多址方式与系统容量

1、多址多址方式与系统容量方式与系统容量多址方式与系统容量多址方式与系统容量通信容量可以用不同的表征方法进行度量。 对于点对点的通信系统而言， 系统的通信容量可以用信道效率(即在给定的可用频段中所能提供的最大信道数目)进行度量。 一般来说， 在有限的频段中， 能提供的信道数目越多， 系统的通信容量也越大。 多址多址方式与系统容量方式与系统容量蜂窝小区通信容量指标：可用信道数/每小区：ch/cell;用户数/每小区：users/cell;话务量/每小区：Erl /cell;用户数/km2;Erl /km2;每平方公里每小时通话次数（通话次数/ h/km2 ） ;通信容量指标：通信容量指标：主观测试：

2、平均印象分(MOS)；载干比（C/I）;多址多址方式与系统容量方式与系统容量1. FDMA和和TDMA蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量 蜂窝通信系统由若干个小区构成一个区群， 区群之间实现频率重用， 使用相同频率的小区称为共道小区共道小区， 共道小区之间存在的相互干扰称为共道干扰共道干扰或同信道同信道干扰干扰。 其制约系统的容量其制约系统的容量 多址多址方式与系统容量方式与系统容量共道小区分布共道小区分布 111111116754312rDrND311111层共道小区层共道小区v若蜂窝网的每个区群含 7 个小区， 各基站采用全向天线， 共道小共道小区的分布区的分布如图 所示。 v共道小区以

3、某一小区(图中为 1 号小区)为中心可分成许多层： 第层 6 个； 第层 6 个； 第层 6个 v 因为来自第层共层共道小区道小区的干扰最强， 起主导作用， 故在进行分析时， 可以只考虑只考虑这 6 个共道小区所产生的干扰。 多址多址方式与系统容量方式与系统容量 令小区半径为r， 两个相邻共道小区之间的距离为 。 为 把 共 道 干 扰 控 制 在 允 许 的 数 量 而 需 要 的 值 称为共道干扰抑制因子(或称共道再用因子)， 即共道再用因子共道再用因子q为rrND213NrD3/NrDq3(7 - 4) 共道再用因子共道再用因子q 越小越好越小越好多址多址方式与系统容量方式与系统容量 F

4、DMA蜂窝系统的共道干扰分布共道干扰分布 (a) 上行上行链路； (b) 下行下行链路 (a)(b)多址多址方式与系统容量方式与系统容量载干比表示为:610iinICIC式中， C是信号功率； n0是背景噪声功率(这里可忽略不计)； Ii是来自第i个共道小区的干扰功率。多址多址方式与系统容量方式与系统容量 传播损耗传播损耗与传播距离传播距离的 4 次方成比例次方成比例， 接收机收到的信号功率与第 i 个共道小区的干扰功率可分别写成：44iiADIArC式中， A为比例常数。 因此 6144iiDrIC式中， 取信号的传播距离等于小区半径 r(移动台处于小区边缘)， 是考虑到载干比在最不利的情况

5、下也要达到预定的门限值。 此外， 由图 可见共道干扰的传播距离Di在i的取值不同时不会完全相等， 但其差异并不太大， 因而为了分析方便， 可以令Di=D多址多址方式与系统容量方式与系统容量 令Di=D， 有461DrIC假如规定的载干比门限值为(C/I)S, 则 SICDr64推得：SICN 6)3(2多址多址方式与系统容量方式与系统容量 蜂窝系统的总频道数M=Bt/Bc Bt为频段宽度为系统总带宽， Bc为频道带宽或等效带宽 区群小区数N确定后， 每一小区的可用信道道数每一小区的可用信道道数m可以求出为NBBmct/ )/(因SICN 6)3(2可得 SSctICMICBWNBBm)/( 3

6、/2)/( 3/2/ )/(多址多址方式与系统容量方式与系统容量信道宽度即为频道宽度 在TDMA中， 一个频道包含若干信道， 采用等效信道宽度概念： TDMA系统划分信道办法：先把频段Bt划分成若干频道；然后每一频道上再划分成若干时隙； 用户信道是某一频道上的某一时隙； l 若TDMA系统频宽B0，每一频道n个时隙，则等效信道宽度为 B0/n, 相应的信道总数为: M=n Bt / B0 TDMA蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量多址多址方式与系统容量方式与系统容量2. CDMA蜂窝通信系统的通信容量蜂窝通信系统的通信容量 蜂窝系统提高其频谱利用效率频谱利用效率的根本原因是利用电波的传播损耗

7、实现了频率再用技术。 只要两个小区之间的距离大到一定程度， 它们就可以使用相同的频道而不产生明显的相互干扰。 一般数字通信系统, 载干比可以表示为bcbcbbRBIEBIERIC/00多址多址方式与系统容量方式与系统容量 n个用户共用一个无线频道， 每一用户信号都受到其他n-1 个用户的信号干扰 到达接收机信号强度和各干扰强度都一样， 则载干比为:0/111IERBnnICbbc 通常n1, 故C/I1/n， 即 0/IERBnbbc扩频增益扩频增益G归一化信干比归一化信干比多址多址方式与系统容量方式与系统容量1. 话音激活期的影响 人类对话的特征是不连续的，对话的激活期(占空比d)通常只有3

8、5%左右。 当许多用户共享一个无线频道时， 如果利用话音激活技术， 使通信中的用户有话音才发射信号， 没有话音就停止发射信号， 那么任一用户在话音发生停顿时， 所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小背景干扰减小而受益。 话音停顿可以使背景干扰减小 65%， 能提高系统容量到 1/0.35=2.86 倍。 0/IERBnbbc在此基础上，讨论各种技术对用户容量的修正：多址多址方式与系统容量方式与系统容量 FDMA和TDMA两种系统都能利用这种话音特性，实现信道的动态分配， 以获得不同程度的容量提高。 必须增加额外的控制开销， 而且要实现信道的动态分配； 还必然会带来时间延迟；而CDMA蜂窝系统

9、获得这种好处是非常容易的。(8 - 5) 令话音的占空比为d, 则式(8 - 4)变成 ：dIERBnbbc1/0多址多址方式与系统容量方式与系统容量2. 扇区的作用CDMA蜂窝系统中， 采用有向天线进行分区能明显地提高系统容量。 用 120的定向天线把小区分成三个扇区， 可以把背景干扰减小到原值的 1/3, 因而可以提高容量 3倍。 FDMA和TDMA蜂窝系统分扇区也可减小共道小区的共道干扰，减小共道再用距离，提高系统容量， 但达不到CDMA蜂窝系统分成三个扇区系统容量会增大 3 倍的效果。dGIERBnbbc0/(8- 6) 扇区数或扇区化因子扇区数或扇区化因子G多址多址方式与系统容量方式

10、与系统容量 3. 邻近小区的干扰 (1) 正向传输。 在小区内部，基站不断向所有通信中的移动台发送信号。 任一移动台在接收有用信号时，发给其他用户的信号都对这个移动台形成干扰。 图 8- 2 CDMA系统中移动台受干扰的情况 本小区x最不利位置：最不利位置：三小区交界处三小区交界处多址多址方式与系统容量方式与系统容量假设各小区的基站都同时向n个用户发送功率相等的信号， 在三个小区的交界处： 来自本基站的有用信号功率为ar-4(a为比例常数， r为小区半径)； 来自本基站的干扰信号功率为a(n-1)r-4； 来自紧邻 2 个基站(图中的)的干扰信号功率为 2anr-4; 来自较远 3 个基站(图

11、中的)的干扰信号功率为3an(2r)-4; 来自更远 6 个基站(图中的)的干扰信号功率为 6an(2.63r)-4。 更远的干扰可以忽略。于是得到载干比的表示式如下： nnnranrananrrnaarIC/3 . 03 . 3113 . 31)63. 2(6)2(32) 1(44444(8- 7) 多址多址方式与系统容量方式与系统容量通常发射机的最大功率发射机的最大功率是根据最大通信距离进行计算的。 这里基站的发射功率必须保证移动台在小区交界处可以正常工作。 但当移动台靠近靠近基站时， 如果基站仍然发射同样强的功率， 则除去增大背景干扰外并无好处。 为此，令基站发给每一个用户的功率Pi根据

12、移动台和基站的距离ri进行调整。 距离越大， 功率越大； 反之， 则越小。 即:iirP (8- 8) 令移动台在小区边缘(ri=r)所需的信号功率为Pm2rrPPimi采用功率控制采用功率控制多址多址方式与系统容量方式与系统容量 假设在各个小区内， 移动台的数目较多， 而且是均匀分布的，可用以下公式来表示小区中的用户数目n:220rdrrnrii(8 - 10) ri为一常数(与用户密度成比例)多址多址方式与系统容量方式与系统容量因此，基站在增加功率控制后，发向全部用户的总功率总功率为：已知n=r2/2， 所以 (8 - 11) (8 - 12) 22042RimmiimrP rPPrdrr

13、nPP基站在未加功率控制时， 发向全部用户的总功率为nPm， 所以基站增加功率控制后基站增加功率控制后能把其发射的总功率降低 1/2对减少系统中的多址干扰是有好处的多址多址方式与系统容量方式与系统容量基站功率控制后，移动台处于小区交界处的载干比，可得nnnnnnIC6 . 0656. 11)63. 2)(2(62)2( 3)2(2)21(144(8 - 13) 0.3/(8- 7) CnIC/I相同，相同，n增大一倍！增大一倍！（无功率控制）（无功率控制）多址多址方式与系统容量方式与系统容量不考虑不考虑邻近小区的干扰时， 一个小区允许同时工作的用户数约为 n=1/(C/I)； 考虑考虑邻近小区

14、的干扰并且采用采用功率控制时， 这种用户数降低为 n=0.6/(C/I), 即后者是前者乘以 0.6。 结果说明：结果说明：CDMA蜂窝系统和其他蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率信道再用效率 F=0.6。 由此可把式(8 - 6)写成：dGFIERBnbbc0/(8 - 14) 多址多址方式与系统容量方式与系统容量设小区移动台能自动调整发射功率； 移动台处于小区任位置上，信号功率到达基站时都能保持在某一额定值：载干比的门限值载干比的门限值。 基站位置固定不变的，移动台小区内随机分布(可看成均匀分布)；某一移动台的位置变化,基站附近的背景干扰不会明显变化。 因此， 反向功率控制应该按照传播损

15、耗的规律来确定， 即移动台(i)的发射功率(Pi)与距离(ri)的关系应该是：(2) 反向传输4iiPr4iimrPPr多址多址方式与系统容量方式与系统容量y图 8 - 4 CDMA系统中基站受干扰的情况 多址多址方式与系统容量方式与系统容量从图可见，小区y四周有6个距离最近的小区， 环路；环外面，有 12 个距离较远的小区， 环； 依此类推。 各小区中的移动台都根据它与各自基站的距离调整其功率；要计算邻近小区中各移动台对环路中心小区y的干扰并不简单： 可把邻近小区中所有移动台干扰等效等效成由其基站发射来的干扰， 因而小区y的基站收到的载干比为(8 - 17) 123231(1)61218111 61218CInnnnFnn多址多址方式与系统容量方式与系统容量1, 2, 3是分别对应于环路,的比例常数。 可得信道再用效率：321812611F采用数值计算或仿真技术， 可以算出F的值大约是 0.65。反向传输和正向传输的信道再用效率大致一样!(8 - 18) 0/(8 - 14)/bbW RGFnEId通信容量的估算公式(8 - 14)， 既可用于正向传输， 也可用于反向传输多址多址方式与系统容量方式与系统容量几种蜂窝通信系统的通信容量的比较如下： 模拟FDMA系统 总频段宽度： 1.25 MHz (AMPS) 频道间隔： 30 kHz 信道数目： 1.25106/(30103)