無線通信系統(tǒng)chart2蜂窩的概念課件

03八月2023無線通信系統(tǒng)chart2蜂窩的概念29七月2023無線通信系統(tǒng)chart2蜂窩的概念1第二章蜂窩的概念2.1頻率復(fù)用2.2信道分配策略2.3切換策略2.4干擾和系統(tǒng)容量2.5中繼和服務(wù)等級2.6提高蜂窩系統(tǒng)容量第二章蜂窩的概念2.1頻率復(fù)用2§2.1無線信道的物理建?！?.1.1自由空間、固定發(fā)射天線與接收天線§2.1.2自由空間、運動天線§2.1.3反射墻、固定天線§2.1.4反射墻、運動天線§2.1.5地平面反射§2.1.6由距離和陰影引起的功率衰減§2.1.7運動天線、多個反射體§2.1無線信道的物理建?！?.1.1自由空間、固3§2.1頻率復(fù)用5164237§2.1頻率復(fù)用51642374§2.1頻率復(fù)用六邊形的基本特性R§2.1頻率復(fù)用六邊形的基本特性R5§2.1頻率復(fù)用頻率復(fù)用的概念S：一個簇中總的雙工信道數(shù)K：一個小區(qū)中的信道數(shù)N：使用S個信道的小區(qū)數(shù)量S=kN簇的大?。篘(區(qū)群大?。?/p>

N:使用全部可以使用的頻率的小區(qū)數(shù)量雙工信道的總數(shù)：C

C=MkN=MS（M:系統(tǒng)中簇的復(fù)用次數(shù)）§2.1頻率復(fù)用頻率復(fù)用的概念6§2.1頻率復(fù)用N的計算等式：N=i2+ij+j2例如：i=2,j=1N=7§2.1頻率復(fù)用N的計算等式：7§2.1頻率復(fù)用§2.1頻率復(fù)用8§2.1頻率復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的容量正比于在一定的區(qū)域內(nèi)簇被復(fù)用的次數(shù)（簇：N個小區(qū)完全使用了全部可以使用的頻率，那么這N個小區(qū)被稱為一個“簇”）。蜂窩系統(tǒng)中的頻率復(fù)用因子為1/N?！?.1頻率復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的容量正比于在一定的區(qū)域內(nèi)簇被復(fù)用9§2.1頻率復(fù)用舉例：總帶寬為33MHz，，單向信道帶寬為：25kHz，雙向信道帶寬為：50kHz，可以使用的信道總數(shù)為33000/50=660，服務(wù)區(qū)域內(nèi)小區(qū)的綜述為49。N=4,fourcells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/4=165,duplexchannelC=(49/4)×660=8084N=7,sevencells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/7=95,duplexchannelC=(49/7)×660=4620N=12,twelvecells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/12=55,duplexchannelC=(49/12)×660=2694§2.1頻率復(fù)用舉例：總帶寬為33MHz，，單向信道帶寬為10§2.2信道分配策略原則：有效利用無線頻譜，能夠增加系統(tǒng)容量和最小化干擾。分配策略：固定分配和動態(tài)分配。固定分配：決定了系統(tǒng)的性能，特別是當(dāng)一個移動臺從一個小區(qū)切換到了另一個小區(qū)的時候。每個小區(qū)被分配到了預(yù)先決定好了的信道數(shù)量。§2.2信道分配策略原則：有效利用無線頻譜，能夠增加系統(tǒng)容11§2.2信道分配策略動態(tài)分配：移動臺向基站請求一個信道，基站收到該請求后向MSC請求一個基站。然后由交換機向發(fā)起請求的小區(qū)分配一個信道。算法應(yīng)當(dāng)考慮：單個小區(qū)內(nèi)發(fā)生碰撞的可能性、候選信道頻率的使用、信道的復(fù)用距離、代價函數(shù)。減少了碰撞發(fā)生的可能性，增加了系統(tǒng)的中繼容量。要求MSC收集空閑信道數(shù)量、實時數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)分布、接收信道強度指示(RadioSignalStrengthIndications，RSSI)?！?.2信道分配策略動態(tài)分配：12§2.3切換策略切換：一個移動臺移動到了另一個小區(qū)，同時會話持續(xù)進行。由MSC傳輸該呼叫到新基站的一個新的信道上。是蜂窩系統(tǒng)的重要功能。信令的切換門限：-90dbm~-100dbm(-110dbm~-120dbm)。駐留時間(Dwelltime）：一個呼叫可以在小區(qū)中維持而不切換的時間。切換策略：在1G中，切換由BS完成，由MSC管理；在2G中，切換的分配由移動臺輔助完成。(MAHO)§2.3切換策略切換：13§2.3切換策略切換算法需要考慮的參數(shù)：信號強度、切換門限、切換時間、駐留時間?！?.3切換策略切換算法需要考慮的參數(shù)：信號強度、切換門限14§2.3切換策略實際切換中需要考慮的問題：高速移動和步行；小區(qū)拖尾(Celldragging)；切換是基于大范圍內(nèi)的度量，而不是信號強度；§2.3切換策略實際切換中需要考慮的問題：15§2.4干擾和系統(tǒng)容量§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量§2.4.2信道劃分§2.4.3臨頻干擾§2.4.4功率控制§2.4干擾和系統(tǒng)容量§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容16§2.4干擾和系統(tǒng)容量干擾是蜂窩無線系統(tǒng)性能的主要限制因素。干擾源：同一個小區(qū)內(nèi)的另一個移動臺相鄰小區(qū)中正在進行的通話使用相同頻段的其他基站或者無意中深入蜂窩系統(tǒng)頻帶范圍的任何非蜂窩系統(tǒng)。小區(qū)干擾的2個主要類型：同頻干擾臨頻干擾§2.4干擾和系統(tǒng)容量干擾是蜂窩無線系統(tǒng)性能的主要限制因素17§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量同頻小區(qū)：在一個給定的覆蓋區(qū)域內(nèi)，使用同一組頻率的小區(qū)。同頻干擾：同頻小區(qū)之間的干擾。小區(qū)半徑(R)和相鄰最近的同頻小區(qū)的中心之間距離(D)的函數(shù)。減小同頻干擾：必須在物理上隔開一個最小距離，為傳播提供充分的距離。同頻復(fù)用比例Q：Q=D/R=(3N)1/2Q值越小，容量越大，因為簇的大小N比較小；但Q值大可以提高傳播質(zhì)量，因為同頻干擾比較小。§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量同頻小區(qū)：在一個給定的覆蓋區(qū)18§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量19§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量信號干擾比：Ii是第i個同頻干擾小區(qū)所在基站引起的干擾功率。S是從預(yù)設(shè)基站中來的想獲得的信號功率。P0參考點接收功率。d0該點與發(fā)射天線的最小距離?！?.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量信號干擾比：20§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量假設(shè)用戶處于小區(qū)的邊緣，那么接收信干比S/I：如果每個基站的發(fā)射功率相等，整個覆蓋區(qū)域內(nèi)的路徑衰落指數(shù)也相同，S/I是：Di是第i個干擾源與移動臺間距離N路徑衰落指數(shù)§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量假設(shè)用戶處于小區(qū)的邊緣，那么21§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量僅考慮第一層干擾小區(qū)，如果所有干擾基站與預(yù)設(shè)基站間等距，小區(qū)中心間的距離都是D，那么S/I是：如圖所示：i0=6,N=7用dB表示：RD第一層小區(qū)§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量僅考慮第一層干擾小區(qū)，如果所22§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量舉例：考慮使用FM和30kHz信道的美國AMPS蜂窩系統(tǒng)，當(dāng)SIR>=18dB時就可以提供足夠好的話音質(zhì)量。假設(shè)路徑損耗n=4，那么簇的大小N最小必須為6.49。所以要滿足SIR>=18dB，簇的最小值N為7。如果N=7,Q=4.6，則可以計算出最壞情況SIR=48.56(17dB)?！?.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量舉例：23§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量考慮：如果SIR>=18dB，n=4，N為什么數(shù)值最合適？§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量考慮：如果SIR>=18dB24§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量下圖是一個N=7的簇，移動臺在小區(qū)邊界，它經(jīng)歷的是前向信道中同頻干擾最壞的情況?！?.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量下圖是一個N=7的簇，移動臺25§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量舉例：為保證蜂窩系統(tǒng)前向信道的性能，要求SIR=15dB，那么當(dāng)(a)n=4和(b)n=3時，N=?,Q=?(a)n=4,考慮一個7小區(qū)復(fù)用模型。同頻復(fù)用比例D/R=(3N)1/2=4.583,SIR=(1/6)×(4.583)4=75.3=18.66dB。大于要求，N=7可用。(b)n=3,考慮一個7小區(qū)復(fù)用模型。SIR=(1/6)×(4.583)3=16.04=12.05dB。不滿足最小S/I的要求，要用一個更大的N。下一個可用的N值為12。N=12(I=2,j=2),D/R=6,SIR=(1/6)×(6)3=36=15.56dB>15dB.§2.4.1同頻干擾和系統(tǒng)容量舉例：為保證蜂窩系統(tǒng)前向信道26§2.4.2信道劃分明智的為基站劃分信道是一項重要的工作，實際劃分比理論劃分要難很多。一般而言，將可用的無線頻譜劃分為信道，這是在一個國家或地區(qū)使用的空中接口標(biāo)準(zhǔn)的一部分。CDMA的主要特征是N=1，它的頻率劃分比TDMA和FDMA都簡單。呼吸小區(qū)（Breathingcell）：動態(tài)的，依賴于實時用戶數(shù)量改變覆蓋范圍?！?.4.2信道劃分明智的為基站劃分信道是一項重要的工作，27§2.4.3鄰頻干擾鄰頻干擾（adjacentchannelinterference，ACI）：來自所使用信號頻率的相鄰頻率的信號干擾。來源：接收濾波器不理想，相鄰頻率的信號泄露到了傳輸帶寬內(nèi)。減小的方法：精確的濾波、信道分配。如果頻率復(fù)用比例N較小，鄰頻信道間的間隔就可能不足以將鄰頻干擾強度保持在可容忍的極限內(nèi)。實際上，為了抵制鄰頻干擾，每個基站都用高Q值的空腔濾波器。§2.4.3鄰頻干擾鄰頻干擾（adjacentchann28§2.4.3鄰頻干擾舉例：如果有一個移動臺接近基站的程度是另一個的20倍，而且有信號能量溢出它自己的傳輸頻帶，弱信號移動臺的信噪比（接收濾波器之前）可以近似表示為SIR=(20)-n

當(dāng)n=4時，SIR=-52dB；如果基站接收機的中頻濾波器的斜率為20dB/倍頻程，則為了獲得52dB的衰減，鄰頻干擾源至少要轉(zhuǎn)移到距接收機頻譜中心6倍于傳輸帶寬的地方?！?.4.3鄰頻干擾舉例：如果有一個移動臺接近基站的程度是29§2.4.4功率控制減小干擾在實際的蜂窩無線電和個人通信系統(tǒng)中，每個用戶所發(fā)射的功率一直是在當(dāng)前服務(wù)基站的控制之下。目的：保證每個用戶所發(fā)射的功率都是所需的最小功率，以保持反向信道中鏈路的良好質(zhì)量。作用：延長用戶的電池壽命減小系統(tǒng)中反向信道的信噪比§2.4.4功率控制減小干擾在實際的蜂窩無線電和個人通信系30§2.5中繼和服務(wù)等級依賴于中繼才能在有限的無線頻譜內(nèi)為數(shù)量眾多的用戶服務(wù)。中繼：允許大量的用戶在一個小區(qū)內(nèi)共享相對較少數(shù)量的信道，即從可用信道庫中給每個用戶按需分配信道。每個用戶只是在有呼叫時才給分配一個信道，一旦通話終止，原先占有的信道就立即回到可用信道庫中。根據(jù)用戶行為的統(tǒng)計結(jié)果，中繼使固定數(shù)量的信道或線路可為一個數(shù)量更大的、隨機的用戶群體服務(wù)。中繼理論的基本原理是19世紀(jì)末的一個丹麥數(shù)學(xué)家愛爾蘭（Erlang）提出的。§2.5中繼和服務(wù)等級依賴于中繼才能在有限的無線頻譜內(nèi)為數(shù)31§2.5中繼和服務(wù)等級服務(wù)等級（GOS）：用來測量在系統(tǒng)最忙的時間用戶進入系統(tǒng)的能力。GOS定義為呼叫阻塞的概率，或呼叫延遲時間大于特定排隊時間的概率。中繼理論中常用術(shù)語的解釋：建立時間（Set-uptime）：給正請求的用戶分配一個中繼無線信道所需的時間；阻塞呼叫（Blockedcall）：由于擁塞無法在請求時間完成的呼叫，又叫損失呼叫；保持時間（Holdingtime）：通話的平均保持時間，表示為H（以秒為單位）；§2.5中繼和服務(wù)等級服務(wù)等級（GOS）：用來測量在系統(tǒng)最32§2.5中繼和服務(wù)等級話務(wù)量強度（Trafficintensity）：保證曾信道時間利用率，為信道的平均占用率，以Erlang為單位，是一個無量綱的值，可用來表征單個或多個信道的時間利用率；負(fù)載（Load）：整個系統(tǒng)的話務(wù)量強度，以Erlang為單位；GOS：表征擁塞的量，定義為呼叫阻塞概率（表示為B，單位是Erlang），或是延遲時間大于某一特定時間的概率（表示為C，單位是Erlang），請求速率（Requestrate）：單位時間內(nèi)平均的呼叫請求是次數(shù)。表示為λ/秒?！?.5中繼和服務(wù)等級話務(wù)量強度（Trafficint33§2.5中繼和服務(wù)等級基于阻塞概率的簡單容量分析：話務(wù)量強度H是通話的平均持續(xù)時間是單位時間內(nèi)的平均呼叫請求次數(shù)總的話務(wù)量U是系統(tǒng)中的用戶數(shù)量每個信道的話務(wù)量強度C是雙工信道的總數(shù)§2.5中繼和服務(wù)等級基于阻塞概率的簡單容量分析：34§2.5中繼和服務(wù)等級發(fā)送成功的業(yè)務(wù)（carriedload）：成功獲得信道資源的業(yè)務(wù)；由于沒有隊列或者緩存空間，那么剩余的業(yè)務(wù)就是被阻塞的業(yè)務(wù)（blockedload）。OfferedloadCarriedloadBlockedtraffic§2.5中繼和服務(wù)等級發(fā)送成功的業(yè)務(wù)（carriedlo35§2.5中繼和服務(wù)等級ErlangB的公式：決定了呼叫阻塞的概率，表征了一個不對阻塞呼叫進行排隊的中繼系統(tǒng)的GOS。假設(shè)C是信道數(shù)量，Poisson到達(dá)速率為，平均服務(wù)時間為1/，如果在時刻t信道被占用的時間服從指數(shù)分布，那么X(t)是Markov過程。由于系統(tǒng)中沒有緩存，多余的分組將會被丟棄，因此碰撞的概率為：在平衡狀態(tài)，dPi/dt=0

§2.5中繼和服務(wù)等級ErlangB的公式：決定了呼叫阻36§2.5中繼和服務(wù)等級以信道數(shù)量和以Erlang度量的話務(wù)量強度為參數(shù)的呼叫阻塞概率函數(shù)?！?.5中繼和服務(wù)等級以信道數(shù)量和以Erlang度量的話務(wù)37§2.5中繼和服務(wù)等級假設(shè)存在緩存，那么多余的業(yè)務(wù)將會排隊§2.5中繼和服務(wù)等級假設(shè)存在緩存，那么多余的業(yè)務(wù)將會排隊38§2.5中繼和服務(wù)等級以信道數(shù)量和以Erlang度量的話務(wù)量強度為參數(shù)的呼叫延遲概率函數(shù)?！?.5中繼和服務(wù)等級以信道數(shù)量和以Erlang度量的話務(wù)39§2.5中繼和服務(wù)等級作業(yè)：在200萬人口的市區(qū)，在一個區(qū)域內(nèi)有三個相互競爭的系統(tǒng)（系統(tǒng)A,B,C）提供蜂窩服務(wù)。系統(tǒng)A中有19個信道的小區(qū)394個，系統(tǒng)B中有57個信道的小區(qū)98個，系統(tǒng)C中有100個信道的小區(qū)49個。阻塞概率為2%，每個用戶每小時平均打2個電話，每個電話的平均持續(xù)時間為3分鐘，求系統(tǒng)多能支持的用戶數(shù)。假設(shè)所有3個系統(tǒng)都已最大容量工作，計算每個系統(tǒng)的市場占有百分比?！?.5中繼和服務(wù)等級作業(yè)：40§2.6提高蜂窩系統(tǒng)容量§2.6.1小區(qū)分裂§2.6.2劃分扇區(qū)§2.6.3一種新的微小區(qū)概念§2.6提高蜂窩系統(tǒng)容量§2.6.1小區(qū)分裂41§2.6.1小區(qū)分裂小區(qū)分裂：將擁塞的小區(qū)分為更小小區(qū)的方法，每個小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)的降低天線高度和減小發(fā)射機功率?？梢蕴岣呦到y(tǒng)容量（提高了信道的復(fù)用次數(shù)）D/R不變，減小R假設(shè)所有小區(qū)按半徑的一半來分裂，那么系統(tǒng)容量將提高4倍?！?.6.1小區(qū)分裂小區(qū)分裂：42§2.6.1小區(qū)分裂如果新小區(qū)是舊小區(qū)半徑的一半，路徑衰減指數(shù)n=4，Pt1和Pt2分別為大的小區(qū)和較小的小區(qū)的基站發(fā)射功率，那么在舊小區(qū)邊界和新小區(qū)邊界的接收功率分別為：§2.6.1小區(qū)分裂如果新小區(qū)是舊小區(qū)半徑的一半，路徑衰減43§2.6.1小區(qū)分裂小區(qū)分裂舉例§2.6.1小區(qū)分裂小區(qū)分裂舉例44§2.6.1小區(qū)分裂舉例：假設(shè)不管小區(qū)大小，每個基站都使用60個信道。如果原有的小區(qū)每個半徑為1km，每個微小區(qū)的半徑為0.5km，計算以A為中心的3km×3km的正方形區(qū)域所含有的信道數(shù)。(a)不使用微小區(qū)，(b)用了圖2.9中標(biāo)有字母的微小區(qū)，(c)原有的所有基站都用微小區(qū)來代替。假設(shè)處于正方形邊界的小區(qū)算是在正方形內(nèi)?！?.6.1小區(qū)分裂舉例：假設(shè)不管小區(qū)大小，每個基站都使用45§2.6.1小區(qū)分裂解答：（a）不使用微小區(qū)小區(qū)半徑為1km意味著六邊形的邊長為1km。為了覆蓋以A為中心的3km×3km的正方形區(qū)域，需要從基站A出發(fā)上、下、左、右都覆蓋1.5km（1.5km的六邊形半徑）。畫圖后可以看出，這個區(qū)域內(nèi)含有5個基站。因為每個基站用60個信道，沒有小區(qū)分裂的信道總數(shù)就等于5×60=300個。（b）用了圖示中標(biāo)有字母的微小區(qū)在圖中，有6個微小區(qū)包圍基站A。因此，該區(qū)域內(nèi)