无线通信原理与应用-32--信道分配及切换课件

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信道分配信道分配(Channel Assignment Strategies)为了提高无线频谱利用效率，需要频率复用方案以实现两为了提高无线频谱利用效率，需要频率复用方案以实现两个目标：个目标：（1）增加用户容量）增加用户容量（2）减少干扰）减少干扰信道分配策略是实现上述目标的重要技术手段：信道分配策略是实现上述目标的重要技术手段：（1）固定分配策略）固定分配策略（2）动态分配策略）动态分配策略信道分配策略的选择将影响系统性能！信道分配策略的选择将影响系统性能！3.2 信道分配及切换电气工程学院电气工程学院 通信工程系信道分配通信工程系信道分配(Channel As2Wireless 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固定分配策略核心思想：固定分配策略核心思想：给每个小区分配一组事先确定好的话音信道；给每个小区分配一组事先确定好的话音信道；小区中的任何呼叫都只能使用空闲信道；小区中的任何呼叫都只能使用空闲信道；一旦本小区中的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户将得不到服一旦本小区中的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户将得不到服务；务；借用策略：借用策略：如果一个小区自己的所有信道都已被占用、没有了空闲信道，将如果一个小区自己的所有信道都已被占用、没有了空闲信道，将允许该小区从相邻小区中借用信道。允许该小区从相邻小区中借用信道。整个借用过程由整个借用过程由MSC来管理，必须保证信道的借用不会中断或来管理，必须保证信道的借用不会中断或干扰接触小区的任何一个正在进行的呼叫；干扰接触小区的任何一个正在进行的呼叫；电气工程学院电气工程学院 通信工程系固定分配策略核心思想：通信工程系固定分配策略核心思想：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MSC分配频率条件：分配频率条件：1.小区没有使用该频率小区没有使用该频率 2.最小频率复用距离内的小区也没使用该频率，以避免同频干扰。最小频率复用距离内的小区也没使用该频率，以避免同频干扰。动态分配策略核心思想：动态分配策略核心思想：信道事先不固定地分配给给每个小区；信道事先不固定地分配给给每个小区；每次呼叫请求到来，为该呼叫服务的基站向每次呼叫请求到来，为该呼叫服务的基站向MSC请求分配一个信道；请求分配一个信道；MSC根据某种算法给发出请求的小区分配一个信道；根据某种算法给发出请求的小区分配一个信道；MSC所采用的分配算法需要考虑：该小区以后呼叫阻塞的概率所采用的分配算法需要考虑：该小区以后呼叫阻塞的概率大小；候选信道使用的频率；信道复用距离；其它开销；大小；候选信道使用的频率；信道复用距离；其它开销；电气工程学院电气工程学院 通信工程系动态分配策略核心思想：通信工程系动态分配策略核心思想：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 考虑到干扰抑制、容量最大化等因素，信道分配策略要复杂得多考虑到干扰抑制、容量最大化等因素，信道分配策略要复杂得多用户之间互干扰的抑制；用户之间互干扰的抑制；信道的自适应分配信道的自适应分配动态分配策略的分析：动态分配策略的分析：优点：优点：降降低低了了阻阻塞塞概概率率；所所有有小小区区都都可可使使用用系系统统中中所所有有可可用用信信道道，增增加加了了系统中继能力；系统中继能力；缺点：缺点：MSCMSC需需要要连连续续实实时时地地收收集集信信道道占占用用、话话务务量量分分布布、所所有有信信道道的的无无线线信信号指示强度等数据，增加了存储和计算量，增大了号指示强度等数据，增加了存储和计算量，增大了MSCMSC的处理负担。的处理负担。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 考虑到干扰抑制、容量最大化考虑到干扰抑制、容量最大化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当当移移动动终终端端在在不不中中断断当当前前通通话话的的情情况况下下从从一一基基站站移移动动到到另另一一基基站站时时，MSC自自动动地地将将这这个个通通话话业业务务转转移移到到新新基基站站的的信信道道上上的的过过程程称称之为之为切换。切换。这这个个切切换换过过程程不不仅仅要要识识别别一一个个新新基基站站（BS），而而且且要要求求把把语语音音和和控制信号同时分配到新控制信号同时分配到新BS上的信道上。上的信道上。在在小小区区内内分分配配空空闲闲信信道道时时，许许多多切切换换策策略略都都使使切切换换请请求求优优先先于于呼呼叫初始请求。叫初始请求。切切换换的的要要求求：很很顺顺利利地地完完成成；尽尽可可能能地地少少出出现现；迅迅速速，使使用用户户察察觉不到。觉不到。为了适应这些要求，需要指定一个启动切换的最恰当信号强度。为了适应这些要求，需要指定一个启动切换的最恰当信号强度。切切 换换 策策 略略电气工程学院电气工程学院 通信工程系当移动终端在不中断当前通话的情况下通信工程系当移动终端在不中断当前通话的情况下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 设定某个略强于接收机可接受服务质量的最小可用信号设定某个略强于接收机可接受服务质量的最小可用信号作为切换门限，接收信号低于门限值则进行切换。作为切换门限，接收信号低于门限值则进行切换。为防止不必要的切换和切换掉机，切换信号门限是经过为防止不必要的切换和切换掉机，切换信号门限是经过仔细策划而设置的。首先，切换必须在信号衰落到原仔细策划而设置的。首先，切换必须在信号衰落到原BS可容忍的最小接收值，表示为可容忍的最小接收值，表示为 （通常为（通常为-90dBm -100dBm）之前完成。设切换门限为）之前完成。设切换门限为 ，则，则 是设计切换门限的重要参量。是设计切换门限的重要参量。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 设定某个略强于接收机可接受服务质设定某个略强于接收机可接受服务质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若若 值太小，可能因信值太小，可能因信号太弱导致在切换过程号太弱导致在切换过程尚未完成时的掉话，在尚未完成时的掉话，在掉话之前没有足够的时掉话之前没有足够的时间来完成切换。特别是间来完成切换。特别是对快速移动的用户这个对快速移动的用户这个问题尤为严重。问题尤为严重。若若 值太大，系统可能值太大，系统可能进行不必要的切换，增进行不必要的切换，增加加MSC的负担。的负担。图图(a)(a)没有切换的原因：没有切换的原因：（1 1）MSCMSC处处理理切切换换的的时时延延过过大大：当当话话务务量量大大时时，MSCMSC负负担担重重，可可能能导导致致时时延延大大；当当临临近近基基站站没没有有可可用用信信道道时时，MSCMSC会会一直等待出现空闲信道；一直等待出现空闲信道；（2 2）对对系系统统的的切切换换时时间间而而言言，间隔设置的太小；间隔设置的太小；电气工程学院电气工程学院 通信工程系若通信工程系若 值太小，可能因信号太弱导致值太小，可能因信号太弱导致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在在切切换换之之前前，要要保保证证所所检检测测的的信信号号电电平平下下降降不不是是因因为为瞬间衰减，而是因为移动终端正离开当前基站；瞬间衰减，而是因为移动终端正离开当前基站；基基站站在在准准备备切切换换之之前前需需要要对对信信号号监监视视一一段段时时间间，以以对对这这种种信信号号能能量量连连续续的的平平均均测测量量进进行行优优化化，避避免免不不必必要要切换，同时保证在掉话之前完成切换；切换，同时保证在掉话之前完成切换；切切换换进进行行时时间间的的长长短短由由移移动动终终端端的的移移动动速速度度决决定定。如如：在在某某一一个个固固定定时时间间间间隔隔内内接接收收的的短短期期平平均均信信号号强强度度的的坡度很陡，则要快速切换；坡度很陡，则要快速切换；切换要点切换要点电气工程学院电气工程学院 通信工程系在切换之前，要保证所检测的信号电平通信工程系在切换之前，要保证所检测的信号电平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一一个个呼呼叫叫在在小小区区内内没没有有经经过过切切换换的的通通话话时时间间称称之之为为驻驻留时间留时间；某某个个特特定定用用户户的的驻驻留留时时间间受受到到传传播播、干干扰扰、用用户户与与基基站距离等参数的影响；站距离等参数的影响；驻驻留留时时间间的的数数据据变变化化的的大大小小取取决决于于用用户户的的移移动动速速度度和和无线覆盖的类型；无线覆盖的类型；Case1：在在为为高高速速公公路路上上的的车车载载用用户户提提供供覆覆盖盖的的小小区区中中，多多数数用用户户都都沿沿着着固固定定路路线线以以较较稳稳定定速速度度行行驶驶，此此种种情情况下驻留时间为一个随机数；况下驻留时间为一个随机数；Case2：对对密密集集、混混乱乱的的小小区区用用户户，平平均均驻驻留留时时间间变变化化大，且比其它小区短；大，且比其它小区短；驻留时间驻留时间电气工程学院电气工程学院 通信工程系一个呼叫在小区内没有经过切换的通话通信工程系一个呼叫在小区内没有经过切换的通话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在在第第一一代代模模拟拟蜂蜂窝窝系系统统中中，信信号号的的强强度度是是由由BS检检测测并并由由MSC监监视视的的。BS通通过过检检测测所所有有语语音音信信道道判判断断移移动动站站相相对对自自己己的的位位置置。此此外外，每每一一BS还还有有另另一一个个接接收收机机检检测测相相邻邻BS中中的的移移动动站站的的信信号号。这这个个接接收收机机称称为为定定位位器器。定定位位器器是是由由MSC控控制制监监视视那那些些可可能能需需要要切切换换的的MS发发出出的的信信号号。基基于于本本BS语语音音信信道道和和相相邻邻BS定定位位器器检检测测的的结结果果，MSC决定是否需要切换。决定是否需要切换。第第二二代代数数字字TDMA通通讯讯系系统统中中，切切换换是是以以移移动动终终端端MS辅辅助助决决定定的的。每每个个MS检检测测周周围围BS发发出出的的信信号号，并并不不断断向向本本BS汇汇报报。当当它它发发现现从从某某个个BS来来的的信信号号强强度度超超出出本本BS信信号号一一定定电电平平或或是是持持续续了了一一定定的的时时间间，就就准准备备进进行行切切换换。这这种种切切换换方方式式的的切切换换速速度度大大大大高高于于第一代通讯系统，而且第一代通讯系统，而且MSC也可以从该项繁重的任务中解放出来。也可以从该项繁重的任务中解放出来。应应该该指指出出,不不同同系系统统在在接接受受和和处处理理切切换换的的策策略略可可能能很很不不相相同同的的。它们主要体现在切换优先权的设置上。它们主要体现在切换优先权的设置上。切换控制方式切换控制方式电气工程学院电气工程学院 通信工程系在第一代模拟蜂窝系统中，信号的强度通信工程系在第一代模拟蜂窝系统中，信号的强度11Wireless 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优先切换方法之一：信道监视优先切换方法之一：信道监视信信道道监监视视：保保留留小小区区中中所所有有可可用用信信道道的的一一小小部部分分，专专门门为为可可能能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务；要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务；信道监视是使切换具有优先权的一种较成熟的方法：信道监视是使切换具有优先权的一种较成熟的方法：优优点点：在在使使用用动动态态策策略略分分配配时时能能使使频频谱谱资资源源得得到到充充分分利利用用，因因为为动态分配策略可根据需求分配的方案使所监视的信道最少；动态分配策略可根据需求分配的方案使所监视的信道最少；缺点：减少了可用于通话的信道，降低了所承载的话务量；缺点：减少了可用于通话的信道，降低了所承载的话务量；优先切换优先切换优先切换方法之二：对切换请求排序优先切换方法之二：对切换请求排序u可以降低由于缺少可用信道而强迫中断的概率；可以降低由于缺少可用信道而强迫中断的概率；u必必须须注注意意：对对切切换换请请求求排排序序也也不不能能保保证证强强迫迫中中断断概概率率为为0，因因为为时时延延过过大大时时，将将引引起起所所接接收收到到的的信信号号强强度度下下降降到到维维持持通通话话所所需需的最小值以下，从而导致强迫中断；的最小值以下，从而导致强迫中断；电气工程学院电气工程学院 通信工程系优先切换方法之一：信道监视优先切换通信工程系优先切换方法之一：信道监视优先切换12Wireless 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问问题题1：当当移移动动终终端端移移动动速速度度变变化化范范围围较较大大时时，实实际际的蜂窝系统设计将会遇到困难；例如：的蜂窝系统设计将会遇到困难；例如：高速车辆只要几秒钟就可以驶过一个小区的覆盖范围；高速车辆只要几秒钟就可以驶过一个小区的覆盖范围；步步行行用用户户在在整整个个通通话话过过程程中中都都处处于于小小区区的的覆覆盖盖范范围围之之内，不需切换；内，不需切换；在在为为了了提提高高容容量量而而增增加加了了微微小小区区的的地地方方，MSC会会因因为经常高速用户的经常穿行而不堪重负；为经常高速用户的经常穿行而不堪重负；实际切换中需要注意的问题实际切换中需要注意的问题电气工程学院电气工程学院 通信工程系问题通信工程系问题1：当移动终端移动速度变化范围：当移动终端移动速度变化范围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问题问题2：新小区站址的选择与限制：新小区站址的选择与限制根据蜂窝概念，可通过增加小区站点来增加系统容量，但在实际中，要根据蜂窝概念，可通过增加小区站点来增加系统容量，但在实际中，要在市区获得小区站点的物理位置，对于运营商来说，并不容易。运营商在市区获得小区站点的物理位置，对于运营商来说，并不容易。运营商更愿意在一个已经存在小区的物理位置上安装基站；更愿意在一个已经存在小区的物理位置上安装基站；伞状小区方法伞状小区方法：通过使用安装在同一个建筑物或发射台上的不同高度的：通过使用安装在同一个建筑物或发射台上的不同高度的天线和不同强度的功率，在一个站点上设置大的和小的覆盖区域。为高天线和不同强度的功率，在一个站点上设置大的和小的覆盖区域。为高速用户提供大面积覆盖，为低速用户提供小面积覆盖。速用户提供大面积覆盖，为低速用户提供小面积覆盖。实际切换中需要注意的问题实际切换中需要注意的问题伞状小区方法能使高速用户的切换次伞状小区方法能使高速用户的切换次数下降到最小，同时为步行用户提供数下降到最小，同时为步行用户提供附加的微小区信道；附加的微小区信道；如果一个高速用户正接近基站，且它如果一个高速用户正接近基站，且它的速度正很快下降，则基站则自己就的速度正很快下降，则基站则自己就能决定将用户转移到同点设置的微小能决定将用户转移到同点设置的微小区中，而不需要区中，而不需要MSC的干涉；的干涉；电气工程学院电气工程学院 通信工程系问题通信工程系问题2：新小区站址的选择与限制实际：新小区站址的选择与限制实际14Wireless 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问题问题3：小区拖尾；小区拖尾；小区拖尾由对基站发射强信号的步行用户产生，当用户和基站之小区拖尾由对基站发射强信号的步行用户产生，当用户和基站之间存在视距无线路径时，就会发生；间存在视距无线路径时，就会发生；用于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号强度衰减较慢，使用于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号强度衰减较慢，使用户远离了小区的预定范围，基站所接收到的信号仍可能高于切用户远离了小区的预定范围，基站所接收到的信号仍可能高于切换门限，因此不做切换；换门限，因此不做切换；小区拖尾问题会产生干扰问题和话务量管理问题，因为用户在那小区拖尾问题会产生干扰问题和话务量管理问题，因为用户在那时已经深入到相邻小区中去了；时已经深入到相邻小区中去了；解决小区拖尾问题的方法：调整切换门限；调整无线覆盖参数；解决小区拖尾问题的方法：调整切换门限；调整无线覆盖参数；实际切换中需要注意的问题实际切换中需要注意的问题电气工程学院电气工程学院 通信工程系问题通信工程系问题3：小区拖尾；实际切换中需要注：小区拖尾；实际切换中需要注15