搜索
第2章铁路数字移动通信原理12第2章铁路数字移动通信原理蜂窝移动通信系统诞生于20世纪80年代，第一代的模拟蜂窝系统解决了移动电话业务中长期存在的阻塞和服务质量差的问题。随着数字通信技术的发展，模拟蜂窝系统在用了十年左右的时间就被淘汰了，新的数字移动通信系统称为移动通信的主流。数字通信技术具有以下优点：传输速率高；具有高的抗干扰性能；具有高可靠性和安全性；设备简单成本低。正是因为这些优势，采用了数字技术的蜂窝系统具有更高的系统容量，更小的移动终端体积，更小的功率消耗。本章将从无线覆盖问题、传输和信息处理技术几个方面来介绍数字蜂窝移动通信系统的原理和关键技术。2.1面状覆盖蜂窝的思想诞生于20世纪60年代末，它的出现使有限的频率资源可以为更多的用户服务。蜂窝思想提出了一个全新的思路解决了覆盖问题，它通过形成大量的蜂窝和在不同的蜂窝内重复使用相同的频率提高了网络的容量。蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每个小覆盖区域只提供服务范围内的一小部分覆盖。给相邻的基站分配不同的信道，以避免临近小区间的干扰。将网络中的所有小区分成若干簇，在不同的簇内使用相同的信道资源。随着移动用户数量的不断增长，蜂窝系统还必须采用有效的技术来进行扩容，以适应不断变化的业务密度。考虑到用户移动速度和移动范围的变化以及用户密度的随机性，在蜂窝系统中还出现了分层的概念。因此现代数字蜂窝系统的特性可以概括为以下几个方面：低功率发射机和小覆盖区域频率复用灵活的提高系统容量业务密度的适应性切换和系统层控制位置原理本章将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍数字蜂窝网络。第2章铁路数字移动通信原理132.1.1小区形状在移动通信中，如果使用全向天线，人们很容易联想到应该采用圆形的小区，但是从电磁波传播的角度考虑，圆形并不是昀理想的形状。如图2-1所示，使用圆形的面状覆盖存在许多重叠区域和无覆盖区域。为确保无盲区的完全覆盖，通常使用多边形的小区。图2-1圆形小区的覆盖在面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多30%~100%，如图2-2所示。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。同样，六边形覆盖的系统费用也要低于正方形和正三角形。需要指出的是，正六边形的小区形状只具有理论分析和设计上的意义，在实际工程中，小区的形状取决于电波传播的条件和天线的方向性。图2-2多边形小区2.2频率复用在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。为了避免同频小区之间的干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。123456RRR第2章铁路数字移动通信原理14图2-3寻找同频小区的方法构成一个簇必须满足：簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等且为昀大。设一个簇中的小区数为N，满足以上条件的N的取值是有限的，可以通过式2-1确定N的值。22jijiN++=（式2-1）其中，i，j为非零正整数。这一公式提供了寻找昀近的同频小区的方法：沿某一小区的任意一条六边形链移动I个小区后，逆时针旋转60度后再移动j个小区，此时到达的小区即为同频小区。图2-3为i=3，j=2，N=19的情况。设两个同频小区之间的同频复用距离为D，小区的半径为R，可用下式计算D：RND3=（式2-2）由3-2式可见，小区的半径越小，同频复用距离就越小，频率利用率就越高。但是如果同频复用距离D越小，同频小区之间的干扰就会越大。为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系，我们引用D与R的比值来作为衡量系统容量的一个重要参数，这一比值称为同频复用比，用Q来表示：NRDQ3==（式2-3）可见，Q的值只与簇的大小有关，Q的值越小，系统容量越大；但是Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择Q值，在容量和干扰之间进行折衷。目前常用的蜂窝网簇的结构有N=12、9、7、4和3。2.2.1干扰限制和防护干扰是制约蜂窝系统容量的一个重要因素。话音信道上的干扰会造成串话，或者用户听AAAAAAA第2章铁路数字移动通信原理15到很大的背景噪声；信令信道上的干扰则会导致误码率的升高，使呼叫遗漏或阻塞。蜂窝系统中的干扰主要由两种类型：同频干扰和邻道干扰。针对这两种类型的干扰，在蜂窝系统中采取了调节天线覆盖方式，发射功率，合理分配频率的方法来对干扰进行防护。2.2.1.1同频干扰同频干扰是由于采用了频率复用，在同频小区之间产生的干扰。同频干扰不能简单的通过增大发射机的功率来克服，因为这样会导致相邻小区之间的干扰。同频干扰又有两种形式，前向链路的干扰和反向链路的干扰。我们用同频干扰信噪比C/I来衡量接受机的接收质量。设同频干扰的小区数为i0，那么前向链路移动台的接收信噪比就可以表示为：∑==01iiiISIC（式2-4）其中，C是移动台接收到的基站载波信号的功率，Ii是第i个同频小区的基站信号对移动台的干扰功率。我们试图在C/I和同频复用距离之间建立起联系，来对小区的覆盖进行规划。考虑到电磁波在无线信道中的传输功率随着传输距离的增大而衰减，用下式来估算距离发射天线d处的接收点接收到的平均信号功率：nrddPP−=)(00（式2-5）式中Pr是接收功率，P0是距发射天线d0处的参考点的功率，n是路径衰减指数。由式2-5可建立起同频基站的干扰功率与同频复用距离的关系。因此，假设每个同频基站的发射功率相等，路径衰减指数也相同，则移动台的接收信噪比可以近似的表示为：()∑=−−=01iininDRIC（式2-6）假设只考虑第一层的同频干扰小区，可以认为各Di的值相等，式2-6可以进一步简化为()()003iNiRDICnn==（式2-7）由式2-7知，簇的大小N决定了移动台的接收信噪比，同时也决定了系统的容量。由此可知，只要指定一个能够保证话音质量的接收门限电平，就可以确定簇的大小和频率复用的方案了。在GSM-R中，满足昀小服务质量的C/I门限值为9dB，包括2dB的边缘效应的影响。在实际设计中由于移动台在小区中位置的变化，基站位置偏差，传播环境的起伏，小区形状的扭曲，实际得到的C/I值要比理论计算的结果差，因此要以昀差的C/I为依据进行系统设计。以上的讨论仅基于基站使用全向天线的情况，当使用定向天线时，同频干扰的小区数会减少，计算C/I是要充分考虑i0的取值和基站的位置。解决同频干扰可以采取以下几种措施：1)定向天线覆盖。使用定向天线可以减少同频干扰的小区数i0，从而提高接收信噪比，减小同频干扰。第2章铁路数字移动通信原理162)优化同频复用距离和频率分配方案。根据传播环境和业务量的变化情况，调整同频复用距离和频率分配方案，以适应不同的C/I。3)天线高度和倾角的调整。调整天线高度和倾角可以改变小区的覆盖范围和小区形状，减小同频干扰。2.2.1.2邻道干扰由与所使用频率相邻的频率产生的信号干扰称为邻道干扰。邻道干扰的产生主要是因为接收滤波器的阻带衰减不够陡峭引起了相邻频带信号的泄漏。只有当两个相邻频率的接收机距离很近，干扰信号的强度超过了接收机灵敏度时，邻道干扰才会对接收机的正常工作造成影响。这种移动台被临近频率的发射机“俘获”的现象成为远近效应。邻道干扰的抑制用邻道抑制增益（ACS）这一参数来衡量，ACS可由下式计算：acICICACS−=（式2-8）其中，C是基站的载波功率，Ic是同频干扰的噪声功率，Ia是邻道干扰的噪声功率。在GSM-R中，典型的ACS值是18dB。与当前使用信道频率相隔昀近的信道叫做1stACS，次近的叫做2ndACS，以此类推。1stACS≥18dB表明可以在相邻小区使用这一频率的邻近信道，它保证了切换的边缘电平大于等于6dB。2ndACS≥50dB表明移动台在上行链路进行了功率控制和在小区内进行切换，相隔次近的信道可以在当前小区内使用。邻道干扰可以通过提高滤波器的精度和合理的信道分配而减到昀小程度。通常用接收机的邻道选择性来表示抗邻道干扰的能力，它主要由接收中频滤波器的阻带衰减特性决定。因为每个小区只是分给所有可用信道中的一部分，因此在可以通过避免在相邻小区之间分配连续的频率，同时使相邻小区之间的频率间隔昀大来减小邻道干扰。关于信道分配的策略，将在下一节中进行介绍。2.2.1.3天线的要求在蜂窝覆盖中，在半径1km覆盖范围内，天线总是显现出一定的方向性。天线理想的前向-后向比F/B=25dB，为了保证F/B20dB，必须在半径0.5km覆盖范围内使用高于障碍物至少10米的天线来抑制天线主瓣的后向散射。天线主瓣增益的典型值：基站12~18dBi，移动台2~5dBi。瑞利衰落条件下，基站天线高度每增加一倍，高度增益增加6dB。对于高度1.5m~10m的手持移动台来说，高度每增加一倍，高度增益增加9dB。2.2.2信道分配策略蜂窝系统的信道分配分为两个步骤：首先要将所有的频率资源分组，其次以动态的或固定的方法为用户分配信道。信道分配应遵循以下几个原则：确定载频的中心频率、信道间隔、收发双工间隔等参数值。如R-GSM（铁路GSM）系统，工作的频段为876MHz~915MHz/921MHz~960MHz，信道间隔为200kHz，双工间隔为45MHz。确定频率之间互调干扰昀小的分组方法。考虑天线类型，基站发射功率，服务质量等因素，在尽量减小同频干扰的前提下确定分组的组数。第2章铁路数字移动通信原理17在同一组中，不能采用连续的频率，减小邻道干扰。相邻的信道不分配给相邻的小区或扇区。频率的规划要结合蜂窝网容量和规模的后续发展。在对频率资源进行分组后，可以采用两种方式为蜂窝小区分配信道组：固定信道分配和动态信道分配。在固定信道分配方案中，每个小区分给一组信道，该小区的用户只能使用这一组信道，如果出现信道全部被占用情况，新的呼叫就会被拒绝，只有存在空闲信道时，才能再发起呼叫。这种方式的优点是管理和控制过程容易，缺点是系统的资源不能得到有效利用，尤其是当用户数量突然增加时，系统的呼损率较大。另一种方法是动态信道分配。这种方法不是固定小区所使用的信道，而是多个小区可以使用相同的信道，每个小区的信道数时不固定的。当业务量大时，分配给该小区的信道数就多，业务量减小时还可以再把这些信道分配给其他小区使用。在这种方式中，信道都由MSC（移动交换中心）来管理和执行分配。这种方法的优点是有效的利用了资源，降低了呼损率，但是由于在动态分配的过程中要监视信道的使用情况，检查所分配的信道是否满足干扰的要求，需要收集和处理大量的数据，因此控制复杂，成本较高。但是与固定信道的分配方式相比，信道利用率可以提高20%~50%。2.2.3话务量和呼损率在通信系统中，信道的资源是有限的，而用户的数量是不断增长的，用户在系统中占用资源的时间和频率都是随机的。要想衡量资源的使用率，只能采取统计的方法来表达这个随机的系统。蜂窝系统采用中继的概念，在中继的无线通信系统中，每个用户只有在呼叫时才分配给一个信道，一旦通话结束，原先占用的信道就立即释放，可以再被其他用户使用。在中继系统中用话务量强度来表达资源的占用率，这个概念是丹麦的数学家爱尔兰（Erlang）提出的，因此使用他的名字来作为话务量强度的单位。话务量强度定义为在一定时间内信道完全被占用的时间（或平均通话时间）与这段时间的比值，即信道的时间利用率，通常用A来表示。例如一个信道在一小时内平均通话时间为3分钟，它的话务量强度为3/60=0.05Erlang。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。系统中每个用户的话务量强度可以用呼叫次数λ和平均呼叫保持时间H的乘积来表示：HAuλ=（式2-9）对于系统中总的用户数为U时，系统中总的话务量为uUAA=（式2-10）如果系统中的信道数为C，