第三章蜂窝技术基础

1、无线通信原理及应用Wireless Communications Principles and Practice l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略l切换策略l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量大区制的缺陷：大区制的缺陷： 覆盖范围有限覆盖范围有限 系统容量受限系统容量受限 系统设备受限系统设备受限 信道数量有限信道数量有限移动台移动台基地台基地台市话市话移动台移动台4大区制移动通信的构成大区制移动通信的构成覆盖范围半径：30-50km； 天线高度：几十至几百米；56小区制蜂窝移动通信的构成小区制蜂窝移动通信的构成 7l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略l切换策略

2、l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量一、小区、区群与频率重用一、小区、区群与频率重用 小区形状的确定小区形状的确定小区的实际覆盖小区的实际覆盖想象的想象的覆盖覆盖理想的理想的覆盖覆盖9无线无线区群（族，区群（族，cluster）构成）构成 区群内每个小区使用不同的频率区群内每个小区使用不同的频率 区群的形状能够无缝覆盖整个区域区群的形状能够无缝覆盖整个区域 区群间同频小区的距离保持相等区群间同频小区的距离保持相等无线无线区群的几种形状区群的几种形状10无线无线区群区群N的数目的数目 同频小区之间距离同频小区之间距离D小区半径小区半径r11无线无线区群区群N的数目的数目 15信道

3、总数与信道总数与频率频率复复用用16在Cellular系统中，每个小区有k个信道，由N个小区组成一个簇（Cluster）。在这个cluster 中共有S个不同信道，即：S = kN (3-1) 如果这个Cluster 被重复使用了M 次，总共的信道个数为：C = MkN = MS (3-2) 其中，Frequency Reuse 因子为 1/N。Frequency Reuse 设计设计一个FDD蜂窝电话系统，总带宽为33MHz,使用两个25kHz作为双向的话音和控制信道，当系统为(a)4小区复用、(b)7小区复用、(c)12小区复用时，计算每个小区可用信道数。如果其中1MHz作为控制信道使用，

4、确定以上三种系统中，每个小区的信道均匀分配方案。解（1）可用信道数目计算： 总带宽= 33MHz，双向信道带宽=2* 25kHz=50kHz， 总的可用信道数S=33MHz/50KHz=660个（a）N=4, 由S=k*N可得，k=S/N=660/4=165个（b）N=7, k=S/N=660/7=95个（c）N=12, k=S/N=660/12=55个（2）当控制信道占用1MHz时，总控制信道数为：1MHz/50kHz=20个， 总话音信道数为：32MHz/50kHz=640个（a）N=4时，每个小区的控制信道数为20/4=5个，话音信道数为640/4=160个； 实际中，控制信道的复用距离

5、大，每个小区1个控制信道，160个话音信道。（b）N=7时，640/7=91（3）个，20/7=2（6）个 信道分配为：每个小区1个控制信道，4个小区有91个话音信道，另外3小区有92个话音信道。（c）N=12时，640/12=53（4）个，20/12=1（8）个 信道分配为：每个小区1个控制信道，8个小区有53个话音信道，另外4小区有54个话音信道；l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略l切换策略l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量 212223242526272829 DCA是TD-SCDMA系统中RRM算法的核心内容之一 TD-SCDMA系统中一条信道是由 频率/时隙

6、/扩频码 的组合唯一确定 DCA主要研究的是信道的分配和重分配的原则 DCA通过系统负荷，干扰，用户空间方向角等测量信息来确定最优的资源分配方案，降低系统干扰，提高系统容量 30n基于DCA控制的类型可以分为： 集中控制式DCA 分布控制式DCA n基于信道分配所使用的信息，DCA可分为 ： 呼叫更新(call-by-call)DCA方案 自适应DCA方案nTD-SCDMA信道分配功能分类 l 慢速DCA ：根据系统干扰受限的先验知识，根据负荷情况，对系统载频和时隙进行占用优先级划分，完成呼叫接入控制 l 快速DCA ：根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量监测的结果，自适应地对资源单元（R

7、U，即码道或时隙）进行调配和切换，以保证业务质量。快速DCA由分为以下几类： 频域DCA 时域DCA 码域DCA 空域DCA l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略l切换策略l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量3 3.4 .4 切换切换 333738404243切换切换策略策略BSBSBSBSBSBSBS44453.4.1 3.4.1 优先切换优先切换n优先优先切换切换: :使切换具有优先权的一种办法叫做使切换具有优先权的一种办法叫做信道监视信道监视方方法，即保留小区中所有可用信道的一小部分。专门为那法，即保留小区中所有可用信道的一小部分。专门为那些可能要切换到该小区的通话

8、所发出的切换请求服务。些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务。 缺点：因可以于通话的信道减少而降低话务量缺点：因可以于通话的信道减少而降低话务量 改进：动态分配策略，使监视信道减少到最小值改进：动态分配策略，使监视信道减少到最小值473.4.2 3.4.2 实际切换中需要注意的事项实际切换中需要注意的事项l切换与移动速度切换与移动速度l切换与系统容量切换与系统容量l覆盖方式的改进覆盖方式的改进483.4.2 3.4.2 实际切换中需要注意的事项实际切换中需要注意的事项n切换与移动速度切换与移动速度n切换与系统容量切换与系统容量n覆盖方式的改进覆盖方式的改进n什么是什么是“小区拖尾小区拖

9、尾”n切换的处理方式切换的处理方式1)1) 硬切换硬切换新的连接建立前，先中断旧的连接新的连接建立前，先中断旧的连接2)2) 软切换软切换维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧连接的分集合并来改善通维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧连接的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧连接。信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧连接。 49l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略l切换策略l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量n干扰是蜂窝系统性能的主要限制因素。干扰是增加系统容量的瓶颈。干扰是蜂窝系统性能的主要限制因素。干扰是增加系统容量的瓶颈。干

10、扰源包括同一小区的其他干扰源包括同一小区的其他MS、相邻簇的相同频率的基站、非蜂窝干扰。、相邻簇的相同频率的基站、非蜂窝干扰。n分类：同频干扰、邻频干扰。分类：同频干扰、邻频干扰。n特点：难以控制，原因是随机的多径。特点：难以控制，原因是随机的多径。 513 3.5.5干扰和系统容量干扰和系统容量52频率重用与同信道频率重用与同信道干扰干扰(co-channel)全向全向天线天线中心中心激励激励的的同信道干扰同信道干扰53定向定向天线天线顶点激励顶点激励的同信道干扰的同信道干扰频率重用与同信道频率重用与同信道干扰干扰(co-channel)543 3.5.1 .5.1 同频干扰和系统容量同频干

11、扰和系统容量55同频干扰解决方法同频干扰解决方法若若如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为无关，而变为小区小区半径（半径（R)R)和和相距最近的相距最近的同频小区的中心之间距离同频小区的中心之间距离(D)(D)的函数。增加的函数。增加D DR R的的值，相对于小区的覆盖距离，同频小区间的空间隔离就会增加，从而来自同频小区的射值，相对于小区的覆盖距离，同频小区间的空间隔离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小频能量减小而使干扰减小。57其中，其中，Q Q为同

12、频复用比例，为同频复用比例， D D为同频小区的中心距离，为同频小区的中心距离，R R为为 小区半径小区半径l增大同频小区之间距离增大同频小区之间距离同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 58trtrpdhhp422trtsprhhp422tIrtIpDhhp4225940/10ISsIDD60干扰同频小区数。其中， 01i ,0iiiISIS61监视前向信道的移动接收机的信干比(SIR)为： 对移动通信信道的测量表明，在任一信道接收的平均信号能对移动通信信道的测量表明，在任一信道接收的平均信号能量随基站发射机和量随基站发射机和M MS S间的距离的幂指数下降。在距离发射天线间的距离的幂指数下

13、降。在距离发射天线d d处处接收到的平均信号功率接收到的平均信号功率P Pr r可以由下式来估算可以由下式来估算: :路径衰减指数路径衰减指数n n在在市区一般为市区一般为2 2到到4 4之间。之间。若若基基站发射功率相同，整个覆盖区的衰减指数相同。站发射功率相同，整个覆盖区的衰减指数相同。 62r0000P = PP ()P ()1 0lo g ()nrdddd B md B mnd（）或00i13/D 0iNiRDISiDRISnniinin）（设基站等距，则小区，且干扰基站与预如果仅考虑第一层干扰距离。个干扰源和移动台间的是第，）（6300S(/)( 3)=InnD RNii对于对于N=

14、7的小区的小区，S(/)( 3)=I66nnD RN(2) 2) 1(2) 1(21(1) 2)(2)(24444444QQQDRDRDRIS65用于近似真实小区的几何分布！当N=7时，同频复用比例Q=4.6，S/I=17dB, 若用前面式计算，则S/I=17.8dB；因此，对于N=7小区的族，S/I值大于或等于18dB才能提高足够好的话音质量！条件：移动用户位于蜂窝的条件：移动用户位于蜂窝的最远处最远处顶点顶点，最坏情况，最坏情况下的信干比下的信干比n条件：SIR值要求大于18dB n问题：最小的复用因子N是多大？（以n=4分析）n分析：41/( ) (4.583)75.318.76156S

15、 IdBdBQ=3DNR0(3)nNiS / I =31/( ) (4.583)16.0412.05156S IdBdB31/( ) (6)3615.56156S IdBdB22Niijj 邻频干扰邻频干扰：来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰。：来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰。l l 由于由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。起的。l l 发信发信机在相邻频道内的边频分量。例如机在相邻频道内的边频分量。例如FM信号的频谱是很宽的。理论上信号的频谱是很宽的。理论上说，调频信号含有无穷多个边频分量，

16、当其中某些边频分量落入邻道说，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道 接收机接收机的通带内，就会造成邻道干扰。的通带内，就会造成邻道干扰。68l 远近效应远近效应：基站附近的发射机（：基站附近的发射机（MS或非蜂窝系统的发射装置）对远距离或非蜂窝系统的发射装置）对远距离MS的通信信道的邻频干扰的通信信道的邻频干扰。如。如图所图所示示: K信道K+1信道69n 克服邻频干扰的措施：克服邻频干扰的措施：1）提高滤波器的选择性）提高滤波器的选择性2）提高发信机的频率稳定度和准确度，以及降低频谱扩散度）提高发信机的频率稳定度和准确度，以及降低频谱扩散度3）对移动台进行功率控制）对移动

17、台进行功率控制4）基站天线附近设置场强吸收装置，使远区场强不受影响）基站天线附近设置场强吸收装置，使远区场强不受影响5)5)改进信道分配策略，使小区的信道间隔尽可能的大。改进信道分配策略，使小区的信道间隔尽可能的大。 70n 在实际的蜂窝系统中，每个在实际的蜂窝系统中，每个MS的发射功率是受控于服务基站的，这是为了的发射功率是受控于服务基站的，这是为了保证每个保证每个MS的发射功率最小，以保持反向链路的良好质量。的发射功率最小，以保持反向链路的良好质量。n 功率控制不仅有助于延长功率控制不仅有助于延长MS的电池寿命，而且可以显著地减小系统中反向的电池寿命，而且可以显著地减小系统中反向信道的信道

18、的S/I。n 以后我们将认识到，以后我们将认识到，FDMA和和TDMA的系统容量是带宽受限的，而的系统容量是带宽受限的，而CDMA是是干扰受限的，因此，功率干扰受限的，因此，功率控制对于控制对于CDMA系统来说更为重要。系统来说更为重要。 71l 前向功率控制的作用前向功率控制的作用 减小对相邻小区移动用户的干扰减小对相邻小区移动用户的干扰 小区呼吸功能的实现小区呼吸功能的实现l 前向功率控制的实现前向功率控制的实现 前向功率控制随移动台功率调整而变化前向功率控制随移动台功率调整而变化 前向功率控制随小区业务量实时调整前向功率控制随小区业务量实时调整 为了满足每个业务信道前向功率控制的需要，考

19、虑为了满足每个业务信道前向功率控制的需要，考虑+6dB+6dB，- -6dB 6dB 的调整范围，最小的调节步长为的调整范围，最小的调节步长为0.125dB0.125dB72n反向开环功率控制反向开环功率控制 控制移动台起呼时功率控制移动台起呼时功率 移动台以导频功率为参考依据移动台以导频功率为参考依据n反向闭环功率控制反向闭环功率控制 目的：使各个移动台发送的功率正好满足解调要求。目的：使各个移动台发送的功率正好满足解调要求。 实现途径：在话音解码时计算误帧率，由基带处理插入功率控制比特实现途径：在话音解码时计算误帧率，由基带处理插入功率控制比特73l蜂窝技术概述l蜂窝技术原理l信道分配策略

20、l切换策略l干扰和系统容量l中继和服务等级 l提高蜂窝系统容量3 3.6 .6 中继和服务等级中继和服务等级 783 3.6 .6 中继和服务等级中继和服务等级 793 3.6 .6 中继和服务等级中继和服务等级 800!()=(3.16)!crkCkACPGOSAk阻塞10()=(3.17)!(1)!CrkCCkAPAAACCk延迟0()= (0)* (|0)= (0)*exp( () /)(3.18)rrrrPPPPCA t H延迟t延迟延迟t延迟延迟(0)*(3.19)()rHDPCA延迟3 3.6 .6 中继和服务等级中继和服务等级 82838410()=(3.17)!(1)!CrkC

21、CkAPAAACCk延迟0例例3.4 在一个呼叫阻塞清除系统中，阻塞概率为在一个呼叫阻塞清除系统中，阻塞概率为0.5%，中继信道数为，中继信道数为(a)1、(b)5、(c)10时，该系统能支持的多少用户？假设每个用户产生时，该系统能支持的多少用户？假设每个用户产生0.1Erlang的的话务量。话务量。解： 由表3.4 Erlang B系统的容量表可以看出，GOS=0.5%的不同信道数目和容量。 由式： 可得系统所能支持的用户总数。(a) 由图3.6可得A=0.005 因此，用户总数为： 实际上一个信道可支持一个用户，所以U=1。uAUAu1,=0.1CA， GOS=0.005u/=0.005/

22、0.1=0.05UA A(b) 由图3.6可得A=1.13 因此，用户总数为： u5,=0.1CA， GOS=0.005u/=1.13/0.1=11UA A个(c) 由图3.6可得A=3.96 因此，用户总数为： u10,=0.1CA， GOS=0.005u/=3.96/0.1=39UA A个86例3.5 市区有200万的人口，在一个区域内有三个相互竞争的中继移动网络（系统A、B、C）提供蜂窝服务。系统A中有394个小区，每个小区有19个信道；系统B中有98个小区，每个小区有57个信道；系统C中有49个小区，每个小区有100个信道。阻塞概率为2%，每个用户每小时平均拨打2个电话，每个电话平均通

23、话时间为3分钟，（1）求系统所能支持的用户数。（2）假设上述三个系统都以最大容量工作，计算每个系统的市场占有百分比。解：解：每个用户的话务量为： 阻塞概率 GOS=2%=0.02（1）系统A中：每个小区信道为C=19，由Erlang B 图可得所承载的总话务量为A=12 Erlang 则，每个小区能支持的用户数为： 个 因此A系统能支持的总用户数为：120*394=47280个系统B中：每个小区信道为C=57，由Erlang B 图可得所承载的总话务量为A=45 Erlang 则，每个小区能支持的用户数为： 个 因此B系统能支持的总用户数为：450*98=44100个系统C中：每个小区信道为C

24、=100，由Erlang B 图可得所承载的总话务量为A=88 Erlang 则，每个小区能支持的用户数为： 个 因此C系统能支持的总用户数为：880*49=43120个u23/60 =0.1 ErlangAH （） /12/0.1120uUA A/45/0.1450uUA A/88/0.1880uUA A(2) 三个系统的总用户数为：47280+44100+43120=134500 个 市区共有200玩住户，则各个系统的占有率为：A系统：47280/2,000,000=2.36%B系统：44100/2,000,000=2.205%C系统：43120/2,000,000=2.156%三个系统的

25、综合市场占有率为：134500/2,000,000=6.725%89A系统：C=19B系统：C=57C系统：C=100 例3.7 一个4小区系统中的小区半径为1.387km。整个系统内共用60个信道。 如果每个用户的负载为0.029Erlang，=1次呼叫/小时，计算呼叫延迟概率为5%的Erlang C 系统：（a）该系统每平方公里可支持多少用户？ （b）一个被延迟的呼叫等待10秒以上的概率 ？（c）一个呼叫被延迟10秒以上的概率？解：已知 小区半径R=1.387km,则小区面积为: 小区数N=4, 总信道数S=60，则每个小区信道数k=S/N=60/4=15个=C。(a)由Erlang C图中可得，对于C=15,延迟概率=5%，其话务量强度A=9.0Erlang所以，用户数:每平方公里可支持的用户数=310/5=62个（b）由=1，保持时间:2223 32.598 (1.387)52SurRkm9.0/0.029310uAUA个u/0.029=104.