北大无线通信讲义第二章

北大无线通信讲义第二章蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空间上重复使用，以进步通信容量的一种方法。频率复用是蜂窝系统进步通信容量的关键。两个问题：如何划分小区区域？如何分配频率？I.频率复用2划分区域要求：无缝无重叠覆盖覆盖效率－－接近圆形天线辐射图决定了小区大致的形状假定所有基站都采用中心鼓励的全向天线、一样的发射功率，理想传播环境，这时每个基站所能被接收的功率大于某个门限的区域构成一个圆形的小区。I.频率复用3蜂窝小区的形状：可重排实现无缝覆盖的图形中，六边形最接近圆形I.频率复用4从几何球状问题的角度，六边形的小区布置最有利于减小小区之间的干扰。实际小区的划分实际小区的形状是不规那么的；通常允许将基站安置的位置与理论上的位置有1/4小区半径的偏向。I.频率复用5频率复用〔FrequencyReuse，或称频率再用〕原理在无线蜂窝系统中，每个小区需要使用一个频率〔对TDD〕，或一对频率〔对FDD〕，在对基站发射功率严格控制的情况下，相隔间隔足够远的两个小区，可以重复使用这个频率，以进步频谱资源的利用率。这种方法称为蜂窝系统的频率再用〔Frequencyreuse)。I.频率复用6同频小区的干扰是需要考虑的一个重要问题；为减小临小区同频干扰，需要加大同频小区的间隔；同频小区之间用其它频率的小区隔离。I.频率复用7簇〔Cluster〕的概念共同使用全部可用频率的N个小区称为一个簇。整个区域的覆盖就通过簇的平移复制而成。簇中小区的个数N称为簇尺寸。不同簇之间使用一样频率的小区的最小间隔D称为再用间隔。N＝4f3f4f2f1f3f4f2f1f3f4f2f1f3f2f1f3f2f1f3f4f1f3f4f1DI.频率复用8i=1,j=1;N＝3;D=3Rf1f1f1f1f1f1如何进展频率再用I.频率复用9每个簇的小区数量N必须满足：

其中i和j分别为沿小区的一个链路跨越i个小区,再逆时针旋转60度跨越j个小区。典型值：1，3，4，7，12.同频复用比例：

R：小区半径，D：频率再用间隔I.频率复用N=4N=7N=12N=1210频率复用对蜂窝系统容量的影响 设：在蜂窝系统中，每个小区有k个信道，由N个小区组成一个簇，在这个簇中共有S个不同信道，即： S=kN 假如这个簇被重复使用了M次，总共的信道个数为： C=MS=MkN结论：整个系统容量正比于复用次数M。在总信道数S一定的情况下，M越大总容量越大；假如保持容量C不变，减小N那么须使M值增大。这种作法相当于在保持系统通信容量不变的前提下，减少使用不同信道的小区个数，那么这些信道的重复用次数必须增加，即：频率复用效率增加。定义：频率复用因子为1/N。 I.频率复用11例题：一个FDD蜂窝系统，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小区复用时，计算每个小区中可用信道的数目。假如其中已有1MHz作为控制信道用，确定在以上系统中，每个小区的控制信道和话音信道的均匀分配方案。解：一对双向信道带宽：25kHz×2＝50kHz总共可用信道＝33000/50=660个信道〔a〕N＝4 每个小区信道数目＝660/4＝165个信道〔b〕N＝7 每个小区信道数目＝660/7＝95个信道I.频率复用12控制信道：1MHz带宽，1000/50＝20个信道当N＝4时，每个小区分5个控制信道和160个话音信道。I.频率复用13信道分配策略(ChannelAssignmentStrategies)固定分配策略 每一小区事先分配了一定数量的信道。任何从呼叫到通讯建立都必须建立在本小区有空闲信道的根底之上。否那么，呼叫将被回绝。动态分配策略 在本小区无空闲信道的情况下，通过MSC到相邻近小区中借用一个信道使通讯得以建立。 MSC分配频率条件：1.小区没有使用该频率，2.最小频率复用间隔内的小区也没使用该频率。缺点：增大了MSC的处理负担。II.信道分配及切换14考虑到干扰抑制、容量最大化等因素，信道分配策略要复杂得多用户之间互干扰的抑制；信道的自适应分配II.信道分配及切换15切换当挪动站在不中断通讯的情况下从一小区穿进另一小区时，MSC自动地将这个通讯业务切换到第二小区的一个信道上的过程称之为切换。这个过程不仅包括识别一个新的BS过程。而且还包括把语音信道和控制信令信道同时切换到另一个BS上的过程。II.信道分配及切换16设定某个略强于接收机可承受效劳质量的最小可用信号作为切换门限，接收信号低于门限值那么进展切换。为防止不必要的切换和切换掉机，切换信号门限是经过仔细筹划而设置的。首先，切换必须在信号衰落到原BS可容忍的最小接收值，表示为〔通常为-90dBm~-100dBm〕之前完成。设切换门限为，那么

是设计切换门限的重要参量。II.信道分配及切换17假设值太小，可能导致在切换过程尚未完成时的掉机。特别是对快速挪动的用户这个问题尤为严重。假设值太大，系统可能进展不必要的切换。第一代蜂窝系统的典型切换时间是10秒，值在6－12dB之间第二代蜂窝系统的典型切换时间是1－2秒，值在0－6dB。II.信道分配及切换18切换控制方式在第一代模拟蜂窝系统中，信号的强度是由BS检测并由MSC监视的。BS通过检测所有语音信道判断挪动站相对自己的位置。此外，每一BS还有另一个接收机检测相邻BS中的挪动站的信号。这个接收机称为定位器。定位器是由MSC控制监视那些可能需要切换的MS发出的信号。基于本BS语音信道和相邻BS定位器检测的结果，MSC决定是否需要切换。第二代数字TDMA通讯系统中，切换是以MS辅助决定的。每个MS检测周围BS发出的信号，并不断向本BS汇报。当它发现从某个BS来的信号强度超出本BS信号一定电平或是持续了一定的时间，就准备进展切换。这种切换方式的切换速度大大高于第一代通讯系统，而且MSC也可以从该项繁重的任务中解放出来。应该指出,不同系统在承受和处理切换的策略可能很不一样的。它们主要表达在切换优先权的设置上。II.信道分配及切换19信道切换机制小区之间切换小区内部切换II.信道分配及切换20切换方式软切换:makebeforebreak〔带来宏分集〕硬切换:breakbeforemake控制方式Base-stationcontrolledHandoff(BCHO)Mobileassisthandoff(MAHO)Mobilecontrolledhandoff(MCHO)分类系统内切换〔程度切换〕Cell-to-cellhandoff:intercellH.O.Sector-to-sectorhandoff:intracellH.O.不同系统之间切换〔垂直切换〕II.信道分配及切换21术语表InAnalogSystemInGSMSystem

CellsiteBasestationHandoffHandoverForwardlinkDownlinkReverselinkUplinkII.信道分配及切换22干扰是限制蜂窝无线系统性能的主要因素干扰来源本小区其他用户临近小区用户系统间干扰从本质上讲，系统干扰可分为同频干扰〔co-channelinterference〕和邻频干扰〔adjacentchannelinterference〕。III.干扰和系统容量23Co-Channel干扰 由于蜂窝系统中采用了频率复用技术，在一个给定的足够大的地区上并存着数个使用一样信道的小区。这些小区称之为co-channelcell(同频小区)。这些小区间的干扰称为co-channelinterference。1.前向链路的同频干扰〔同步情况〕:基站对手机干扰III.干扰和系统容量D干扰B0BiM0f0f0第0号小区第i号小区24Co-Channel干扰2.反向链路的同频干扰〔同步情况〕:手机对基站干扰III.干扰和系统容量D干扰B1B2M1M2f0f0f0f025异步情况下存在的干扰手机对手机干扰由于手机信号较弱，在手机之间间隔较远时该干扰很小基站对基站干扰基站天线高，发射功率强，而且可能存在视距道路〔LOS〕,因此这一干扰非常强烈III.干扰和系统容量TD-SCDMA在异步情况下的帧构造26一般地讲，co-channel小区干扰强度是小区半径R和co-channel小区间距D的函数。增加同频复用比例Q＝D/R值，即增大co-channel小区的间距与小区覆盖半径的比值，它相当于增大co-channel小区的隔离度。III.干扰和系统容量27N表示簇的大小，R定义为六边形的中心到小区最远的间隔。于是有Q=D/R= 式中Q值越小Co-channel干扰越大，而此时小区系统容量越大〔因为cluster尺寸越小〕。相反，大的Q值可以减小co-channel干扰，但却会减小区系统容量。因此，不难看出减小Co-channel干扰是以减小容量为代价的。因此，最大化系统容量存在同频干扰与同频复用比例之间的折衷。III.干扰和系统容量28各系统抗干扰才能不同，簇的大小也不同AMPS(FDMA) N=7GSM(TDMA) N=3,4IS-95(CDMA) N=1在干扰可承受的情况下，尽量采用小的簇来进步系统容量。III.干扰和系统容量29同步下行干扰的计算 信号与co-channel干扰的强度比值可以这样计算。设：MS的接收信号强度与co-channel干扰强度比为S/I,co-channel小区的个数为。于是信干比〔SIR〕就有

其中S为BS给用户的信号功率。

III.干扰和系统容量30应用信号衰落的公式

其中是间隔信号源为点处测量出的信号功率值，是间隔信号源为d点处的功率预测值，n为途径损耗指数。III.干扰和系统容量31假定：所有途径的co-channel的BS发射功率一样，且途径损耗指数一样，那么小区边缘用户的SIR可写为：

在单层干扰和所有co-channel小区具有一样的间隔的条件下，信躁比可由cluster尺度表示：

上式表示了S/I与系统总容量的关系。III.干扰和系统容量32相邻信道的干扰〔AdjacentChannelInterference〕来自相邻频率段上的干扰叫相邻信道干扰。这种干扰是由于接收机滤波器阻带泄露造成的。远近效应对邻频干扰更严重。例如：当挪动通讯中接收机远离BS而邻近一个相邻信道的发射机时，相邻信道的干扰问题尤为严重。减小相邻信道干扰的方法除了应用高质量滤波器外，精心设计小区的频率分配也是解决问题的一条途径。为此，在一个cluster中应选择在同一小区内使用的频率间隔尽可能的大。考虑：有一组频率连续的信道，如何为一个簇内的小区进展分配？III.干扰和系统容量33功率控制是降低干扰的一个有效方法。使每个手机发射最小的必要功率可以大大降低相邻信道干扰。优点：延长电池寿命减小同频干扰，防止“远近效应〞引起的信号吞没抑制衰落III.干扰和系统容量34III.干扰和系统容量分类：前向功率控制和反向功率控制开环功率控制和闭环功率控制开环功率控制：接收机通过测量接收到的导频信号的功率大小和有关信息，调整自己的发射功率；WCDMA协议中要求开环功率控制的控制方差在10dB内就可以承受闭环功率控制：发射端根据接收端送来的反响信息对发射功率进展控制的过程快速功率控制可到达1500次/秒35现代通信网络中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。电路交换是以电路连接为目的的交换方式；分组交换是以信息分发为目的，把输入端进来的数据分组，根据其标志的地址域和控制域，把它们分发到各个目的地。一般来说，电路交换方式适用于业务；分组交换适用于数据业务。IV.中继和系统容量

36 系统的容量：中继和效劳质量(SystemCapacity：TrunkingandGradeofService)系统的信道或线路是有限的；根据用户行为的统计数据，中继使固定数量的信道或线路可为一个数量更大的、随即的用户群体效劳。中继：允许大量的用户在一个小区内共享相对较小数量的信道。

对系统容量的估计是建立在中继理论〔TrunkingTheory〕上的。该理论是由Erlang在19世纪末建立的。IV.中继和系统容量

37信道分配与呼叫回绝在中继系统中，空闲信道被放置在闲置信道组中。当用户呼叫时，系统随机地从闲置信道组中分配出一个信道供用户使用。而闲置信道组中的信道数减少一个。用户通话完毕，信道将被放回闲置信道组。假如用户呼叫时，闲置信道组中无闲置信道，那么呼叫被回绝。IV.中继和系统容量

38中继系统根据用户呼叫的统计特性使系统包容较多的用户，通讯公司也正是应用中继理论来确定一个效劳区内应分配给多少信道的。中继系统按照呼叫处理方式分为两种：一种是当呼叫被拒后，这次呼叫不被记忆，该用户的再次呼叫视为一个新的呼叫。这种系统称为B系统。另一种系统称为C系统，它记忆用户的呼叫并利用排队理论处理用户再呼叫。IV.中继和系统容量

39一般来讲，设计一个中继系统需要考虑很多因素，如：夜间用户使用系统的概率小，而周五下午5点钟左右系统的使用率极高等。

对中继系统效劳的主要指标是指在一定效劳等级下的系统容量。效劳等级〔GOS〕用呼损率描绘，即：假如用户在100次呼叫中有两次被回绝，那么呼损率为：2%。Erlang容量由信道的话务量强度决定，话务量强度是一个无量纲的值，可以用来表征单个或多个信道的时间利用率。以Erlang为单位。一个Erlang表示一个完全被占用的信道的话务量强度。IV.中继和系统容量

40B系统模型对每个恳求效劳，假设没有建立时间，有空闲信道那么接入，否那么就回绝。呼叫服从泊松〔Poisson〕分布用户数量无限大用户占用信道的概率服从指数分布IV.中继和系统容量

41在中继系统中，每个用户产生的话务量强度为：呼叫频率乘以用户每次通话的平均时间：

式中：和H分别代表呼叫频率和平均每次通话时间。假如系统效劳区内有U个用户，那么他们总的话务量强度为：

假设系统有C个信道，那么每个信道的话务量强度为：

IV.中继和系统容量

42系统容量：系统可承受的负载密度，它是由系统处理呼叫方式和允许呼损率决定。

由统计关系可以导出B系统中容量和呼损率的关系为：

式中：代表呼叫被回绝的概率，A是提供的总话务量，C为中继信道数。IV.中继和系统容量

43

中继信道数量C

容量(Erlang)

呼损率＝0.01

＝0.005

＝0.002

＝0.001

2

54

10202440701000.153

0.869

1.36

4.46

12.0

15.3

29.0

56.1

84.1

0.105

0.701

1.13

3.96

11.1

14.2

27.3

53.7

80.9

0.065

0.535

0.900

3.43

10.1

13.0

25.7

51.0

77.4

0.046

0.439

0.762

3.090

9.41

12.2

24.5

49.2

75.2

B系统的Erlang容量

IV.中继和系统容量

44例题： 设一个蜂窝系统属于B系统，它由W=98个小区组成，每个小区有40个信道。假如每个用户平均每小时用2次，每次3分钟，设定呼损率为0.2%，那么该系统可以支持多少个用户。假如呼损率为0.1%,那么可支持多少用户。IV.中继和系统容量

解：每个用户对负载密度的奉献为： =〔2/60〕3=0.1Erlangs 假设C=40和GOS=0.002,查表得到，小区的容量为=25.7Erlangs. 所以，小区可支持的用户数U可由下式计算 U=25.7/0.1=257

45 假设呼损率为GOS=0.001,查表2-1得到，小区的容为24.5Erlangs. 那么：小区可支持的用