移動通信原理與系統(tǒng)第2章

1、移動通信移動通信Mobile Communication2目錄目錄n第一章 概述（4學(xué)時） n第二章 移動通信組網(wǎng)原理（8學(xué)時）n第三章 移動信道中的電波傳播（8學(xué)時）n第四章 數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)（8學(xué)時）n第五章 GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）n第六章 窄帶CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（6學(xué)時）n第七章 第三代(3G)數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）n第八章 移動數(shù)據(jù)傳輸（4學(xué)時）n第九章 未來移動通信展望（2學(xué)時）n習(xí)題講解與課堂練習(xí)（6學(xué)時） n復(fù)習(xí)（2學(xué)時） 3第二章第二章 移動通信組網(wǎng)原理移動通信組網(wǎng)原理n2.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng)n2.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信網(wǎng)q

2、2.2.1 構(gòu)成及特點(diǎn)q2.2.2 條（帶）狀服務(wù)區(qū)q2.2.3 面狀服務(wù)區(qū)n2.3 移動通信網(wǎng)的信道分配策略q2.3.1 固定信道分配q2.3.2 動態(tài)信道分配n2.4 干擾和系統(tǒng)容量q2.4.1 同頻干擾q2.4.2 鄰頻干擾 4q2.4.3 移動臺的功率控制q2.4.4 蜂窩系統(tǒng)容量的改善q2.4.3 面狀服務(wù)區(qū)n2.5 多信道共用技術(shù)q2.5.1 話務(wù)量、呼損率和系統(tǒng)用戶數(shù)q2.5.2 信道的自動選擇方式n2.6 越區(qū)切換q2.6.1 切換門限值、切換過程和信道分配q2.6.2 實(shí)際切換中需要注意的問題 5n2.1 大區(qū)制移動通信網(wǎng) 通常移動通信網(wǎng)的體制可分為小容量的大區(qū)制和大容量的小

3、區(qū)制6一、大區(qū)制的概念 指一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)二、特點(diǎn)w基站發(fā)射功率很大，一般為50-200W；w大區(qū)制系統(tǒng)的基站頻道數(shù)是有限的，容量不大，只適用于中小城市和專用移動通信等 w大區(qū)制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低7n2.2 頻率復(fù)用和小區(qū)制移動通信網(wǎng)q2.2.1 構(gòu)成及特點(diǎn) 8 一、小區(qū)制的概念 將整個服務(wù)區(qū)劃分成若干個半徑為2-20km的小區(qū)，每個小區(qū)中設(shè)置一基站負(fù)責(zé)與小區(qū)內(nèi)移動用戶的無線通信，這種方式稱為小區(qū)制。 目的：為了解決大區(qū)制系統(tǒng)容量不高、頻譜利用率低等問題。9二、小區(qū)制的特點(diǎn)w可以提高頻率利用率，增加用戶容量：因?yàn)橥唤M波道頻率可以多次重復(fù)使用 w小區(qū)制中因?yàn)椴捎昧祟l率重用技術(shù)，因此帶

4、來同頻道干擾問題w網(wǎng)路構(gòu)成復(fù)雜：需要越區(qū)切換、漫游、位置登記、更新等10q2.2.2 條（帶）狀服務(wù)區(qū) 一、定義w條狀服務(wù)區(qū)是指用戶的分布呈條狀，例如鐵路、公路、狹長城市、沿海水域、內(nèi)河等11 二、頻率分配w可采用二頻組、三頻組、四頻組進(jìn)行頻率復(fù)用w二頻組：采用不同頻道組的兩個小區(qū)組成一個區(qū)群w三頻組：采用不同頻道組的三個小區(qū)組成一個區(qū)群w四頻組：采用不同頻道組的四個小區(qū)組成一個區(qū)群二頻組三頻組 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 12 三、重疊區(qū)的確定 假設(shè)小區(qū)半徑為R，相鄰小區(qū)的交疊寬度為a, 第n+1區(qū)與第1區(qū)為同頻道小區(qū)。采用無方向性天線

5、，當(dāng)移動臺處于覆蓋區(qū)邊緣時，遭受同頻干擾影響最為嚴(yán)重。此時，收到的有用信號功率中值則與dS 成比例，而收到K臺的干擾功率與dI 成例。假設(shè)重疊區(qū)寬度a=0，則邊緣處信干比為： 當(dāng)有m個基站也使用同一頻率時，可得最低C/I值為：（dS /dI）-n nISddmIC113 當(dāng)移動臺處于覆蓋區(qū)邊緣點(diǎn)時，受到的同頻干擾最嚴(yán)重w二頻組（A與C同頻）：w三頻組（A與D同頻）：wn頻組（A與n+1同頻）： 重疊區(qū)寬度a可根據(jù)C/I設(shè)計要求，由上式計算出來 在C/I符合要求，即大于同頻干擾防衛(wèi)度的前提下，為了使頻率利用最經(jīng)濟(jì)，希望同頻復(fù)用距離D越小越好。dBRaRIC23lg40dBRaRIC35lg40d

6、BRnaRnIC) 12(lg4014q2.2.3 面狀服務(wù)區(qū)q w當(dāng)服務(wù)區(qū)是一個寬廣的平面時，稱為面狀服務(wù)區(qū)。n小區(qū)的類型15 一、小區(qū)形狀w在面狀服務(wù)區(qū)設(shè)計時，能覆蓋一個平面的規(guī)則多邊形有正三角形、正方形、正六邊形三種。12345616 w從下表可看出：對于同樣大小的服務(wù)區(qū)域，采用構(gòu)成的小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最小，是最經(jīng)濟(jì)的一種方式正三角形正方形正六邊形鄰小區(qū)距離小區(qū)面積重疊區(qū)寬度重疊區(qū)面積重疊區(qū)與小區(qū)面積比1.410.570.21所需最小頻率數(shù)643R2R3284. 1R24 . 1 R254. 0R23 . 1 RR22R26 . 2 RRR59. 0R27. 0正六邊形17 二、頻率復(fù)用和

7、簇（區(qū)群）的構(gòu)成1、區(qū)群的概念w區(qū)群的概念：把由若干個使用全部頻率的小區(qū)組成的集合稱為一個簇。 w同頻小區(qū)：不同簇中使用相同頻率的小區(qū)w同頻復(fù)用距離：任意兩個同頻小區(qū)之間的距離18 2、構(gòu)成簇（區(qū)群）的條件w簇之間可以鄰接且無空隙無重疊的進(jìn)行覆蓋w相鄰簇中同頻小區(qū)之間的距離相等3、簇內(nèi)小區(qū)數(shù)可以證明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)應(yīng)滿足下式： 式中，i、j為相鄰?fù)l小區(qū)間的相隔小區(qū)數(shù)，取正整數(shù)且不同時為零22jijiN19n 非正交蜂窩坐標(biāo)( , )( 3, 3)u viRjR003cos3021sin302xuuyuvuv223DR ijij20示例(i=j=2)單個Cell的面積為22332 32Arh同

8、信道小區(qū)之間的距離為22223 2Dr ijijh ijijrhh超級六邊形的高h(yuǎn)=d/2區(qū)群尺寸為222AhNijijAh214837282116437271913932819127422113731143210 N ij簇內(nèi)小區(qū)數(shù)N的取值22 三、同頻復(fù)用距離1、確定同頻小區(qū)間位置的方法w自某小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂線方向跨i個小區(qū)，再按逆時針方向轉(zhuǎn)60度，再跨j個小區(qū)，就可以找到同頻小區(qū)，共6個。 23 2、同頻復(fù)用距離、同頻復(fù)用比w同頻復(fù)用距離D ：相鄰的兩個簇中，位置對應(yīng)的兩個同頻小區(qū)中心之間的距離 可見，簇內(nèi)小區(qū)數(shù)N越小，同頻小區(qū)之間的距離越近，抗同頻干擾的性能越差，但頻率利用率越高

9、。RND324 四、中心激勵與頂點(diǎn)激勵w中心激勵：基站設(shè)在小區(qū)的中央，由全方向天線形成圓形覆蓋區(qū)w頂點(diǎn)激勵：若基站設(shè)在正六邊形的三個頂點(diǎn)上，用扇形輻射的定向天線。優(yōu)點(diǎn)：消除障礙物陰影，對來自天線方向圖主瓣之外的干擾有一定的隔離度25中心激勵 頂點(diǎn)激勵26 五、頻率復(fù)用模式w對于全向覆蓋并由N個小區(qū)組成的區(qū)群，頻道總數(shù)被分成N組，每個小區(qū)分給一個頻道組，區(qū)群獲得全部頻率。相鄰的區(qū)群重復(fù)使用相鄰的頻率分配模式w頻率復(fù)用模式的確定主要以同頻干擾防護(hù)門限為依據(jù)。若N太大，則每個小區(qū)中分得的頻道數(shù)太少；若N太小，每個小區(qū)頻道數(shù)增加，但由于同頻小區(qū)距離近而使同頻干擾增大。常用的N=12，9，7，4，3。

10、27舉例：GSM頻率規(guī)劃方式w若為無方向性天線，采用N=7復(fù)用方式w若為方向性天線，一般采用43復(fù)用方式、話務(wù)密集區(qū)采用33復(fù)用方式BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2AA1A3A228A1B1C1D1A2B2C2D2A3B3C3D31234567891011121314151617181920212223242

11、5262728293031323334353629n2.3 移動通信網(wǎng)的信道分配策略 信道分配策略主要有兩類：固定的和動態(tài)的30q2.3.1 固定信道分配概念：將頻道固定分配給某個小區(qū)使用，蜂窩系統(tǒng)采用此法 1、分區(qū)分組法遵循的準(zhǔn)則w所需波道盡量占用最小的頻段，即盡量提高頻段利用率w為避免同道干擾，在單位無線區(qū)群內(nèi)不能使用相同波道w為避免三階互調(diào)干擾，在每個無線小區(qū)內(nèi)應(yīng)采用無三階互調(diào)波道組。 幾個干擾信號（幾個干擾信號（A、B、C）與受干擾信號的頻率（）與受干擾信號的頻率（S）之間）之間滿足滿足2A-B =S或或A+B-C =S 干擾信號的幅度足夠大；干擾信號的幅度足夠大； 干擾（信號）站和受

12、干擾的接收機(jī)都同時工作干擾（信號）站和受干擾的接收機(jī)都同時工作產(chǎn)生互調(diào)干擾的基本條件產(chǎn)生互調(diào)干擾的基本條件31 2、等頻距分配法 按信道之間的頻距相等的原則進(jìn)行信道分組，是大容量蜂窩網(wǎng)廣泛使用的方法。 優(yōu)點(diǎn)：w只要頻距選得足夠大，就可以有效地避免鄰道干擾、 控制簡單；缺點(diǎn)：w信道的利用還不夠充分32 舉例：GSM系統(tǒng)中的頻率分配 頻道組號123456789101112各頻道組頻道號767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119

13、12012112212312433q2.3.2 動態(tài)信道分配 概念：每個無線區(qū)使用的信道數(shù)是不固定的，當(dāng)某時刻業(yè) 務(wù)量大時，使用的信道數(shù)就多，否則就少，以增大系 統(tǒng)容量和改善通信質(zhì)量。 其特點(diǎn)：w控制復(fù)雜w頻率利用率高34信道借用策略概念：如果某小區(qū)租戶的所有信道都已被占用，允許該小區(qū)從相鄰小區(qū)中借用信道。35呼損率與出租信道數(shù)變化關(guān)系在不同熱點(diǎn)小區(qū)到達(dá)率條件下最佳出租信道數(shù)和呼損率36n2.4 干擾和系統(tǒng)容量蜂窩系統(tǒng)中的干擾主要有兩種類型：同頻干擾和鄰頻干擾 37q2.4.1 同頻干擾w概念：同頻小區(qū)之間的干擾w兩種同頻干擾：1）MS接收信號和同頻干擾 2）BS接收信號和同頻干擾功率頻率f1

14、相同信道干擾區(qū)域38 w同頻復(fù)用比Q：同頻復(fù)用距離和小區(qū)半徑的比值對于正六邊形小區(qū) NRDQ3 1 2 1 2 3 4 5 3 4 5 6 7 1 2 6 7 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 73 4 5 6 7 1 2 6 7 1 2 3 4 5 3 4 5 6 7 6 7Q=D/ro=4.6N=739結(jié)論：N ，D ，抗同頻干擾的性能 ，但頻率利用率在滿足同頻干擾比指標(biāo)的條件下，應(yīng)盡量提高頻率利用率（N盡量?。?。40 1、全向小區(qū)S/I的計算前提：忽略噪聲的影響，MS作為接收方w則S/I為：其中，S是來自目標(biāo)基站中的想獲得的信號功率，Ii是第I個同頻干擾小區(qū)的基站信號對移動臺的

15、干擾功率。 假設(shè)：同頻BS的發(fā)射功率相等，且距被干擾MS的距離為w則S/I為：最好情況下，令：w則C/I為：kDDDi01iiiISIS01iininDRIS003iNiRDISnn41 最壞情況下：MS位于小區(qū)的邊緣w則S/I為：令：w則S/I為： （式2）RDDknRRDmIS144442)(2)(2DRDRDRIS42舉例：若蜂窩系統(tǒng)的前向信道要求的信干比為17dB，假設(shè)第一層中有6個同頻小區(qū)，且它們與移動臺之間的距離都相同，路徑損耗指數(shù)n=4。討論：當(dāng)采用N=7的復(fù)用模式時，能否滿足信干比要求？解：N=7,n=4,m=6根據(jù)式（1），所以，滿足信干比要求 dBdBNIC177 .183

16、614432、降低同頻干擾的措施 w定向天線覆蓋w同頻復(fù)用距離和頻率分配方案的最佳化w天線高度和功率控制w天線俯仰角的調(diào)整w調(diào)整天線方位角44q2.4.2 鄰頻干擾1. 概念w來自使用信號頻率的相鄰頻率的信號干擾 2. 降低鄰頻干擾的措施w精確的濾波w有效的信道分配45q2.4.3 功率控制 w有利于延長用戶設(shè)備的電池壽命w顯著減小系統(tǒng)中反向信道的S/Iw功率控制對于CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)來說尤為重要 46q2.4.4 蜂窩系統(tǒng)容量的改善 提高蜂窩系統(tǒng)容量的常用方法：小區(qū)分裂（Cell Splitting）、小區(qū)扇形化（Sectoring）和覆蓋區(qū)分區(qū)域1、小區(qū)分裂w在現(xiàn)有小區(qū)的基礎(chǔ)上劃分更小的

17、小區(qū)，增加新的蜂窩 的小區(qū)，并在適當(dāng)?shù)牡胤皆鲈O(shè)新的基站。分裂后的每個 小區(qū)都有自己的基站，基站的天線高度要相應(yīng)降低，發(fā) 射機(jī)功率也要減小w目的：通過增加基站數(shù)量，使得單位覆蓋面積內(nèi)的信 道數(shù)增加，從而提高頻率復(fù)用率，增大系統(tǒng)容量4748 2、扇區(qū)化w在原小區(qū)的基礎(chǔ)上，將中心設(shè)置基站的全向覆蓋區(qū)分成幾個定向天線的小區(qū)w優(yōu)點(diǎn)：1、增加了小區(qū)數(shù)目，卻不增加基站數(shù)量 2、 重疊區(qū)小，有利于越區(qū)切換 3、利用天線的定向輻射性能，降低了同頻干擾 4、減小維護(hù)工作量和基站建設(shè)投資49360O度全向小區(qū)定向小區(qū)（扇區(qū)化）120度60度50S1S2S051n2.5 多信道共用技術(shù) 多信道共用就是指，在一個無線區(qū)

18、內(nèi)的n個信道為該無線區(qū)內(nèi)的所有用戶共用。52q2.5.1 話務(wù)量、呼損率、信道利用率、系統(tǒng)用戶數(shù)1、話務(wù)量w流入話務(wù)量A：單位時間內(nèi)（通常是1小時）發(fā)生的平均呼叫次數(shù)與每次呼叫平均占用無線波道的時間S（通常以小時為單位）的乘積。單位為“愛爾蘭”w完成話務(wù)量：在系統(tǒng)流入的話務(wù)量中，完成接續(xù)的那部分話務(wù)量。 其中，0為單位時間內(nèi)呼叫成功的次數(shù)w損失話務(wù)量：未完成接續(xù)的那部分話務(wù)量 SASA0053舉例： 設(shè)在100個信道上，平均每小時有2100次呼叫，平均每次呼叫時間為2分鐘，則這些信道上的流入（或稱為呼叫）話務(wù)量為多少？解：2100次/小時，S=2分鐘/次 流入話務(wù)量為 21002/60=70愛

19、爾蘭SA542、呼損率w損失話務(wù)量占流入話務(wù)量的比例w愛爾蘭公式：表示了呼損率B、共用波道數(shù)n和流入話務(wù)量A三者的定量關(guān)系w說明：Erlang公式B是阻塞呼叫清除公式，它用于沒有排隊(duì)的情況，即用戶發(fā)起呼叫是如果系統(tǒng)有空閑信道則立即進(jìn)入，如果沒有空閑信道呼叫會被拒絕并清除。 00AAABniiniAnAB1!Erlang B公式：55563、信道利用率w每個信道平均完成的話務(wù)量nBAnA)1 (0574、系統(tǒng)用戶數(shù)w集中系數(shù)K：最忙一小時的話務(wù)量與全天話務(wù)量之比w每用戶的忙時話務(wù)量：其中，每一用戶每天平均呼叫次數(shù)為C，每次呼叫平均占用波道的時間為T（秒/次）w每個信道所能容納的用戶數(shù)：w全網(wǎng)的用戶數(shù)：KTCa360036001CTKnAanAmaAmnM58舉例： 某一無線小區(qū)有8個信道，統(tǒng)計每天每個用戶呼叫3次，每次占用信道120秒，忙時集中系數(shù)為10，當(dāng)阻塞率為10時，試問系統(tǒng)能容納多少用戶？平均每個信道用戶數(shù)為多少？信道利用率為多少？解：n=8，C3次/天，T=12