无线通信原理与应用-31-频率复用课件

Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系3.1 频率复用频率复用3.2 信道分配及切换信道分配及切换3.3 干扰和系统容量干扰和系统容量3.4 中继和系统容量中继和系统容量3.5 提高蜂窝提高蜂窝系统容量系统容量内内容容提提要要第第3章章 蜂窝的概念蜂窝的概念电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系3.1 频率复用内容提要第频率复用内容提要第3章章 1Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系早期移动通信系统的设计思想是用安早期移动通信系统的设计思想是用安装在高塔上的、单个大功率发射机来装在高塔上的、单个大功率发射机来获取大面积的覆盖。这种方法确实可获取大面积的覆盖。这种方法确实可以实现很好的覆盖，但是它排除了频以实现很好的覆盖，但是它排除了频率再使用的可能性。率再使用的可能性。70年代年代Bell Lab在纽约的移动通信系在纽约的移动通信系统虽可覆盖上千平方英里的范围，但统虽可覆盖上千平方英里的范围，但仅能提供仅能提供12个通信业务信道。个通信业务信道。单基站的大区制单基站的大区制覆盖面积大覆盖面积大系统容量低系统容量低3.1 频率复用频率复用电气工程学院电气工程学院 通信工程系早期移动通信系统的设计思想是用安装通信工程系早期移动通信系统的设计思想是用安装2Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系蜂窝概念的核心思想：蜂窝概念的核心思想：用多个小功率的发射机来替代单个的大功率发射机，每个只能提供服务范围内的一小部分覆盖；每个基站分配可用信道或频段的一部分，相邻基站分配另外一些不同的信道；信道复用；蜂窝小区3蜂窝小区2蜂窝小区1蜂窝小区5蜂窝小区7蜂窝小区4蜂窝小区6蜂窝小区8蜂窝小区9 蜂窝概念和原理是现代无线通信系统的基础！蜂窝概念和原理是现代无线通信系统的基础！电气工程学院电气工程学院 通信工程系蜂窝概念的核心思想：蜂窝小区通信工程系蜂窝概念的核心思想：蜂窝小区3蜂窝蜂窝3Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空间上重复蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空间上重复使用，以提高通信容量的一种方法。使用，以提高通信容量的一种方法。覆盖面积小覆盖面积小系统容量高系统容量高频率复用是蜂窝系统提高通信容量的关键。频率复用是蜂窝系统提高通信容量的关键。频率复用（频率复用（Frequency ReuseFrequency Reuse，或称频率再用）原理，或称频率再用）原理 在在无无线线蜂蜂窝窝系系统统中中，每每个个小小区区需需要要使使用用一一个个频频率率（对对TDDTDD），或或一一对对频频率率（对对FDDFDD），在在对对基基站站发发射射功功率率严严格格控控制制的的情情况况下下，相相隔隔距距离离足足够够远远的的两两个个小小区区，可可以以重重复复使使用用这这个个频频率率，以以提提高高频频谱谱资资源源的的利利用用率率。这这种种方方法法称称为为蜂蜂窝窝系系统统的的频频率率再再用用（Frequency reuse)Frequency reuse)。电气工程学院电气工程学院 通信工程系蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空通信工程系蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空4Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系两个问题：两个问题：如何划分小区区域如何划分小区区域如如何何分分配配频频率率（或或称称之之为为频频谱）谱）？蜂窝小区3蜂窝小区2蜂窝小区1蜂窝小区5蜂窝小区7蜂窝小区4蜂窝小区6蜂窝小区8蜂窝小区9电气工程学院电气工程学院 通信工程系两个问题：？蜂窝小区通信工程系两个问题：？蜂窝小区3蜂窝小区蜂窝小区2蜂蜂5Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系划分区域要求：划分区域要求：无缝无重叠覆盖无缝无重叠覆盖覆盖效率接近圆形覆盖效率接近圆形天线辐射图决定了小区大致的形状天线辐射图决定了小区大致的形状假假定定所所有有基基站站都都采采用用中中心心激激励励的的全全向向天天线线、相相同同的的发发射射功功率率，理理想想传传播播环环境境，这这时时每每个个基基站站所所能能被被接接收收的的功率大于某个门限的区域构成一个圆形的小区。功率大于某个门限的区域构成一个圆形的小区。电气工程学院电气工程学院 通信工程系划分区域要求：通信工程系划分区域要求：6Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系蜂窝小区的形状：通过排列可实现无缝、无重叠覆盖的图形包括等边蜂窝小区的形状：通过排列可实现无缝、无重叠覆盖的图形包括等边三角形、正方形和正六边形。三角形、正方形和正六边形。（1 1）正六边形最接近圆形！）正六边形最接近圆形！（2 2）正六边形的覆盖面积最大！）正六边形的覆盖面积最大！（3 3）从从几几何何球球状状问问题题的的角角度度，六六边边形形的的小小区区布布置置最最有有利利于于减小小区之间的干扰减小小区之间的干扰电气工程学院电气工程学院 通信工程系蜂窝小区的形状：通过排列可实现无缝通信工程系蜂窝小区的形状：通过排列可实现无缝7Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系实际小区的划分实际小区的划分实实际际小小区区的的形形状状是是不不规规则则的的，并并且且取取决决于于场场强测量模型和传播预测模型；强测量模型和传播预测模型；通通常常允允许许将将基基站站安安置置的的位位置置与与理理论论上上的的位位置置有有1/4小区半径的偏差。小区半径的偏差。电气工程学院电气工程学院 通信工程系实际小区的划分通信工程系实际小区的划分8Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系同频小区的干扰是需要考虑同频小区的干扰是需要考虑的一个重要问题；的一个重要问题；为减小相邻小区的同频干扰，为减小相邻小区的同频干扰，需要加大同频小区的距离；需要加大同频小区的距离；同频小区之间用其它频率的同频小区之间用其它频率的小区隔离。小区隔离。电气工程学院电气工程学院 通信工程系同频小区的干扰是需要考虑的一个重要通信工程系同频小区的干扰是需要考虑的一个重要9Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系簇（簇（Cluster）的概念）的概念共同使用全部可用频率的共同使用全部可用频率的N个个小区称为一个簇。小区称为一个簇。整个区域的覆盖就通过簇的整个区域的覆盖就通过簇的平移复制而成。平移复制而成。簇中小区的个数簇中小区的个数N 称为称为簇大簇大小（小（size）。不同簇之间使用相同频率的不同簇之间使用相同频率的小区的最小距离小区的最小距离D称为称为再用距再用距离离。DN4f3f4f2f1f3f4f2f1f3f4f2f1f3f2f1f3f2f1f3f4f1f3f4f1电气工程学院电气工程学院 通信工程系簇（通信工程系簇（Cluster）的概念共同使用）的概念共同使用10Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系i=1,j=1;N3;D=3Rf1f1f1f1f1f1如何进行频率再用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系i=1,j=1;N3;D=311Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系每个簇的小区数量每个簇的小区数量N必须必须满足：满足：其中其中 i和和 j 分别为沿小区的分别为沿小区的一个链路跨越一个链路跨越 i 个小区个小区,再再逆时针旋转逆时针旋转60度跨越度跨越 j 个个小区。典型值：小区。典型值：1，3，4，7，12.同频复用比例同频复用比例：R：小区半径，：小区半径，D：频率再用距离：频率再用距离N=4N=7N=12N=19电气工程学院电气工程学院 通信工程系每个簇的小区数量通信工程系每个簇的小区数量N必须满足：必须满足：N=412Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系频率复用对蜂窝系统容量的影响：频率复用对蜂窝系统容量的影响：设：在蜂窝系统中，每个小区有设：在蜂窝系统中，每个小区有k个信道，由个信道，由N个小区组成一个小区组成一个簇，在这个簇中共有个簇，在这个簇中共有S个不同信道，即：个不同信道，即：S=kN 如果这个簇被重复使用了如果这个簇被重复使用了M 次，总共的信道个数为：次，总共的信道个数为：C=MS=MkN结论：结论：整整个个系系统统容容量量正正比比于于复复用用次次数数M。在在总总信信道道数数S一一定定的的情情况况下下，M越大总容量越大；越大总容量越大；如如果果保保持持容容量量C不不变变，减减小小N 则则须须使使M值值增增大大。这这种种作作法法相相当当于于在在保保持持系系统统通通信信容容量量不不变变的的前前提提下下，减减少少使使用用不不同同信信道道的的小小区区个个数数，则则这这些些信信道道的的重重复复用用次次数数必必须须增增加加，即即：频频率率复复用效率增加。用效率增加。定义：定义：频率复用因子频率复用因子为为 1/N。电气工程学院电气工程学院 通信工程系频率复用对蜂窝系统容量的影响：通信工程系频率复用对蜂窝系统容量的影响：13Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 一个一个FDD蜂窝电话系统，总带宽为蜂窝电话系统，总带宽为33MHz，使用两个，使用两个25kHz作作为双向的话音和控制信道，当系统为为双向的话音和控制信道，当系统为(a)4小区复用小区复用;(b)7小区复用小区复用(c)12小区复用时，计算每个小区中可用信道的数目。小区复用时，计算每个小区中可用信道的数目。解：一对双向信道带宽：解：一对双向信道带宽：25kHz 250kHz 总共可用信道总共可用信道33000/50=660 个信道个信道(a)N4 每个小区信道数目每个小区信道数目660/4165个信道个信道(b)N7 每个小区信道数目每个小区信道数目660/795个信道个信道(c)N=12 每个小区信道数目每个小区信道数目660/1255个信道个信道例题：例题：电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 一个一个F14