第一章 无线覆盖区设计概论

第一章第一章 无线覆盖区设计概论无线覆盖区设计概论 第一节第一节 系统设计要素系统设计要素 在蜂房移动电话系统问世以前 常规的移动电话系统存在很大的局限性 如频谱利用 率低 服务容量严重不足 服务性能参差不齐等 蜂房小区概念的出现 使上述问题得到了充分的解决 特别是蜂房小区极大地提高了 无线频率资源的重复利用率 使系统容量从每平方公里几十爱尔兰增加到几千甚至上万爱 尔兰 在工程技术人员的精心设计下 移动电话的通话质量也逐步趋向于可与有线网络相 媲美的地步 然而 这些技术性能的提高在很大程度上得益于精心的工程设计 其基本要 素包括 1 频率复用的概念 2 同信道干扰保护及信道效率 3 所需的载干比和载噪比 4 无线覆盖区的通信概率 5 切换机制及功率控制技术 6 蜂房小区的裂变等 我们将在本教材中按照它们所隶属的基本理论知识分章叙述 一 话务量和呼损一 话务量和呼损 1 设计话务量 设计话务量 所谓话务量是电话负荷大小的一种度量 通常是指电话用户在某段时间内所进行的通 话交换量 又称话务负荷 它可以用以下关系式表示 Y M C T 1 1 式中 Y 为总话务量 M 为用户数 C 为在某段时间内 每用户占用信道的平均次数 T 为在某段时间内 每用户占用信道的平均时长 在工程设计中 需要忙时话务量的指标 因为忙时话务量 即忙时最大话务负荷 才 是工程设计的依据 每一用户的忙时话务量可用下式表示 A t 1 2 式中 A 为每用户的忙时话务量 为每用户在一天内的呼叫次数 为忙时集中率 系数 忙时话务量 全天话务量 t 为每用户每次通话占用信道的平均时长 通常 因为爱尔兰分布较符合多频道共用的实际情况 所以以爱尔兰 Erlang 表示 话务量的单位 在式 1 2 中 若设 6 次 天 用户 t 1 5 分钟 即 0 025 小时 次 忙时集 中率 则 A 0 025 爱尔兰 6 1 在陆地移动通信系统中 无论是 G 网或者 C 网 对移动台主叫和被叫 以及移动呼移 动的话务量均分别予以统计 从而确定系统的广播控制频道和呼叫频道的数目 2 无线频道呼损率 无线频道呼损率 一个系统全部频道被占用之后再发生呼叫 就出现呼损 当输入话务量为 A 系统完 成的话务量为 A 时 系统呼损率 E 若按呼叫话务量和呼叫次数计算 则为 E 1 3 A AA tC tCtC O S o O SO C CC 式中 Co为单位时间内发生的平均呼叫次数 Cs为单位时间内呼叫成功而通话的次数 我们可以很容易地得到全部频道 N 被占用的概率 PN 也即按时间计算的呼损 率 E E PN 1 4 N i i N iA NA 0 根据 1 4 式 可以得到 E 和 A N 之间的数量关系 也即话务工程中常用的巴尔姆 表 由该表可见 若已知 A E N 中任何二个参量 便可查得另一参量 例如 设某基站 覆盖区内 每用户忙时话务量为 0 03erl 1000 个用户的总话务量为 30erl 当呼损取 5 时 则所需无线频道数由巴尔姆表可见为 36 为方便起见 在表 1 1 中 我们给出在呼 损率为 5 和 10 以及话务量为 0 01 0 1 的条件下 无线频段数与用户数之间的关系 需要特别指出的是 上述的呼损是指频道数拥挤而造成的 在无线通信中 它还受无 线覆盖区内的可通概率的影响 这一点 我们将在本章第四节中叙述 表表 1 1 1 1 话务量话务量 A A 为为 0 010 01 0 10 1 时频道数时频道数 N N 与用户数与用户数 M M 之间的关系之间的关系 0 010 020 030 040 050 060 1 5 10 5 10 5 10 5 10 5 10 5 10 5 10 41532067610351683851304125341521 84545602272802511871131409111276974556 127959473974732653161982361591891321588095 1611541350577675385450288337231270192225115135 2015251761762880508587381440305352254293153176 24190321789511089634726476544380435317363190218 30248028112401405826937620703496562413468248281 40346038791730193911531293865969692776576646346388 6054576040272830201819201313641510109112089091006546604 10095241041147625205317534702881260319052082158917359521041 20019851214329925107166617714449625358397042863308357219852143 30030262324981513116249100871083375658048605264995043541630263250 M A E N 3 频道利用率 频道利用率 频道利用率是系统的一个重要参数 在一个系统中 若频道空闲的时间愈短 工作时 间愈长 则表明频道利用率愈高 换言之 在频道数一定时 话务量愈大 频道利用率就 愈高 在数值上 频道利用率就是每个频道在单位时间间隔内被占用的时间 也就是每个 频道完成的话务量 若以符号 代表频道利用率 它可以表示为 1 5 N A N AE 1 如以呼损率作参变量 频道数和频道利用率的关系如图 1 1 所示 图图 1 1 1 1 无线频道数和频道利用率的关系无线频道数和频道利用率的关系 由图可见 呼损愈小 频道利用率愈低 在同样呼损条件下 随着频道数的增加 起 初频道利用率有明显提高 但当频道数增加到一定数值后 频道利用率的提高就逐渐趋缓 而随着频道数的增加 系统的复杂程度也明显上升 总之 系统的频道数应当根据实际需 要的话务量 允许的呼损和经济效益等因素综合平衡合理地确定 二 系统设计方程二 系统设计方程 1 移动无线电路的设计原则及要素 移动无线电路的设计原则及要素 在设计一个无线覆盖区时 必须掌握一个基本原则就是设法使上行 移动台 基站 和下行 基站 移动台 的链路平衡 各自的余量相等 对 G 网最多也不能相差 3dB 对 C 网可以允许较大的分贝数 但通常也不能超过 10dB 其目的是保证上 下行覆盖范围 通信质量大致相同 设计中需考虑的三个要素是 1 覆盖区范围多大 2 要求的通信质量多高 对数字系统即归结为对误码率的要求 3 通信概率是多少 即移动台在覆盖范围内的任何位置上或在覆盖区边缘地区希望 满意通话的成功概率是多少 除了上述三个要素外 还应当考虑传播环境 地形地貌特征 工作频段 设备性能参 数等因素 在此基础上 就可以利用设计方程进行工程设计 2 设计方程 设计方程 系统设计方程可归纳为 SG SL SM 1 6 SG Pt Gt Gr Pmin 1 7 SL LP Lt Lr 1 8 式中 SM为系统余量 dB 取决于所需的通信概率 及覆盖区地形地貌所遵循的传播特 性 SG为系统增益 dB Pt为发信机输出功率 dBw Gt为发信天线增益 dB Gr为收信天线增益 dB Pmin为接收机所要求的输入最低保护电平 dBw SL为系统损耗 LP LP K 为中值路径损耗及其校正因素 Lt为发信端附加损耗 Lr为收信端附加损耗 附加损耗包括馈线 耦合器及匹配等损耗 需要特别指出的是 所谓系统余量是指对于一定的通信距离或者说对于该覆盖区的边 缘而言 系统增益减去系统损耗的剩余量 也是接收机可能接收到的输入信号电平减去为 保证一定的信号质量而要求输入的最低保护电平的剩余量 这个剩余量的大小直接与通信 概率有关 当剩余量为 0 dB 时 则表示覆盖区边缘可通概率为 50 我们将在本章第 四节中详细讨论 第二节第二节 最低保护功率电平最低保护功率电平 在工程设计中 常常需要了解接收机输入电压 最低保护场强与接收机要求的最低保 护功率电平之间的关系 本节将给出它们之间的定量换算关系 一 接收机的输入电压一 接收机的输入电压 如图 1 2 所示 当电幼势为 e 内阻 为 R 的信号发生器接至接收机输入端时 若内阻 R 与接收机等效输入阻抗相匹配 则接收机输入电压为 e 2 而接收机输入功率 为 e2 4R 但是 按照移动通信频段的习惯 接收机的输入电压不是以其实际的端电压 而是以信号发生器的电动势 即信号发生器 输出端的开路电压 来定义的 实际上这与信号发生器的刻度 不是采用 e 2 而是采用 e 是一致的 接收机输入电压以 1 V 为基准 其电压电平为 A 20lg dB v 1 e 或者 A 20lge V 120 dB v 1 9 相对应地 接收机输入功率为 e2 4R W 相对的功率电平 Pr 10lg dBw R e 4 2 将 1 9 式代入 可得 Pr A 10lgR 126 dBw 1 10 当 R 75 时 Pr A 145 dBw R 50 时 Pr A 143 dBw 1 11 二 接收电场强度与接收机输入电压的关系二 接收电场强度与接收机输入电压的关系 电场强度是指长度为 1m 的天线所感应到的电压 以 V m mV m 或 V m 计 对半波耦 合天线而言 其有效长度为 故其感应的电压为 e E V 1 12 式中 E 为电场强度 V m 为波长 m 由于半波偶极天线的阻抗是 73 13 而移动通信接收机的输入阻抗通常为 50 在 天线与接收机之间需有一个匹配网络 如图 1 3 所以 此时 接收机的输入电压 A 开路 电压 为 A e E 1 13 13 73 50 13 73 50 2 eR e R 信号源接收机 图图 1 2 接收机输入电压的定义接收机输入电压的定义 半波偶 极天线 图图 1 3 当采用半波偶极天线时接收机输入电压当采用半波偶极天线时接收机输入电压 50 接收机 匹配网络 若以 dB v 计 则有 A E 20lg 20lg 13 73 50 E 20lg 1 65 dB v E 20lg 11 6 dB v 1 14 对于其它接收天线 只需增加其相对于 半波偶极天线的增益 Gr即可 即 A E 20lg 11 6 Gr 1 15 三 接收机输入端要求的最低保护场强和功率电平三 接收机输入端要求的最低保护场强和功率电平 对移动电话而言 最低保护场强或最低保护功率电平是对接收机在动态环境下的指标 是指在实际的动态环境中 为了满足一定的通信质量 根据接收机的内部噪声 人为噪声 和多径传播效应而确定的最小必要场强或功率电平 以 Emin或 Pmin表示 对于半波偶极天 线 如不考虑馈线损耗等因素 由 1 14 式可得 Emin Amin 20lg 11 6 dB v m 1 16 Amin 20lg 11 6 f 300 Amin 20lgf MHz 38 dB v m 1 17 其中 Amin Sv d 而接收机输入端要求的最低保护功率电平相对应为 Pmin Pr d dBW 或 dBm 1 18 Sv为接收机静态灵敏度 v Pr由 1 11 式求得与灵敏度 Sv相对应的功率电平 dBw 或 dBm d 为环境噪声和多径传播效应所引起的恶化量 其数值视覆盖区环境而异 我们将在下一节中详述 第三节第三节 载噪比与载干比载噪比与载干比 一 热噪声与环境噪声特性一 热噪声与环境噪声特性 1 热噪声 热噪声 接收信号的窄带特性与多径信号媒体的衰落效应十分相似 热噪声具有白噪声特性 它在整个无线电通信频带内 f Pmin的概率为 P Ro P x Pmin min P dxxp 1 33 2 2 1 2 1 min L d Pm erf 式中 P Ro 为无线覆盖区边缘 半径为 Ro 的通信概率 为误差函数 积分结果可查误差函数表 即概率积分表 由 x t n dtexerf 0 22 1 33 可见 如果预测或实测的区域平均信号电平 md Pmin 即系统余量为 0 则 P x Pmin 50 这样 我们就可以根据接收机要求输入的最低保护电平及所需通信 概率 位置偏差值 L来确定无线覆盖区边缘所需场强或其信号电平 例如 若要求无线覆盖区边缘的通信概率为 90 时 系统余量将为多少 由 1 33 式得 P x Pmin 0 9 2 2 1 2 1 min L d Pm erf 则 2 0 9 0 5 0 8 2 min L d Pm erf 查误差函数表 得 图图 1 1 9 9 通信概率通信概率 0 907 2 min L d Pm 于是 1 28 L 1 34 min Pmd 这意味着对应于覆盖区边缘的通信概率为 90 的系统余量应为 1 28 L 为了方便起 见 图 1 10 以 为参变量给出服从正态分布的通信概率与系统余量的关系 由图 1 10 可见 若给定通信概率 则可根据已知的 值确定系统余量 进而可由设计方程确定有关 的系统参数 反之 亦可由已知的 值和系统余量直接查图 得到无线覆盖区边缘的通信 概率 图图 1 10 通信概率与系统余量的关系通信概率与系统余量的关系 二 无线覆盖区的区内通信概率二 无线覆盖区的区内通信概率 有时候 运营商要求的是整个覆盖区范围内的通信概率 那么 它与覆盖区边缘的通 信概率有什么关系呢 如图 1 11 设在半径为 Ro的圆内 有效覆盖区 可通信区 的面积为 Fu 而 P x Pmin 是在一个逐渐增加的环形面积 dA 内接收信号小段中值电平 x Pmin的概率 则有 dAPxPFu min 式中 1 35 2 2 1 2 1 min min Pm erfPxP d 假定在接收区内信号电平 md按 r n规律衰减 n 为衰减指数 我们略去了繁琐的数学 推导 可以将其结果示于图 1 12 中 图中以 n 为横坐标 以 r Ro的环形区域 dA 内 的边缘通信概率 P Ro 为参变量 可算得一组曲线 只需给定 n 和 值 就可以根据覆 盖区边缘可通信概率确定相应的区内通信概率 图图 1 11 无线覆盖区的区内通信概率示意图无线覆盖区的区内通信概率示意图 图图 1 12 小区边界上信号高于门限的总区域百分比于信号高于门限的概率的关系曲小区边界上信号高于门限的总区域百分比于信号高于门限的概率的关系曲 表表 1 2 WCDMA 链路计算模板链路计算模板 下行上行单位 a 平均发射功率 ICH3024dBm b 发送端电缆连接器和合路器损 耗 20dB c 发射机天线增益130dBi d 移动台受人体影响损耗33dB e 接收机天线增益013dBi f 接收端电缆 连接器和功分器 损耗 02dB g 接收机噪声指标55dB h 热噪声密度 174 174dBm Hz i a b c d f e 3832dBm j g h 169 169dBm 设信息速率 Rb88