蜂窝移动通信系统

移动通信原理第二章蜂窝移动通信系统移动通信原理22.1移动通信网的基本概念2.2蜂窝小区的概念和区域覆盖2.3信道切换策略2.4干扰和信道容量2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理32.1移动通信网的基本概念•2.1.1移动通信网概念•2.1.2移动通信网组成移动通信原理42.1.1移动通信网概念•移动通信在追求最大容量的同时，还要追求最大的覆盖，未来的目标是全球无缝覆盖(seamlesscoverage)–即无论用户移动到什么地方，移动通信系统都应该覆盖到–要实现系统在其覆盖区内良好的通信，就必须有一个通信网支持，这个网络就是移动通信网移动通信原理52.1.2移动通信网组成（1）空中网络部分–多址接入方式–频率复用和蜂窝小区–切换和位置更新（2）地面网络部分–服务区内各个基站的相互连接–基站与固定网络（PSTN、ISDN、数据网等）移动通信原理62.2蜂窝小区的概念和区域覆盖•2.2.1蜂窝小区的概念•2.2.2大区制小容量•2.2.3频率复用和小区制移动通信系统移动通信原理72.2.1蜂窝小区的概念•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，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。•移动通信网的区域覆盖方式分为两类：–一类是小容量的大区制；–另一类是大容量的小区制。移动通信原理82.2.2大区制小容量•大区制是指一个基站覆盖整个服务区。•为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数（装备量也随之加大），但这总是有限的。•因此，大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。•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。移动通信原理92.2.3频率复用和小区制移动通信系统•为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划。•小区制大容量•小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种方式，一种是带状服务覆盖区；另一种是面状服务覆盖区。移动通信原理102.2.3频率复用和小区制移动通信系统图2-1双频组和三频组频率配置带状覆盖区(铁路或江河沿线)移动通信原理11•无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务需求。•实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。•当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶点之中的三个上（顶点激励小区）。面状覆盖区2.2.3频率复用和小区制移动通信系统移动通信原理122.2.3频率复用和小区制移动通信系统图2-2蜂窝系统的频率复用N=4包含2个完整的含有相同数字1到4的小区，一般称为簇或区群。在一个簇里要使用不同频率，在不同簇中要使用对应的相同频率。小区的频率复用指名了在哪使用了不同的频率信道移动通信原理132.2.3频率复用和小区制移动通信系统•考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，如果每个蜂窝小区都分配K（KS）个信道，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为S = KN（2-1）移动通信原理142.2.3频率复用和小区制移动通信系统•共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇（cluster，也叫区群）。N叫做簇（或区群）的大小，如果区群在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可以作为容量的一个度量C = MKN = MS（2-2）移动通信原理152.2.3频率复用和小区制移动通信系统•用正六边形表示的一个小区，可使相邻小区无空隙，每一个区群的小区数量N满足下式：N = i2 + ij + j2（2-3）N347912131619212527j10102102103i12232343453移动通信原理162.2.3频率复用和小区制移动通信系统N的值表现了移动台或基站可以承受的干扰，同时保持令人满意的通信质量移动台或基站可以承受的干扰主要体现在由于频率复用所带来的同频干扰同频距离的选定决定着同频干扰的大小，因为干扰随着距离的增大会减小同频复用距离D指最近的两个同频点小区中心之间的距离移动通信原理172.2.3频率复用和小区制移动通信系统图2-3在蜂窝小区中定位同频小区的方法D=(3N)1/2RN=i2 + ij + j2N也称为频率复用因子N越大，D就大，频率利用率就降低，反之，N小，D小，频率利用率高，但同频干扰加大1、沿着任何一条六边形链移动i个小区；2、逆时针旋转60度，再一定j个小区，如上图，i=3，j=2，N=19移动通信原理182.3信道切换策略将正在处于通话状态的移动台转移到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”（handover）???为什么要切换(1)信号强度或质量下降引起切换(2)容量问题引起切换移动通信原理192.4干扰和信道容量•干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。•在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即同频干扰和邻频干扰。移动通信原理20•2.4.1同频干扰和系统容量•2.4.2相邻信道的干扰•2.4.3蜂窝小区容量的改善2.4干扰和信道容量移动通信原理212.4.1同频干扰和系统容量•频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区叫做同频小区。•这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰（也叫同道干扰）。•为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分的隔离。移动通信原理222.4.1同频干扰和系统容量•如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径（R）和相距最近的同频小区中心间距离（D）的函数。增加D/R的值，相对于小区的覆盖距离同频小区间的空间距离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小，但频率利用率也随之降低。移动通信原理232.4.1同频干扰和系统容量•参数Q叫做同频复用比例（也叫同频干扰抑制因子），与区群的大小有关。对于六边形系统来说，Q可表示为（2-4）移动通信原理24•Q的值越小则容量越大，但同频干扰也越大；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，需要对这两个目标进行协调和折衷。2.4.1同频干扰和系统容量移动通信原理252.4.2相邻信道的干扰•来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰（也叫邻道干扰）。•邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。移动通信原理262.4.3蜂窝小区容量的改善（1）小区分裂•小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小的小区的方法，分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。•由于小区分裂能够提高信道的复用次数，因而能提高系统容量。即通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区（叫做微小区），使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。移动通信原理27图2-4小区分裂的图例（1）小区分裂2.4.3蜂窝小区容量的改善小区分裂主要是通过减小小区半径R和不改变同频复用因子D/R来增加单位面积的信道数，另一种方法是保持小区半径不变，而减小D/R的比值，做到这一点的前提是在不降低发射功率的前提下减小同频小区之间的相互干扰移动通信原理282.4.3蜂窝小区容量的改善（2）扇区的概念•可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小蜂窝系统中的同频干扰，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。•由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。•这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向（即扇区化）。•同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。移动通信原理292.4.3蜂窝小区容量的改善图3-5扇区划分（2）扇区的概念移动通信原理30（1）呼叫话务量与忙时话务量•话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。•其性质如同客流量，具有随机性，只能用统计方法获取。2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理31呼叫话务量，是指单位时间（一小时）内的平均电话交换量，可用下面关系式表示：A = Ci·t0如果以t0小时为单位，则话务量A的单位是Erl。如果在一个小时之内连续地占用一个信道，则其呼叫话务量为1Erl。这是一个信道所能完成的最大话务量。（1）呼叫话务量与忙时话务量2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理32•用户忙时话务量是指一天中最忙的那个小时（即“忙时”），每个用户的平均话务量，用AB来表示。AB是一个统计平均值。•同时，将忙时话务量与全日话务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“忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。（1）呼叫话务量与忙时话务量2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理33•在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率，记为B。•设A′为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。C0为1小时内呼叫成功而通话的次数，t0为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成话务量为A′= C0·t0呼损率B=（2）呼损率0iCCCAAACC2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理34•呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。•呼损率在数值上等于呼叫失败次数与总呼叫次数之比的百分数。•呼损率B称为系统的服务等级（或业务等级），记为GOS（GradeofService）。•GOS是系统的一个重要质量指标。•呼损率与话务量是一对矛盾，即服务等级与信道利用率是矛盾的。（2）呼损率2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理35如果呼叫具有下列性质：•①每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性；•②每次呼叫在时间上都有相同的概率；•③每个用户选用无线信道是任意的，且是等概的，则呼损率可按下式计算：（2）呼损率2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理36•这就是电话工程中的第一爱尔兰公式，也称爱尔兰B公式。20!!11!2!!!nnniniAAnnBAAAAni（2）呼损率2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理37•多信道（n）共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量。因此•如果已知B、n，可算出A值，然后由上式求出。(1)AAηnnB（3）信道利用率2.5电信业务流量与服务等级移动通信原理381、说明大区制和小区制的概念，另外请指出相对大区制，小区制存在哪些优势与劣势？2、简单描述切换的基本概念。3、描绘出小区数N=7，簇数为3的结构图形，并根据此图求出同频复用比例参数Q值。4、同频复用距离D的计算公式是？根据公式推导改善蜂窝小区容量的方法有哪几种？课后练习题移动通信原理394、计算：已知某移动基站的话音业务信道数为20，根据ErlB表求出在呼损率为5％的要求下服务的最大用户数。（假定每用户忙时话务量为0.025Erl）5、计算：在某个基站的覆盖区域内有1000个用户，在不考虑切换等其他外部因素的情况下，根据ErlB表求出在呼损率为5％的要求下该基站要求的最小信道数量。（假定每用户忙时话务量为0.025Erl）课后练习题移动通信原理40