移动通信第8章网络规划与优化.ppt

网络规划与优化 区域覆盖信道 频率 配置信道容量 一 区域覆盖 大区制移动通信网无线服务区 小区 基站信号所能覆盖的区域 大区制指一个基站覆盖一个较大的服务区 因此 基站天线较高 发射功率很大 50 200W 覆盖半径达30 50km 其覆盖范围受以下因素的影响 地球曲率造成的视距 山丘 树林 建筑物造成的阴影 移动台接收机性能及其天线系统的效率 发射机功率是有限的 并且增加发射功率只能换来微小的距离增加 多径和其它干扰的影响 大区制还存在上下行传输不一致的地方 可以通过设立分集接收台 使得上下行互通性为1 1 为了增加容量 只能通过增加基站信道数来实现 使得它只能用于用户密度较小的地区 大区制移动通信网 特点 一个基站覆盖整个服务区域技术简单通信质量差频率利用率低系统容量小 小区制区域覆盖 小区制移动通信网 大区制频谱利用率低 容量小 所以 可以通过频率的复用来解决 服务区划成半径2 20km的小区 每个小区一个基站 负责与本小区的移动用户的通信 服务区带 条 状服务区面状服务区 蜂窝网 特点 空域的同信道再用技术 1 带 条 状服务区覆盖设计 带 条 状服务区指用户分布呈条状 如铁路 公路 河流等 图5 10带状网的同频道干扰 1 带 条 状服务区覆盖设计 重叠区的确定 为了保证通话的质量 要求设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有适当纵深的重叠区 但为了防止越区干扰 必须设计适当 假设重叠区的深度为a 小区半径为r n频组 干扰最严重的地方出现在区域的边缘 表5 4带状网的同频干扰 I S 干扰 信号比 a为重叠区的深度 r为小区半径路径损耗斜率为4 2 蜂窝网覆盖设计 蜂窝网 面状服务区 当基站采用全向天线时 无线区大体上是圆 当多个无线小区彼此邻接覆盖整个服务区时 就可以用圆的内接正多边形来近似 小区构成的图形有多种 主要为三角形 正方形 正六角形 采用何种方式来覆盖 主要考虑以下几个因素 相邻小区的中心间隔 单位小区的面积 重叠区宽度 重叠区面积 所需要的最少频率个数 2 蜂窝网覆盖设计 蜂窝小区的形状 2 蜂窝网覆盖设计 不同形状小区参数的比较可以看出 正六角形小区的中心间隔最大 覆盖面积最大 重叠区面积最小 所以采用正六角形构成小区所需的小区数最少 因此 它是最经济的组网方式 2 蜂窝网覆盖设计 区群的组成在蜂窝系统中 为了便于频率复用 并能保持同频频道之间的距离相等并且最大 发展了许多复用图样 其中由一组频率不同的小区组成一定图样 称为单元无线小区簇 区群 构成簇 区群 的基本条件 这一图样能彼此邻接 且无空隙地覆盖整个面积 相邻单元中 同频道的小区间距离相等 且最大 满足这些条件的簇的形状和簇内小区数 即频率组数 的取值不是任意的 K i2 ij j2i j正整数 2 蜂窝网覆盖设计 小区图案和频率复用 同频 信道 小区的距离 图5 13同信道小区的确定 如图所示 从某个小区A出发 先沿垂直于六角形的边的方向前进 越过i个小区 到达某个小区 然后 逆时针方向转60度 或顺时针方向越过j个小区 到达与A同频的小区 本例中K 7i 2 j 1 A 2 蜂窝网覆盖设计 确定同频小区同频小区之间的距离满足 而服务区中的小区数为 可见 所以 簇内小区数越多 同频小区之间的距离就越远 从而抗同频干扰的能力也就越强 但是 簇内小区数越多 频率的利用率就下降了 所以 在满足同频干扰值的条件下 应尽可能取小K值 信号信干比的计算 1 蜂窝结构实质是为了复用提供可供使用的频谱 同时减少由于复用产生的干扰 信干比Sr P有效来自BS的有效信号强度 P干扰 i第i个造成干扰的BS的信号强度 接收信号强度Pr kPtd 信干比的一般表达式 同频小区之间距离 市区距离功率斜率 信号信干比的计算 2 用分贝表示信干比 K区群的大小 频率复用因子 例 AMPS的蜂窝结构 当给用户提供良好的语音质量时 可接收的信号干扰比18dB 频率的复用因子K是多少 Sr 18dB 1 76 20lgK 20lgK 18 1 76 K 7 2 蜂窝网覆盖设计 顶点激励和中心激励方式基站放在小区中央 采用全方向天线形成圆形覆盖区的方式 称为中心激励方式 缺点 假如小区内有大的障碍物 会造成阴影区 基站放在正六边形的3个成120度角的顶点上 用120度的扇形覆盖的定向天线的方式 称为顶点激励方式 优点 获得较大的信干比 减少向外的干扰 从而可以减小同频复用距离 顶点激励信干比 使用1200定向天线 分配给一个小区的信道进一步分为3部分 每一部分供小区的一个扇区使用 同频道干扰小区的数量由6减为2 因此增加了信号干扰比 实际增大蜂窝系统容量的方法 最常用的三种方法为 小区分裂 裂向和覆盖区域逼近 另外还有一种新的微小区技术 小区分裂 将拥塞的小区分成更小的小区 每个小区都有自己的基站并相应的降低天线的高度和减小发射机功率 小区分裂能提高信道的复用次数 从而提高系统容量 小区扇形化 依靠基站方向性天线来减少同频干扰以提高系统容量 使用定向天线来减小同频干扰 从而提高系统容量的技术也叫做裂向 通常将一个小区分成3个120度的扇区或是6个60度的扇区 覆盖区域逼近 通过合理的布设基站来增加覆盖面积 相应地增加系统容量 2 蜂窝网覆盖设计 小区分裂网络设计初期 认为服务区内n个小区大小相同 用户密度均匀分布 各基站信道数相等 随着用户数的增加 用户的分布不再均匀 有的小区甚至出现信道不够的情况 把高用户密度的小区面积划得更小 将全向覆盖改为定向覆盖 使每个小区的信道数增多这种措施称为小区分裂 用户密度不等的小区结构 蜂窝层次结构 2 蜂窝网覆盖设计 增大蜂窝系统容量的方法 在原基站上分裂将中心设置基站的全向覆盖区分裂成几个定向天线的小区 如图所示 一个全向天线覆盖的小区分裂成3各120度扇形小区或6个60度的扇形小区 对载波干扰比C I和话务量等性能的分析比较可知 120度扇形的扇面太宽 C I较低 特别是在边界处难以保证通话质量 60度扇形的C I高 但覆盖面较小 重叠区较深 2 蜂窝网覆盖设计 增大蜂窝系统容量的方法 三叶草形小区分裂方式考虑到正六角形小区的C I高和重叠区小的优点 所以小区分裂应考虑尽量分裂成正六边形形状 下图为1 3的分裂方式 对新的小区而言 基站为顶点激励方式 每个基站120度定向覆盖三个呈 三叶草 型的新小区 采用这种分裂方式的优点 增加了小区数目 但不增加基站数量 利用定向天线 降低同频干扰 减少维护工作量和基站的建设投资 采用这种方式需要有一个长期的频率使用规划 2 蜂窝网覆盖设计 增大蜂窝系统容量的方法 增加新基站的分裂用缩小小区半径 增加新的蜂窝小区 并在适当的地方增加新的基站的方式来增加系统容量的 为了降低对邻区的干扰 应降低基站发射功率 降低基站天线高度 多元蜂窝网络组成的蜂窝网 使用重叠小区 信道在较大的宏小区中划分 宏小区与整个包含在其内的较小的微小区同时存在 同一个BS同时用于宏小区和微小区 在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的 内含 蜂窝 形成分级蜂窝结构 目的 解决小区内的 盲点 和 热点 提高网络的容量 例 一个三层分级蜂窝结构包括宏蜂窝 微蜂窝 微微蜂窝 每种蜂窝执行定义好的不同的功能 宏蜂窝 处理快速移动车辆的业务微蜂窝 处理慢速移动 步行或阻塞车辆的业务微微蜂窝 覆盖商场和办公区域 移动通信网的频率配置 我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率 控制方便 投资少 但信道的利用率下降 二信道 频率 配置 固定信道配置把可用频谱按区群大小划分 从而确定每个小区的无线信道的数目 信道借用技术高流量小区向低流量的小区借用信道频率 临时信道借用静态信道借用 信道根据有效流量非均匀分布于小区 用预测方式改变分布 动态信道配置用以适应临时流量变化和空间流量变化 原理 所有信道都放在存储池中 它们根据所有小区中的总信号干扰模式被分配给一个新的通话 每个信道都可用于任一个小区 只要它满足系统总的信干比要求 当通话结束 该信道归还存储池 集中式 所有信道放在中央存储池分布式 由基站决定本地的频率分配 适用于微蜂窝结构 蜂窝小区系统采用频率复用 系统信道需要合理分配 以达到合理使用频率资源 避免互调干扰和邻频干扰 信道如何分配 频率配置 等频距配置法设给定的频段以等间隔划分为信道 按顺序分别标明各信道的号码为 1 2 3 原则 等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔 例如 第一组用 1 1 N 1 2N 1 3N 第二组用 2 2 N 2 2N 2 3N 第三组用 3 3 N 3 2N 3 3N 等 这样加大了同一小区内信道间隔 可有效抑制信道间干扰 例如 N 7 35个信道频段 则信道的配置为 第一组1 8 15 22 29 第二组2 9 16 23 30 第三组3 10 17 24 31 第四组4 11 18 25 32 第五组5 12 19 26 33 第六组6 13 20 27 34 第七组7 14 21 28 35 这样同一信道组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔 若信道间隔为25kHz 则其最小频率间隔可达175kHz 这样 接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰 如果是定向天线进行顶点激励的小区制 每个基站应配置三组信道 向三个方向辐射 例如N 7 每个区群就需有21个信道组 整个区群内各基站信道组的分布如图5 17 图5 17三顶点激励的信道配置 分区分组配置法原则是 尽量减小占用的总频段 以提高频段的利用率 同一区群内不能使用相同的信道 以避免同频干扰 小区内采用无三阶互调的相容信道组 以避免互调干扰 若每个区群有7个小区 每个小区需6个信道 按上述原则进行分配 可得到 第一组1 5 14 20 34 36 第二组2 9 13 18 21 31 第三组3 8 19 25 33 40 第四组4 12 16 22 37 39 第五组6 10 27 30 32 41 第六组7 11 24 26 29 35 第七组15 17 23 28 38 42 AMPS 美国蜂窝系统 每个服务提供商可得12 5MHz频率 下行链路 使用829 894MHz频段的一半 上行链路使用824 849MHz频段的一半 这些频段分为416对频段 每个30KHz 每个频段承载一个话音用户 21个用于控制信道 395个用于语言信道 频率复用因子7时 干扰最小化 第一组1 8 15 390 第二组2 9 16 391 第七组7 14 21 396 GSM固定信道配置 下行链路和上行链路各25MHz频段 每个无线载波200kHz带宽 每个载波8个时隙 可支持8个语言用户 总共125个载波 实际用124个 如果区群大小K 4 第一组1 5 9 120 第二组2 6 10 121 第三组3 7 11 122 第四组4 8 12 123 二 多信道共用技术 在移动通信网的一个无线区内假设有n个信道 m个用户 m个用户对这n个信道的使用有两种方式 独立信道方式和多信道共用方式 独立信道方式 设一个无线区内有n个信道 对区域内的每个用户分别指定一个信道 不同信道内的用户不能互换信道 独立信道方式示意图 信道1 用户2345678阻塞 信道2 用户910111213141516 信道n 用户m 7m 6m 5m 4m 3m 2m 1阻塞 用户1接入 用户m接入 无用户接入 多信道共用方式 在一个无线小区内的n个信道 为该区内的m个用户所共用 则当k k n 个信道被占用时 其他需要通话的用户可以选择剩下的任一空闲信道通话 共用信道方式示意图 两种方式的比较 独立信道方式在信道分配原则上简单 但是信道不能充分利用 即信道利用率低 多共用信道方式在相同多的用户的信道的情况下 会使用户通话的阻塞概率明显下降 即可明显提高信道的利用率 多信道共用可使用户数目明显增加 但也不是无止境的 否则将使阻塞率增加而影响质量 采用多信道共用方式 在保持一定通话质量的情况下 一个信道究竟平均分配多少用户才合理 共用信道之后呼叫不通的概率是多少 这就是我们要讨论的话务量和呼损问题 1 话务量与呼损率的定义P181 话务量 指单位时间内 1小时 进行的平均电话交换量 流入话务量A取决于单位时间 1小时 内平均发生的呼叫次数 和每次呼叫平均占用信道时间 含通话时间 S 单位 爱尔兰 Erlang 完成话务量A0 0为单位时间内成功呼叫的次数 0 呼损率 在一个通信系统中 造成呼叫失败的概率损失话务量占流入话务量的比率即为呼叫损失的比率 称为 呼损率 用符号B表示 A 平均一小时内所有呼叫需占用信道的总小时数 B 通信网的服务等级或业务等级 GOS 2 完成话务量的性质与计算 成功呼叫次数 设在观察时间T小时内 全网共完成C1次通话 则每小时完成的呼叫次数为完成话务量 式中 C1S即为观察时间T小时内的实际通话时间 实际通话时间 设总的信道数为n 在观察时间T内有i i n 个信道同时被占用的时间为ti ti T 完成话务量 当观察时间T足够长 ti T就表示在总的n个信道中 有i个信道同时被占用的概率 可用Pi表示 5 7 A0 通信网同时被占用信道数的统计平均值 也是单位时间内各信道被占用时间的总和 表示通信网的繁忙程度 某通信网共有8个信道 从上午8时至10时共两个小时的观察时间内 统计出i个信道同时被占用的时间 小时数 如表5 1所示 表5 1 利用 5 7 式 有 爱尔兰 例 这说明在总共8个信道中 在2小时的观察时间内平均有3 5个信道同时被占用 每信道每小时的平均被占用时间为3 5 8 0 4375小时 因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰 因此它的平均信道利用率就是43 75 3 呼损率的计算 呼损率不同情况下 信道的利用率也是不同的 信道利用率 可用每小时每信道的完成话务量来计算 即 呼损率 ErlangB公式 信道利用率 表5 2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系 表5 2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系 在B一定条件下 随着n的加大A不断增长 n6时接近线性关系 在B一定条件下 随着n的加大而增长 但当n 8之后增长很慢 因此 同一基站的共用信道数不宜过多 4 用户忙时的话务量与用户数 繁忙小时集中度 K k 忙时话务量 全日话务量k一般为8 14 每个用户忙时话务量 a 其中 C为每一用户每天平均呼叫次数 T为每次呼叫平均占用信道的时间 单位为秒 k为忙时集中度 物理意义 a为最忙时间的那个小时的话务量 是统计平均值 C 3 次 天 T 120 秒 次 k 10 忙时话务量 a 0 01 爱尔兰 用户 国外资料表明 公用移动通信网可按a 0 01设计 专业移动通信网可按a 0 05设计 由于电话使用的习惯不同 国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少 建议公用移动通信网按a 0 02 0 03设计 专业移动通信网按a 0 08设计 全网的用户数为m n 例 每信道所能容纳的用户数 表5 3用户数的计算 以a 0 01 爱尔兰 用户 计算出每信道的用户数如表5 3所示 在a值不同时 则需另行计算 在确定共用信道数n的条件下 降低服务等级就可容纳更多的用户 5 空闲信道的选取 空闲信道的选取方式主要可以分为两类 一类是专用呼叫信道方式 或称 共用信令信道 方式 另一类是标明空闲信道方式 专用呼叫信道方式 这种方式是在网中设置专门的呼叫信道 专用于处理用户的呼叫 移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守候 标明空闲信道方式 标明空闲信道方式可分为 循环定位 标明空闲信道方式 循环不定位 循环分散定位方式 专用呼叫信道方式 定义 在给定的多个信道中 选择一个信道专门用作呼叫 该信道有两个作用 一是处理呼叫 二是指配话音信道 专用信道 专用信道1 发空闲信号 MSC BS 专用信道1 发空闲信号 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 发对MS1的寻呼信号 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 寻呼成功 指定可用信道如信道3 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 MSC BS MS1 MS2 MSn 信道3 发空闲信号 对于专用信道呼叫方式 为了减小同抢概率 要求专用呼叫信道处理一次呼叫过程所需的时间很短 一般为几百毫秒甚至更短 这样一个信道就可以处理成百上千个呼叫 适用场合 采用数字信令的大容量通信系统 对于信道数目小于12的小容量移动通信系统不适合 目前的蜂窝电话系统就采用这种方式 标明空闲信道方式 1 标明空闲信道方式 循环定位方式 定义 系统中没有专用的呼叫信道 而是由BS临时指定一个信道做呼叫信道 并在这个信道上发空闲信号 而所有空闲的移动台通过信道扫描 停留在发空闲信号的信道上 一旦有寻呼成功 该信道就成为一个业务信道 基站再另选空闲信道作为临时呼叫信道发空闲信号 空闲的移动台自动转到新的临时信道上守侯 定位 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发空闲信号 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发空闲信号 MS1 MS2 MSn BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发对MS2的寻呼信号 MS1 MS2 MSn BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 MS2接入该信道通话 MS1 MS2 MSn 发空闲信号 特点 呼叫信道是临时的 不断变化的 呼叫信道一旦转为通话信道 BS要重新确定某空闲信道为临时呼叫信道 发空闲信号 而移动台收不到空闲信道就不断进行信道扫描 这种方式信道利用率高 接续快 但同抢概率大 适用场合 小容量系统 2 标明空闲信道方式 循环不定位方式 定义 基站在所有空闲信道上都发空闲信号 网内未通话的移动台自动扫描信道 随机停靠在就近的空闲信道上 不定位 当基站呼叫移动台时 选择一个空闲信道发时间足够长的召集信号 其他空闲信道停发空闲信号 而后发选呼信号 网内移动台收不到空闲信号就要重新进入扫描状态 一旦扫到召集信