（通信与信息系统专业论文）分层蜂窝系统及其软切换方案的研究.pdf

中文摘要 本文引入了双层蜂窝网络结构，该双层系统由一个伞状宏小区覆盖若1 j 个下 层微小区的区群构成。在不影响系统容量的前提下，为解决降低高速移动终端切 换次数的问题，本文提出的解决方案是：将高速移动终端分配到上层宏蜂窝，利 用宏小区覆盖面积大的优势，降低高速呼叫过程中因频繁跨越蜂窝小区而引起的 切换掉话率；将低速移动终端分配到下层微蜂窝，利用微小区频率利用率高，且 低速用户单次通话中切换次数相对较少的优势，增大双层蜂窝系统的容量，降低 呼叫阻塞率。 实现浚方案的关键在于如何界定移动终端的速度属性，以及采用何种高效的 算法实现分层切换。本文针对上述两个关键问题，分别提出了基于小这罩替区域 逗留时i b j 的动态速度估计算法( o a 算法) 和基于速度估计的动态分层切换算法 ( s d o h 算法) 。o a 算法考虑了移动台移动过程中方向的变化，通过减小逗留 时f b 】的测量区域，削弱了移动方向的改变对速度估计值精确度的影响；同时用易 于测量的时闻参量反映速率参量的大小，提高了方案的可行性。s d o h 算法考虑 到上层宏蜂窝基站发射功率大于下层微蜂窝基站发射功率的实际情况，采用速度 属性作为层间切换的判决准则、导频信号强度作为层内切换的判决准则：同时结 合了信道预留算法和排队算法的优点，将呼叫分为初始呼叫和切换呼叫，为切换 呼叫预留一部分信道，并依据速度属性的划分，专门为高速切换呼叫引入了排队 机制，降低了通话过程中因频繁切换导致掉话的可能，提高了通信质量。 从论文的分析和仿真实验结果中可以看出，新分层切换方案很好地利用了分 层蜂窝结构的特点，确保了高速移动业务较低的切换掉话率，又在降低呼叫阻塞 率的基础上扩大了系统容量，实现了对高速切换业务的资源管理优化。 关键词：分层蜂窝系统切换移动速度逗留时问 a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e sah i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e m i nt h i sk i n do fs y s t e m ，as e t o fc o n t i g u o u sm i c r o c e l l sa r eo v e r l a i dw i t ham a c r o c e l l h i g h s p e e dm o b i l es t a t i o n s a r es e r v i c e di nt h em a c r o c e l l st om i n i m i z et h en u m b e ro fh a n d o f f sw h i l el o w - s p e e d m o b i l es t a t i o n sa r es e r v i c e di nt h em i c r o c e l l st oi n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y t oa c h i e v ea ne f f i c i e n th i e r a r c h i c a lh a n d o f f s ，t h et h e s i s p r o p o s e s a d y n a m i c v e l o c i t ye s t i m a t i o na l g o r i t h mw h i c h b a s e do n o v e r l a p p i n gc e l ls o j o u r nt i m ec a l l e do a a l g o r i t h m c o n s i d e r i n g t h ed i r e c t i o nc h a n g eo f m o b i l es t a t i o n s ，o aa l g o r i t h mr e d u c e s t h em e a s u r i n gr e g i o no fc e l ls o j o u r nt i m e 功es m a l l e rm e a s u r i n gr e g i o nf o rs o j o u r n t i m ei s ，t h el o w e rp r o b a b i l i t yo fc h a n g i n gd i r e c t i o ni nt h a tr e g i o ni s m o r e o v e lo a a l g o r i t h m u s e st i m e p a r a m e t e ri n s t e a d o fs p e e dp a r a m e t e rw h e nm o b i l es t a t i o n s m e a s u r i n gc e l ls o j o u r nt i m e i tm a k e so aa l g o r r h mm o r ef e a s i b l e f u r t h e r m o r e ，t h e t h e s i sp r o p o s e sad y n a m i ch i e r a r c h i c a lh a n d o f f s c h e m eb a s eo hm o b i l ev e l o c i t yc a l l e d s d o h s c h e m e c o n s i d e r i n g t h ed i f f e r e n tt r a n a m i t t i n gp o w e rb e t w e e nm a c r o c e l lb a s e s t a t i o na n dm i c r o c e l lb a s es t a t i o n ，s d o hs c h e m eu s e sv e l o c i t yp r o p e r t ya si n t e r t i e r s h a n d o f fr u l ew h i l eu s e st h ep i l o ts i g n a ls t r e n g t ha si n t r a t i e r sh a n d o f fr u l e a sw e l la s i t ，s d o hs c h e m ep u t st h eh i g hs p e e dh a n d o f f v o i c ec a l lq u e u i n ga l g o r i t h mo nh a n d o f f v o i c ec a l lr e s e r v e dc h a n n e la l g o r i t h m i tr e d u c e st h eh a n d o f ff a i l u r ep r o b a b i l i t yo f h i g hs p e e dm o b i l es t a t i o n sa n di m p r o v e s c o m m u n i c a t i o n q 。s f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n c l u s i o ni sg i v e nt h a tt h en e ws c h e m et a k e s g o o da d v a n t a g e o ft h eh i e r a r c h i c a lc e l l u l a ra r c h i t e c t u r e i tn o to n l ye n s u r e sl o w h a n d o f ff a i l u r e p r o b a b i l i t y t o h i g hs p e e dm o b i l e s e r v i c e sb u ta l s oe n h a n c e st h e c a p a c i t yo f h i e r a r c h i c a ls y s t e m ，a n do p t i m i z e st h er e s o u r c em a n a g e m e n to fh i g hs p e e d h a n d o f fs e r v i c e s k e yw o r d s ：h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e m ，h a n d o i f , v e l o c i t y ，d w e l lt i m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注态鲎或其他教育机构的学位或汪 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 徐l 铀 签字f j 期：御年年王月加f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；余i 晶 导师签名：。锨 、彳 签字同期：2 叩4 - 年二月抽日 签字r 期：二髓q 年三月工d h 天津人学硕十学位论文第一章 第一章绪论 自从电话进入人类社会以来，人们对它的依赖与r 俱增，这主要是由于电话 使用方便，传递信息迅速，可以节省大量时间。移动通信的出现，为人们带来了 无线电通信的更大自由和便捷。蜂窝移动通信的出现，是移动通信的次革命， 频率复用技术大大提高了频谱利用率，增大了移动通信系统容量；网络智能化实 现了越区切换和漫游功能，极大地扩展了为用户服务的范围。将蜂窝技术应用于 公用电话网，是电话发展史上的一个转折点，改变了通常电话的含义。蜂窝移动 通信既给用户带来了使用上的灵活方便，又给人们带来了巨大的财富。近卜多年 来，全球蜂窝移动用户的年平均增长率超过4 0 ，我国蜂窝移动用户年增长率最 高时超过2 0 0 发展速度之快超过了专家们的预测。 1 1 蜂窝移动通信系统概述 1 1 1 移动通信系统 移动通信是指通信的双方或至少有一方是在移动中进行信息交换的。例如运 动中的人、汽车、轮船、飞机等移动体闯的通信，分别构成陆地移动通信、海l ： 移动通信和空中移动通信。 移动通信系统是指包括双方通信设备在内的整体，包括公用陆地蜂窝移动通 信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、卫星移动通信系统 和无中心移动通信系统等。目前，应用最广泛的是公用蜂窝移动通信系统，它具 有涉及的技术领域最广、技术新、难度高、网络能力强等特点，它的发展趋势代 表着整个移动通信未来的方向。 1 1 2 蜂窝移动通信系统 2 0 世纪6 0 年代术，美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念和理论，所依据 的是电波传播损耗与传播距离的四次方成比例这客观事实。无线电频谱资源 分有限，能用作移动通信的频段也就更加有限。在工作频段受限的情况下，若存 相距一定距离的地方实现频率复用，并以此构造成+ 个个无线覆盖小区，彼此相 互无缝隙连接，恰似蜂窝一样的移动通信覆盖区域即使频谱资源受限，理沦上， 天津大学硕士学位论文 第一章 这种移动通信网也可以覆盖全世界。 蜂窝移动通信概念的提出，开辟了频谱资源在地域上重复利用的新途径，从 而使公用陆地移动通信系统( p l m t s ) 的发展成为可能。2 0 世纪7 0 年代以来， 大规模集成电路和微处理器技术的广泛应用，为蜂窝移动通信的实现提供了技术 基础。表面贴装工艺( s i l t t ) 的出现，加速了无线电设备小型化的进程。到了2 0 世纪8 0 年代初，出现了美国、日本和斯堪的纳维亚地区的三个蜂窝移动通信系 统。随后几年，又出现了多种不同的蜂窝移动通信系统，其中被列入国际无线电 咨询委员会( c c i r ) 7 4 2 号报告的就有8 种，它们是美国的a m p s 、北欧的n m t 、 英国的t a c 8 、德国的c - 4 5 0 和日本的h c m t s 等系统。这些都是模拟移动通信系 统，他们在2 0 世纪8 0 年代都取得了飞速发展，也就是当今人们所说的第一代( 1 ( ；) 蜂窝移动通信系统。我国的移动通信起步于2 0 世纪8 0 年代末，在2 0 世纪g o 年 代得到了迅猛发展，引进的模拟通信系统有t a c s 和a m p s ，其中以爱立信e t a c s 系统居多。 蜂窝移动通信系统主要为社会公众开放业务。自从模拟蜂窝移动通信系统问 世以来，频谱资源的不足和模拟电子技术的局限性制约着蜂窝移动通信的发展。 在数字通信技术的发展和信息高速公路新概念的推动下，美国、欧洲和 ； 本从 2 0 世纪8 0 年代中期就开始了数字蜂窝移动通信系统的研制和标准的制定，欧共 体的泛欧数字蜂窝移动通信系统( 即g s m 系统) 、英国的d c 8 1 8 0 0 系统、美国的 d - a m p s 系统、同本的p i ) c 系统和美国的i s 一9 5c d k i a 系统相继在2 0 世纪9 0 年代 初商业化，更进一步推动了蜂窝移动通信在全世界的发展，这也就是人们称之为 第二代( 2 6 ) 的蜂窝移动通信系统。 f 当第二代蜂窝移动通信系统在全球以前所未有的速度飞速发展的叫候，人 类社会己迈入了2 l 世纪的新纪元。2 l 世纪是信息时代，因特网在全球产生了爆 炸性的大发展，数据的传输将很快超过语音数字通信，然而第二代蜂窝移动通信 却是以传送数字语音为主，以传输短消息数据通信为辅而设计的，不具有高速率 数据通信的能力，因此，美国、欧洲、日本、韩国和我国都提出了被入们称之为 第三代( 3 g ) 的蜂窝移动通信系统的技术标准。3 g 采用更新颖、更复杂的技术， 以实现更大的通信容量、更高的数据传输速率和多媒体综合业务服务。 表1 - 1 三代移动通信系统的比较 第一代移动通信系统第二代移动通信系统第三代移动通信系统 模拟数字( 双模式、双频)多模式、多频 仅限语音通信语音和数据通信多媒体业务 仅为宏小区宏微小区卫星宏微微微小区 天津大学硕士学位论文第章 续表i - i 主要用于户外覆盖户内户外覆盖无缝全球漫游，供户内外 使用 与固定p s t n 完全不同固定p s t n 的补充与p s t n 综合，作为数据网、 因特网、v p n 的补充 主要接入技术：f d 姒主要接入技术：t d m a主要接入技术：c d m a 主要标准：n i c r 、a m p s 、t a c s主要标准：g s m 、i s 一1 3 6 ( 或主要标准：三模式c d m a 、 d a m p s ) 、p d c直接序列( d s ) 、多载波 ( m c ) 和时分双工( t d d ) 1 2 研究背景 随着全球移动通信系统( g s m ) 经过通用分组无线服务( g p r s ) 技术逐渐 向第三代移动通信系统( w c d m a ) 推进和移动通信与互联网的融合，许多薪业 务正逐渐进入移动通信领域，无线通信网络不仅能提供话音业务，还要能提供多 种数据业务及各种多媒体服务。未来无线数据传输速率将高达2 m b p s ，全球正在 迅速向着移动信息时代迈进。未来移动通信将为无处不在的互联网提供全方位 的、无缝的移动性接入。正是移动通信技术令人炫目的革新速度，推动着移动信 息时代的发展，改善者人类社会活动的质量，最终将实现移动通信的发展目标 一任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 、任何时间( w h e n e v e r ) 与其他任 何人( w h o e v e r ) 进行任何方式( w h i c h e v e r ) 的通信。 在过去的十年里，移动业务以空前的速度增长了4 0 倍。我国从8 7 年开始提 供蜂窝移动通信业务，到2 0 0 1 年7 月底，移动电话用户总数已经达到了1 2 亿， 首次超过美国，雄居世界第一。随着移动用户数的不断增加，i m t - 2 0 0 0 引入了 微小区微微小区的概念，用以提高系统容量，实现在频率资源有限的情况下， 为更多的移动用户提供全球无缝漫游。然而在实际的微蜂窝系统中，不同用户的 移动速度有着显著的差异，系统设计将遇到许多困难。如高速车辆只要几秒钟就 驶过了一个小区的覆盖范围，在整个通话过程中必将频繁地启动切换程序，且因 切换导致的通话中断概率也随之增加：而步行用户在整个通话过程中可能都不需 要切换。高速用户的这种频繁切换既加重了网络的负担，又增大了切换掉话率， 严重影响了通话质量。由此可见，微小区技术虽然提高了系统容量，但它是以频 繁地启动切换程序为代价的。因而，近年来一直在寻求一百十新的、可行的蜂窝规 划方案。 天津大学硕士学1 1 i ) ：论文 第一章 分层蜂窝系统( h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e m - - h c s ) 很好地平衡了增大系统 容量与减小切换率两者之间的矛盾；同时，也可用于解决不同系统相互之间融合 的问题，因而h c s 被普遍认为是未来的一种很有竞争力的蜂窝规划方案。对分层 蜂窝系统的层间接入方式及其各种关键技术的研究，如层间信道分配、层问切换 等，必将成为今后研究的技术热点。 1 3 本文的研究重点 在移动通信系统中，当移动台( m s ) 位置变化到特定的区域时就会发生切 换，可见，切换是支持用户全球漫游的一项关键技术，对m s 实施有效的无线资 源管理可以提高系统资源利用率，增强系统性能。 本课题主要针对高速移动用户的频繁切换现象，引入了分层蜂窝理论，并将 之具体规定为上层宏蜂窝下层微蜂窝的双层结构。宏蜂窝用于处理快速移动车 辆的业务；微蜂窝处理慢速移动用户的业务，如集中于步行、活动在商场和办公 区等室内区域的业务。对移动台的速度估计，提出了一种新的考虑移动方向的速 度估计算法：将该算法用于研究实现分层系统无线资源管理的分层切换技术，本 文又提出了基于移动台速度的动态分层切换方案。理论分析及仿真结果表明，本 文给出的分层系统切换方案很好地解决了高速移动用户的频繁切换问题，在小影 响系统容量的前提下显著降低了切换掉话率，统一了两者之间的矛盾，适用于未 来快节奏的社会发展。 论文的结构如下： 第一章绪论，主要介绍课题的研究背景及研究重点。 第二章介绍蜂窝移动通信系统的组网理论，分析了蜂窝结构在t d m a 、 c d m a 下的具体表现形式。 第三章从业务分层、频率资源分层两个角度详细阐述了分层蜂窝系统的体 系结构及实际应用。 第四章提出了一种新的速度估计算法基于重叠区域的动态速度估计算 法，通过理论、数值及仿真分析验证了算法的精确度。 第五章简要介绍切换技术及各种软切换算法，重点分析了分层系统中的层 间切换和层内切换情况。 第六章重点分析了本文提出的基于速度估计的动态分层软切换算法，以呼 叫处理流程为例，阐述了如何实现层与层间的动态调整及切换。仿 真分析比较了该方案在呼叫阻塞率、切换掉话率等方而的性能并 讨论了选取不同参数值对方案性能的影响。 天津大学硕士学位论文第一章 第七章结束语，本文的主要工作及创新点；最后，展望了未来蜂窝移动通 信系统的新形势。 由于本人水平有限，论文中的错误和不足之处，望各位老师批评指正。 天津大学硕士学位论文第二章 第二章移动通信系统的组网理论 通信网的组网涉及到各种通信技术、设备的应用，以及如何更有效地发挥效 益的问题。在移动通信网中，蜂窝式组网的理论由美国贝尔实验室提出，是移动 通信发展引发的构想，它代表一种构造移动通信网的完全不同的方法。蜂窝式组 网的目的是解决常规移动通信系统频谱匮乏、容量小、服务质量差及频谱利用率 低等问题。蜂窝式组网理论为移动通信技术的发展和新一代多功能设备的产生奠 定了基础。 2 ，1 大区制移动通信系统 大区制移动通信系统是早期采用的，它是指一个基站覆盖整个服务区，半径 r 约在3 0 5 0k m 范围，如图2 1 所示。为了满足场强覆盖区的要求，需要很大 的发射功率( 一般为5 0 2 0 0w ) 和很高的天线塔( 一般需高达3 0m 以上) 。 图2 - 1 大区带0 移动通信系统 大区制的特点是：移动通信系统的网络结构简单，信道数目少，不需要无线 交换，直接与市话交换局相连，移动用户可经市话交换局与市话用户通信。 但是，大区制系统也有一定的局限性，主要表现在以下三个方面： 1 覆盖范围有限。根据视距传播的条件，在天线高度给定的情况f ，受地球 曲率的影响，最大覆盖半径一般为5 0k m 。 2 系统的容量受限。例如早期采用的频分多址方式，在频率资源给定的情况 下，一个基站( b s ) 一般只能提供1 个或几个频道，可容纳的移动用户数只有 几十到几百个，当用户密度和通信业务量很大时，系统容量的限制会更加突出。 3 系统设备受限。大区制条件下，若要满足移动台的双向通信距离，则要求 移动台( m s ) 有更大的发射功率，但是，移动台体积、发射机功率和天线高度 天津人学硕七! 学位论文 第一章 都是受限的。 为了解决大区制系统的问题，提高覆盖区域内的系统容量以及有效利用频率 资源，提出了小区制覆盖蜂窝结构的概念。 2 2 蜂窝移动通信系统 目前的移动通信系统一般采用小区制，即将整个网络服务区域划分为若干小 区，每个小区分别设有一个( 或多个) 基站，用以负责本小区移动通信的联络和 控制等功能。因此，移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区帽 互连接而构成的面状服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，我们便将这种系 统称之为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称之为蜂窝式网络。 2 2 1 蜂窝的概念 蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机来代替单 个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的- - + 部分覆盖。每个 基站分配整个系统可用信道中的- - + 部分，相邻基站则分配另外一些不同的信 道，这样所有的可用信道就分配给了相对较小数目的相邻的基站。给相邻的基站 分配不同的信道组，使基站之间及在它们控制之下的用户之间的干扰最小。通过 分隔整个系统的基站及它们的信道组，可用信道可以在整个系统的地理区域内分 配，而且尽可能的复用，复用的主要条件之一是基站之间的同频干扰低于可接受 水平。 随着服务需求的增长，基站的数目可能会增加，从而提供额外的容量，但没 有增加额外的频率。 2 2 2 小区制蜂窝移动通信系统 2 2 2 1 蜂窝系统结构 蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个大区制覆盖的区域划 分成若干小区，称为蜂窝小区，每个小区( c e l l ) 中设立基站( b s ) ，与用广t 移 动台( m s ) 间建立通信。由于小区的覆盖半径短( 1 2 0k m ) ，故可用较小的发 射功率实现双向通信。若每个基站能提供1 个或几个频道，可容纳的移动用户数 将有几十到几百个，那么，由若干小区构成的通信系统的总容量将火为提高。出 若干小区构成的覆盖区称为区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此将小区制移动 通信系统叫做蜂窝移动通信系统。 天津大学硕七学位论文 第一章 图2 2 是蜂窝电话系统的示意图。每个小区设有一个( 或多个) 基站，它与 若干个移动台建立无线通信链路。若干个小区组成一个区群( 蜂窝) ，区群内的 各个小区的基站通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中一t h , ( m s c ) 相连。移动 交换中心通过p c m 电路与市话交换局相连接，从而形成一个完整的蜂窝移动通 信的网络结构。 图2 2 蜂窝电话系统的示意图 2 2 2 2 蜂窝小区类型 根据不同制式系统和不同用户密度挑选不同类型的小区。基本的小区类型 有： 超小区：小区半径r 2 0k m ，适于人口稀少的农村地区。 宏小区：小区半径r = l 2 0 k m ，适于高速公路和人口稠密的地区。 微小区：小区半径r = o 1 l k m ，适于城市繁华地段。 微微小区：小区半径r 来 天泮人学硕十学位论文 第一章 增加系统的容量，但当基站小到一定程度时，由于干扰和基站投入等问题，这种 办法将难以再进行。特别是近几年来，随着移动通信的迅速发展和业务需求的剧 增，这些方法更是难奏其效，这样便产生了微蜂窝小区模型。 通过以上分析可看出，蜂窝小区的类型是随着实际需要以及相关技术的逐步 发展在不断的发生着变化，因而对蜂窝结构的研究是移动通信发展过程中不可忽 视的关键问题。 2 2 3t d m a 与蜂窝结构的关系 泛欧g s m 数字蜂窝移动通信系统是在频分多址下的时分多址，当它工作在 跳频方式时，又引入了码分多址。数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群 结构和频率复用。蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决于数字系统 保证正常通信所需载干比和本地区业务量的分布和大小。构成区群的小区数目越 少，半径越小，系统的频谱效率就越高。由于在相同服务质量条件下，数字系统 允许比模拟系统更低的载干比要求。换句话说，可采用更小的区群结构，从而提 高频谱的利用率。 t d m a 蜂窝系统采用的区群结构如图2 3 所示。由图可见，每小区或每扇区 的频道数的分配与模拟系统的相同；不同之处在于，这里的每频道内还含有 t d m a 方式的时分信道。对于g s m 系统，每个频道带宽为2 0 0k h z ，含有t d m a 方式的8 个时分信道。对于北美的d a m p s 系统，每频道带宽为3 0k h z ，含有 t d m a 方式的3 个( 全速率) 时分信道。 mm 图2 - 3t d m a 蜂窝系统区群结构 2 2 4c d m a 与蜂窝结构的关系 在f d m a 系统中，频率复用计划与蜂窝区群的结构具有紧密关系。但扩频 - 9 一 天津人学硕十学位论文第章 c d m a 数字蜂窝系统是频带资源共享的，换句话说，在一个c d m a 蜂窝系统中， 各个小区都共享一个频带，所以从频率复用角度来说，c d m a 与蜂窝区群结构 的关系大为减弱。在c d m a 系统中蜂窝结构( 包括扇区结构) 的考虑在于频 带资源共享后的多用户干扰的影响。 在f d m a 和t d m a 蜂窝系统中，系统内的小区和扇区都是靠频率来划分的。 换句话说，每个小区或扇区都有它自己的频道。在扩频c d m a 蜂窝系统之间是 采用频分的，即不同的c d m a 蜂窝系统占用不同频段的带宽。而在一个扩频 c d m a 蜂窝系统之内，则是采用码分多址的，即对不同的小区和扇区基站分配 不同的码型。在i s 一9 5 中，这些不同的码型是由一个p n 码序列生成的，p n 序列 周期( 长度) 为2 “= 3 2 7 6 8 个码片。将此周期序列的每6 4 c h i p 移位序列作为一个 码型，共可得到3 2 7 6 8 6 4 = 5 1 2 个码型。这就是说在1 2 5 m h z 带宽的c d m a 蜂 窝系统中，可建多达5 1 2 个基站( 或扇区) 。 在一个小区( 或扇区) 内，基站与移动台之间的信道，是在p n 序列上再采 用正交信号进行码分的信道。 c d m a 蜂窝通信系统的网络结构如图2 - 4 所示，它与t d m a 蜂窝系统的网 络相类似，主要由网络子系统、基站子系统和移动台3 大部分组成。图2 - 4 中已 表明了各部分之间以及与市话网( p s t n 或i s d n ) 之间的接口关系。其中小区 分为全向小区和扇形小区两种类型。 h 一业鲁链略 卜控捌厦敦据链黯 图2 4c d m a 蜂窝通信系统的网络结构 2 3 蜂窝小区容量的改善 随着无线服务要求的提高，分配给每个小区的信道数量最终变得不足以支持 大量的用户数，从这点来看，需要采用蜂窝设计技术来给单位覆盖区域提供更多 天泮人学硕士学位论文 第一章 的信道。在实际中，一般采用小区分裂、微蜂窝等技术增大蜂窝系统的容量。 2 3 1 小区分裂 当蜂窝系统覆盖区内部分地区通信业务增长时，可将该部分的蜂窝小区分裂 成多个较小的区域，称为小区分裂。 最简单的蜂窝小区分裂方法是将小区半径缩小并增加新的基站，这样虽然成 本有所增加，但系统容量增大，从经济上说是值得的。 另一种蜂窝小区分裂的方法是在原基站采用方向性天线将小区扇区化，利用 1 2 0 。定向天线将小区分为3 扇区，利用6 0 。定向天线将小区分为6 扇区。当扇区 化小区内的移动用户从一个扇区进入另一个扇区时，将发生信道切换。 还有一种方法是将小区分为几个区，每个区的设备仅仅是天线、放大器和变 频器，它们只起无线电信号接收和发射的作用，并通过微波或光缆与基站设备相 连。目前，微小区的设计是将小区分成3 个区( z o r e ) ，这3 个区的选择、无线 信道的控制和管理均由基站设备来完成，而且，只是移动用户所处的那个区才能 激活发射。当移动用户从一个区进入另一个区时，移动用户不发生信道切换，从 而可以提高信道利用率。 2 3 2 微蜂窝技术 微蜂窝( m i c r o c e l l ) 技术是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门技术，是目前 解决高话务量地区容量问题的行之有效的方法之一。微蜂窝的覆盖半径大约为 3 0 m 3 0 0 m ；发射功率较小，一般在1 w 以下；基站天线置于相对低的地方( 一般 高于地面5 m 1 0 m ) ，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。因 此，蜂窝可以被用来加大无线电覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发 射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多， 因此业务密度得到了巨大的增长，且r f 干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点” 上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。 微蜂窝在初期一般是提高网络覆盖，应用在零散的“热点”地区，即话务量 比较集中，且面积较小的地区，此时对容量的提高很有限。随着容量需求增大， 高话务量地区已由点逐渐变成片时，宏蜂窝己无法满足时，微蜂窝可以在定范 围内进行连续覆盖，此时效果就很明显了。 在实际设计中，微蜂窝作为无线覆盖的补充，般用于宏蜂窝覆盖不到又有 较大话务量的地点，如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。作为热点应用的场 合一般是话务量比较集中的地区，如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、 停车场等地。 天律人学硕士学位论文 第一章 微蜂窝组网简单，可直接加入到现有系统中，而不需改变现有网络结构。其 设备体积小，容易安装，因此应用灵活，可直接在需要的地方进行建设，从而快 速解决覆盖盲点、热点地区通信问题。它对容量的提高是明显的，但需要较大的 投资。 2 4 分层蜂窝系统 第三代移动通信系统要在各种各样的通信环境中，满足形形色色的业务需 求，其网络结构采用什么样的形式是一种重要的抉择。 在移动通信的发展初期，网络结构的设计和规划主要由“区域覆盖”驱动， 其基本出发点是保证在所需的地区内不出现通信死角。这时候，人们虽然也注意 到根据用户密度( 业务密度) 的不同，来确定小区覆盖面积，比如，在市区采用 小型小区，在郊区采用大型小区；也预计到随着网络的成功运营，某些地区的业 务需求会急剧增长，因而提出采用“小区分裂”的对策，然而，这种大型小区和 小型小区相结合的网络结构仍然是单层的、互不交叠的。 考虑到不同类型的小区可用于满足不同的要求：宏小区保证连续的覆盖，而 要达到好的频谱效率和高的容量，微小区又是必要的。近年来提出了分层蜂窝系 统结构，很好地将不同类型的小区统一在一个通信系统中。 分层的小区结构( h c s ) 描述了这样一种系统：其中至少有两种不同的小区 类型相互叠加而工作。例如，宏小区和微小区，低移动性和高容量终端使用微小 区，高移动性和低容量终端使用宏小区。将负载按这种方式分层的原因与切换功 能有关，因为车载电话在微蜂窝间快速移动会产生频繁切换，加重网络的负担。 从网络管理出发，将产生频繁切换的业务转移到较少切换概率的宏蜂窝，以提高 网络效率：慢速移动的车辆，由于它穿过蜂窝边界需要花相对较长的时恻产生 切换的可能性较小，因此由微蜂窝来处理这类业务。系统根据所测得的信号强度、 估计的移动速度和各层蜂窝的容量，为某一呼叫选择最好的蜂窝( 宏蜂窝、微蜂 窝或微微蜂窝) 。下一章将针对分层蜂窝系统的构成做进一步的研究。 2 5 本章小结 本章从移动通信系统组网的角度出发，介绍了大区制及蜂窝组网的特点。季 点介绍了蜂窝的概念、类型以及蜂窝结构在不同接入方式t d m a 、c d m a 下的 具体表现形式，为后面理解分层系统打下基础。最后，通过介绍改善蜂窝小区容 量的两种重要技术，引出了本文的研究背景分层蜂窝系统。 天津大学硕十学侍论文 第二章 第三章分层蜂窝系统的研究 3 1 无线蜂窝移动通信系统设计的要求 在现代移动通信系统的设计中考虑的主要因素有三点： 频谱资源利用率。 一个无线通信系统所分配的频谱资源往往是固定的、有限的，所以工程师们 所要考虑的就是如何设计网络以充分地利用有限的频谱资源。如果频谱资源利用 的好，可以使系统可同时通信的用户数增加，从而降低了用户在通话过程中掉话 的概率。衡量频谱利用率的指标主要有厄朗每赫兹( e r l a n g h z ) ，每小区信道数 ( c h a n n e l c e l l ) 等。 不同用户的不同业务要求。 c d m a 系统引入了多种不同速率的数据业务，而不同种类的用户对业务的要 求是不同的。如何针对不同特征的用户对业务的要求去设计网络也是个重要问 题。 布站成本。 当服务区内用户大量增加时，如果只是一味地增加宏蜂窝基站会使布站成本 大大增加。因为宏蜂窝基站设备复杂，需要人工管理，占地面积大( 在市中心布 站时成本很高) ，而且宏蜂窝基站需要大量的有线线路与系统保持信令和数扼的 联系。 分层系统j 下是针对上述三点问题设计的。 3 2 分层系统的体系结构 分层网络结构允许网络中设置不同的信道资源层，并根据业务性质进行分 类，把同类性质的业务纳入同一资源层之中，以提高网络资源的利用率。资源分 层可以用多种方法实现，以双层资源来说，可以按频段来分层，底层用一个频段， 顶层用另一个频段；也可以按地址方法来分类，一层用时分多址，另一层用码分 多址；另外，两层可以均采用时分多址，而两层使用不同的时隙；或者两层均采 用码分多址，而两层使用不同的扩频序列，如顶层用短码，底层用长码等等。采 用多层网络结构，除合理分配区层之问的信道资源和业务容量外，还必须解决区 天津人学硕十学位论文 第一：章 层之间的连接与切换，避免重叠层之间出现“乒乓效应”。 3 2 1 业务分层 通常来说，一个分层蜂窝系统是由两层或多层蜂窝组成的，覆盖区域最小的 蜂窝放在分层系统的最底层。这个系统可能是由微微蜂窝层和微蜂窝层所组成 的。以四层结构的分层系统为例，如图3 1 所示。微微蜂窝主要被用在室内环境， 它的覆盖仅有几十米，这种发射功率很低的基站往往只覆盖一个办公室，一个楼 层，或一套住宅。微蜂窝的半径一般只有几百米，主要用在市中心地段和“热点” 地区。微蜂窝所用基站的天线往往和电线杆一样高，它的发射功率也低于宏蜂窝 基站的发射功率，因此微蜂窝的覆盖范围通常只有一个街区。这两层蜂窝都可以 被宏蜂窝所覆盖。宏蜂窝的半径一般有几公里，它的基站天线建在建筑屋顶上， 因此天线通常高于3 0 m 。在郊区和乡村主要布宏蜂窝，在市区宏蜂窝也可以覆盖 微蜂窝未覆盖的区域，而且可以为微蜂窝中的高速移动台提供业务服务。当微蜂 窝负荷过大时，系统就会将微蜂窝的一部分话务量分配到宏蜂窝来处理，这样就 提高了频谱利用率，同时降低了系统阻塞率。分层系统的最顶层是由通信卫星所 覆盖的区域。卫星主要是覆盖地面站所无法覆盖的乡村地区，这样可以得到全球 覆盖的系统。 量蕾卫 图3 1 四层的分层结构 蜂窝越小就可以达到更高的频谱利用效率及更大的容量，并且可以使其覆盖 范围内移动终端的平均发射功率大大降低。此外，由于一些自然的或人为的障碍 物的存在，在大蜂窝的覆盖区域中不可避免会有一些盲区，此时就需要在这些区 域上布一些小覆盖蜂窝以保证覆盖的连续性，因此分层系统充分地利用了大蜂窝 和小蜂窝各自的优点。微蜂窝的大量使用还可以大大降低运营成本，因为微蜂窝 天沣人学硕十学位论文第二章 设备简单，占地面积小，它与控制中心的连接可以借助于微波或光缆，成本较低。 从业务分配来看，通常微微蜂窝管理室内环境中的业务；步行用户及在车中 低速移动的用户链接到微蜂窝：汽车中高速移动的用户链接到宏蜂窝：而在船或 飞机上的用户将链接到通信卫星上。这样分配移动台的目的是尽量减小掉话率， 因为蜂窝越小移动台在通话过程中穿越蜂窝边界的可能性就越大，而切换是造成 掉话的主要原因之一，所以应尽量使高速移动台接入上层较大蜂窝，可以使切换 次数大大减少，从而降低系统掉话率。然而具体如何判断一个移动台是高速还是 低速并没有明确的划分方法，本文提出了一种考虑移动台方向的速度估计算法， 其中速度门限值是一个重要的参量。系统运营商会给出速度门限的参考值，这些 值往往是根据用户移动速度的概率分布函数，建立呼叫的时间，及蜂窝的半径来 决定。如果速度门限设定的好可以降低底层小区的掉话率，减少基站控制器( b a s e s t a t i o nc o n t r o l l e r ，b s c ) 的信令负荷，而且可以提高上层小区的信道利用率。 下一章的内容将会详细描述。 3 2 2 资源分层( 以双层小区为例) 3 2 2 1 微小区和宏小区在同一频率上 当微小区和宏小区工作在同一频率上时，频率复用因数为1 ，并利用空i b j 的 隔离来分离微小区层和宏小区层。由于处理增益使得用户能够承受产( t 于任何小 区层的干扰”“，因此，复用因数可以为1 。层内干扰利用功率控制来控制，而层 问干扰利用空间隔离来控制。在一般的平面地球模型中，用一个断点来标志两段 的分离，在断点之前，平均传输损耗随扩变化，在断点之后，随r 叫变化。断点 的位置取决于接收机和发射机的高度。基站安装得越低，断点就离基站越近。因 此，微小区基站发出的信号要比宏小区基站发出的信号衰减得快。 图3 2 描述了热点情况和微小区连续覆盖情况下的空洲隔离。左图示出了山 一个微小区基站覆盖的热点情况；右图示出了完全由微小区覆盖的情况。 上述方法的问题在于，当移动台到达微小区和宏小区衰减曲线的交叉点时， 移动台必须立即转换到相应的小区层上。软切换使这个问题变得容易，但如果移 动台到达微小区范围内，它通常会既连接到微小区基站上又连接到宏小区基站 上。出现这种情况是因为，为了避免小区( 或小区层) f b 的往复转换( 乒乓效应) ， 切换区域必须相当大，尤其是在移动台快速移动的情况下。因此，与微小区的范 围相比移动台处于软切换状态的范围就非常宽。 天津人学硕士学位论文第二章 图3 2 宏小区和所覆盖的微小区的空间分离 还应注意的一点问题是切换决不能太快。如果候选基站数很多，那么一个候 选基站的导频信号只能在一定的延时之后测量。而且，为了滤除快速衰落，应对 该导频进行一个相当长时期的测量，当移动台因快速衰落而遇上信号强度明显降 低时，就不应执行切换。做出切换判决后，就在移动台和基站之间进行信令联系。 无论是在网络侧还是在移动台侧，得到所有的切换相关参数之前，都会有一定的 延时。由于导频测量、滤波和切换信令而引起的总延时可能是几秒的数量级，如 果移动台以5 0 k m h 的速度运动，那么它在ls 内几乎要移动1 4 m 。如果微小区的 大小为1 0 0 m ，那么只要有7 s 的切换延时移动台就已到达小区中心。 3 2 2 2 微小区和宏小区在不同频率上 不同小区层在不同频率上的系统比较容易处理，因为小区层不像在同频时那 样会相互干扰，干扰主要来自邻信道溢出。这种方案的缺点是需要较大的频谱， 因为每个小区层都需要自己的频率。例如，w c d m a 方案若实现三层蜂窝小区 需要1 5 m h z 的带宽。 图3 3w c d m a 的频率利用 如图3 3 所示，w c d m a 支持频率问测量和切换，载频间隔可以从4 2 到 大律人学硕十学位论文 第一晕 5 4 m h z i 】，并有2 0 0 k h z 的光栅。可以采用不同的载频间隔，获得适当的相邻信 道保护，这取决于干扰的状况。与单个运营者相比，有多个运营者时需要采用较 大的载频间隔以避免运营者之间的干扰。 当微小区和宏小区在不同频率上时的另一个技术难点是，宏小区与微小区之 间的切换需要硬切换技术实现，即通常所说的载波间切换。如何消除层问硬切换 过程中的短暂中断现象是今后要解决的技术问题之一。 3 3 分层系统的特点 采用分层结构的蜂窝移动通信系统，具有以下特点： 提高了系统容量； 减少了盲区； 均衡了系统负荷； 降低了运营成本： 可为不同移动速度的移动终端提供服务。 移动台的移动速度是决定该移动终端应出哪层蜂窝管理的因素之一。如果被 选定的那层蜂窝的负荷较重时，系统就会自动地把这个移动台的管理权移交到一卜 一层较大的蜂窝去管理。 3 4 分层系统的实际应用 3 4 1 切换性能的改善 随着移动用户的增加，为了满足越来越多的容量需求，蜂窝技术逐渐向微小 区、微微小区方向发展；此外，现代社会的快节奏使得移动台的移动速度明显的 加快，如此高速移动的用户在微小区通话过程中必将产生频繁的切换。大量的切 换请求加重了网络负担，同时频繁的切换也会增加系统的掉话率，严重影响通话 的质量。为了解决高速移动终端的频繁切换问题，本文引入了双层宏微蜂窝结 构，如图3 - 4 所示。 在该结构中，若干个连续的微蜂窝嵌入在一个宏蜂窝内，宏蜂窝和它所覆盖 的微蜂窝构成一个区群。微蜂窝基站天线架设的低，发射功率也相对很低，用于 提供慢速移动业务的服务：宏蜂窝基站天线较高，发射功率也相对较高，用于提 供高速移动业务的服务。 大洋人学硕十学何论文 第j