移动通信技术ch移动通信组网原理.ppt

移动通信MobileCommunication 兰州交通大学电信学院主讲 刘玉红 liuyuhong 2 目录 第一章概述 4学时 第二章移动通信组网原理 8学时 第三章移动信道中的电波传播 8学时 第四章数字移动通信关键技术 8学时 第五章GSM GPRS数字蜂窝移动通信系统 8学时 第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统 6学时 第七章第三代 3G 数字蜂窝移动通信系统 8学时 第八章移动数据传输 4学时 第九章未来移动通信展望 2学时 习题讲解与课堂练习 6学时 复习 2学时 3 第二章移动通信组网原理 2 1大区制移动通信网2 2频率复用和小区制移动通信网2 2 1构成及特点2 2 2条 带 状服务区2 2 3面状服务区2 3移动通信网的信道分配策略2 3 1固定信道分配2 3 2动态信道分配2 4干扰和系统容量2 4 1同频干扰2 4 2邻频干扰 4 2 4 3移动台的功率控制2 4 4蜂窝系统容量的改善2 4 3面状服务区2 5多信道共用技术2 5 1话务量 呼损率和系统用户数2 5 2信道的自动选择方式2 6越区切换2 6 1切换门限值 切换过程和信道分配2 6 2实际切换中需要注意的问题 5 2 1大区制移动通信网通常移动通信网的体制可分为小容量的大区制和大容量的小区制 6 一 大区制的概念指一个基站覆盖整个服务区二 特点基站发射功率很大 一般为50 200W 大区制系统的基站频道数是有限的 容量不大 只适用于中小城市和专用移动通信等大区制的网络结构简单 成本低 7 2 2频率复用和小区制移动通信网2 2 1构成及特点 8 一 小区制的概念将整个服务区划分成若干个半径为2 20km的小区 每个小区中设置一基站负责与小区内移动用户的无线通信 这种方式称为小区制 目的 为了解决大区制系统容量不高 频谱利用率低等问题 9 二 小区制的特点可以提高频率利用率 增加用户容量 因为同一组信道频率可以多次重复使用小区制中因为采用了频率复用技术 因此带来同频道干扰问题网路构成复杂 需要越区切换 漫游 位置登记 更新等 10 2 2 2条 带 状服务区一 定义条状服务区是指用户的分布呈条状 例如铁路 公路 狭长城市 沿海水域 内河等 11 二 频率分配可采用二频组 三频组 四频组进行频率复用二频组 采用不同频道组的两个小区组成一个区群三频组 采用不同频道组的三个小区组成一个区群四频组 采用不同频道组的四个小区组成一个区群 二频组 三频组 12 三 重叠区的确定假设小区半径为R 相邻小区的交叠宽度为a 第n 1区与第1区为同频道小区 采用无方向性天线 当移动台处于覆盖区边缘时 遭受同频干扰影响最为严重 此时 收到的有用信号功率中值则与dS成比例 而收到K台的干扰功率与dI成比例 假设重叠区宽度a 0 则边缘处信干比为 当有m个基站也使用同一频率时 可得最低C I值为 dS dI n 基站A 基站K J 13 当移动台处于覆盖区边缘点时 受到的同频干扰最严重二频组 A与C同频 三频组 A与D同频 n频组 A与n 1同频 重叠区宽度a可根据C I设计要求 由上式计算出来在C I符合要求 即大于同频干扰防卫度的前提下 为了使频率利用最经济 希望同频复用距离D越小越好 14 2 2 3面状服务区当服务区是一个宽广的平面时 称为面状服务区 15 一 小区形状在面状服务区设计时 能覆盖一个平面的规则多边形有正三角形 正方形 正六边形三种 16 从下表可看出 对于同样大小的服务区域 采用构成的小区所需的小区数最小 是最经济的一种方式 正六边形 17 二 频率复用和簇 区群 的构成为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划 1 区群的概念区群的概念 把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇 同频小区 不同簇中使用相同频率的小区同频复用距离 任意两个同频小区之间的距离 18 2 构成簇 区群 的条件簇之间可以邻接且无空隙无重叠的进行覆盖整个服务区相邻簇中 同频小区之间的距离相等3 簇内小区数可以证明 区群内的小区数应满足下式 式中 i j为相邻同频小区间的相隔小区数 取正整数且不同时为零 19 簇内小区数N的取值 20 三 同频复用距离1 确定同频小区间位置的方法自某小区A出发 先沿边的垂线方向跨i个小区 再按逆时针方向转60度 再跨j个小区 就可以找到同频小区 共6个 21 2 同频复用距离 同频复用比同频复用距离D 相邻的两个簇中 位置对应的两个同频小区中心之间的距离可见 簇内小区数N越小 同频小区之间的距离越近 抗同频干扰的性能越差 但频率利用率越高 22 四 中心激励与顶点激励中心激励 基站设在小区的中央 由全方向天线形成圆形覆盖区顶点激励 若基站设在正六边形的三个顶点上 用扇形辐射的定向天线 优点 消除障碍物阴影 对来自天线方向图主瓣之外的干扰有一定的隔离度 23 中心激励顶点激励 24 五 频率复用模式对于全向覆盖并由N个小区组成的区群 频道总数被分成N组 每个小区分给一个频道组 区群获得全部频率 相邻的区群重复使用相邻的频率分配模式频率复用模式的确定主要以同频干扰防护门限为依据 若N太大 则每个小区中分得的频道数太少 若N太小 每个小区频道数增加 但由于同频小区距离近而使同频干扰增大 常用的N 12 9 7 4 3 25 举例 GSM频率规划方式若为无方向性天线 采用N 7复用方式若为方向性天线 一般采用4 3复用方式 话务密集区采用3 3复用方式 26 27 2 3移动通信网的信道分配策略信道分配策略主要有两类 固定的和动态的 28 2 3 1固定信道分配概念 将频道固定分配给某个小区使用 蜂窝系统采用此法1 分区分组法遵循的准则所需波道尽量占用最小的频段 即尽量提高频段利用率为避免同道干扰 在单位无线区群内不能使用相同波道为避免三阶互调干扰 在每个无线小区内应采用无三阶互调波道组 29 判别是否存在三阶互调干扰 设信道频率和信道序号之间的关系为 当n个信道序号按照上升顺序排成信号序列时 任意两个信道间的差值为 结论 判别某个预选的信道组之间是否存在三阶互调干扰 只要确定信道序号差值序列中有无相等的差值即可 30 举例 判别预选信道组 1 2 9 13是否存在三阶互调解 因为任何两个信号序列的差值均不等 所以此信道组无三阶互调干扰 31 2 等频距分配法按信道之间的频距相等的原则进行信道分组 是大容量蜂窝网广泛使用的方法 优点 只要频距选得足够大 就可以有效地避免邻道干扰 控制简单 缺点 信道的利用还不够充分 32 举例 GSM系统中的频率分配 33 2 3 2动态信道分配概念 每个无线区使用的信道数是不固定的 当某时刻业务量大时 使用的信道数就多 否则就少 以增大系统容量和改善通信质量 其特点 控制复杂频率利用率高 34 一种混合信道分配方式 信道借用策略概念 如果某小区租户的所有信道都已被占用 允许该小区从相邻小区中借用信道 35 呼损率与出租信道数变化关系 在不同热点小区到达率条件下最佳出租信道数和呼损率 36 2 4干扰和系统容量蜂窝系统中的干扰主要有两种类型 同频干扰和邻频干扰 37 2 4 1同频干扰概念 同频小区之间的干扰两种同频干扰 1 MS接收信号和同频干扰2 BS接收信号和同频干扰 38 同频复用比Q 同频复用距离和小区半径的比值对于正六边形小区 1212345345671267123451234567345671267123453456767 Q D R 4 6N 7 D R 2 13 242 1313 424 13 4 39 结论 N D 抗同频干扰的性能 但频率利用率在满足同频干扰比指标的条件下 应尽量提高频率利用率 N尽量小 40 1 全向小区S I的计算前提 忽略噪声的影响 MS作为接收方则S I为 其中 S是来自目标基站中的想获得的信号功率 Ii是第I个同频干扰小区的基站信号对移动台的干扰功率 假设 同频BS的发射功率相等 且距被干扰MS的距离为则S I为 最好情况下 令 则C I为 式1 41 最坏情况下 MS位于小区的边缘则S I为 令 则S I为 式2 42 举例 若蜂窝系统的前向信道要求的信干比为17dB 假设第一层中有6个同频小区 且它们与移动台之间的距离都相同 路径损耗指数n 4 讨论 当采用N 7的复用模式时 能否满足信干比要求 解 N 7 n 4 m 6根据式 1 所以 满足信干比要求 43 2 降低同频干扰的措施定向天线覆盖同频复用距离和频率分配方案的最佳化天线高度和功率控制天线俯仰角的调整调整天线方位角 44 天线俯仰角的优化优化时 通常将天线垂直平面方向图中上3dB半功率点指向小区边界 俯仰角的计算 45 2 4 2邻频干扰1 概念来自使用信号频率的相邻频率的信号干扰2 降低邻频干扰的措施精确的滤波有效的信道分配 46 2 4 3功率控制有利于延长用户设备的电池寿命显著减小系统中反向信道的S I功率控制对于CDMA扩频通信系统来说尤为重要 基地台 移动台MS2 移动台MS1 f1 f1 47 2 4 4蜂窝系统容量的改善提高蜂窝系统容量的常用方法 小区分裂 CellSplitting 小区扇形化 Sectoring 和覆盖区分区域1 小区分裂在现有小区的基础上划分更小的小区 增加新的蜂窝的小区 并在适当的地方增设新的基站 分裂后的每个小区都有自己的基站 基站的天线高度要相应降低 发射机功率也要减小目的 通过增加基站数量 使得单位覆盖面积内的信道数增加 从而提高频率复用率 增大系统容量 48 49 2 扇区化在原小区的基础上 将中心设置基站的全向覆盖区分成几个定向天线的小区优点 1 增加了小区数目 却不增加基站数量2 重叠区小 有利于越区切换3 利用天线的定向辐射性能 降低了同频干扰4 减小维护工作量和基站建设投资 50 全向小区 定向小区 扇区化 51 S1 S2 S0 52 2 5多信道共用技术多信道共用就是指 在一个无线区内的n个信道为该无线区内的所有用户共用 53 2 5 1话务量 呼损率 信道利用率 系统用户数1 话务量流入话务量A 单位时间内 通常是1小时 发生的平均呼叫次数 与每次呼叫平均占用无线波道的时间S 通常以小时为单位 的乘积 单位为 爱尔兰 完成话务量 在系统流入的话务量中 完成接续的那部分话务量 其中 0为单位时间内呼叫成功的次数损失话务量 未完成接续的那部分话务量 54 举例 设在100个信道上 平均每小时有2100次呼叫 平均每次呼叫时间为2分钟 则这些信道上的流入 或称为呼叫 话务量为多少 解 2100次 小时 S 2分钟 次流入话务量为 2100 2 60 70爱尔兰 55 2 呼损率损失话务量占流入话务量的比例爱尔兰公式 表示了呼损率B 共用波道数n和流入话务量A三者的定量关系说明 Erlang公式B是阻塞呼叫清除公式 它用于没有排队的情况 即用户发起呼叫是如果系统有空闲信道则立即进入 如果没有空闲信道呼叫会被拒绝并清除 ErlangB公式 56 57 3 信道利用率每个信道平均完成的话务量 58 4 系统用户数集中系数K 最忙一小时的话务量与全天话务量之比每用户的忙时话务量 其中 每一用户每天平均呼叫次数为C 每次呼叫平均占用波道的时间为T 秒 次 每个信道所能容纳的用户数 全网的用户数 59 举例 某一无线小区有8个信道 统计每天每个用户呼叫3次 每次占用信道120秒 忙时集中系数为10 当阻塞率为10 时 试问系统能容纳多少用户 平均每个信道用户数为多少 信道利用率为多少 解 n 8 C 3次 天 T 120秒 K 10 B 10 根据爱尔兰公式 查表 得总话务量为 A 5 597爱尔兰每用户的忙时话务量 爱尔兰系统能容纳用户数 个平均每个信道用户数 信道利用率 60 2 5 2信道的自动选择方式1 专用呼叫信道方式 或称 共用信令信道 方式 在给定的多个共用信道中 选择一个信道专门作为呼叫信道 以完成建立通信联系的信道分配 而其余信道作为话务信道 适用于共用信道数较多的系统 即大容量用户的系统 我国900MHz蜂窝式移动电话网就是采用这种方式2 标明空闲信道方式主要用于小容量移动电话网 61 2 6越区切换 概念 为保证通信的连续性 当正在通话的移动台从一个小区移动到另一个小区 或在同一小区中不同扇区之间进行移动 时 MSC自动将呼叫转移到新小区的信道上 该过程称为越区切换 越区切换分为两大类 一类是硬切换 例如GSM系统 另一类是软切换 例如CDMA系统 62 CDMA2000 IS 95CDMA IS 95CDMA Hand Down Hand Up 硬切换 63 Play 软切换 64 2 6 1切换门限 切换过程和信道分配1 越区切换门限值启动切换的门限信号电平强度P切换门限 P0 其中 P0为可接受语音质量的最小可用信号电平强度 的取值要适当 太大会增加不需要的切换 太小会导致掉话 65 2 切换过程保证所检测的信号电平的下降不是因为瞬间的衰减 而是由于移动台正在离开当前服务的基站当MS从一个相邻小区的基站中接收到的信号强度比当前服务基站高出一定的电平且维持了一定的时间时 就准备进行切换 66 3 切换时的信道分配常用的做法 在每个小区预留部分信道专门用于