蜂窝式组网的理论

蜂窝式组网的理论.ppt蜂窝式组网的理论

第一节蜂窝小区的概念和特点第二节信道切换策略第三节信道(频率)配置第四节电信业务流量与服务等级第五节干扰和系统容量第一节蜂窝小区的概念和特点移动通信网的体制服务区域的划分蜂窝概念频率复用区群系统容量与区群关系同频小区的确定同频复用距离移动通信网的体制-大区制分两类：小容量的大区制和大容量的小区制大区制移动通信系统

大区制是指一个基站覆盖整个服务区。适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下的。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。

小区制移动通信系统许多小功率的发射机(小覆盖区)来代替单个的大功率发射机(大覆盖区)，每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样所有的可用信道就分配给了相对较小数目的相邻的基站。给相邻的基站分配不同的信道组，则基站之间(以及在它们控制下的移动用户之间)的干扰就最小。移动通信网的体制-小区制小区制的概念将所要覆盖的地区划分为若干小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10公里左右，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。频率复用用有限的频率数就可以服务多个小区，每一个小区和其它小区可再重复使用这些频率，称为频率复用。这种组网方式可以构成大区域大容量移动通信系统。带状服务覆盖区

一般应用在铁路、公路、沿海等地。按横向排列覆盖整个服务区，BS使用定向天线，有许多细长的无线小区相连而成。服务区域的划分-带状服务覆盖区带状服务区双频组和三频组频率配置为了克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组或四频组的频率配置方式。从造价和频率利用率来看，选择二频组最好，但二频组的抗干扰能力最差服务区域的划分-面状服务覆盖区

面状服务区

陆地移动通信大部分是在一个宽广的平面上实现的，平面服务区内的无线小区组成的实际形状取决于电波传播条件和天线的方向性。如果服务区的地形、地物相同，且基地台采用全向天线，其覆盖范围大体是一个圆。为了不留空隙地覆盖整个服务区，无线小区之间会有大量的重叠。，在考虑重叠之后，每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形，这些多边形有正三角形、正方形和正六边形。蜂窝概念

整个无线覆盖区采用正六边形无线小区彼此邻接构成，把这种六边形形状基站的覆盖范围称之为蜂窝网。蜂窝概念

移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线服务范围的。基站的覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝许多小功率的发射机(小覆盖区)来代替单个的大功率发射机(大覆盖区)，每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样所有的可用信道就分配给了相对较小数目的相邻的基站。给相邻的基站分配不同的信道组，则基站之间(以及在它们控制下的移动用户之间)的干扰就最小。蜂窝概念续1蜂窝概念续2通过上表可见，采用正六边形无线小区邻接构成整个面状服务区为最好。六边形的面状服务区的形状像蜂窝---称蜂窝网蜂窝网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干个无线区群构成整个服务区为了实现同频复用，防止同频干扰，要求每个区群中的小区，不得使用相同频率，只有在不同的无线区群中，才可使用相同的频率进行频率复用

频率复用两个不同的地理区域里配置相同的频率。例如在不同的城市中使用相同频率的AM或FM广播电台。在一个系统的作用区域内重复使用相同的频率——这种方案用于蜂窝系统中。区群

若干个单位无线区群彼此邻接组成蜂窝式服务区域邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相等。满足以上条件的单位无线区群中的小区数目N为:N=i2+ij+j2其中，i和j为非零整数。N叫做区群的大小，典型值为4、7或12。群区小区数N的取值区群的组成。图区群的组成七小区频率复用的图解

系统容量与区群关系考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分配k个信道(k<S)，并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数表示为：

S=kN

共同使用全部可用频率的N个小区叫做一区群。如果区群在系统中共复制了M次，则双向信道的总数C，可以作为容量的一个度量：

C=MkN=MS系统容量C与M成比例:N减少而总小区数目不变,M增加从而获得更大的容量.系统容量与区群关系N取值是满足通信质量的前提下取值.因此再保证通信质量的前提下,N值大小表现了移动台或基站承受干扰的大小,N取可能最小值是最好的,以提高覆盖范围上的最大容量.同频小区的确定

自小区A出发,沿边垂线跨i个小区;逆时针(向左或向右)旋转60度再移j个小区.(i=3,j=2,N=19)频率复用距离D频率复用距离D:

式中D:同频小区的距离N:单位无线区群中的小区数目R:小区半径:邻区中心之间距离第二节信道切换策略信道切换概念引起切换通常的原因移动台辅助切换实际系统切换的一些考虑信道切换策略信道切换概念当移动用户处于通话状态时，如果用户从一个小区移动到另一个小区，为保证通话的连续，系统要对该移动台的连接控制也从一个小区转移到另一小区。将处于正在通话的移动台转移到新的业务信道（新小区）的过程称为切换。信道切换目的是实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。切换的操作不仅包括识别新的小区，而且需要分配给移动台在新小区的语音信道和控制信道。信道切换策略引起切换通常的原因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强度较强的相邻小区。由于某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。由第一种原因引起的切换一般由移动台发起，由第二种原因引起的切换一般由上级实体发起.信道切换策略切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户觉察不到。为适应这些要求，系统设计者必须指定一个启动切换的最恰当的信号强度。（一般在-90dBm~-100dBm）基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。呼叫在一个小区内没有经过切换的通话时间，叫做驻留时间。第一代模拟蜂窝系统中，信号能量的检测是由基站来完成，由移动交换中心(MSC)来管理的。在使用数字TDMA技术的第二代系统中，是否切换的决定是由移动台辅助完成的。移动台辅助切换（MAHO）每个移动台检测从周围基站中接收信号的能量并且将这些检测数据连续送给当前为它服务的基站。信道切换策略实际系统切换的一些考虑在实际的蜂窝系统中，当移动速度变化范围较大时，系统设计将遇到许多问题。通过使用不同高度的天线和不同强度的功率，在一个站点上设置“大的”和“小的”覆盖区是可能的，这种技术叫做伞状小区方法。伞状小区方法能用来为高速用户提供大面积的覆盖，同时为低速用户提供小面积的覆盖。小区拖尾是由对基站发射强信号的步行用户所产生的。由于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号能量衰减不快；即使当用户远离了小区的预定范围，基站接收的信号仍然可能高于切换门限，因此不做切换，这就会产生潜在的干扰和话务量管理问题，因为用户那时已深入到了相邻小区中。为解决小区拖尾问题，需仔细地调整切换门限和无线覆盖参数。第三节信道(频率)配置

激励方式信道(频率)配置-----等频距配置法信道配置实例-----频率划分激励方式

激励方式一般分为中心激励和顶点激励。中心激励是指基地台位于无线小区的中心，并采用全向天线实现无线小区的覆盖。顶点激励是指每个正六边形间隔的三个顶角上设置基地台，并采用三个1200扇形张角的定向天线覆盖整个无线小区。表示方法:中心激励N=7；顶点激励N=4×3；3×3中心激励与顶点激励

两种激励方式(a)中心激励(b)顶点激励顶点激励方式的好处顶点激励方式采用定向天线，能消除障碍物阴影对来自1200主瓣之外的同频干扰信号，天线方向性能提供一定的隔离度，从而降低了干扰减小同频无线小区之间的距离，降低了无线区群中无线小区的个数，提高频率利用率、简化设备、降低成本返回信道(频率)配置-----等频距配置法等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔，例如，第一组用(1，1+N,1+2N,1+3N,…)，第二组用(2,2+N,2+2N,2+3N,…)等。例如N=7，则信道的配置为：第一组1、8、15、22、29、…第二组2、9、16、23、30、…第三组3、10、17、24、31、…第四组4、11、18、25、32、…第五组5、12、19、26、33、…第六组6、13、20、27、34、…第七组7、14、21、28、35、…这样同一信道组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔，若信道间隔为200kHz，则其最小频率间隔可达1400kHz，这样，接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰。如果是定向天线进行顶点激励的小区制，每个基站应配置三组信道，向三个方向辐射，例如N=7，每个区群就需有21个信道组。整个区群内各基站信道组的分布如下图。三顶点激励的信道配置信道配置实例__频率划分

GSM蜂窝系统根据所用频段可以分为GSM900MHz和DCS1800MHz系列。GSM900:中国移动占用890~909／935~954MHz，对应的ARFCN为1-95(通常频点95保留不用)；中国联通占用909-915／954-960MHz，对应的ARFCN为96-124。频率与ARFCN的关系计算：基站收f1(n)=890.2+(n-1)×0.2MHz基站发f2(n)=f1(n)+45MHz信道配置实例__频率划分DCSl800共有374个频点，绝对载频号为512-885。频率与载频号(n)的关系如下：基站收f1(n)=1710.2+(n-512)×0.2MHz基站发f2(n)=f1(n)+95MHz中国移动占用1710-1720MHz，对应绝对载频号为512-561；中国联通占用1745-1755MHz对应ARFCN为687-736。信道配置实例__频率复用

GSM的频率规划通常采用4×3复用方式。对于业务量较大的地区，可以采用3×3、l×3等复用方式。无论采用哪种复用方式，必须满足干扰保护比的要求。除频率复用带来的同频干扰外，还有其他一些异常干扰：(1)有用信号自身落在系统时延均衡器外的多径信号干扰；(2)系统外部信号干扰(雷达站、非法无线设备、环境噪声等)。GSM系统中，对载干比的要求是：(1)同频载干比：C/I≥9dB；工程中加3dB余量，即C/I≥12dB。(2)邻频载干比：C/I≥-9dB；工程中加3dB余量，即C/I≥-6dB。载波偏离400kHz时的载干比：C/I≥-41dB。信道配置实例__频率规划原则

一般情况下，同基站内不允许存在同频、邻频频点；同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400kHz以上；同一小区的TCH间的频率间隔最好在400kHz以上(采用射频跳频时可通过合理设划MAIO实现要求)；直接邻近的基站应尽量避免同频(即使其天线主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影响也会带来较大的干扰)；考虑到天线挂高和传播环境的复杂性，距离较近的基站应尽量避免同频、邻频相对(含斜对)；通常情况下，l×3复用应保证参与跳频的频点是参与跳频载频数的二倍以上；重点关注同频复用，避免在邻近区域存在同BCCH同BSIC的情况。

信道配置实例__4×3频率复用方式GSM系统中最基本的频率复用方式为4×3频率复用方式，

“4”表示4个基站，

“3”表示每个基站3个小区组成，这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频于扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求，使GSM网络运行质量好、安全性高。由于BCCH载频的重要性及其不能采用下行功控、DTX等抗干扰手段，BCCH载频必须采用4×3或更宽松的频率复用模式。4×3频率复用方式

6MHz带宽4×3复用

可用带宽为6MHz，信道号为97~124。下表为4×3频率规划例子。

频率组号A1B1C1D1A2B2C2D2A3B3C3D3各频率组的频点号12412312212112011911811711611511411311211111010910810710610510410310210110099989719MHz带宽4×3复用

中国移动19MHz的频率（1~94），采用4×3频率复用模式，BCCH为79~94，共16个频点，其余全部分配给TCH，最大站型为S8/7/7。频率组号A1B1C1D1A2B2C2D2A3B3C3D3各频率组的频点号949392919089888786858483787776757473727170696867666564636261605958575655545352515049484746454443424140393837363534333231302928272625242322212019181716151413121110987654321

4×3复用小结

4×3作为常规的频率复用模式是基本的频率规划技术，其他各种频率紧密复用技术的BCCH都必须采用4×3复用模式。理论分析表明，当各基站分布比较规则、小区方位一致时，同样复用模式下的干扰最小。因此要想增加网络容量，就必须尽可能保持基站分布符合理想网孔规则，小区方位角保持一致，天线高度也维持在同一高度(不考虑分层网)。但有时为了覆盖的需要，又往往期望通过调整天线方位角来改善覆盖，在这里与网络容量的提高是一个矛盾，需要权衡取舍。

当需要继续增加网络容量时，可以采用的措施有：(1)小区分裂。但目前市区宏蜂窝基站平均覆盖半径已经小于500m，进一步大规模小区分裂在技术上和经济上的难度越来越大；(2)利用新的频率资源。如引入1800MHz频率资源，建设DCSl800网络；(3)在900MHz现有的频率资源情况下，采用紧密频率复用技术，提高网络容量。

采用频率紧密复用技术提高网络容量是最经济、最快捷的手段，因此也是最受运营商欢迎的手段。频率紧密复用技术-3×3频率紧密复用技术-3×310MHz，信道号为45~94，BCCH采用4×3常规复用，频率为81~94，共14个频点。TCH采用3×3，频点号为45~80，共36个频点，最大站型为S5／5／5。频率复用度为10。见下表频率组号A1B1C1A2B2C2A3B3C3各频率组的频点号807978777675747372717069686766656463626160595857565554535251504948474645频率紧密复用技术-3×3在10MHz带宽下，站型可做到S5／5／5，而同样带宽采用4×3复用方式站型只能做到S4／4／4，所以在频带一定的情况下，网络容量得到一定程度的提高。在网络用户容量不是很多的情况下，使用这种复用方式可适当缓解网络容量的压力；但由于实际基站分布的不规则、天线挂高不一致、各基站的覆盖范围不一致，会导致网上干扰上升，要取得较好的话音质量，须采取一定的抗干扰技术，如跳频、DTX的使用等以减小网上干扰。这种复用方式的主要特点是：l

对现有网络结构不需做改动，实施容易。l

频率分组简单，系统容量一定程度上得到提高。l

相对于4×3复用方式，干扰有所增加，但总体干扰可控制得较小。l

采用跳频时，需要有足够的频带宽度，以保证跳频效果。第四节电信业务流量与服务等级

多信道共用技术话务量与呼损率的定义呼损系统呼损率B的计算爱尔兰B公式用户忙时的话务量与用户数例题第四节电信业务流量与服务等级

一、多信道共用技术无线移动通信系统小区所有无线信道都被占用，而用户又请求服务时:(1)发生呼叫阻塞而被系统拒绝接入。(2)用队列保存阻塞呼叫，呼叫请求就一直延迟到有空闲信道为止。二、话务量与呼损率的定义在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间(1小时)内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道时间(含通话时间)S。显然λ和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为式中：λ的单位是(次/小时)；S的单位是(小时/次)；两者相乘而得到A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位为“爱尔兰”(Erlang)。电信业务流量与服务等级已知1小时内平均发生呼叫的次数为λ(次)，可求得:A(爱尔兰)=S(小时/次)·λ(次/小时)可见这个A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即λ=20(次/小时)平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即爱尔兰在信道共用的情况下，通信网是无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生“呼损”。已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为λ，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了。设单位时间内成功呼叫的次数为λ0(λ0＜λ)，就可算出完成话务量流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量。损失话务量占流入话务量的比率即为呼叫损失的比率，称为“呼损率”，用符号B表示呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级(或业务等级)。例如，某通信网的服务等级为0.05(即B=0.05)，表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折衷处理。损失系统的服务等级指标是呼损率，通常有三种不同定义的呼损率。①按时间计算的呼损率系统服务设备处于阻塞状态下的概率，近似等于在考察的时间内，系统被阻塞的时间与考察的时间之比。②按呼叫计算的呼损率呼叫因为系统忙被损失的概率，近似等于在考察的时间内，损失呼叫数量与到达的总呼叫数量之比。③按负载计算的呼损率负载损失的概率，近似等于在考察的时间内，损失负载与这段时间流入的负载之比。三、呼损系统呼损率B的计算爱尔兰B公式(也叫阻塞呼叫清除公式)可求解呼叫阻塞概率。

爱尔兰B公式已经制成爱尔兰呼损表(见附录一)，若已知三个参数A、B和n中的任何两个参数，就可以从爱尔兰呼损表中查出需要的第三个参数。例如，可以从表2.1中找到B、A、n三者。呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即表2.1呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系表2.1呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系四、用户忙时的话务量与用户数每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%~15%。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天)，每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k，则每用户的忙时话务量为例如：一个用户25天内平均呼叫时间100min，平均每天呼叫时间4min,每天忙时呼叫一次，假定忙时系数9%，忙市呼叫一次时间为0.36min，根据A=λs，则每个用户忙时只呼一次的业务量为0.36/60=0.06Erl。若有100个用户10条线路,则这个系统的留入话务量A=6Erl，呼损率B=4.3%。

国外资料表明，公用移动通信网可按a=0.01设计，专业移动通信网可按a=0.05设计。由于电话使用的习惯不同，国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少，建议公用移动通信网按a=0.02~0.03设计，专业移动通信网按a=0.08设计。用户数的计算以a=0.01(爱尔兰/用户)计算出每信道的用户数如下表所示(在a值不同时，则需另行计算)。全网的用户数为m·n，m为每个信道的用户数，n为信道数例题1某蜂窝网小区共有20个信道，每个用户忙时话务量0.01Erl,在一个呼叫清除系统中,呼损率为1%,该小区能支持多少用户数?解:n=20,B=1%,查表2.1得A=12Erl用户数m.n=A/=12/0.01=1200户例题2市区用户密度700户/km2,该区面积25km2,郊区用户密度20km2,该区面积300km2,B=5%;每用户忙时话务量0.027Erl,城市采用4×3复用方式,郊区采用全向N=7复用方式中国联通的GSM网络,需要多少个BS来覆盖?解:根据前节的信道配置方案(即6M频率复用)频率复用方式每BS可用载频数每BS可用信道数4×32×2+1×32×14+1×227全向430例题2-续14×3方式(1)n=22B=5%查呼损表得A=17.132Erl用户数m.n=A/=17.132/0.027=634户(2)n=14B=5%查呼损表得A=9.73Erl用户数m.n=A/=9.73/0.027=323户总用户数=323×2+634=1280户每BS有效面积=1280/700=1.83km2BS数=25/1.83=13个例题2--续2郊区N=7全向n=30B=5%查呼损表得A=24.8Erl用户数m.n=A/=24.8/0.027=919户每BS有效面积=919/20=45km2BS数=300/45=7个电信业务流量----等待系统服务等级的计算等待系统服务等级指标主要有等待时长的概率分布和呼叫平均等待时间。等待时长的概率分布呼叫平均等待时间根据不同定义，可以分成：①根据全部呼叫计算的平均等待时间；②根据等待呼叫计算的平均等待时间。等待时长的概率分布主要关心呼叫等待的概率和呼叫等待时间超过规定时间的概率。等待系统服务等级的计算在任意时刻到达的呼叫，它的等待服务时间大于任意给定时间t的概率就是等待时长的概率分布，即例：设呼叫的平均占用时长s=10s，呼叫到达率=1.2呼/min，则业务流量呼叫等待的概率(2)平均等待时间和平均排队长度①平均等待时间②平均排队长度第五节干扰和信道容量同频干扰和系统容量载干比相邻信道的干扰蜂窝小区容量的的改善同频干扰和系统容量同频复用比例qN值越小,q的值越小则容量越大,但同频干扰大传播质量下降；而q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统中，需要对系统容量和传播质量这两个目标进行协调和折衷。传播质量与MS或BS接收的C/I有关.

载干比

小区的同频载干比(C／I)可表示为：

载干比C／I与复用簇中的基站数N的关