第三讲蜂窝移动通信系统PPT课件.ppt

前文回顾 移动通信的基本概念移动通信的发展历程和现状移动通信中的关键技术移动通信的特殊性通信介质 无线信道 的特殊性通信终端的特殊性 移动通信原理与应用 第三讲 蜂窝移动通信系统 移动通信中的噪声和干扰 噪声内部噪声 人为噪声 自然噪声邻道干扰同频干扰互调干扰多址干扰 噪声对移动通信的影响 人为噪声主要表现为车辆点火噪声噪声强度随地点的分布近似服从对数正态分布噪声对话音质量产生恶化车辆在行进的动态过程中 恶化量为达到静态条件下一样的话音质量所需的接收电平增加量 邻道干扰 来自相邻或者相近的频道的干扰 非理想的滤波器是产生邻道干扰的主要原因 由于工作频带紧随的若干频带的寄生边带功率 宽带噪声 杂散辐射等产生的干扰移动通信网内 一组空间分散的临近工作频道引入的干扰1 发信边带扩展 发信频谱超出限定的宽度 成为落到相邻频道的带外辐射干扰 如我国在第一代移动通信系统中规定 在160MHz和450MHz频段 落在相邻频道16KHz带内的干扰功率 应较载波功率低70dB 解决方法 拉宽频率间隔 发信端使用滤波器 2 发信机边带噪声存在于发信机载频的两侧 而且噪声频谱很宽 可能在数M赫兹内对接收机产生干扰 邻道干扰 邻道干扰 3 发信机的杂散辐射在有用带宽以外的某些频率点上的寄生辐射 如发信机内部的源的寄生辐射等4 蜂窝网内临近信道的干扰网内距离最小 具有讨论价值的频道间的干扰 同频干扰 所有落在接收机通带内 与有用信号频率相同或者相近的无用信号所产生的干扰 同频干扰在诸多干扰因素中主要地决定了蜂窝系统的通话质量 由于产生同频干扰的无用信号与有用信号具有非常相似甚至相同的信号特征 而且和有用信号表现为加性 所以接收端无法滤除和抑制同频干扰 同频干扰 产生的原因 同频干扰产生主要原因是蜂窝移动通信系统中采用了频率复用来提高频谱利用率 因此同频干扰不可避免 同频干扰频率复用率对同频干扰和同频复用距离的研究是小区制移动通信网频率分配的依据规定射频防卫度 达到主观上比较满意的接收质量时 射频信道与干扰信号的比值 亦即 接收信号与同频干扰的比值必须大于射频防卫度 一般规定话音4级时17dB 3级时12dB 话音质量 同频干扰 几个定义 同频小区 使用相同频率的小区 R 小区半径同频复用距离 D 两个同频基站之间的距离 Q D R 同频复用比 同频干扰示意图 同频干扰 假设 A B两个基站具有相同的设备参数 发射功率同为归一化功率Pt dBW 移动台MS此时应该具有最小的载干比 最大的同频干扰 LS为基站A到MS的路径损耗 LI为基站B到MS的路径损耗 那么 易知 MS接收到A基站的输入信号功率为 C Pt LSMS接收到B急诊的同频干扰功率为 I Pt LI 设DS DI分布为MS到基站A和基站B的距离 为信号的波长 为衰落指数 可以取2 4 路径损耗由以下公式给出 LS 4 DS LI 4 DI 以dB表示信号 干扰之比 同频干扰 互调干扰 当多个不同频率的信号加到非线性器件上时 非线性变换将会产生许多组合频率 其中一部分可能会落到接收机通带内 从而对有用信号产生干扰 成为互调干扰 产生原因发射机功率放大器的非线性性接收机高频放大器或者混频器的非线性性一般分析互调干扰是只需要考虑三阶的互调干扰 多址干扰 CDMA系统的蜂窝系统中 所有的用户在同一频率上同一时间上工作 通过一系列正交码字来区别各个用户 如果由于无线环境造成码字的非完全正交性 必然会产生码间干扰 多址干扰是CDMA系统的主要干扰 因此决定了CDMA系统的容量 问题1蜂窝概念的引入 大区制在一个服务区域 如一个城市 内只有一个基站 并由它负责移动通信的联络和控制 大区制移动通信网 蜂窝概念的引入 早期的移动通信网一般是大区制主要特点 基站天线很高 几十 几百米基站发射功率大 50 200W覆盖半径 30 50km优点 网络结构简单 成本低缺点 频谱利用率低 服务性能差 容量小 一般用户几十 几百个 一般用于专网 蜂窝概念的引入 提高覆盖半径是大区制需解决的问题决定覆盖半径的因素 地球的曲率限制了传输的极限范围地形环境影响 信号传播可能产生盲区多径反射限制了传输距离移动台发射功率小 上行信号传输距离有限 上下行传输增益差可达6 12dB 蜂窝概念的引入 解决上行问题的办法 设置分集接收台基站发射用全向天线 接收用定向天线提高基站接收灵敏度 大区制设置分集接收台示意图 蜂窝概念的引入 出发点 解决或者缓和有限的频谱资源和用户容量之间的矛盾目的1 解决无缝覆盖问题2 通过某种机制提升通信系统用户容量 蜂窝系统 小区制系统 1974年Bell实验室提出蜂窝移动通信系统 小区制网构成方式基本概念小区制 利用频率复用的概念 将整个服务区域划分成若干个小区 每个小区分别设置一个低发射功率的基站 负责本小区的通信 频率复用 N个相邻的小区组成一个区群 簇 将可供使用的频道划分成N组区群内的每个小区使用不同的频率组相邻区群重复使用相同的频率组分配模式 蜂窝系统 小区制系统 基本小区有 r0 小区半径 超小区 r0 20km 农村 宏小区 r0 1 20km 人口稠密地区 微小区 r0 0 1 1km 城市繁华区 皮小区 微微小区 r0 0 1km 办公室 家庭 解决的问题 用户容量大 服务性能号 频谱利用率相对较高 用户终端小巧且电池使用时间长 辐射小等新的问题 系统复杂 越区切换 漫游 位置登记 更新和管理以及系统鉴权 需要有交换设备 使成本增加按服务区形状分 带状服务区 面状服务区 蜂窝系统 带状覆盖服务区 用户的分布呈条状 或带状 如铁路 公路 沿海沿河水域等 蜂窝系统 带状覆盖服务区的多频复用 双频复用 三频复用 四频复用 课堂习题 试计算如下带状覆盖服务区下的同频干扰的C I值 R a MS A A C B R a MS A C B m个小区 蜂窝系统 带状服务区的重叠区 重叠区域过大 越区干扰比较大 重叠区域过小 形成弱电场 蜂窝系统 面状服务区 指服务区不呈条状而是一个宽广的平面 蜂窝系统 面状服务区 小区形状 应该是规则结构 圆形 全向天线 三角形 正方形 六边形 蜂窝的由来 对于同样大小的服务区域 采用正六边形构成小区所需的小区数最少 无重叠区 故所需的频率组数也最少 最经济 仅有理论分析和设计意义 r 蜂窝系统 面状服务区的激励方式 中心激励基站位于小区中心 有时会有辐射阴影 顶点激励在顶点上设置基站 并采用三个互成120 的定向天线 以避免辐射阴影 蜂窝系统 面状服务区的区群 区群 簇 Cluster 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇 区群 若N越小 则系统中区群复制得越多 系统容量越大 频率的利用率越高 N叫做区群的大小 典型值3 4 7 9 12 构成蜂窝网的二次几何图形 蜂窝系统 面状服务区 设蜂窝移动系统区群的大小为N 区群内每个小区分配有K个信道 小区间信道分配各不相同区群在系统中复制M次每个区群的双向信道有 S KN该系统的容量为 C MKN MS 蜂窝系统 构成区群的条件 构成区群的基本条件 基本图案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 且为最大 满足上述两个条件的簇的形状和簇内小区数N是有限的 并且N应该满足下式 a和b分别为相邻同频小区之间的二维距离 相邻小区数 都为正整数 不能同时为零 蜂窝系统 面状服务区 区群内同频小区位置的确定沿着任意一条六边形边的垂线方向穿过a个小区 并逆时针方向旋转60 再穿过b个小区 a 3 b 2 N 19 右图 图2 3确定同频小区的方法 60o 蜂窝系统 面状服务区 常见正六边形小区群的图案 蜂窝系统 面状服务区 思考 画一个N 4的蜂窝系统结构 要求至少包括3个区群 将簇中小区所用频率组用A B C D标识 问题2干扰和信道容量 干扰和噪声噪声 内部噪声 人为噪声 自然噪声邻频干扰 相邻频率之间的干扰同频干扰 相同频率之间的干扰互调干扰 器件特性造成的干扰多址干扰 码字相关带来的干扰 同频干扰频谱利用率同频小区之间距离越小 频谱利用率越高 但同频干扰越大 同频小区之间距离越大 则同频干扰越小 但频谱利用率降低 同频干扰 1 定义 同频干扰 指所有落到接收机同带内的 与有用信号频率相同或相近的无用信号所产生的干扰同频小区 使用相同频率的小区 同频复用距离 D 当信号 同频干扰比满足通信质量要求或达到规定的C I指标时 两个同频小区之间的距离 2 在诸多干扰因素中 同频干扰主要地决定了蜂窝系统的通话质量3 产生同频干扰的无用信号与有用信号具有相同的信号特征 同频 所以