蜂窝系统设计基础课件

第三章蜂窝系统设计基础2011年主要内容n概述n频率复用n信道分配策略n干扰与系统容量n中继与服务等级n提高蜂窝系统容量3.1 概述n大区制的思想:高天线，大功率。n小区制的思想：目的提高频率的利用率。n蜂窝小区的概念：小区形状的选择。n小区覆盖形式：链状网与面状网。n基站的位置选择：中心激励、顶点激励。大区制大区制移动通信R：分集接收站n大区制：一个基站(BS)覆盖整个服务区。大区制系统特点n特点：天线架设得高；发射机输出功率大（200W)；服务区内所有频道都不能重复；覆盖半径大约为30km至50km。n优点：组成简单，投资少，见效快。n缺点：服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复，频率利用率和通信容量都受到了限制。n适用范围：主要用于专网或用户较少的地域。小区制n小区：把整个服务区域划分为若干个无线小区（cell)，每个小区分别设置一个基站。半径2至20km，小的1至3km、500m.n功率：5至20W.n基站作用：负责本区移动通信的联络和控制，在移动业务交换中心（）的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。小区制中的基本概念n区群：由采用不同信道的若干小区组成的覆盖区域。n频率复用：将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用。n 要求：使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小，只有不同区群中的小区才能进行频率复用（或信道再用）。nn频制：称采用不同信道组的n个小区，组成的区群为n频制。带状网 适用范围：用于覆盖铁路、公路和海岸线等带状网的同频干扰nr：小区半径；nds：信号传输距离；nn：一个区群内小区的个数。带状网的同频干扰na：相邻小区的交叠宽度；nd1：同频干扰传输距离；nI/S：干扰信号比。n最不利情况下，同频干扰：小区形状的选择n(1)小区形状n正多边形无空隙、无重叠小区覆盖的三种形状。三种形状小区比较n在服务区域一定的情况下，用正六边形小区所需的基站最少。n六边形最接近于全向的基站天线和自由空间的全向辐射模式。n在无线移动通信系统中广泛使用正六边形来研究系统覆盖和业务需求。移动通信蜂窝网中心激励与顶点激励a.中心激励b.（采用全向天线）b.顶点激励（采用定向天线）采用定向天线可以减少同道干扰；消除小区内障碍物的阴影区。3.2 频率复用n频率复用的概念及思想n簇（区群）的概念及特点n同频小区及其间距n簇与系统容量的关系频率复用n为整个系统中的所有站选择和分配信道组的设计过程称频率复用或频率规划。n区群（簇）：构成区群的要素是：小区间彼此相邻、无缝覆盖、保证相邻的同频小区间距相等。n簇内的小区间不能使用相同的信道。n系统的可用信道S可以在一个簇内全部分配。nS=Nk N为簇内小区的个数。nN=i2+ij+j2蜂窝频率复用思想的图解相邻同频小区的位置关系n沿着任何一条六边形的边移动i个小区，n逆时针旋转60后，再移动j个小区。定位同频小区的方法i=3,j=2典型的簇结构nN的典型值为4、7、12相邻同频小区的位置N=7,i=2，j=1相邻同频小区之间的距离n设小区半径为r，簇内小区数为N，求相邻同频小区之间的距离D？簇与系统容量的关系簇N小区信道数同频干扰频率重用次数频率利用率系统容量增大减少减小降低降低减少减小增多增大增大提高增大在设计的观点来看，在保持令人满意的通信质量的前提下（满足同频干扰隔离度），可选择尽可能小的N。频率复用因子：例3.1n一个FDD蜂窝电话系统，总带宽为33MHz，使用两个25kHz作为双向的语音或控制信道，每个小区需要一个控制信道。问：4小区复用、7小区复用、12小区复用时，计算每个小区中的可用语音信道数量？3.3 信道分配策略目标：增加用户容量，减小相互干扰。策略：固定和动态。固定：固定分配，固定使用。n分区分组配置法n等间距配置法动态：呼叫请求时，MSC分析信道使用情况再分配。n分析信道占用情况、话务量分布、所有信道的无线信号强度、信道复用距离、同频干扰等情况。固定与动态相结合的策略分区分组配置法n信道(频道)配置：主要解决将给定的信道（频率）如何分配给在一个区群的各小区。（针对FDMA、TDMA系统）n信道配置的方式：分区分组配置法和等频间距配置法n分区分组配置法配置原则：（1）尽量减少占用的总频段。（2）同一区群内不能使用相同的信道；（3）小区内采用无三阶互调的相容信道。无三阶互调干扰的条件可以利用频道序号的差值有无相同，判别一组频道中是否存在三阶互调干扰。如果存在三阶互调干扰，则n di,x=dk,ji,j,k,x：；频道序号；di,x，dk,j：频道序号差值。利用计算机搜索来得到无三阶互调干扰的相容信道。例使用42信道并且只占用42信道的频段，是最佳的分配方案。（在很多方案中占用信道数大于需要信道数。）无三阶互调干扰的信道n相容信道：无三阶互调干扰的信道。例如：假设频段以等间隔划分为信道，按顺序标明信道的号码N=1,2,3,4,，若每个区群7个小区，每个小区6个信道，按上述原则进行分配，可得：分区分组配置法的缺点n缺陷：由于出发点是避免三阶互调干扰，没考虑同一信道组的频率间隔，可能会出现较大的邻道干扰。等频距配置法 按等频率间隔来配置信道。只要频距选得足够大，就可以有效地避免临道干扰和互调干扰（虽然这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系di,x=dk,j，但频距大，接收机滤波器可以滤除干扰）。实现方法n若需要个信道，将其分为个信道组，则每个信道组中有M/N个信道，(小区个数)个信道组的信道序列号可以确定如下：K+jN =1,2,3,N；j=0,1,2,3,，(M/N)-1 K：信道组的序列号。例如=，则信道的配置为；分配结果 第一组 、第二组 、第三组 、第四组 、第五组 、。、第六组 、第七组 、信道分配策略n两类信道分配策略：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。1、固定的信道分配策略：将一组信道固定配置给某一基站。优点：控制方便，投资少。缺点：信道利用率低。2、动态的信道分配策略:信道不固定或部分不固定地配置给各基站。n可分为动态配置和柔性配置。1.动态配置：随业务量的变化重新配置全部信道（信道全部不固定）。2.柔性配置：准备若干个信道，需要时提供给某小区（信道部分不固定）。n动态配置法的优、缺点：优点：频率利用率高；缺点：控制复杂。(考虑各类干扰、计算、存储和设备因素）3.4 切换策略n越区切换的概念n切换的依据：通过信号测量判断用户的运动情况n切换策略：n信道分配方面，切换优先于初始呼叫。n启动切换的门限，大于接收机中可接受话音质量的最小可用信号。n启动间隔：在小区边界的切换图解越区切换n信号强度的测量n由MSC控制下的基站测量方式n由移动台辅助完成（MAHO）n切换的分类nMSC内的切换nMSC间的切换伞状小区方法n高速移动用户伞状宏小区n低速移动用户微小区软切换与硬切换n软切换：CDMA，码分信道切换，频道不变n硬切换：GSM，频道切换n思考：在发生越区切换时，CDMA系统内都是软切换，GSM系统内都是硬切换，对吗？3.5 干扰与系统容量n干扰n同频干扰n邻道干扰n互调干扰同频干扰与系统容量n同频复用比例Q：前向信道移动接收机的信干比同频信干比接收功率同频信干比同频信干比同频复用比Q与系统容量的关系簇Q同频干扰同频信干比系统容量增大增大减小增大减小减小减小增大减小增大思考：与香农的信道容量公式，是否矛盾？例3.2 n为了保证蜂窝系统的前向信道具有良好性能，要求信干比为15dB.求当路径衰减指数（1）n=4（2）n=3时，要获得最大的系统容量需要多大的频率复用因子和簇大小。假设第一层中有六个同频小区，并它们与移动台的距离都相同。3.5.3 邻道干扰n邻道干扰与远近效应簇远近效应 邻道干扰 系统容量增大减小减小减小减小增大增大增大功率控制技术的引入，减小远近效应的影响，提高系统容量。3.6 中继与服务等级n信道共用技术n中继理论：n19世纪末，丹麦数学家爱尔兰（Erlang）提出n研究通过有限的服务能力为大量的用户服务；n用他的名字作为话务量强度的单位。n话务量:表征信道的时间利用率，平均占用率。定义为单位时间上的呼叫时长。n服务等级GOS:用来测量中继系统最忙时用户进入的能力。通常定义为呼叫阻塞概率。中继理论中的基本术语n建立时间n阻塞呼叫n平均保持时间Hn话务量强度(单信道、多信道、用户、系统)An负载An服务等级GOSn请求速率中继理论n单用户话务量：nU个用户的话务量n每个信道的话务量n阻塞呼叫清除类型ErlangB公式n阻塞呼叫延迟类型ErlangC公式中继信道数业务密度阻塞概率中继信道数业务密度阻塞概率例3.5n市区有200万人口，在一个区域内有三个竞争的中继移动网络（系统A、B、C）提供蜂窝服务。系统A中有394个小区，每小区19个信道；系统B中有98个小区，每小区有57个信道；系统C中有49个小区，每小区有100个信道。阻塞概率2%，每个用户平均每小时打2个电话，每次平均通话时长3分钟，求每个系统所能支持的用户数？例3.4n在一个呼叫清除系统中，阻塞概率为0.5%，中继信道数为1、5、10、20、100时，该系统能支持多少用户？假设每个用户产生的话务量为0.1Erlang。例3.6n某城市面积为1300平方英里，由一个使用7小区复用模式的蜂窝系统覆盖。每小区的半径为4英里，该城市共有40MHz的频谱，使用带宽为60kHz的双向信道。假设ErlangB的系统GOS为2%。如果每个用户的话务量为0.03Erlang，计算服务区域内的小区数？每个小区的信道数？每个小区的话务量强度？所承受的最大话务量？所能服务的用户总数？每个信道的移动台数？理论上系统一次能服务的最大用户数？3.7 提高蜂窝系统容量n小区分裂splittingn裂向sectoringn覆盖区分区域coverage zone3.7.1 小区分裂n提高信道的复用次数，单位面积内的信道数增加，提高系统容量。n小区半径减小一半，则系统容量提高4倍。n需要保证新的微小区的频率复用方案与原小区一样。n若不是新旧小区同时分裂，则新旧小区的发射功率都需要调整。n必须满足所有小区的同频干扰比要求。小区分裂示意图例3.8n假设不管小区大小，每个基站都使用60个信道。如果原来的小区的半径为1km，每个微小区的半径为0.5km，计算以A点为中心的3kmx3km的正方形区域所含有的信道数。（a）不使用微小区时（b）使用了图中标有字母的微小区时（c）原来所有基站都用微小区代替。假设处于正方形边界的小区算是在正方形内。例3.8 图3.7.2 裂向n使用定向天线减小同频干扰，从而提高系统容量的技术称为裂向。n同频干扰降低，提高了S/I的值，从而可以减小N的值，增大频率复用效率，提高系统容量。n缺点：增加了天线的数目，信道的划分会使中继效率降低。n切换次数相应增加。裂向图示裂向减小同频干扰图例3.7.3 使用中继器扩大覆盖范围n简单的把基站信号转发到特殊区域，建筑物内、隧道、电梯。n不能增大系统容量n只能增大覆盖范围n双向中继n干扰和噪声的引入，需调整前向反向的放大倍数和天线类型建筑物内部的定向天线系统分布式天线中继器屋顶天线基站3.7.4 分区微小区的概念n分区站点与一个单独的基站相连，多个分区微小区和一个基站组成一个小区。n在分区间移动不用切换。n各分区微小区的信道由基站统一控制。n保证覆盖半径，减小了同频干扰，增大了系统容量，同时解决了裂向引起的中继效率降低的问题。小结n切换、频率复用、中继效率、频率规划n同频复用因子、同频干扰比、簇、系统容量之间的关系。n小区信道数、小区用户数、GOS之间的关系。n提高系统容量的方法：小区分裂、裂向、分区微小区。Thank You See you next week!