第4章 移动通信系统组网

第4章移动通信系统组网蜂窝组网技术4.1无线系统的信道分配4.2多信道共用4.3蜂窝组网系统干扰和容量分析4.4蜂窝系统的移动性管理4.5蜂窝网络设计应用实例4.64.1蜂窝组网技术移动通信系统采用一个叫基站的设备来提供无线覆盖服务，基站的覆盖范围有大有小，通常把基站覆盖的范围称为蜂窝。一个基站在其天线高度的范围内为移动用户提供服务的覆盖区称为一个无线电区，简称小区。采用多个基站来覆盖给定的服务区，这样的通信系统称为蜂窝移动通信系统。小区的划分决定于系统的容量、地形和传播特性。蜂窝4.1.1移动通信网的区域覆盖1．大区制大区制是指在特定的服务区内只设一个基站，负责服务区内所有用户的无线链路使用，如图4-1所示。图6-8大区制示意图55（1）通常为了扩大服务区域的范围：①基地站天线架设得都很高；②发射机输出功率也较大（一般在200W左右）；③其覆盖半径大约为30~50㎞。（2）存在两个方向通信不一致的问题：原因：因为电池容量有限，通常移动台发射机的输出功率较小，故移动台距基地站较远时，移动台可以收到基地站发来的信号（即下行信号），而基地站却收不到移动台发出的信号（即上行信号）。解决：可以在适当地点设立若干个分集接收站，如图2-1虚线所示，以保证在服务区内的双向通信质量。66（3）存在同频间的相互串扰：在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复。譬如，移动台MS1使用了频率f1和f2。那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了，否则将产生严重的相互串扰。（4）因而，这种体制的频率利用率及通信的容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。为了满足用户数量增长的需要，提高频率的利用率，就需采用小区制的办法。7（1）、小区制的特点可以提高频率利用率，增加用户容量：因为同一组波道频率可以多次重复使用小区制中因为采用了频率复用技术，因此带来同频道干扰问题网路构成复杂：需要越区切换、漫游、位置登记、更新等2．小区制图4-2小区制示意图（2）带状网带状网主要用于覆盖公路、铁路、水运航道、海岸沿线等狭长区域，如图4-3所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的，如图4-3（a）所示，带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形，如图4-3（b）所示。图4-3带状网图4-4带状网频率配置若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，在一个区群内使用不同的频率，不同的区群可使用相同的频率。图4-5带状网的同频道干扰分析带状网的同频道干扰分析如图4-5所示。（3）面状网陆地移动通信的大部分服务区是宽广的面状区域。图4-6小区的形状由表4-2可见，在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也最经济。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此，将小区形状为正六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。4.1.2蜂窝小区的特性1．区群的构成在移动通信中，为了避免同信道干扰，相邻小区显然不能用相同的信道。为了保证同信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的信道。这些不同信道的小区组成一个区群，称为单位无线区群，也叫做一簇。单位无线区群的构成应满足两个基本条件。（1）单位区群之间可以无空隙无重叠地进行邻接。（2）邻接之后的区群应保证同信道小区之间的中心距离相等。单位无线区群内小区的个数（N）应满足下式：i，j为正整数（4-1）式中，i、j为相邻同频小区间的相隔小区数，取正整数且不同时为零。由式（4-1）可算出N的可能取值如表4-3所示。相应的区群形状如图4-7所示。22Niijjij0123411371321247121928391319273741621283748表4-3单位无线区群内小区的个数（N）图4-7区群的构成示意图2．频率复用的概念频率复用的机理基于无线电波传播路径损耗特性，即如果两个基站之间的距离足够远，那么用于一个基站的频率可以在另一个基站上复用。蜂窝系统的容量直接与单位区群在某一固定范围内复制的次数成比例。如果单位区群内小区的个数（N）减小而小区的大小保持不变，则需要更多的单位区群来覆盖给定的范围，从而获得更大的容量（C值更大）。3．区群结构的实现图4-9同信道小区的确定(1)、确定同频小区间位置的方法自某小区A出发，先沿边的垂线方向跨i个小区，再按逆时针方向转60度，再跨j个小区，就可以找到同频小区，共6个。24(2)、同频复用距离、同频复用比同频复用距离D：相邻的两个簇中，位置对应的两个同频小区中心之间的距离可见，簇内小区数N越小，同频小区之间的距离越近，抗同频干扰的性能越差，但频率利用率越高。rNrjijDIJJIIJJID3i3120cos22222222）（4．中心激励和顶点激励在每个小区中，基站可以设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是“中心激励”方式，如图4-10（a）所示。4．中心激励和顶点激励也可以将基站设计在每个小区六边形的3个顶点上，每个基站采用3副扇形辐射的定向天线，分别覆盖3个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由3副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”方式，如图4-10（b）所示。优点：消除障碍物阴影，对来自天线方向图主瓣之外的干扰有一定的隔离度图4-10两种激励方式图4-1121个无线小区模型图4-12用户密度不等时的小区结构5．蜂窝小区增加容量的方法小区一般分为巨区、宏区、微区和微微区几类，具体指标及大体关系如表4-4所示。蜂窝类型巨区宏区MacroCell微区MicroCell微微区PicoCell蜂窝半径(km)100～500≤35≤1≤0.05终端移动速度(km/h)1500≤500≤100≤10运行环境所有乡村郊区市区室内业务量密度低低到中中到高高适用系统卫星蜂窝蜂窝/无绳蜂窝/无绳表4-4小区分类常用的扩容技术有：小区分裂、扇区划分、选用直放站、微小区技术等。3333在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”。由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低劣；二是“热点”。由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以解决。但从原理上讲，这两种方法也不能无限制地使用。（1）小区分裂小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统容量的增长，同时采用同频复用因子不变的信道分配策略，通过减小小区半径、重组系统来获得容量的增加。图4-13小区分裂图（2）扇区划分技术使用定向天线来减少同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做扇区划分技术。图4-14CDMA小区六扇区组网的网络拓扑结构4.2无线系统的信道分配本节所介绍的无线系统的信道分配方案主要是针对TDMA和FDMA移动通信系统的频率分配。1．频道分组的原则频率分配有两个基本含义：一是频道分组，根据移动网拥有的频率资源，将全部频道分成若干组；二是频道指配，以固定的或动态的分配方法将频率资源分配给蜂窝网的用户使用。（1）频道分组的原则（2）频道分配时需注意的问题(1)频道分组的原则根据不同的移动通信系统的无线频率使用要求选择双工方式、载频中心频率、频道间隔、收发间隔；确定无互调干扰或尽量小互调干扰的分组方法；考虑有效利用频率资源、减小基站天线高度和尽量小发射功率，在满足射频防护比的前提下，确定频道分组数。(2)频道分配时需注意的问题在同一频道组中不能有相邻序号的频道相邻序号的频道不能分配于相邻小区或相邻扇区应根据移动通信设备抗邻道干扰能力来设定相邻频道的最小频率间隔根据规定的射频防护比建立频率复用的频道分配图案保证频率计划、远期规划、新归网和重叠网频率分配的协调一致。2．固定频道分配方法固定频道分配方法有两种：分区分组分配法和等频距分配法。（1）分区分组分配法（2）等频距分配法图4-153顶点激励的信道配置3．动态分配方法（1）动态配置法动态配置法是根据移动用户话务量随时间和位置的变化对频道进行分配。（2）柔性配置法柔性配置是指首先分配给多个小区共用信道，利用这些小区话务量高峰时间段的不同，控制话务量高峰小区顺序地使用话务量小的小区不使用的共用信道，为话务量高峰小区服务。4.3多信道共用4.3.1多信道共用的意义多信道共用是指系统允许大量的用户在一个小区内共享少量的信道。图4-16信道共用方式图解如果采用多信道共用方式，任何一个移动用户选取空闲信道和占用信道的时间都是随机的，所以所有信道同时被占用的概率远小于一条信道被占用的概率。4.3.2话务量、服务等级和信道数的关系1．话务量与服务等级的概念（1）话务量话务量是衡量通信系统中语音业务量大小的度量，分为流入话务量和完成话务量。流入话务量（A）定义为在一特定时间内呼叫次数（λ）与每次呼叫平均占用时间（S）的乘积，即A=λS（4-6）式中，A无量纲，单位为厄兰（Erlang，Erl）；λ的单位为次/小时；S的单位为小时/次。（2）用户忙时话务量每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计时应按最忙时的话务量来进行估算。最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为忙时集中率，用K表示，定义为K忙时话务量全日话务量每个用户的忙时话务量需要统计的方法确定，一般K=10%～15%。我国蜂窝移动网络设计的用户忙时话务量一般为0.01～0.03Erl之间。（3）服务等级服务等级用两个概念来表述：呼叫阻塞的概率（呼损率）和呼叫阻塞延迟。①呼叫阻塞的概率（呼损率）。②呼叫阻塞延迟。2．话务量、服务等级和信道数的关系（1）厄兰B公式①呼损率概念。②呼损率的计算。3．信道利用率信道利用率（）定义为每条信道完成话务量和总的信道数之比，若总的信道数为N，完成的话务量为，则（4-16）A(1)100%100%AABNN4.3.3空闲信道的选取1．空闲信道的选取方式空闲信道的选取方式主要分为两大类：一类是专用呼叫信道方式；另一类是标明空闲信道方式。2．专用呼叫信道专用呼叫信道方式或共用信令信道方式是指系统在给定的多个信道中，设置1条或2条专门用于呼叫的信道作为控制信道。1．频分多址的蜂窝系统容量频分多址（FDMA）方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，在相邻频道间无明显的串扰。FDMA系统容量K的计算公式为式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。WKBN4.4.2不同接入方式系统容量2．时分多址的蜂窝系统容量时分多址（TDMA）方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号，在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。TDMA系统容量K的计算公式为式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。WKBN3．码分多址的小区容量码分多址（CDMA）多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的。（1）一般CDMA系统小区容量（2）CDMA系统小区容量的修正4.5蜂窝系统的移动性管理4.5.1蜂窝系统服务区域划分及编号1．服务区域的划分一般的第二代蜂窝移动系统服务区域划分如图4-22所示。第三代蜂窝移动通信网络的服务区域划分发生了一些变化，不同的3G标准有不同的划分方案和编号计划，比如UMTS网络分为电路域（CS）、分组域（PS）、广播域（BC）及IMS域（R5版本），新增了业务区（SA）的概念。图4-22蜂窝网络服务区域划分4.5.2位置更新移动系统中位置更新的目的是使移动台总与网络保持联系，以便移动台在网络覆盖范围内的任何一个地方都能接入到网络内。常用的动态位置更新策略主要有3种。（1）基于时间的位置更新。（2）基于运动的位置更新。（3）基于距离的位置更新。4.5.3切换1．切换的概念切换通常指越区切换，在移动台从一个基站覆盖的小区进入