第二章：《蜂窝移动通信系统》.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,移动通信系统原理与应用,授课老师：肖悦,办公地点：电子通信大楼511房间,教师社区：,进入 通信学院 肖悦,课件下载密码：,c,o,m,m,电子邮件:,xiaoyue,1,第二章,蜂窝移动通信系统,2,第二章 蜂窝移动通信系统,学习重点和要求：,掌握关于蜂窝的概念,掌握频率复用的概念以及频率复用模型,掌握同频干扰的计算,理解信道分配策略以及切换策略,理解干扰与系统容量之间的关系,理解各种提高系统容量的方法,了解中继的概念,掌握服务等级的计算,3,第二章 内容,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,(2.1),2.2.,干扰和信道容量,(2.3),2.3.,电信业务流量与服务等级,(2.4),2.4.,信道切换策略,(2.2),本章有大量补充内容，请结合课件及参考书,现代移动通信系统,学习,4,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,5,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,2.1.1,大区制移动通信系统,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,6,2.1.1,大区制移动通信网,(1/4),大区制,在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站，并由它负责移动通信的联络和控制,。,大区制移动通信网,BS,MS,1,MS,3,MS,2,7,2.1.1,大区制移动通信网,(2/4),早期的移动通信网一般是大区制,主要特点：,基站天线很高，几十几百米,基站发射功率大：,50200,W,覆盖半径：,3050,km,优点：网络结构简单，成本低,缺点：频谱利用率低，服务性能差，容量小，一般用户几十几百个，一般用于专网。,8,2.1.1,大区制移动通信网,(3/4),提高覆盖半径是大区制需解决的问题,决定覆盖半径的因素：,地球的曲率限制了传输的极限范围,地形环境影响，信号传播可能产生盲区,多径反射限制了传输距离,移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下行传输增益差可达,612,dB）,9,2.1.1,大区制移动通信网,(4/4),解决上行问题的办法：,如图,设置分集接收台,基站发射用全向天线，接收用定向天线,提高基站接收灵敏度,大区制设置分集接收台示意图,MS1,MS2,BS,R,d,R,d,R,d,10,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,2.1.1,大区制移动通信系统,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,11,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,前言,(1/2),小区制网构成方式基本概念,小区制：利用,频率复用,的概念，将整个服务区域划分成若干个小区，每个小区分别设置一个低发射功率的基站，负责本小区的通信。,频率复用：,N,个相邻的小区组成一个区群,(簇),将可供使用的频道划分成,N,组,区群内的每个小区使用不同的频率组,相邻区群重复使用相同的频率组分配模式,12,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,前言,(2/2),基本小区有：（,r,0,：,小区半径）,超小区,：,r,0,20km（,农村）,宏小区：,r,0,120km（,人口稠密地区）,微小区：,r,0,0.11km（,城市繁华区）,微微小区：,r,0,0.1km（,办公室、家庭）,优点：提高频率利用率，组网灵活,缺点：网络构成复杂,按服务区形状分：条状服务区、面状服务区,13,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,条状服务区,(1/3),条状服务区,用户的分布呈条状（或带状），如铁路、公路、沿海水域等。,小区,条状服务区,14,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,条状服务区,(2/3),图2-1,多频复用方式,A,B,A,B,A,B,A,B,C,A,B,C,A,B,C,D,A,B,C,D,可采用多个频率复用,二频复用,三频复用,四频复用,15,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,条状服务区,(3/3),组网时需确定重叠区及载波,/,同频干扰比,：,重叠区,重叠区太大，越区干扰大,重叠区小，弱电场区可能多。,f1,A,B,f2,a,f1,A,B,f2,a,16,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(1/11),指服务区不呈条状而,是一个宽广的平面,17,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(2/11),小区形状：应该是规则结构：圆形（全向天线），三角形，正方形，六边形,r,18,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,3/,11),蜂窝的由来：,对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，无重叠区，故所需的频率组数也最少，最经济。,仅有理论分析和设计意义。,19,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,4/,11),按基站对小区的覆盖方式：,中心激励：,基站位于小区中心，有时会有辐射阴影。,顶点激励：,在顶点上设置基站，并采用三个互成,120,的定向天线，以避免辐射阴影,。,20,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,5/,11),簇（区群）：,共同使用全部可用频率的,N,个小区叫做一簇,(,区群,),）,若,N,越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越大，频率的利用率越高。,N,叫做区群的大小，典型值,3、4、7、9、12、,构成蜂窝网的二次几何图形,21,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,6/,11),设蜂窝移动系统共有,S,个不同的双向信道,其簇的大小为,N,簇内每个小区分配有,K,个信道，小区间信道分配各不相同,簇在系统中复制,M,次,则,S=KN,C=MKN=MS,A,A,A,B,C,C,C,B,B,B,C,A,22,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,7/,11),构成簇的基本条件：,基本图案（簇）能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。,相邻单元（簇）中，同频道的小区间距离相等，且为最大。,23,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,8/,11),满足上述两个条件的簇的形状和簇内小区数,N,是有限的，并且,N,应该满足下式：,a,和,b,分别为相邻同频小区之间的二维距离（相邻小区数），都为正整数，不能同时为零,28,27,25,21,19,16,13,12,9,7,4,3,N,4,3,5,4,3,4,3,2,3,2,2,1,b,2,3,0,1,2,0,1,2,0,1,0,1,a,24,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(,9/,11),簇内同频小区位置的确定,沿着任意一条六边形边的垂线方向移动,a,个小区，并逆时针方向旋转,60,，再移动,b,个小区。,图,2.3,确定同频小区的方法,A,a,A,D,b,25,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(10/11),常见正六边形小区群的图案,A,C,B,N,=3,a,=1,b,=1,D,A,C,B,N,=4,a,=0,b,=2,N,=7,a,=1,b,=2,D,C,B,A,E,F,G,26,2.1.2,频率复用和小区制移动通信系统,-,面状服务区,(11/11),思考：画一个,N,=4,的蜂窝系统结构，要求至少包括,3,个区群，将簇中小区所用频率组用,A,B,C,D,标识。,1.,N=4,对应的,2,维坐标：,a,=,2,b,=0,D,A,C,B,D,A,C,B,D,A,C,B,3.,确定相邻区群,2.,N=4,的基本区群形状：,D,A,C,B,N,=4,a,=2,b,=0,27,第二章 内容,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,2.2.,干扰和信道容量,2.3.,电信业务流量与服务等级,2.4.,信道切换策略,28,2.2.,干扰和信道容量,29,2.2.,干扰和信道容量,-,前言,(1/2),干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。,噪声,内部噪声，人为噪声，自然噪声,邻频干扰,相邻频率之间的干扰,同频干扰,相同频率之间的干扰,互调干扰,器件特性造成的干扰,多址干扰,码字相关带来的干扰,30,2.2.,干扰和信道容量,-,前言,(1/2),一对矛盾：同频干扰,频谱利用率,同频小区之间距离越小，频谱利用率越高，,但同频干扰越大,；,同频小区之间距离越大，则同频干扰越小，,但频谱利用率降低,。,31,2.2.,干扰和信道容量,2.2.1,同频干扰,2.2.2,相邻频道的干扰,2.2.3,蜂窝小区的系统容量及改善,32,2.2.1,同频干扰,-,前言,同频干扰：,指所有落到接收机同带内的、与有用信号频率相同或相近的无用信号所产生的干扰,。,在诸多干扰因素中，同频干扰主要地决定了蜂窝系统的通话质量,产生同频干扰的无用信号与有用信号具有相同的信号特征（同频），所以，在接收端无法滤除和抑制同频干扰。,33,2.2.1,同频干扰,-,前言,在蜂窝移动通信中，由于采用了频率复用提高频谱利用率，所以同频干扰不可避免。,定义,同频小区：使用相同频率的小区。,同频复用距离,(,D)：,当信号,/,同频干扰比满足通信质量要求或达到规定的,C/I,指标时，两个同频小区之间的距离。,34,2.2.1,同频干扰,-,前言,对同频干扰和同频复用距离的研究是小区制移动通信网频率分配的依据。,两频复用和三频复用的带状服务区（图示）,A,B,A,B,A,B,C,A,B,A,B,C,D,D,35,2.2.1,同频干扰,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,1).,全向小区系统的,C/I,2).,定向小区系统的,C/I,36,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,信号,/,同频干扰比,(,只考虑两个单独的小区,),同频,小区,A,同频干扰示意图,Q=D/r,0,D,MS,r,0,同频,小区,B,D,为同频复用距离,r,0,为小区半径,Q=D/r,0,为同频复用比,37,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,假设,A、B,基站具有相同的发射功率，则移动台处的信号,/,同频干扰比主要取决于传输损耗差,对移动信道的测量表明，任一点接收到的平均信号能量随发射机和接收机之间距离的幂指数下降,A,MS,D,I,r,0,D,S,B,38,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,路径损耗差,信号,/,干扰比,39,2.2.1,同频干扰,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,1).,全向小区系统的,C/I,2).,定向小区系统的,C/I,40,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,(1/3),条状服务区中移动台的,C/I,与,D,、,r,0,、,a,和,K,的关系,1,，只考虑一个相邻同频小区,如图，双频复用，,A,C,同频，,D,=4,r,0,-,2a,，C/I=,J,3,r,0,-2,a,r,0,A,C,D,=2*2,r,0,-2,a,41,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,(2/3),2.,考虑多个同频小区的影响,(,m,),对条状小区，典型的,m,=2,A,A,A,B,B,B,42,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,(3/3),例，在,a,=0，,m,=2,时，求同频复用比分别为,8、6、4,时，系统所需要的频率组,因为,a,=0，,所以,D/r,0,=,2,K,1,2,3,同频小区之间应隔的小区,2,3,4,所需,频率组,(,K,),16,25,30.8,C,/,I,（dB）,4,6,8,同频复用比,(,D,/,r,0,),信干比,频谱利用率,43,2.2.1,同频干扰,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,的推导,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,1).,全向小区系统的,C/I,2).,定向小区系统的,C/I,44,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,同频复用距离：,同频复用比：,N,3,4,7,9,12,R,3,3.5,4.6,5.2,6.0,表,4-4,45,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,结论：,N,越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。,N,越小，则意味着一个系统中可有更多的区群，频谱利用率高，有更多的容量。,从提高频谱利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，,N,应取最小值为好。,46,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,需要掌握两种同频干扰的估计：,全向小区系统的,C/I,a).,系统平均,C/I,b).,最坏情况下的,C/I,定向小区系统的,C/I,47,2.2.1,同频干扰,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,的推导,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,1).,全向小区系统的,C/I,2).,定向小区系统的,C/I,48,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(1/10),两种同频干扰的影响,(,a)BS,接收,(,b)MS,接收,MS,MS,MS,MS,MS,MS,BS,MS,BS,BS,BS,BS,BS,BS,MS,r,0,D,BS,全向小区系统,C/I,的计算,49,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(2/10),全向小区系统,C/I,的计算,如图，同频小区围绕着某一小区可分为多层。,来自第一层的同频干扰最强。,分析时，可只考虑第一层同频干扰。,同频小区分布,1,第一层,1,1,1,1,1,1,第二层,1,1,1,第三层,1,1,50,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(3/10),C/I,计算,(以,MS,接收为例,),：,m,:,干扰源的总数,(,典型值：,6),I,k,为相互独立的第,k,个干扰源对移动台接收机的干扰功率,回顾路径损耗：任一点接收到的平均信号能量随发射机和接收机之间距离的幂指数下降,(,一般,n,=4)。,51,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(4/10),设所有,BS,发射功率相同，同频复用距离为,D,，,小区半径为,r,0,，,干扰台离,MS,的距离分别为,D,k,(,k,=1,2,m,),MS,BS,BS,BS,BS,BS,BS,r,0,D,BS,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,52,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(5/10),有效信号：,无效信号：,全向小区系统,C/I：,53,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(6/10),全向小区系统,C/I,的计算,a),系统平均,C/I,b),最坏情况下全向天线系统,C/I,54,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(7/10),a).,系统,平均,C/I：,令,D,k,=,D,，,并注意到同频复用比,:,55,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(8/10),举例说明：,蜂窝小区,N,=7,的模式，设,n,=4，,求其载干比。,解：,满足,17,dB,载干比的要求。,56,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(9/10),b).,最坏情况下全向天线系统,C/I,的计算：,将最短干扰距离,(),带入计算：,以此,C/I,值为依据进行系统设计，即使是在业务繁忙时也能有好的系统性能,最坏情况下的同频干扰,r,0,D,D,D-r,0,D-r,0,D+r,0,D+r,0,MS,BS,BS,BS,BS,BS,BS,BS,57,1).,全向小区系统,C/I,的计算,(10/10),思考：若某蜂窝系统要求载干比,C/I,在任何情况下都必须大于,14,dB，,求其允许的最小区群大小？,强调“任何情况”，适用最坏情况下全向天线系统,C/I,的,分析,最坏情况下全向天线系统,C/I,与,N,的关系：,求解,：,58,2.2.1,同频干扰,2.2.1.1,信号,/,同频干扰比,的推导,2.2.1.2,条状服务区的,C/I,2.2.1.3,面状服务区的,C/I,1).,全向小区系统的,C/I,2).,定向小区系统的,C/I,59,2).,定向小区系统,C/I,的计算,利用定向天线可以降低同频干扰,(,顶点激励,),m,=3(3,天线,),m,=1(6,天线,),120,定向覆盖的同频干扰,D,C,B,A,E,F,G,D,D,D,D,D,D,D,D,D,D,D,D,D,60,2.2.,干扰和信道容量,2.2.1,同频干扰,2.2.2,相邻频道的干扰,2.2.3,蜂窝小区的系统容量及改善,61,2.1.2,相邻频道的干扰（,1/,4）,邻道干扰是一种来自相邻的或相近的频道的干扰,通常讨论小区内频距最小的频道间干扰。,干扰台,B,移动台,A,f,2,f,1,62,2.1.2,相邻频道的干扰（,2/,4）,邻近频道干扰的主要产生原因：非理想滤波器,可以通过接收机滤波器阻带衰减设计，最大程度地衰减邻道干扰。,f,理想滤波器,f,实际滤波器,63,2.1.2,相邻频道的干扰（,3/,4）,阻带衰减：对远离接收机通带的干扰进行抑制,f,d,f,u,通带,阻带,KdB,/Oct,64,2.1.2,相邻频道的干扰（,4/,4）,减小邻道干扰的措施,提高收发信机滤波器性能。,合理调整信道分配，在频率管理中在同一小区不分配相邻的频点，并提供足够的保护间隔。,移动台具有自适应控制功率的能力。,65,近端对远端干扰,远近效应：,近端无用的强信号抑制远端有用的弱信号,基站接收的有用信号功率,P,A,30，,提高不明显，共用不宜太多。,120,2.3.4,通信系统服务质量和负荷能力,(15/15),系统信道设计总结：,选定,B,，,正确选定,a,(,一般公网,0.01,Erl，,专网,0.06,Erl),采用信道共用，根据,B,和,a,确定,M,与,n,的,值。,121,第二章 内容,2.1.,蜂窝小区的概念和特点,2.2.,干扰和信道容量,2.3.,电信业务流量与服务等级,2.4.,信道切换策略,122,2.4.,信道切换策略,123,2.4.,信道切换策略,2.4.1,信道切换原理,2.4.2,实际系统切换的一些考虑,124,2.4.1,信道切换原理,(1/9),信道切换,:,当前正在通信的移动台与服务基站之间的链路转移到另一个新基站的过程,目的：,实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，保证移动台跨区时通信的连续性。,分类：,按实现技术分为：,1.,硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接。例如,GSM,系统。,2.,软切换：指既维持旧的连接，又同时建立新的连接。例如,CDMA,系统。,125,2.4.1,信道切换原理,(2/9),切换过程,包括识别新小区和分配给移动台在新小区的语音信道和控制信道。,切换的原因：,小区信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号较强的相邻小区。,由于小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。,126,2.4.1,信道切换原理,(3/9),切换的准则,决定何时需要进行越区切换，通常根据移动台处接收的平均信号强度，或信噪比、信干比、误比特率等参数。,切换过程控制主要有三种,：,移动台控制的越区切换,网络控制的越区切换,移动台辅助的越区切换,127,2.4.1,信道切换原理,(4/9),(1),移动台控制的越区切换,移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量，当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。,DECT,等小系统常采用，在大系统中容易引起切换冲突。,128,2.4.1,信道切换原理,(5/9),(2),网络控制的越区切换,基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。,缺点：若,MS,失去联系，将造成信号中断。,第一代模拟系统采用此方法,切换时间长，可达,10,S。,129,2.4.1,信道切换原理,(6/9),(3),移动台辅助的越区切换,网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。,第二代系统,GSM，CDMA,都采用此方法。,特点：时间快，切换过程,1,s2s，,信号中断,1,s。,130,2.4.1,信道切换原理,(7/9),信道切换按照切换的性质可分：,同基站内不同扇区的切换、微小区与宏小区之间的切换、不同运营商之间的切换等等,131,2.4.1,信道切换原理,(8/9),不同系统采用不同的切换策略,切换次数和中断次数最小,无明显干扰的快速通话转接,对新呼叫阻塞的影响最小,132,2.4.1,信道切换原理,(9/9),越区切换时的信道分配,越区切换时的信道分配涉及切换优先问题。,系统处理切换请求时常采用越区切换请求优先于初始呼叫请求。,保留小区中所有信道中的一小部份，专门服务切换请求,但信道利用率降低,对切换请求进行排队。,133,2.4.,信道切换策略,2.4.1,信道切换原理,2.4.2,实际系统切换的一些考虑,134,2.4.2,实际系统切换的一些考虑,(1/3),微小区高速移动切换的问题,在微小区，高速移动用户仅有很少时间就需切换，对系统压力太大，,一种宏小区与微小区相结合的伞状小区结构，切换时采用宏小区信道可解决上述问题。,135,2.4.2,实际系统切换的一些考虑,(2/3),伞状小区方法,使用不同高度的天线和不同强度的功率，在一个站点设置相对“大的”和“小的”覆盖区以减少高速移动用户的切换。,136,2.4.2,实际系统切换的一些考虑,(3/3),小区拖尾,由于用户离开基站速度较慢，平均信号能量衰减不快，达不到切换门限，造成潜在的干扰和话务量管理问题。可以通过调整切换门限和无线覆盖参数来解决。,137,作 业,简述同频干扰与频谱利用率的关系,已知条状服务区要求载波,/,干扰比大于,25,dB，,问至少需要多少个频率组？,已知蜂窝系统中，簇的大小为,4,，以图的形式画出至少,2,个相邻的区群。并用,A、B、C,等标注出区群中的每一个小区。,138,作业,对比两种提高系统容量方法的特点,若某蜂窝系统为,FDD,方式，工作频段为,25,MHz，,波道间隔为,25,kHz，,若使载干比,C/I（,假设仅考虑第一层最坏情况下的同频干扰，路径传输损耗因子为,4,）大于,14,dB，,按等频距分配法，该如何分配波道？,139,作业,移动通信网的某个小区共有,100,个用户，平均每用户,C=5,次/,天，,T=180,次/,秒，,K=14。,问为保证呼损率小于,5,，需共用的信道数是几个？若允许呼损率达,20,，共用信道数可以节省几个？,设某基站有,8,个无线信道，移动用户的忙时话务量为,0.01,爱尔兰，要求呼损率,B=0.1。,问若采用专用呼叫信道方式能容纳多少用户？波道利用率为多少？若采用其它的波道自动选择方式，那么容纳的用户数和波道利用率又为多少？,140,