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第一章 无线覆盖区设计概论第一节 系统设计要素在蜂房移动电话系统问世以前，常规的移动电话系统存在很大的局限性：如频谱利用率低，服务容量严重不足，服务性能参差不齐等。蜂房小区概念的出现，使上述问题得到了充分的解决。特别是蜂房小区极大地提高了无线频率资源的重复利用率，使系统容量从每平方公里几十爱尔兰增加到几千甚至上万爱尔兰。在工程技术人员的精心设计下，移动电话的通话质量也逐步趋向于可与有线网络相媲美的地步。然而，这些技术性能的提高在很大程度上得益于精心的工程设计，其基本要素包括：1 频率复用的概念；2 同信道干扰保护及信道效率；3 所需的载干比和载噪比；4 无线覆盖区的通信概率；5 切换机制及功率控制技术；6 蜂房小区的裂变等。我们将在本教材中按照它们所隶属的基本理论知识分章叙述。一、话务量和呼损1）设计话务量所谓话务量是电话负荷大小的一种度量，通常是指电话用户在某段时间内所进行的通话交换量，又称话务负荷，它可以用以下关系式表示Y=MCT （11）式中，Y为总话务量；M为用户数；C为在某段时间内，每用户占用信道的平均次数；T为在某段时间内，每用户占用信道的平均时长。在工程设计中，需要忙时话务量的指标，因为忙时话务量（即忙时最大话务负荷）才是工程设计的依据。每一用户的忙时话务量可用下式表示：At （12）式中，A为每用户的忙时话务量；为每用户在一天内的呼叫次数；为忙时集中率（系数）忙时话务量/全天话务量；t为每用户每次通话占用信道的平均时长。通常，因为爱尔兰分布较符合多频道共用的实际情况，所以以爱尔兰（Erlang）表示话务量的单位。在式( 1-2 )中，若设6次/天*用户；t1.5分钟（即0.025小时/次）；忙时集中率；则A0.025爱尔兰。在陆地移动通信系统中，无论是G网或者C网，对移动台主叫和被叫，以及移动呼移动的话务量均分别予以统计。从而确定系统的广播控制频道和呼叫频道的数目。2）无线频道呼损率一个系统全部频道被占用之后再发生呼叫，就出现呼损。当输入话务量为A，系统完成的话务量为A时，系统呼损率E若按呼叫话务量和呼叫次数计算，则为：E （13）式中Co为单位时间内发生的平均呼叫次数；Cs为单位时间内呼叫成功而通话的次数。我们可以很容易地得到全部频道（N）被占用的概率PN，也即按时间计算的呼损率E。E PN (14)根据（14）式，可以得到E和A、N之间的数量关系，也即话务工程中常用的巴尔姆表，由该表可见，若已知A、E、N中任何二个参量，便可查得另一参量。例如，设某基站覆盖区内，每用户忙时话务量为0.03erl，1000个用户的总话务量为30erl，当呼损取5时，则所需无线频道数由巴尔姆表可见为36。为方便起见，在表11中，我们给出在呼损率为5和10以及话务量为0.010.1的条件下，无线频段数与用户数之间的关系。需要特别指出的是，上述的呼损是指频道数拥挤而造成的，在无线通信中，它还受无线覆盖区内的可通概率的影响。这一点，我们将在本章第四节中叙述。MA表11 话务量A为0.010.1时频道数N与用户数M之间的关系EN 0.010.020.030.040.050.060.1 51051051051051051051041532067610351683851304125341521845456022728025118711314091112769745561279594739747326531619823615918913215880951611541350577675385450288337231270192225115135201525176176288050858738144030535225429315317624190321789511089634726476544380435317363190218302480281124014058269376207034965624134682482814034603879173019391153129386596969277657664634638860545760402728302018192013136415101091120890910065466041009524104114762520531753470288126031905208215891735952104120019851214329925107166617714449625358397042863308357219852143300302623249815131162491008710833756580486052649950435416302632503）频道利用率频道利用率是系统的一个重要参数。在一个系统中，若频道空闲的时间愈短、工作时间愈长，则表明频道利用率愈高。换言之，在频道数一定时，话务量愈大，频道利用率就愈高。在数值上，频道利用率就是每个频道在单位时间间隔内被占用的时间，也就是每个频道完成的话务量。若以符号代表频道利用率，它可以表示为： (15)如以呼损率作参变量，频道数和频道利用率的关系如图11所示。图11 无线频道数和频道利用率的关系由图可见，呼损愈小，频道利用率愈低。在同样呼损条件下，随着频道数的增加，起初频道利用率有明显提高，但当频道数增加到一定数值后，频道利用率的提高就逐渐趋缓。而随着频道数的增加，系统的复杂程度也明显上升。总之，系统的频道数应当根据实际需要的话务量、允许的呼损和经济效益等因素综合平衡合理地确定。二、系统设计方程1）移动无线电路的设计原则及要素在设计一个无线覆盖区时，必须掌握一个基本原则就是设法使上行（移动台基站）和下行（基站移动台）的链路平衡，各自的余量相等，对G网最多也不能相差3dB，对C网可以允许较大的分贝数，但通常也不能超过10dB。其目的是保证上、下行覆盖范围，通信质量大致相同。设计中需考虑的三个要素是：1) 覆盖区范围多大？2) 要求的通信质量多高？对数字系统即归结为对误码率的要求3) 通信概率是多少？即移动台在覆盖范围内的任何位置上或在覆盖区边缘地区希望满意通话的成功概率是多少？除了上述三个要素外，还应当考虑传播环境、地形地貌特征、工作频段，设备性能参数等因素。在此基础上，就可以利用设计方程进行工程设计。2）设计方程系统设计方程可归纳为：SGSLSM （16）SGPtGtGrPmin （17）SLLPLtLr （18）式中：SM为系统余量（dB），取决于所需的通信概率，及覆盖区地形地貌所遵循的传播特性 SG为系统增益（dB） Pt为发信机输出功率（dBw）； Gt为发信天线增益（dB）； Gr为收信天线增益（dB）； Pmin为接收机所要求的输入最低保护电平（dBw） SL为系统损耗 LPLPK为中值路径损耗及其校正因素； Lt为发信端附加损耗； Lr为收信端附加损耗； 附加损耗包括馈线，耦合器及匹配等损耗。需要特别指出的是，所谓系统余量是指对于一定的通信距离或者说对于该覆盖区的边缘而言，系统增益减去系统损耗的剩余量。也是接收机可能接收到的输入信号电平减去为保证一定的信号质量而要求输入的最低保护电平的剩余量。这个剩余量的大小直接与通信概率有关，当剩余量为0（dB）时，则表示覆盖区边缘可通概率为50，我们将在本章第四节中详细讨论。第二节 最低保护功率电平在工程设计中，常常需要了解接收机输入电压、最低保护场强与接收机要求的最低保护功率电平之间的关系，本节将给出它们之间的定量换算关系。ReR信号源接收机图12接收机输入电压的定义一、接收机的输入电压如图12所示，当电幼势为e，内阻为R的信号发生器接至接收机输入端时，若内阻R与接收机等效输入阻抗相匹配，则接收机输入电压为e/2，而接收机输入功率为e2/4R。但是，按照移动通信频段的习惯，接收机的输入电压不是以其实际的端电压，而是以信号发生器的电动势（即信号发生器输出端的开路电压）来定义的，实际上这与信号发生器的刻度“不是采用e/2,而是采用e”是一致的。接收机输入电压以1V为基准，其电压电平为：A20lg （dBv） 或者A20lge（V）120（dBv） （19）相对应地，接收机输入功率为e2/4R（W），相对的功率电平Pr10lg （dBw），将（19）式代入，可得：PrA10lgR126（dBw） （110）当R75时，PrA145（dBw）R50时，PrA143（dBw） （111）二、接收电场强度与接收机输入电压的关系电场强度是指长度为1m的天线所感应到的电压，以V/m,mV/m或V/m计。对半波耦合天线而言，其有效长度为/，故其感应的电压为：eE/（V） （112）式中，E为电场强度（V/m）, 为波长（m）由于半波偶极天线的阻抗是73.13，而移动通信接收机的输入阻抗通常为50，在天线与接收机之间需有一个匹配网络，如图13所以，此时，接收机的输入电压A（开路电压）为：半波偶极天线图13 当采用半波偶极天线时接收机输入电压50接收机匹配网络 AeE （113）若以dBv计，则有AE20lg20lg E20lg1.65（dB v） E20lg11.6（dBv）（114）对于其它接收天线，只需增加其相对于半波偶极天线的增益Gr即可即：AE20lg11.6Gr （115）三、接收机输入端要求的最低保护场强和功率电平对移动电话而言，最低保护场强或最低保护功率电平是对接收机在动态环境下的指标，是指在实际的动态环境中，为了满足一定的通信质量，根据接收机的内部噪声，人为噪声和多径传播效应而确定的最小必要场强或功率电平。以Emin或Pmin表示。对于半波偶极天线，如不考虑馈线损耗等因素，由（114）式可得：EminAmin20lg11.6（dBv/m） （116） Amin20lg 11.6 Amin20lgf（MHz）38（dBv/m） （117）其中AminSvd而接收机输入端要求的最低保护功率电平相对应为PminPrd（dBW或dBm） （118）Sv为接收机静态灵敏度（v）；Pr由（111）式求得与灵敏度Sv相对应的功率电平（dBw或dBm）；d为环境噪声和多径传播效应所引起的恶化量，其数值视覆盖区环境而异。我们将在下一节中详述。第三节 载噪比与载干比一、热噪声与环境噪声特性1）热噪声接收信号的窄带特性与多径信号媒体的衰落效应十分相似，热噪声具有白噪声特性，它在整个无线电通信频带内（f Pmin的概率为：P（Ro）P（xPmin） （133）式中，P（Ro）为无线覆盖区边缘（半径为Ro）的通信概率，为误差函数，积分结果可查误差函数表（即概率积分表）。由（133）可见，如果预测或实测的区域平均信号电平mdPmin，即系统余量为0，则P（xPmin）50。这样，我们就可以根据接收机要求输入的最低保护电平及所需通信概率、位置偏差值L来确定无线覆盖区边缘所需场强或其信号电平。例如：若要求无线覆盖区边缘的通信概率为90时，系统余量将为多少？由（133）式得：P（xPmin）0.9则2（0.90.5）0.8查误差函数表，得0.907 于是：1.28L （134）这意味着对应于覆盖区边缘的通信概率为90的系统余量应为1.28L。为了方便起见，图110以为参变量给出服从正态分布的通信概率与系统余量的关系。由图110可见，若给定通信概率，则可根据已知的值确定系统余量，进而可由设计方程确定有关的系统参数；反之，亦可由已知的值和系统余量直接查图，得到无线覆盖区边缘的通信概率。图110通信概率与系统余量的关系二、无线覆盖区的区内通信概率有时候，运营商要求的是整个覆盖区范围内的通信概率，那么，它与覆盖区边缘的通信概率有什么关系呢？如图111，设在半径为Ro的圆内，有效覆盖区（可通信区）的面积为Fu，而P（xPmin）是在一个逐渐增加的环形面积dA内接收信号小段中值电平xPmin的概率，则有：式中 （135）假定在接收区内信号电平md按r-n规律衰减，n为衰减指数，我们略去了繁琐的数学推导，可以将其结果示于图112中，图中以/n为横坐标，以rRo的环形区域dA内的边缘通信概率P（Ro）为参变量，可算得一组曲线。只需给定n和值，就可以根据覆盖区边缘可通信概率确定相应的区内通信概率。图111 无线覆盖区的区内通信概率示意图图112 小区边界上信号高于门限的总区域百分比于信号高于门限的概率的关系曲表12 WCDMA链路计算模板下行上行单位(a)平均发射功率/ICH3024dBm(b)发送端电缆连接器和合路器损耗20dB(c)发射机天线增益130dBi(d)移动台受人体影响损耗33dB(e)接收机天线增益013dBi(f)接收端电缆、连接器和功分器损耗02dB(g)接收机噪声指标55dB(h)热噪声密度-174-174dBm/Hz(i)a-b+c-df+e3832dBm(j)g+h-169-169dBm设信息速率Rb88KHz(k)10log(Rb)3939dBHz(l)Eb/Io（链路级仿真结果）86.6dB(m)接收机灵敏度（h+g+k+l）-122-123.4dBm(n)切换增益55dB(o)其他增益00dB(p)对数正态衰落余量（按位置百分比求得）1010dB(q)系统增益SG170165.4dB(r)系统损耗GP=b+d+f+ LP5+ LP5+ LPdB(s)允许最大路径损耗LP=q-p5155150.4dBT按衰耗模式计算覆盖半径xxxxkmSGacemnLpqp5三、上、下行链路预测表在无线覆盖区设计工程中，一个重要内容就是利用本章前几节所述的基本知识，进行上、下行链路预测。上、下行链路预测的目标是验证有关技术参数的设定是否合理，并验证上、下行链路是否平衡。对于一个未引入放大器的无源微蜂窝系统，只需验证上、下行链路的衰减余量是否足够，并足以维持其平衡。而对于一个带有直放站（或干放）的有源系统，还需增加必要的噪声分析，这一点我们将在第五章中祥述。通常，对上、下行链路的预测可以归结为一个链路预测表，如表12所示为一个WCDMA系统的链路计算模板。在室内微蜂窝系统的工程设计中，较多的情况是已知：1) 覆盖区范围，及覆盖区边缘场强；2) 覆盖区房屋结构及场强实测数据；3) 系统的参数和信息速率，Eb/Io等根据 1），可以求得最低接收电平及衰落余量； 2），可以确定传播模式计算Lp；然后，根据系统的设计公式（16），可以求得该微小区室内天线端口处的下行功率及天线增益需要值。最后再验证上、下行链路的平衡问题。