_蜂窝系统工作原理课件

2.4 2.4 蜂窝系统工作原理蜂窝系统工作原理 2.4.1 2.4.1 什么是蜂窝什么是蜂窝 2.4.2 2.4.2 频率复用频率复用 2.4.3 2.4.3 多址方式多址方式 学习目标 理解并掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、 顶点激励、移动通信系统的组成、多址技术 等概念。 了解蜂窝系统的工作原理。 了解各种多址技术的特征和优缺点。 2.4.1 什么是蜂窝 什么是蜂窝呢？ 移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供 无线覆盖服务的，基站的覆盖范围有大有小，我们 把基站的覆盖范围称之为蜂窝。 为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统的容 量，可采用多个基站来覆盖给定的服务区，每个基 站的覆盖区称为一个小区。根据服务区域类型的不 同，可划分为带状服务区和面状服务区。 1带状服务区 对于公路、铁路、海岸等的覆盖可采用带状服务 区又称带状网，如图2-23所示。基站天线若用全向 辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天 线，使每个小区是扁圆形。带状网进行频率复用可 采用双频制，也可用多频制。 图2-23 带状服务区的覆盖 2面状服务区 （1）小区的形状 可以实现一个平面的覆盖。按交叠区的中心线 所围成的面积形状看，区域的形状可分为正三角形 、正方形和正六角形三种，分别称它们为正三角形 区域、正四边形区域和正六边形区域。可以证明， 要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域 ，可取的形状只有这三种。 图2-24 小区的形状 由正三角形，正四边形、正六边形覆盖一个 平面时，各区域之同的中心距离、半个区域面积 、交叠部分面积以及交叠区宽度如下表2-4所示。 表2-4 三种形状小区的比较 （2）区群的组成 单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一 是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线 区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上 两个条件的关系式如下： （式2-43） 式中N为构成单位无线区群的正六边形的数目， 简称区群数。a和b不能同时为零。 按照以上条件，可确定N有如下数值，相应的区 群形状如图2-33所示: 图2-25 区群的组成 （3）中心激励和顶点激励 根据基站的位置不同，可有两种激励方式：如图 2-26所示，一种是基站位于正六边形的中心，称为中 心激励方式；另一种是基站位于每个正六边形的三个 相隔的顶点上，称为“顶点激励”方式。 对于前者，基站使用全向天线形成圆形覆盖区； 对于后者，每个基站使用三个120扇形覆盖的定向天 线实现共同覆盖。从经济效益上看，前者投资较少， 可是同信道重用比不能选得很小，否则同道干扰较多 ，但由于采用了定向天线，对位于天线主瓣之外的区 域同道干扰很小，接收时对主瓣之外的干扰衰耗很大 ，即所接收的同频干扰功率下降，因此允许以较小的 信道重用比工作。 图2-26 两种激励方式示意图 （4）盲点与热点 在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微 小区域“盲点”与“热点”。 盲点：指由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇 到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信 号强度极弱，通信质量严重低略； 热点：指由于客观存在商业中心或交通要道等业 务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。对 于以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小 区等方法加以解决。 直放站（Repeater）的设置 直放站：也叫中继站，属于同频放大设备， 它在无线电传输过程中起到信号增强的作用，如 图2-27所示。 图2-27 直放站原理图 直放站在下行链路中，由施主天线从宿 主基站提取信号，通过带通滤波器对带通外 的信号进行极好的隔离，将滤波信号经功放 放大以后，再次发射到待覆盖区域。在上行 链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号以 同样的工作方式由上行放大链处理后发射到 相应基站，从而达到基站与移动台的信号传 递。 分裂小区 事实上服务区内的用户密度是不 均匀的，例如城市中心商业区的用 户密度高，居民区和市郊区的用户 密度低。因此，在用户密度高的市 中心区可使小区的面积小一些，在 用户密度低的市郊区可使小区的面 积大一些，如下图2-28所示。 图2-28 小区的分裂 （5）蜂窝的种类 蜂窝类 型 蜂窝半径 （km） 终端速度（ km/h） 运行环 境 业务 带宽 适用系 统 卫星小 区 5001500所有低卫星 兆小区20m到 100km 500偏远区低卫星 大小区5km到 35km 300乡村郊 区 低到中蜂窝 宏小区5km200乡村郊 区 低到中蜂窝 小小区500m到 3km 80市区中到高蜂窝 微小区10m到 400m 40市区高蜂窝/无 绳 节小区10m到 200m 20市区高蜂窝/无 绳 毫小区10m5小区内高无绳等 微微小 区 几m1室内高无绳等 表2-5 小区的分类 2.4.2 频率复用 1 什么是频率复用？ 蜂窝系统的基本出发点是频率复用，也称为频分 复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）， 就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（ 或称子信道）以进行信号的传输。 频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之 和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰 ，应在各子信道之间设立保护隔离带。频分复用技术 的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作。 2 频率复用距离的计算 频率复用距离的计算取决于许多因素，如频率 分组数、衰落和屏蔽对频率复用的影响、同道干扰 的概率等等。 （1）D与R的关系 设两个地区彼此相距D时，不会产生明显的同 道干扰，则称D称为复用空间保护距离。设小区的 半径为R，则称D/R为共道干扰抑制因子。根据蜂 窝系统的几何关系，设区群数为k，则有： （式2-44） 式中k是由（C/I）s所确定，可推出： （式2-45） 所以 （式2-46） 对于7/21复用方式（即7个基站，21个小区 使用21组频率），则复用保护距离D为： （式2-47） 同理，对4/12复用方式，D=6R；对3/9复用方 式，D5.2R。 （2）载波干扰比C/I 在上式2-44中谈到k是由（C/I）s所确定，而 系统的载波干扰比C/I又是由系统所选用的调制方 式和带宽来确定的。 例如，当蜂窝网络每个 区群共有7个小区，基站收 发信机采用全向天线，只考 虑到第一频道组的共道小区 的干扰，如图2-29所示： 图2-29 蜂窝网络共道小区分布 此时的载波干扰比C/I计算如下： （式2-48） 式中，Ii为第i频道组的共道干扰电平，共有6 个，n为环境躁声功率，可忽略。考虑到电波传播 损耗为4次幂规律，则接收到的信号功率和干扰功 率分别为： （式2-49） （式2-50） 式中，A为常数。考虑到上述情况，而且Di都 相同，则有： （式2-51） 规定系统的载干比门限为（C/I）s，只要满足： （式2-52） 就可以保证通信质量。 （3）考虑衰落和屏蔽情况下的频率复用距离计算 衰落和屏蔽情况下的频率复用距离可分为三种情 况加以考虑，一是只考虑衰落，二是只考虑屏蔽，三 是同时考虑衰落和屏蔽。这时我们需要先考察同频干 扰概率： 通过计算我们发现，若当同频干扰概率的标准方 差6dB，干扰概率P10-2时，既有衰落又有屏蔽 情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大8dB左 右；当8dB，干扰概率P为10-3时，既有衰落又有 屏蔽情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大 10dB左右；当12dB，两者差别就小多了。 （4）考虑通信概率的频率复用距离计算 在最坏的条件下，所需的DR比应能保证CI的 比值大于27dB。由于传播特性与距离的4次方成正比 ，假定是光滑地球平面，则路径传播衰减为： （式2-54） 式中，Ll-干扰的传播衰减；Lc-信号的传播衰减。 （式2-55） （式2-56） 则 （式2-57） 由此可见满足同频干扰比27dB条件下，选N=12 即可满足要求。 实际工程中，同频复用距离的大小还取决于许多 的因素，包括业务量、基站的位置、周围的电磁环境 等等，CDMA系统中还要考虑软切换增益等等，它的 大小需要进行综合性、系统性的计算。 2.4.3 2.4.3 多址方式多址方式 什么是多址接入技术？ 为什么要使用多址接入技术？ 多址接入技术的类型？ 频分多址技术（FDMA）、时分多址技术（TDMA） 、 码分多址技术(CDMA)、空分多址(SDMA)。 （1）频分多址技术（FDMA） 频分多址（FDMA）又称频分复用，是发送端 对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多 互不重叠的频带，即将载波带宽划分为多个不同 频带的子信道，在接收端利用频率的正交性，通 过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信 号，这样每个子信道可以单独并行地传送一路信 号。 从图2-30中还可以看出，两个移动台间通信通过基站 的中转，需占两个上行子频段和两个下行子频段，加上收 发间的保护频带，因此FDMA系统的频率资源利用率低；还 有FDMA的基站必须要设置N套调制解调器，设备比较复 杂；且FDMA信道大于通常需要的特定数字压缩信道，对于 通信过程FDMA信道也是浪费的。 图2-30 FDMA系统的工作示意图 （2）时分多址技术（TDMA） 时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进 行正交分割，形成许多互不重叠的时隙，即在一个 宽带的载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再 分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠 的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用 户，在每一帧内依次排列，互不干扰。在接收端再 利用时间的正交性，通过时间选择(选通门)从混合 信号中选出相应的信号。 TDMA的基本工作原理如下： 系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台 在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号；为了 保证不同传播时延情况下，各移动台到达基站的信 号不会重叠，通常在帧结构中有保护间隔比特，在 此保护间隔内不传送信号；这样在满足定时和同步 的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的 信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信 号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只 要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号（TDM信 号）中把发给它的信号区分出来。 图2-31 TDMA系统的工作示意图 （3） 码分多址技术(CDMA) 码分多址系统采用一组彼此正交(或准正交)的 伪随机噪声(PN)序列用作为扩频序列码对传输信号 进行扩频调制，在接收端用相应的PN码通过相关处 理解扩来实现多用户共享频率资源的功能。该技术 将每一来话编码，并在接收端进行解码，使大量用 户能够共享同一无线电频率。码分多址(CDMA)有两 种主要形式：直扩码分(DS-CDMA)与跳频码分（FH- CDMA），前者多用于民用，后者多用于军事。 图2-32是码分多址收发系统示意图，其基本工作原理如 下：在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值 为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相 乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地 产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所 有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选 出，把不一致的信号除掉（称之为相关检测）。 图2-32 码分多址收发系统示意图 图2-33码分多址原理波形示意图 以上所述的三种多址方式比较： 图2-34 三种多址技术的对比 由图2-34可见： FDMA