移动通信-第五章-蜂窝组网技术201X-TWBppt课件

第五章蜂窝组网技术,授课教师：唐万斌电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室NationalKeyLaboratoryofCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,移动通信系统,.,学习重点和要求,掌握移动通信网的概念和特点掌握蜂窝小区的原理以及相关技术掌握多址接入技术的概念和分类；掌握FDMA、TDMA和CDMA三种典型多址方式的原理和区别掌握蜂窝移动通信系统容量的概念和原理,.,学习重点和要求,理解功率控制原理和过程理解硬切换以及软切换的原理及过程理解移动网络的组成,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.1移动通信网的基本概念,.,5.1移动通信网的基本概念,移动通信网络组成空中网络多址接入频率复用和蜂窝小区无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射频率复用多信道共用和越区切换位置更新地面网络各基站相互连接基站与固定网络（PSTN、ISDN、PDN）的连接,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.2频率复用和蜂窝小区,.,5.2频率复用和蜂窝小区,蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是将服务区划分成许多小面积覆盖区域，用一个小功率的发射机来服务一个小面积覆盖区。移动通信网的区域覆盖方式分为两类：小容量的大区制大容量的小区制,.,5.2频率复用和蜂窝小区,小容量大区制一个基站覆盖整个服务区天线架设高发射功率大大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下控制方式简单、设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式,.,5.2频率复用和蜂窝小区,大容量小区制小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种一种是带状服务覆盖区另一种是面状服务覆盖区,.,5.2频率复用和蜂窝小区,带状服务覆盖区,.,5.2频率复用和蜂窝小区,双频组和三频组频率配置,.,5.2频率复用和蜂窝小区,面状服务覆盖区:蜂窝网在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式网络。全向天线的覆盖区是圆形。为不留空隙地覆盖整个服务区，各覆盖区之间一定要交叠。考虑交叠后，实际上每个覆盖区的有效覆盖区是一个多边形。小区相间120，有效覆盖区为正三角形；小区相间90，有效覆盖区为正方形；小区相间60，有效覆盖区为正六边形。,.,5.2频率复用和蜂窝小区,覆盖区形状小区的形状,.,5.2频率复用和蜂窝小区,表51三种形状小区的比较,.,5.2频率复用和蜂窝小区,面状服务覆盖区无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务需求实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状,.,5.2频率复用和蜂窝小区,（b)理想形状,(c)实际形状,（a）理论形状,.,5.2频率复用和蜂窝小区,当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶点之中的三个上（顶点激励小区）。,(a)中心激励,(b)顶点激励,两种激励方式,.,5.2频率复用和蜂窝小区,全向天线及定向天线的干扰小区（N=7）,.,5.2频率复用和蜂窝小区,蜂窝系统中的信道数计算考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，如果每个小区都分配K（KT,.,5.3多址接入技术,TDMA优点发射速率随时隙数N增加而增加，N越大，码间串扰越大，必须采取自适应均衡不需双工器；基站复杂性减小，只需要一部收发信机频率利用率高越区切换简单缺点：同步难，且开销较大,.,CDMA,.,5.3多址接入技术,CDMA系统工作原理CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码（扩频码）,.,5.3多址接入技术,优点共享频率；通信容量大采用扩频和Rake接收，减小多径衰落的影响；容量具有软特性；平滑的软切换和有效的宏分集；低信号功率谱密度，抗干扰能力强。,.,5.3多址接入技术,主要问题多址干扰：由不同步用户的扩频序列间不正交性，导致非零互相关系数引起用户间的相互干扰。远近效应：强用户信号对弱用户信号的明显抑制作用。解决方法功率控制,.,SDMA,.,5.3多址接入技术,SDMA将用户的方向作为另一个可以划分的维度，利用有向天线通过空间分割来区别不同的用户。,通常利用自适应天线阵列，在不同用户方向上形成不同波束实现。仅当两个用户角度差大于天线的分辨角时，才能实现正交的空间信道。,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.4码分多址关键技术,.,5.4码分多址关键技术,码分多址通过扩频技术实现扩频技术分类:直接序列扩频跳变频率扩频跳变时间扩频,.,5.4码分多址关键技术,直扩系统利用远高于符号速率的序列码流与信号流相乘，得到宽带（相对于信号带宽）调制信号的技术,.,扩频过程假设同步单径BPSK信道中有K个用户，并假定所有的载波相位为0，则接受信号等效基带表示为：相关系数定义为：,5.4码分多址关键技术,.,5.4码分多址关键技术,正交序列,非正交序列,.,5.4码分多址关键技术,扩频过程,.,解扩过程,5.4码分多址关键技术,.,5.4码分多址关键技术,解扩过程,.,5.4码分多址关键技术,伪随机序列PN码分类m序列Gold码Walsh码,.,5.4码分多址关键技术,m序列,m序列伪随机码：产生电路,最大长度的码序列为7位,.,5.4码分多址关键技术,m序列：生成m序列是最长线性移位寄存器序列的简称；m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n-1位。m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列，需要由本原多项式生成。,.,5.4码分多址关键技术,m序列的性质平衡特性：性质在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1位;游程特性：一般说来，m序列中长为k(1kn2)的游程数占游程总数的1（2k）；m序列和其位移序列模2加后仍为m序列；m序列发生器中的移位寄存器的各状态中，除全0外，其他状态在一个周期中只能出现一次。,.,5.4码分多址关键技术,m序列：自相关和互相关相关函数,A:相同的位数,D:不同的位数,.,5.4码分多址关键技术,M序列的自相关特性（基准序列：1110010）,.,5.4码分多址关键技术,PN序列的特性自相关性,.,互相关性,5.4码分多址关键技术,.,5.4码分多址关键技术,m序列：自相关和互相关m序列之间的互相关性相对较差,总结：m序列的自相关性很好，但互相关性不好并为多值，好的m序列数目很少!,.,5.4码分多址关键技术,Gold序列定义：如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件，称这一对m序列为优选对。,.,5.4码分多址关键技术,Gold序列:发生电路,.,5.4码分多址关键技术,Gold序列的特性有较优良的自相关和互相关特性0时，自相关峰尖锐0时，互相关函数值-t(n)/P构造简单，产生的序列数多，2n+1周期P=2n-1平衡性：好获得了广泛的应用,.,5.4码分多址关键技术,Walsh函数及其波形,.,5.4码分多址关键技术,Walsh函数矩阵递推关系,.,5.4码分多址关键技术,Walsh码的特点：同步时，Walsh码是完全正交码（自相关函数为1，互相关函数为0）；非同步情形下，Walsh码的自相关特性和互相关特性很差；Walsh码序列的功率谱分布彼此不均匀。,Walsh码不能单独承担扩频任务，通常采用Walsh码与Gold序列的结合。只能用于下行,.,5.4码分多址关键技术,跳频系统射频频率快速跳变躲避干扰来提高信噪比快跳：抗干扰能力强，对器件要求高慢跳军用短波和超短波电台中广泛应用扩、跳频增益Gp=Bw/Bs,.,5.4码分多址关键技术,跳时系统发射信号在时间轴上的跳变抗干扰性较差，使用较少,.,5.4码分多址关键技术,扩频码同步扩频和解扩序列其相位差为0扩频同步分类粗同步细同步,.,5.4码分多址关键技术,PN码同步的两个步骤：捕获过程（粗同步）：确定PN码的相位接收机确定对方是否发送信号，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。使本地PN码与接收PN码相位差小于一个码元宽度。,.,5.4码分多址关键技术,跟踪（精同步）：维持PN码的相位粗同步后，进入跟踪细调过程，即继续保持同步，对于一定的外界影响，同步系统能加以调整，使收发信号的频率和相位仍然保持精确同步。,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,无线通信系统的容量：一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入的总话务量。衡量无线系统频谱效率的参数，取决于载波干扰功率比C/I和带宽Bc。Bt：系统总频谱；Bc：信道带宽；N：频率复用小区数。,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,FDMA多址方式的系统容量考虑载干比,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,例：FDMA多址方式的系统容量。（以模拟TACS系统为例）,m=50/7=7.1信道/小区,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,考虑载干比，TDMA多址方式的系统容量,M：每个载波M个时隙,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,TDMA多址方式的系统容量（以数字GSM系统为例）,m=50/4=12.5信道/小区,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,CDMA多址方式的系统容量：由于CDMA系统是一个干扰受限的系统，它的频率复用因子可以为1，对其系统容量的分析更为复杂，本课程将简单进行推导。,CDMA的载波干扰比（C/I）：Eb为每比特信号能量，Rb为信息的比特速率I0为干扰（包括噪声）的功率谱密度，Bw为带宽,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,若m个用户共用一个频道，每个用户受到其他m-1个干扰用户信号的干扰（假设到达基站接收机的信号功率和各干扰功率均相同），则基站接收机的载波干扰比：Pr为基站接收到的每个移动台的信号功率，m为同时工作的移动台数。,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,最大的一个小区内用户数为：例：以IS-95为例,参数：频道带宽：1.25MHz；声码器速率：8kbps；要求：Eb/N0：7dB；则：C/I=0.032系统容量：m=32.25用户/小区。,.,5.5蜂窝移动通信系统的容量分析,在CDMA系统中如果考虑热噪声的影响，系统容量公式见教材（5.48）式。如果考虑话音激活技术的影响，系统容量公式见教材（5.50）式。如果考虑划分扇区的影响，系统容量公式见教材（5.51）式。如果考虑临近小区干扰的影响，系统容量公式见教材（5.52）式。,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.6CDMA系统中的功率控制,.,5.6CDMA系统中的功率控制,功率控制的原因CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰。在保证链路质量目标前提下使发射信号功率减小，以减少多址干扰,.,5.6CDMA系统中的功率控制,功率控制要求：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应，以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些,.,5.6CDMA系统中的功率控制,前向功率控制调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于小区中的任何位置上，收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值反向功率控制。使任一移动台无论处于什么位置上，其信号在到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到信干比要求的门限,.,5.6CDMA系统中的功率控制,功率控制方式：开环功率控制闭环功率控制,.,5.6CDMA系统中的功率控制,开环功率控制的特点：方法简单，易于实现前后向信道不相关，精度有限分类1、反向（移动台）开环功率控制2、前向（基站）开环功率控制,.,5.6CDMA系统中的功率控制,移动台开环功率控制MS根据所接收的基站信号强度调节移动台发射功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应接收信号强度越强，发射功率越小；接收信号强度越小，发射功率越大；,.,5.6CDMA系统中的功率控制,基站的开环功率控制方法：基站根据MS信号强度调节基站发射功率接收信号强度越强，发射功率越小；接收信号强度越小，发射功率越大；,.,5.6CDMA系统中的功率控制,闭环功率控制目的消除开环功控中的前后向信道不一致所产生的功控误差，精确调节发射功率闭环调节过程基站根据目前所需信噪比与实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发射功率（即闭环调整）MS根据基站发送功控指令并与开环估算相结合，调节发射功率,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.7切换、位置更新,.,5.7切换、位置更新,CDMA切换分类硬切换：载波频率不同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路会发生中断软切换：载波频率相同的相邻小区间的切换切换过程中通信链路不发生中断,.,5.7切换、位置更新,CDMA的软切换过程,低于下门限,高于上门限,硬切换是“通前断”（breakbeforemake）软切换是“断前通”（workbeforebreak）,.,5.7切换、位置更新,软切换过程1）MS与原小区基站保持通信链路2）与一个/多个新小区基站建立通信链路3）与其中一个新小区基站建立通信链路后，再断掉与原小区的通信链路,.,5.7切换、位置更新,软切换的主要优点：提高切换成功率增加了系统容量提高通信质量,.,5.7切换、位置更新,位置管理位置登记呼叫传递,.,主要内容,5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3多址接入技术5.4码分多址关键技术5.5蜂窝移动通信系统的容量分析5.6CDMA系统中的功率控制5.7切换、位置更新5.8移动通信网络结构,.,5.8移动通信网络结构,.,5.8移动通信网络结构,移动通信网的概念在追求最大容量的同时，各个无