第4章+蜂窝移动通信的组网技术.ppt

1、第四章蜂窝移动通信的组网技术，4.1频率资源的管理和有效利用技术，4.2区域覆盖和网络结构，4.3蜂窝移动通信的多址技术，4.4多址方式和系统容量，4.6蜂窝移动通信的信令技术，4.7蜂窝移动通信网络的连接练习，4.1频率资源的管理和有效利用技术，4.1.1频率资源的管理频率是一种特殊的资源，与其他资源相比不是取之不尽的。 它具有一些特殊的性质，如：射频资源不是消耗性的，用户只在一定的空间和时间内占用它们，用完后仍然存在，不使用或不当使用都是浪费； 无线电波传播不分地区和国界；它有时间、空间和频率三个维度，可以从这三个方面进行有效利用，提高其利用率；它很容易被各种各样的噪音和来自自然和人为的干

2、扰所污染。4.1.2频率技术的有效利用频率的有效利用是指从时域、空域和频域三个方面采用各种技术来提高频率的利用率。1.时域频率的有效利用在某个区域，如果某个用户占用了某个频道，实际上它不可能一直占用。在这个用户的空闲时间，没有其他用户可以再使用这个频道，只能让它空闲，这是一个很大的浪费。空间域频率的有效利用在某个区域(空间)使用某个频率后，只要能控制无线电波辐射的方向和功率，这个频率就能在一定距离的另一个区域重复使用，这就是频率重复使用。蜂窝移动通信网络就是基于这个概念。在频率复用的情况下，几个无线电台将使用相同的频率。3.频域中频率的有效利用频域中频率的有效利用有两种方法：窄带信道和宽带多址

3、技术。信道窄带的方法可以从基带的角度采用频带压缩技术，如低速率语音编码；从射频调制频段来看，可以采用各种窄带调制技术，如窄带和超窄带频率调制、带导频幅度压扩的单边带调制以及各种窄带数字调制技术。通过应用窄带技术来减小信道间隔，可以在有限的频带内设置更多的信道，从而提高频率利用率。宽带多址技术包括每个用户占用一定频带的频分多址(FDMA)、时分多址(时分多址)、码分多址(码分多址)及其组合。综上所述，频率的有效利用技术见表4-1。表4-1频率的有效利用技术。频率有效利用率的评价标准是频率利用率。它被定义为，(频率利用率)=通信流量，所使用的频谱空间的大小，并且通信流量由电话流量A表示，然后是4.

4、1.3多信道共享技术1。多信道共享的概念，即多个无线信道由许多移动站共享，或者网络中的大量用户共享几个无线信道。这类似于有线用户共享干线的概念，目的是提高信道利用率。让我们先来看看下面三个由三种不同方案组成的系统。方案1:移动站配置有无线信道。方案2: 88个移动站，8个信道。方案3:有88个移动台和8个信道，但是移动台没有分组，也就是说，这8个信道属于这88个移动台。2。多信道共享的特征1)呼叫流量和繁忙时间流量是测量通信系统的呼叫流量或繁忙程度的指标。它的本质就像客流一样，是随机的，只能通过统计方法获得。所谓通话流量是指每单位时间(一小时)的平均电话交换量，可以用以下关系式表示：ACt0

5、(4-1)，图4-1，中国电话流量的日流量分布图，图4-2，广东某市蜂窝网络的日流量分布图，用户的繁忙流量是指一天中最繁忙的时间(即同时，繁忙时间电话流量与全天电话流量之比称为集中系数，用k表示。因为k反映了这个通信系统中“繁忙时间”的集中程度，即繁忙时间占全天流量的比例。一般来说，k是7。这样，我们就可以得到每个用户繁忙流量的表达式。(4-2)，2)当容量由多个通道共享时，有两种容量表达式。系统可以容纳的用户数量(M)，(4-3)，以及每个信道可以容纳的用户数量(M)，(4-4)，3)当M个用户共享N个信道时，因为用户的数量远大于信道的数量，即Mn，将会有多于N个用户同时请求通话并且信道的数

6、量不足的情况。此时，只有n个用户可以说话。而另一部分用户因为没有频道而无法通话，这就叫做通话失败。在通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫丢失概率，简称为B。设A为成功接通电话的电话流量，简称为完成的电话流量。C0是一小时内成功呼叫的次数，t0是每个呼叫占用信道的平均时间，因此呼叫丢失率为(4-5)和(4-6)。如果调用具有以下属性：每个调用都是独立且不相关的，也就是说，调用是随机的；每次通话都有相同的时间概率；每个用户选择的无线信道是任意和平等的。那么呼叫丢失率可以根据以下公式计算：(4-7)，这是电话工程中的第一个爱尔兰公式，也称为爱尔兰公式。它以解析表达式的形式反映了系统呼损率、信道号和总话

7、务量之间的关系。交通工程计算中广泛使用的爱尔兰呼损表可以通过计算得到，如表4-2所示(略)。(1)严格地说，移动通信系统不完全满足推导该公式的三个先决条件，特别是在小电话流量的情况下。然而，作为一般估计，该公式及其损失概率表仍然可用。因此，在移动通信工程中得到了广泛的应用。(2)表中的A是损失系统的总流量，由完成流量和损失流量组成。从表中给出的数据可以清楚地看出，当呼损率一定时，总业务量随着信道数的增加而增加；然而，在一定信道数n的情况下，总的电话业务量随着呼损率b. 3的增加而增加。信道利用率当共享多个信道时，信道利用率是指每个信道完成的平均流量。因此，(4-8)，从图4-3可以看出，采用多

8、信道共享，信道利用率明显提高，但当共享信道数超过10时，信道利用率曲线将趋于平缓。图4-3显示了共享信道的数量和它们的信道利用率之间的关系。4.例如，假设每个用户的繁忙时间电话流量AB=0.01Erl，呼叫丢失率B=10，并且有8个无线信道。采用多通道共享和单通道共享两种系统，分别计算其容量和利用率。图4-4无线电信道切换效果。图4-4的先决条件是当每个移动站忙时，其业务量为0.01 Erl。当繁忙流量不是0.01 Erl时，该曲线可以间接使用，但不能直接使用。因为在你知道b和n之后，你可以用图4-4找到m。根据公式(4-4)，总电话业务量a可以通过将m、n和AB(=0.01 Erl)代入上述

9、公式来获得。根据爱尔兰B公式，A的总流量只取决于B和N，与繁忙的交通无关。因此，只有当繁忙业务从AB-0.01 R1变为AB时，每个信道可以容纳的移动台数量(记录为M)才能通过以下公式计算：(4-9)，5。空闲信道的选择1)特殊呼叫信道模式：该模式是在网络中建立一个特殊的呼叫信道，专用于处理用户呼叫、向用户发送选择性呼叫、指定语音信道进行通信等。2)标记空闲信道标记空闲信道的方式可分为“循环定位”、“循环不定位”、“循环分散定位标记多个空闲信道”和“循环不定位标记多个空闲信道”。(1)圆形定位。这样，不需要设置特殊的呼叫信道，所有的信道都可以用于呼叫，选择呼叫和呼叫可以在同一个信道上进行。(2

10、)循环未定位。为了降低碰撞概率，移动站循环扫描而不定位是有利的。这样，基站在所有空闲信道上发送空闲标志信号，不说话的移动台总是处于循环扫描状态。(3)指示多个空闲信道的循环分散定位模式。上面提到的定位模式是基站标记一个空闲信道，并且所有没有通话的移动站都位于同一信道，因此当移动站呼叫时，相同竞争的概率很高。(4)指示多个空闲信道的循环非定位模式。上述非定位模式意味着基站在所有空闲信道上发送空闲标志，这意味着应该打开所有空闲信道的发射机。4.2区域覆盖和网络结构，4.2.1区域覆盖任何移动通信网络都有一定的服务区域，无线电波辐射必须覆盖整个区域。根据甚高频和超高频的传播特性，基站只能在其天线高度

11、的视线范围内为移动用户提供服务。这种覆盖区域被称为无线电区域，简称小区。如果网络的服务范围很大或地形复杂，需要几个社区来覆盖整个服务区域。例如，道路、铁路、海岸等。只能被几个社区的带状网络覆盖，如图4-5所示。图4-5波段网络。1.如果频带网络基站的天线使用全向辐射，则覆盖区域是圆形的。在带状网络中应该使用定向天线，这样每个单元都是扁圆形的。带状网络可以在频率上重复使用。如图4-5(a)所示，如果两个具有不同信道的小区形成一个簇，则称为双频系统。如果三个具有不同信道组的小区组成一个集群小区，如图4-5(b)所示，则称为三频系统。从成本和频率资源利用率来看，双频系统是最好的；然而，双频系统在抗信

12、道干扰方面是最差的，并且多频系统也应该被考虑。如图4-6所示，用N个频率系统设置频带网络。图4-6带状网络的同频干扰，表4-3带状网络的同频干扰，2。蜂窝网络1)蜂窝形状全向天线辐射的覆盖区域是一个圆。为了覆盖整个飞机的服务区域而没有间隙，圆形辐射区域之间必须有大量重叠。考虑重叠后，每个辐射区域的有效覆盖区域实际上是一个多边形。根据不同的重叠情况，如果在周围相间120设置三个相邻区域，则有效覆盖区域为正三角形；如果相间90有四个相邻区域，则有效覆盖区域为正方形；如果相间60有六个相邻区域，有效覆盖区域为正六边形，单元形状如图4-7所示。图4-7小区形状，表4-4三种形状小区的比较，2)正六边形

13、无线区域组的组成(1)组成条件。蜂窝移动电话网络通常由几个相邻的无线小区组成一个无线区域组，然后由几个无线区域组成整个服务区域。为了防止相同的频率干扰，要求每个簇(即，单元无线簇)中的小区不应该使用相同的频率，并且只有在不同的无线簇中它们才能使用相同的频率。单元无线区域的构成应满足以下两个基本条件：(1)多个单元无线区域彼此相邻，形成一个蜂窝服务区；相邻单位无线区域组中同频无线小区的中心间距相等。在满足条件的情况下，构成单位无线簇的小区的数量N为N=a2 ab b2。图4-8各种单元无线集群的结构图，(2)激励模式。在划分区域时，如果基站位于无线小区的中心，则使用全向天线实现无线小区的覆盖，这

14、通常称为“中心激励”，上述所有内容都属于这种模式。图4-9顶点激励模式，图4-10常见无线小区结构示意图，(3)无线小区模型。瑞典爱立信公司提议采用21个无线小区的三叶草形模型，如图4-11所示。图4-11有鉴于这种情况，在具有高用户密度的区域(例如城市区域)，无线小区应该被划分成更小的小区或者应该分配更多的信道。对于低密度区域，小区可以指定得更大，或者分配的信道数量更少。服务区的实际小区划分结构如图4-12所示，图中数字表示信道数。图4-12是用户密度不同时服务区划分的一个例子。考虑到用户数量会随着时间的推移而增加，当原无线小区的用户密度高到发生流量拥塞时，可以将原无线小区进一步细分(分为两

15、个或四个)以增加系统的容量和密度，如图4-13所示。图4-13是无线区域分解示意图，以及(4)中继器。在网络布局中，由于资金、地形和地物的考虑，会有无法覆盖的区域，通常称为盲区或死角，如图4-14所示。图4-14蜂窝移动网络的盲点(死角)，即使不考虑资金问题，盲点也不可避免地会出现在设计和布局中，如城市高层建筑、会议厅、地铁站、高速公路等。为了激活死角和消除盲区，中继器通常被设置在适当的位置，以在盲移动站和基站之间进行通信。中继器实际上是一个具有相同频率放大的中继站，基站的一些信道通过它被引入，以便从基站和移动站接收和转发信号，如图4-15所示。图4-15蜂窝网络中的中继器，4.2.2移动通信

16、网络1的组成。基于小区的移动通信网络结构为了实现移动用户之间或移动用户与本地电话用户之间的通信，移动通信网络必须具有切换控制功能。不同的通信网络结构需要不同的切换控制功能和切换控制区域组成。在区域系统中，只要移动用户在服务区域，无论他们移动到哪里，信息交换和控制都是通过基站进行的，因此相对简单。然而，在基于小区的移动通信网络中，存在许多基站，并且移动站没有固定位置。为了便于控制和交换，通常采用图4-16所示的移动通信网络结构。图4-16移动通信网络2的结构。蜂窝网络的同频复用和同频干扰采用蜂窝结构时，由于频率复用会产生所谓的同频干扰。这是一种可以理解的干扰或串扰，会影响通信的保密性。因此，频率复用必须仔细设计，以保持共信道干扰低于允许水平。最常用的频率复用设计是每七个小区被分组，其中每个小区具有不同的一组频率点，共有七组频率点。如图4-17(a)所示，这七组频率在其他七个小区中重复使用。其他设计规则如图4-17(b)、(c)和(d)所示