小区基本概念和信道分配

1主要内容3.1信道再用和小区导论3.2信干比计算，一维情况3.3二维小区簇和信干比3.4小区的信道分配3.5过区切换3.6流量控制23.1信道再用和小区导论按无线通信网的服务区域覆盖方式分类小容量的大区制大容量的小区制（蜂窝系统）31.基本概念在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站(BaseStation，BS)，并由它负责移动通信的联络和控制。一、大区制移动通信网BSRRRR42.特点•基站：高架天线（数十米~数百米）大功率发射机（几十~几百瓦，200W左右）•移动台：几十~几百部、天线低、发射功率小•覆盖半径：几十公里•问题：上行信号差一、大区制移动通信网BSRRRR5一、大区制移动通信网3.优点4.缺点•系统简单、投资少、见效快，主要用于专网或用于用户较少的地域。如在农村或城镇的初期投资。•为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道的频率都不能重复，因而，其频率利用率和通信容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。6问题：无线系统可容纳同时呼叫的数量始终都要受制于分配多少频谱。如何调整移动通信系统，使有限的无线频率获得更大容量的通信，并覆盖大面积的范围？一、大区制移动通信网71.改进的思想将整个服务区划成许多个小的区域（小区cell）-每个小区设置一个基站，每个基站的服务范围仅限小区内；-相邻小区使用不同的频道，而相距一定距离的小区可以使用相同的频道。二、小区制（蜂窝）移动通信网8举例：30个双向信道-大区制时，只能有30个用户同时通信-小区制时，若分为30个小区，相邻3个小区采用不同的频道，每个小区有10个双向频道，则服务区可以同时为300个用户提供服务。若分为更多的小区，则可获得更大的容量。二、小区制（蜂窝）移动通信网9二、小区制（蜂窝）移动通信网MSC2.基本概念把整个服务区域划分为若干个无线小区(cell)，每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，有可在移动业务交换中心MSC的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接。10二、小区制（蜂窝）移动通信网MSC3.特点•基站：小功率发射机（5~20W）•小区半径：1~20km，甚至几百米•频率复用•系统容量可继续扩大•特点：系统复杂、容量大11二、小区制（蜂窝）移动通信网4.优点•提高了频率利用率；•基站功率减小，从而使相互间的干扰减少；•无线小区的大小可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性；•解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。——最大的优点12二、小区制（蜂窝）移动通信网5.缺点•在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。•无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就越高。•基站数量增加，建网的成本相应提高。应根据用户密度或业务量的大小确定无线小区的半径。目前，宏小区半径一般为1~5km左右。13三、频率复用与同频干扰1.小区制要解决的问题•小区的基本思想：在不同的小区重新使用频率来增加系统的容量。•同样的频率不能在临近的小区分配，否则会造成信道间的干扰。•使用相同频率的小区必须保持足够远，直至达到系统能忍受的干扰水平。14三、频率复用与同频干扰2.一维小区•AMPS系统，832个信道被分成4组，每组208个信道；•两个使用相同频率的小区之间隔着3个小区，称为4小区再用；•若给定小区数为N，则总共有208N个信道可以使用。12341234115三、频率复用与同频干扰2.一维小区•若分成3组，每组277个信道；•此时，小区总数不变，仍为N，则总共有277N个信道可以使用。12341234112312312316三、频率复用与同频干扰2.一维小区1234123411231231233小区复用——277N4小区复用——208NC.F.如何取舍？2小区复用——…172.一维小区123412341123123123•抗干扰能力分析信干比SIRor载干比CIR——在接收机端接收到的平均信号功率与平均干扰功率之比。AMPS系统：18dBD-AMPS系统：14dBGSM系统：7-12dB返回183.2信干比计算，一维情况•信干比的计算主要由下式中的距离决定：123412341RDRTTxRGGPdgP)(1010/2•忽略阴影衰落和多径衰落，假设g(d)=kd–n；•每个基站在小区的中央，发射同样的功率PT，则距离基站d米远的平均接收功率为PTd–n,n为3或4；•P点的接收信干比为：intPRSIRn193.2信干比计算，一维情况123412341D•P点的接收信干比为：•当仅仅考虑干扰的第1层时(即最近的干扰，次近的不考虑)，邻近P点有两个干扰基站，则相应的信干比为：intPRSIRn包括所有干扰的基站，Pint表示归一化的干扰功率。nnnRDRDRSIR)()(R203.2信干比计算，一维情况•当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：•在3小区再用中，D=6R；4小区再用中，D=8R。nnnRDRDRSIR)()(再用因子SIR(dB)n=3n=43小区19.6274小区2332•结论(1)n干扰SIR(2)再用因子干扰SIR213.2信干比计算，一维情况•当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：•考虑次邻近P点的两个干扰小区，则，信干比为：nnnRDRDRSIR)()(nnnnRDRDRDRDSIR)12()12()1()1(1返回22r一、小区的形状如果基站采用全向天线，其覆盖范围应该为一个半径为的圆形区域；无缝覆盖的三种内接可能：正三角形、正方形、正六边形；正六边形最接近圆形，对于同样大小的区域，相邻小区的重叠区域最小，小区面积最大，因而，所需基站数最少、小区数最少。采用正六边形作为小区的形状时，系统的整体构架类似于蜂窝，故称为“蜂窝网”。3.3二维小区簇和信干比12341231234123434323注意：由于地形和用户密度的不同，实际的覆盖区域事实上是不规则的，但采用不规则形状的蜂窝结构效率低，因此，对蜂窝结构和性能的研究都是基于规则拓扑的，即使它们仅具有概念上的意义。而拓扑结构对构建实际的规划提供了很有价值的信息和设计准则。一、小区的形状24二、区群1.定义：将小区进行空间上的划分，相邻的使用不同频道的所有小区组合在一起就构成了区群，或称之为簇(Cluster)，区群中包含了系统的全部频率资源。25区群举例262.区群、频率复用与系统容量假设一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，如果将S个信道均匀地分配给一个区群的N个小区，每个小区都分配到k个信道（kS），那么可用信道的总数可表示为S=kN。如果区群在系统中复制了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也就是说，系统的容量扩大了M倍。二、区群27•N蜂窝系统的频率复用因子•N的选择要考虑到这两方面的因素，选择一个在可以承受的同频干扰下尽可能小的值。系统的容量：MSMkNC分析：区群的尺寸N复制次数M系统容量C同频小区间的距离同频干扰END2.区群、频率复用与系统容量28例：一个蜂窝系统中有1001个用于处理通信业务的可用信道，设小区的面积为6平方公里，整个系统的面积为2100平方公里。（a）如果区群尺寸为7，计算系统容量；（b）如果区群尺寸为4，要覆盖整个蜂窝区域，需将该区域覆盖多少次？（c）如果区群尺寸为4，计算系统容量。2.区群、频率复用与系统容量解：已知：可用信道总数K=1001小区面积=6km2总的覆盖面积=2100km2（a）N=7每小区的可用信道数J=K/N=1001/7=143信道/小区一个区群覆盖的面积=7*6=42km2区群需复制M=2100/42=50次，故，C=MJN=50*143*7=50050个信道（b）N=4一个区群覆盖的面积=4*6=24km2区群需复制M=2100/24=87.5=87（c）N=4每个小区的信道数目J=K/N=1001/4=250信道/小区故，C=MJN=87*250*4=87000个信道结论：通过减小区群尺寸增大了系统的容量。30（1）构成区群要满足的两个条件区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个区域；同频小区之间的距离最大。3.频率复用下的小区规划31（2）小区的规划b)确定最近的同信道相邻小区的规则：步骤1：自某一小区A出发，沿边的垂线方向移动i个小区;步骤2：逆时针旋转60度后，再移动j个小区。3.频率复用下的小区规划a)确定区群的尺寸N：22jijiN式中i、j为非负整数，且不能同时为零；N=1，3，4，7，9，12，13，16……32不同尺寸区群的形状33（i=2,j=1）相邻同频小区位置的确定34N=3，i=1,j=1相邻同频小区位置的确定11232111232223123335（N=4,i=2,j=0）相邻同频小区位置的确定12341231234123434336举例：蜂窝系统中的频道计算一个蜂窝电话系统，总带宽为30MHz，使用两个25kHz作为双向信道，假定该系统采用9小区复用方式，并将总带宽中的1MHz分配给控制信道。a.计算总的可用信道数；b.确定控制信道数；c.确定每个小区中的话音信道数；d.确定各个小区中控制信道与话音信道的一种合理分配方法。37解：已知：总带宽=30MHz信道带宽=25kHz*2=50kHza.总的可用信道=30MHz/50kHz=600个b.控制信道数=1000/50=20c.每个小区中的话音信道数=（600-20）/9=64d.由于最多只能有20个信道作为控制信道，9个小区，可以给7个小区各分配2个控制信道和64个话音信道，给另外2个小区各分配3个控制信道和66个话音信道。举例：蜂窝系统中的频道计算384.六边形小区的几何结构R：半径（中心到顶点的距离）RRR23R：中心到边的垂线39（1）区群中同频小区的距离ri3rj3NRjijiRRjRiRjRiD2222222)3()()3()21(332)3()3(RND34.六边形小区的几何结构40（2）同频小区的分布特点每个小区都有6个最近的同信道小区；同信道小区分层排列，候选小区被第k层的6k个小区包围；小区尺寸相同时，各层中的同信道小区都位于由该层同信道小区连接而成的六边形边界上；若两个最近的同信道小区之间的半径为D，则第k层的同信道小区连接而成的六边形的半径为kD。4.六边形小区的几何结构41•区群中同频小区的分布425.频率复用比RDQ频率复用比Q定义为：因为频率复用会导致同信道小区的出现，所以Q也称为同信道复用比。又：所以RND3NQ343增加Q的值，同频小区间的空间距离与小区覆盖距离之比就会增加，因此来自同频小区的射频能量就会减小而使干扰降低。当区群的大小较小时，Q的值越小，容量越大；但Q的值越大，同频干扰就越小，因此，要折衷处理。NRDQ35.频率复用比44若设i0为同频干扰小区数，则监视前向信道的信干比SIR可以表示为01iiiISSIR第i个来自同频干扰小区基站的干扰功率三、二维信干比的计算设所有的基站的发射功率都相同，移动台距当前小区基站的距离为R，距第i个同频小区基站的距离为Di，则：01)(iininDRSIR来自目标基站的想获得的信号功率45仅考虑相邻同频小区（第一层干扰小区），则nnnRDRDRDSIR)(4)1()1(1三、二维信干比的计算RD123456P(D-R)D46使用上式得到的近似信干比：三、二维信干比的计算ND/RSIRSIRdBn=3n=4n=3n=4333.48.55.39.374.5814.362.511.61812630.316714.822.2nnnRDRDRDSIR)(4)1()1(147仅考虑相邻同频小区（第一层干扰小区），若假设所有干扰基站与目标基站间的距离是相等的，小区中心之间的距离都为D，则上式可简化为6)3()3()/(00