界處，接收到的信號功率應(yīng)該相同。542.實際問題1）過區(qū)切換2）過