《蜂窝移动通信系统》课件

1、移动通信系统原理与应用授课老师：肖悦办公地点：电子通信大楼511房间教师社区： 进入 通信学院 肖悦 课件下载密码：comm电子邮件:xiaoyue1第二章蜂窝移动通信系统2第二章 蜂窝移动通信系统 学习重点和要求：掌握关于蜂窝的概念掌握频率复用的概念以及频率复用模型掌握同频干扰的计算理解信道分配策略以及切换策略理解干扰与系统容量之间的关系理解各种提高系统容量的方法了解中继的概念掌握服务等级的计算3第二章 内容 2.1. 蜂窝小区的概念和特点 (2.1) 2.2. 干扰和信道容量 (2.3) 2.3. 电信业务流量与服务等级 (2.4) 2.4. 信道切换策略 (2.2) 本章有大量补充内容，

2、请结合课件及参考书现代移动通信系统学习42.1. 蜂窝小区的概念和特点 52.1. 蜂窝小区的概念和特点 2.1.1 大区制移动通信系统2.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 62.1.1 大区制移动通信网(1/4)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BSMS1MS3MS272.1.1 大区制移动通信网(2/4)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：50200W覆盖半径：3050km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。82.1

3、.1 大区制移动通信网(3/4)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612dB）92.1.1 大区制移动通信网(4/4)解决上行问题的办法：如图, 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MS1MS2BSRdRdRd102.1. 蜂窝小区的概念和特点 2.1.1 大区制移动通信系统2.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 112.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -前言(1/2

4、) 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122.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -前言(2/2)基本小区有：（r0：小区半径）超小区：r0 20km（农村）宏小区：r0 120km（人口稠密地区）微小区：r0 0.11km（城市繁华区）微微小区：r0 0.1km（办公室、家庭）优点：提高频率利用率，组网灵活缺点：网络构成复杂按服务区形状分：条状服务区、

5、面状服务区132.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -条状服务区 (1/3)条状服务区用户的分布呈条状（或带状），如铁路、公路、沿海水域等。小区 条状服务区142.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -条状服务区 (2/3)图2-1 多频复用方式ABABABABCABCABCDABCD可采用多个频率复用二频复用三频复用四频复用152.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -条状服务区 (3/3)组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比：重叠区重叠区太大，越区干扰大重叠区小，弱电场区可能多。f1ABf2af1ABf2a162.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(1/11)指服务

6、区不呈条状而是一个宽广的平面172.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(2/11)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r182.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(3/11)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。192.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(4/11)按基站对小区的覆盖方式：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。202.

7、1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(5/11)簇（区群）：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212.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(6/11)设蜂窝移动系统共有S个不同的双向信道其簇的大小为N簇内每个小区分配有K个信道，小区间信道分配各不相同簇在系统中复制M次则 S=KN C=MKN=MSAAABCCCBBBCA222.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(7/11) 构成簇的基本条件：基本图案

8、（簇）能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。 相邻单元（簇）中，同频道的小区间距离相等，且为最大。232.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(8/11) 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，不能同时为零28272521191613129743N435434323221b230120120101a242.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(9/11) 簇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移动a个小区，并逆时针方向旋转60，再移动b个小区。图 2.3

9、 确定同频小区的方法AaADb252.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(10/11)常见正六边形小区群的图案ACBN=3,a=1,b=1DACBN=4,a=0,b=2N=7,a=1,b=2DCBAEFG262.1.2 频率复用和小区制移动通信系统 -面状服务区(11/11)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。1. N=4对应的2维坐标： a=2,b=0DACBDACBDACB3. 确定相邻区群2. N=4的基本区群形状：DACBN=4,a=2,b=027第二章 内容 2.1. 蜂窝小区的概念和特点 2.2. 干

10、扰和信道容量 2.3. 电信业务流量与服务等级 2.4. 信道切换策略 282.2.干扰和信道容量292.2.干扰和信道容量 -前言(1/2) 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。 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302.2.干扰和信道容量 -前言(1/2)一对矛盾：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。312.2. 干扰和信道容量 2.2.1 同频干扰2.2.2 相邻频道的干扰2.2.3 蜂

11、窝小区的系统容量及改善322.2.1 同频干扰 -前言同频干扰：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。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，在接收端无法滤除和抑制同频干扰。332.2.1 同频干扰 -前言在蜂窝移动通信中，由于采用了频率复用提高频谱利用率，所以同频干扰不可避免。定义同频小区：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。342.2.1 同频干扰 -前言 对同频干扰和同频复用距离的研究

12、是小区制移动通信网频率分配的依据。两频复用和三频复用的带状服务区（图示）ABABABCABABCDD352.2.1 同频干扰 信号/同频干扰比 条状服务区的C/I 面状服务区的C/I 1). 全向小区系统的C/I 2). 定向小区系统的C/I36 信号/同频干扰比 信号/同频干扰比 (只考虑两个单独的小区)同频小区A同频干扰示意图Q=D/r0DMSr0同频小区B D 为同频复用距离 r0 为小区半径 Q=D/r0 为同频复用比37 信号/同频干扰比 假设A、B基站具有相同的发射功率，则移动台处的信号/同频干扰比主要取决于传输损耗差对移动信道的测量表明，任一点接收到的平均信号能量随发射机和接收机

13、之间距离的幂指数下降AMSDIr0DSB38 信号/同频干扰比路径损耗差信号/干扰比392.2.1 同频干扰 信号/同频干扰比 条状服务区的C/I 面状服务区的C/I 1). 全向小区系统的C/I 2). 定向小区系统的C/I40 条状服务区的C/I (1/3)条状服务区中移动台的C/I 与D、r0、a和K的关系1，只考虑一个相邻同频小区 如图，双频复用，A, C同频，D=4r0-2a，C/I =J3r0-2ar0ACD=2*2r0-2a41 条状服务区的C/I (2/3)2. 考虑多个同频小区的影响(m) 对条状小区，典型的, m=2AAABBB42 条状服务区的C/I (3/3) 例，在a

14、=0， m=2时，求同频复用比分别为8、6、4时，系统所需要的频率组 因为a=0，所以 D/r0=2K123同频小区之间应隔的小区234所需频率组(K)162530.8C/I（dB）468同频复用比(D/r0)信干比频谱利用率 432.2.1 同频干扰 信号/同频干扰比的推导 条状服务区的C/I 面状服务区的C/I 1). 全向小区系统的C/I 2). 定向小区系统的C/I44 面状服务区的C/I同频复用距离：同频复用比：N347912R33.54.65.26.0表 4 - 445 面状服务区的C/I结论：N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可有更多的区

15、群，频谱利用率高，有更多的容量。从提高频谱利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，N应取最小值为好。 46 面状服务区的C/I 需要掌握两种同频干扰的估计： 全向小区系统的C/Ia). 系统平均C/I b). 最坏情况下的C/I定向小区系统的C/I472.2.1 同频干扰 信号/同频干扰比的推导 条状服务区的C/I 面状服务区的C/I 1). 全向小区系统的C/I 2). 定向小区系统的C/I481). 全向小区系统C/I的计算(1/10)两种同频干扰的影响(a) BS接收(b) MS接收MSMSMSMSMSMSBSMSBSBSBSBSBSBSMSr0DBS 全向小区系统C/I的计算491

16、). 全向小区系统C/I的计算(2/10)全向小区系统C/I的计算如图，同频小区围绕着某一小区可分为多层。来自第一层的同频干扰最强。分析时，可只考虑第一层同频干扰。同频小区分布1第一层111111第二层111第三层11501). 全向小区系统C/I的计算(3/10)C/I计算(以MS接收为例)：m : 干扰源的总数(典型值：6)Ik为相互独立的第k个干扰源对移动台接收机的干扰功率 回顾路径损耗：任一点接收到的平均信号能量随发射机和接收机之间距离的幂指数下降(一般n=4)。511). 全向小区系统C/I的计算(4/10) 设所有BS发射功率相同，同频复用距离为D，小区半径为r0，干扰台离MS的距

17、离分别为Dk (k=1,2m)MSBSBSBSBSBSBSr0DBSD1D2D3D4D5D6521). 全向小区系统C/I的计算(5/10)有效信号：无效信号：全向小区系统C/I ：531). 全向小区系统C/I的计算(6/10)全向小区系统C/I的计算a) 系统平均C/I b) 最坏情况下全向天线系统C/I541). 全向小区系统C/I的计算(7/10)a). 系统平均C/I：令Dk=D，并注意到同频复用比:551). 全向小区系统C/I的计算(8/10) 举例说明：蜂窝小区N=7的模式，设n=4，求其载干比。解： 满足17dB载干比的要求。561). 全向小区系统C/I的计算(9/10)b

18、). 最坏情况下全向天线系统C/I的计算： 将最短干扰距离( )带入计算：以此C/I值为依据进行系统设计，即使是在业务繁忙时也能有好的系统性能最坏情况下的同频干扰r0DDD-r0D-r0D+r0D+r0MSBSBSBSBSBSBSBS571). 全向小区系统C/I的计算(10/10)思考：若某蜂窝系统要求载干比C/I在任何情况下都必须大于14dB，求其允许的最小区群大小？强调“任何情况”，适用最坏情况下全向天线系统C/I的分析最坏情况下全向天线系统C/I与N的关系：求解：582.2.1 同频干扰 信号/同频干扰比的推导 条状服务区的C/I 面状服务区的C/I 1). 全向小区系统的C/I 2)

19、. 定向小区系统的C/I592). 定向小区系统C/I的计算利用定向天线可以降低同频干扰(顶点激励) m = 3(3天线) m = 1(6天线)120定向覆盖的同频干扰 DCBAEFGDDDDDDDDDDDDD602.2. 干扰和信道容量 2.2.1 同频干扰2.2.2 相邻频道的干扰2.2.3 蜂窝小区的系统容量及改善612.1.2 相邻频道的干扰（1/4）邻道干扰是一种来自相邻的或相近的频道的干扰 通常讨论小区内频距最小的频道间干扰。干扰台B移动台Af2f1622.1.2 相邻频道的干扰（2/4）邻近频道干扰的主要产生原因：非理想滤波器可以通过接收机滤波器阻带衰减设计，最大程度地衰减邻道干

20、扰。f理想滤波器f实际滤波器632.1.2 相邻频道的干扰（3/4）阻带衰减：对远离接收机通带的干扰进行抑制fdfu通带阻带KdB/Oct642.1.2 相邻频道的干扰（4/4）减小邻道干扰的措施提高收发信机滤波器性能。合理调整信道分配，在频率管理中在同一小区不分配相邻的频点，并提供足够的保护间隔。移动台具有自适应控制功率的能力。65近端对远端干扰远近效应：近端无用的强信号抑制远端有用的弱信号 基站接收的有用信号功率PA30，提高不明显，共用不宜太多。1202.3.4 通信系统服务质量和负荷能力(15/15) 系统信道设计总结：选定B，正确选定a(一般公网0.01Erl，专网0.06Erl)采

21、用信道共用，根据B和a确定M与n的值。121第二章 内容 2.1. 蜂窝小区的概念和特点 2.2. 干扰和信道容量 2.3. 电信业务流量与服务等级 2.4. 信道切换策略 1222.4. 信道切换策略1232.4. 信道切换策略 2.4.1信道切换原理2.4.2 实际系统切换的一些考虑124 2.4.1信道切换原理(1/9)信道切换:当前正在通信的移动台与服务基站之间的链路转移到另一个新基站的过程目的： 实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，保证移动台跨区时通信的连续性。 分类： 按实现技术分为： 1. 硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接。例如GSM系统。 2. 软切换：指既维持旧的连接，又

22、同时建立新的连接。例如CDMA系统。125 2.4.1信道切换原理(2/9)切换过程 包括识别新小区和分配给移动台在新小区的语音信道和控制信道。 切换的原因：小区信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号较强的相邻小区。由于小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。126 2.4.1信道切换原理(3/9)切换的准则决定何时需要进行越区切换，通常根据移动台处接收的平均信号强度，或信噪比、信干比、误比特率等参数。切换过程控制主要有三种： 移动台控制的越区切换 网络控制的越区切换 移动台辅助的越区切换127 2.4.1信道切换

23、原理(4/9)(1) 移动台控制的越区切换 移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量，当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。DECT等小系统常采用，在大系统中容易引起切换冲突。128 2.4.1信道切换原理(5/9) (2) 网络控制的越区切换基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。缺点：若MS失去联系，将造成信号中断。第一代模拟系统采用此方法切换时间长，可达10S。 129 2.4.1信道切换原理(6/9)(3) 移动台辅助的越区切换网络要求移动台测量其周围基站的信号并

24、把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。第二代系统GSM，CDMA都采用此方法。特点：时间快，切换过程1s2s ，信号中断1s。 130 2.4.1信道切换原理(7/9)信道切换按照切换的性质可分： 同基站内不同扇区的切换、微小区与宏小区之间的切换、不同运营商之间的切换等等131 2.4.1信道切换原理(8/9)不同系统采用不同的切换策略 切换次数和中断次数最小 无明显干扰的快速通话转接对新呼叫阻塞的影响最小132 2.4.1信道切换原理(9/9)越区切换时的信道分配 越区切换时的信道分配涉及切换优先问题。系统处理切换请求时常采用越区切换请求优先于初始呼叫请求。 保留小区中所