无线通线系统概论课件

無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter5蜂巢式概念無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter5細胞面積在蜂巢式系統，最重要的因素是細胞的大小與形狀。一個細胞是一個傳送台或基地台所能涵蓋的無線電範圍。所有該區域的行動台都連往基地台，並接受其服務。理想上基地台所能涵蓋的面積可表示為距基地台圓心半徑R的圓形細胞。第5章蜂巢式概念第123頁2細胞面積在蜂巢式系統，最重要的因素是細胞的大小與形狀。一個細圖5.1細胞覆蓋面積的形狀細胞R(a)理想細胞RRRR(c)不同的細胞模型(b)實際細胞第5章蜂巢式概念第124頁3圖5.1細胞覆蓋面積的形狀細胞R(a)理想細胞RRRR(表5.1細胞形狀與半徑於服務特徵之影響第5章蜂巢式概念第124頁4表5.1細胞形狀與半徑於服務特徵之影響第5章蜂巢式概圖5.2兩相鄰細胞I與j的信號強度等高線從邊界左邊選取細胞i理想邊界信號強度(單位dBm)從邊界右邊選取細胞j細胞j-60-70-80-90-100細胞i-60-70-80-90-100第5章蜂巢式概念第125頁5圖5.2兩相鄰細胞I與j的信號強度等高線從邊界左圖5.3接收信號強度顯示實際細胞覆蓋-100-90-80-70-60-60-70-80-90-100信號強度(indB)細胞i細胞j第5章蜂巢式概念第125頁6圖5.3接收信號強度顯示實際細胞覆蓋-100-90-80-接收功率P(x)相距BS之距離x圖5.4基地台接收功率之變異第5章蜂巢式概念第126頁7接收功率P(x)相距BS之距離x圖5.4基地台接收圖5.5換手區域BSi因BSj之信號強度EX1因BSi之信號強度X3X4X2X5XthMSPminPi(x)Pj(x)BSjX4X2XthEX4X2Xth

第5章蜂巢式概念第127頁8圖5.5換手區域BSi因BSj之EX1因BSi之X3X4圖5.6長方形細胞的換手率假設N1是橫軸上單位長度發生換手的行動台數量，N2是縱軸方向的換手數量，則換手可能發生在細胞的R1邊，或細胞的R2邊。通過細胞的R1邊之行動台數量為，整體換手率：λH=R1(N1

cosθ+N2

sinθ

)+R2(N1

sinθ+N2

cosθ

)

N2N1R2R1第5章蜂巢式概念第127頁9圖5.6長方形細胞的換手率假設N1是橫軸上單位長度發生長方形細胞的換手率我們有:可以獲得：簡化為

第5章蜂巢式概念第128頁10長方形細胞的換手率我們有:可以獲得：簡化為第5章蜂巢細胞容量細胞的供給流量負荷通常決定於下列兩個重要隨機參數提出服務需求之行動台的平均數量（平均通話到訪率λ)。使用服務之行動台的平均時間長度（平均通話時間T)。供給流量負荷定義為a=

T第5章蜂巢式概念第130頁11細胞容量細胞的供給流量負荷通常決定於下列兩個重要隨機參數第5譬如，一個具有100個行動台的細胞，平均來說，如果一小時有30個服務需求，平均通話時間為T=

360秒，則平均服務率（或平均通話到訪率)是一個通道在一整個小時都是忙於服務則定義為一個Erlang。因此，前述例子的供給流量負荷，其Erlang為：細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁12譬如，一個具有100個行動台的細胞，平均來說，如果一小時有平均到訪率為λ與平均服務（離開)率是μ。當所有通道都是忙碌的，新到訪的通話是會遭拒絕的。此系統可以透過一個M/M/S/S排隊模型來被分析。如第二章所介紹M/M/S/S是M/M/S/∞的特例，此系統的穩態機率P(i)s與M/M/S/∞模型的其他狀態i=0,…,S，具有相同的形式。在這裡，S是細胞的通道數。所以，我們有：其中供給量細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁13平均到訪率為λ與平均服務（離開)率是μ。當所有通道都是忙到訪通話被阻斷的機率P(S)相同於所有通道都是忙碌的機率稱為ErlangB式，並標記為B(S,a).B(S,a)，也叫做阻斷機率（blocking

probability)、遺失機率，或拒絕機率。附錄A列有ErlangB表格。在前述例子，若S為2，a=3，則阻斷機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁14到訪通話被阻斷的機率P(S)相同於所有通道都是忙碌的機率細細胞容量有0.529比例的話務是阻斷的，需要重新啟始那些通話。因此總阻斷通話量大約為30

×

0.529

=15.87。系統的效率為：第5章蜂巢式概念第131頁15細胞容量有0.529比例的話務是阻斷的，需要重新啟始那些通一個到訪通話被延遲的機率為：這稱為ErlangC

式。在前述例子，若S=5與a=3，我們有B(5,

3)=0.11。所以，一個到訪通話被延遲的機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念第132頁16一個到訪通話被延遲的機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念頻率重複使用早期蜂巢式系統使用FDMA，其有限範圍限制在半徑2至20公里。一細胞所使用的頻率帶或通道可在另一細胞「重複使用」，前提是兩細胞得相距夠遠，且信號強度不相互干擾。而這種作法提高了各個細胞的可用頻寬。第5章蜂巢式概念第132頁17頻率重複使用早期蜂巢式系統使用FDMA，其有限範圍限制在半徑D、R（各細胞的半徑），以及N（各叢集的細胞數量）之間有緊密關係：重複使用係數q為：頻率重複使用第5章蜂巢式概念第132頁18D、R（各細胞的半徑），以及N（各叢集的細胞數量）之間有圖5.7頻率重複使用示意圖Fx:頻率帶之集合F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F1F1F1重複使用距離

D第5章蜂巢式概念第133頁19圖5.7頻率重複使用示意圖Fx:頻率帶之集合F1F2F圖5.8利用整數i

與j

來尋找相鄰細胞中心j

方向60°123…ii方向第5章蜂巢式概念第133頁20圖5.8利用整數i與j來尋找相鄰細胞中心j方向圖5.9u

與v

的座標平面(4,-3)(-3,3)u(v=0)012-1-2-1-21234-3-43-3v(u=0)第5章蜂巢式概念第134頁21圖5.9u與v的座標平面(4,-3)(-3,3如何形成叢集

，其中i

與j為整數。由於此方法僅適用於j=

1（給定N），整數i也固定如下：然後利用可以獲得細胞中心為（u,v）的標籤L。第5章蜂巢式概念第134-135頁22如何形成叢集現在我們提供一個N=7的例子。利用式子（5.20)，我們有i=2。然後利用式子（5.21)，我們有L=

(3u+v)

mod7。我們可以利用每個細胞的中心位置（u,v)來計算其標籤。表5.2N=7的細胞標籤u01-1001-1v0001-111L0341625如何形成叢集第5章蜂巢式概念第135頁23現在我們提供一個N=7的例子。利用式子（5.20)，我們有圖5.107-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式概念第135頁24uv0481211951212110310371162941011120876678910432234560121112012398578910134567859111267321091011765430111109874521012111065432181098765412圖5.107-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式圖5.1113-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式概念第136頁25圖5.1113-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢圖5.12六角細胞叢集的常見重複使用樣式第5章蜂巢式概念第136頁26圖5.12六角細胞叢集的常見重複使用樣式第5章蜂圖5.13受共通道細胞與

下行通道干擾之傳輸信號行動台(MS)第二階層之共通到基地台(BS)提供服務之基地台第一階層之共通道基地台RD1D2D3D4D5D6第5章蜂巢式概念第137頁27圖5.13受共通道細胞與

下行通道干擾之傳輸信號行動台第二圖5.14下行通道干擾的最差情形行動台提供服務之基地台共通到基地台RD1D2D3D4D5D6第5章蜂巢式概念第138頁28圖5.14下行通道干擾的最差情形行動台提供服務之基地台共通共通道干擾共通道干擾比（co-channelinterferenceratio;CCIR)為：其中Ik

為來自基地台BSk

之共通道干擾，以及M是共通道干擾細胞之最大數量。當叢集大小為7，M=6，CCIR為：其中是傳遞路徑衰減斜率，其值介於2至5。第5章蜂巢式概念第137頁29共通道干擾共通道干擾比（co-channelinterfe圖5.15細胞分裂示意圖大型細胞

(低密度)小型細胞(高密度)更小型細胞

(更高密度)第5章蜂巢式概念第139頁30圖5.15細胞分裂示意圖大型細胞小型細胞更小型細胞第5細胞分區我們主要專注在全向天線（omnidirectionalantennas)，其允許無線電信號在所有方向以相同的功率強度傳送。要設計這樣的天線是困難的，大部分時候，天線能涵蓋的區域為60度角或120度角。這些稱為指向型天線（directionalantennas)，而使用指向型天線的細胞稱為分區細胞。第5章蜂巢式概念第139頁31細胞分區我們主要專注在全向天線（omnidirectiona圖5.16

以指向型天線細胞分區(a)全向型120o(b)120o

分區abc120o(c)120o

分區(另一種)abc(d)90o

分區90oabcd60o(e)60o

分區abcdef第5章蜂巢式概念第140頁32圖5.16以指向型天線細胞分區(a)全向型120o(b圖5.17下行通道干擾於三個分區的最差情形BSMSRD’DBSBSBSD第5章蜂巢式概念第141頁33圖5.17下行通道干擾於三個分區的最差情形BSMSRD’圖5.18下行通道干擾於六個分區的最差情形D+0.7RMSBSBSR第5章蜂巢式概念第142頁34圖5.18下行通道干擾於六個分區的最差情形D+0.7RM圖5.19

一種將指向型天線建置在三個角落

的代替選擇ACBX第5章蜂巢式概念第142頁35圖5.19一種將指向型天線建置在三個角落

的代替選擇AC無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter5蜂巢式概念無線通訊系統概論

行動通訊與網路Chapter5細胞面積在蜂巢式系統，最重要的因素是細胞的大小與形狀。一個細胞是一個傳送台或基地台所能涵蓋的無線電範圍。所有該區域的行動台都連往基地台，並接受其服務。理想上基地台所能涵蓋的面積可表示為距基地台圓心半徑R的圓形細胞。第5章蜂巢式概念第123頁37細胞面積在蜂巢式系統，最重要的因素是細胞的大小與形狀。一個細圖5.1細胞覆蓋面積的形狀細胞R(a)理想細胞RRRR(c)不同的細胞模型(b)實際細胞第5章蜂巢式概念第124頁38圖5.1細胞覆蓋面積的形狀細胞R(a)理想細胞RRRR(表5.1細胞形狀與半徑於服務特徵之影響第5章蜂巢式概念第124頁39表5.1細胞形狀與半徑於服務特徵之影響第5章蜂巢式概圖5.2兩相鄰細胞I與j的信號強度等高線從邊界左邊選取細胞i理想邊界信號強度(單位dBm)從邊界右邊選取細胞j細胞j-60-70-80-90-100細胞i-60-70-80-90-100第5章蜂巢式概念第125頁40圖5.2兩相鄰細胞I與j的信號強度等高線從邊界左圖5.3接收信號強度顯示實際細胞覆蓋-100-90-80-70-60-60-70-80-90-100信號強度(indB)細胞i細胞j第5章蜂巢式概念第125頁41圖5.3接收信號強度顯示實際細胞覆蓋-100-90-80-接收功率P(x)相距BS之距離x圖5.4基地台接收功率之變異第5章蜂巢式概念第126頁42接收功率P(x)相距BS之距離x圖5.4基地台接收圖5.5換手區域BSi因BSj之信號強度EX1因BSi之信號強度X3X4X2X5XthMSPminPi(x)Pj(x)BSjX4X2XthEX4X2Xth

第5章蜂巢式概念第127頁43圖5.5換手區域BSi因BSj之EX1因BSi之X3X4圖5.6長方形細胞的換手率假設N1是橫軸上單位長度發生換手的行動台數量，N2是縱軸方向的換手數量，則換手可能發生在細胞的R1邊，或細胞的R2邊。通過細胞的R1邊之行動台數量為，整體換手率：λH=R1(N1

cosθ+N2

sinθ

)+R2(N1

sinθ+N2

cosθ

)

N2N1R2R1第5章蜂巢式概念第127頁44圖5.6長方形細胞的換手率假設N1是橫軸上單位長度發生長方形細胞的換手率我們有:可以獲得：簡化為

第5章蜂巢式概念第128頁45長方形細胞的換手率我們有:可以獲得：簡化為第5章蜂巢細胞容量細胞的供給流量負荷通常決定於下列兩個重要隨機參數提出服務需求之行動台的平均數量（平均通話到訪率λ)。使用服務之行動台的平均時間長度（平均通話時間T)。供給流量負荷定義為a=

T第5章蜂巢式概念第130頁46細胞容量細胞的供給流量負荷通常決定於下列兩個重要隨機參數第5譬如，一個具有100個行動台的細胞，平均來說，如果一小時有30個服務需求，平均通話時間為T=

360秒，則平均服務率（或平均通話到訪率)是一個通道在一整個小時都是忙於服務則定義為一個Erlang。因此，前述例子的供給流量負荷，其Erlang為：細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁47譬如，一個具有100個行動台的細胞，平均來說，如果一小時有平均到訪率為λ與平均服務（離開)率是μ。當所有通道都是忙碌的，新到訪的通話是會遭拒絕的。此系統可以透過一個M/M/S/S排隊模型來被分析。如第二章所介紹M/M/S/S是M/M/S/∞的特例，此系統的穩態機率P(i)s與M/M/S/∞模型的其他狀態i=0,…,S，具有相同的形式。在這裡，S是細胞的通道數。所以，我們有：其中供給量細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁48平均到訪率為λ與平均服務（離開)率是μ。當所有通道都是忙到訪通話被阻斷的機率P(S)相同於所有通道都是忙碌的機率稱為ErlangB式，並標記為B(S,a).B(S,a)，也叫做阻斷機率（blocking

probability)、遺失機率，或拒絕機率。附錄A列有ErlangB表格。在前述例子，若S為2，a=3，則阻斷機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念第131頁49到訪通話被阻斷的機率P(S)相同於所有通道都是忙碌的機率細細胞容量有0.529比例的話務是阻斷的，需要重新啟始那些通話。因此總阻斷通話量大約為30

×

0.529

=15.87。系統的效率為：第5章蜂巢式概念第131頁50細胞容量有0.529比例的話務是阻斷的，需要重新啟始那些通一個到訪通話被延遲的機率為：這稱為ErlangC

式。在前述例子，若S=5與a=3，我們有B(5,

3)=0.11。所以，一個到訪通話被延遲的機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念第132頁51一個到訪通話被延遲的機率為：細胞容量第5章蜂巢式概念頻率重複使用早期蜂巢式系統使用FDMA，其有限範圍限制在半徑2至20公里。一細胞所使用的頻率帶或通道可在另一細胞「重複使用」，前提是兩細胞得相距夠遠，且信號強度不相互干擾。而這種作法提高了各個細胞的可用頻寬。第5章蜂巢式概念第132頁52頻率重複使用早期蜂巢式系統使用FDMA，其有限範圍限制在半徑D、R（各細胞的半徑），以及N（各叢集的細胞數量）之間有緊密關係：重複使用係數q為：頻率重複使用第5章蜂巢式概念第132頁53D、R（各細胞的半徑），以及N（各叢集的細胞數量）之間有圖5.7頻率重複使用示意圖Fx:頻率帶之集合F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F1F1F1重複使用距離

D第5章蜂巢式概念第133頁54圖5.7頻率重複使用示意圖Fx:頻率帶之集合F1F2F圖5.8利用整數i

與j

來尋找相鄰細胞中心j

方向60°123…ii方向第5章蜂巢式概念第133頁55圖5.8利用整數i與j來尋找相鄰細胞中心j方向圖5.9u

與v

的座標平面(4,-3)(-3,3)u(v=0)012-1-2-1-21234-3-43-3v(u=0)第5章蜂巢式概念第134頁56圖5.9u與v的座標平面(4,-3)(-3,3如何形成叢集

，其中i

與j為整數。由於此方法僅適用於j=

1（給定N），整數i也固定如下：然後利用可以獲得細胞中心為（u,v）的標籤L。第5章蜂巢式概念第134-135頁57如何形成叢集現在我們提供一個N=7的例子。利用式子（5.20)，我們有i=2。然後利用式子（5.21)，我們有L=

(3u+v)

mod7。我們可以利用每個細胞的中心位置（u,v)來計算其標籤。表5.2N=7的細胞標籤u01-1001-1v0001-111L0341625如何形成叢集第5章蜂巢式概念第135頁58現在我們提供一個N=7的例子。利用式子（5.20)，我們有圖5.107-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式概念第135頁59uv0481211951212110310371162941011120876678910432234560121112012398578910134567859111267321091011765430111109874521012111065432181098765412圖5.107-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式圖5.1113-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢式概念第136頁60圖5.1113-細胞叢集的細胞標籤L第5章蜂巢圖5.12六角細胞叢集的常見重複使用樣式第5章蜂巢式概念第136頁61圖5.12六角細胞叢集的常見重複使用樣式第5章蜂圖5.13受共通道細胞與

下行通道干擾之傳輸信號行動台(MS)第二階層之共通到基地台(BS)提供服務之基地台第一階層之共通道基地台RD1D2D3D4D5D6第5章蜂巢式概念第137頁62圖5.13受共通道細胞與

下行通道干擾之傳輸信號行動台第二圖5.14下行通道干擾的最差情形行動台提供服務之基地台共通到基地台RD1D2D3D4D5D6第5章