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移动通信组网原理
第2章蜂窝概念—系统设计基础
Chapter2CellularConcept–SystemDesignFundamentals
Maincontents:
Frequencyreuse,Channelassignmentstrategies,Interferenceandsystemcapacities,trunkingandGOS,Handoffstrategies,andhowtoincreasethecapacityofthemobilesystem.
本章的主要内容包括:
频率复用、信道分配策略、切换策略、干扰和系统容量、中继和服务等级、提高系统的覆盖率。
本章教学思路:
1、本章主要涉及到蜂窝系统的基本技术和方法,本章讲解的思路是:
从现实系统中引入,分析其中存在的问题,然后提出解决问题的方法。
2、本章在教学过程中,多采用课堂及课后的讨论小组,课堂上的头脑风暴等形式,充分调动学生在学习过程中的参与热情。
3、要求学生在课外进行知识的扩充性学习,弄清楚实际通信系统如GSM的相关知识。
4、学习完本章之后,引导学生利用相关知识,结合重庆轻轨建设的实际情况,设计轨道交通通信的相关方案。
5、利用精心设计的讨论题,提高学生分析问题和解决问题的能力。
本章讨论或思考题:
1、通过查相关资料,弄清我国GSM系统小区复用方式?
[在学习完成频率复用之后引入]
2、通过查阅相关资料,弄清我国GSM系统及CDMA系统的信道分配策略?
[在学习完信道分配策略之后引入]
3、通过查阅相关资料,弄清我国具有自主知识产权的3G标准TD-SCDMA中的热力切换原理[在学习完切换之后引入]
4、5-6人一组,结合重庆轨道交通建设,通过查资料和相互讨论,请设计一个适应在重庆轻轨上进行无线通信的方案[本章学习结束之后]。
本章教学时数:
10学时
其中:
频率复用2学时,信道分配1学时,干扰与系统容量2学时,中继和服务等级3学时,提高系统容量的方法1学时,切换1学时。
由于教材和PPT都是英文的,本讲义采用中文
第1节概述
1.Introduction
通信网可按照业务的种类不同,分成电话网、数据网或计算机通信网、移动通信网、无线电寻呼网、电报网、传真网等。
移动通信网就是承载移动通信业务的网络,主要完成移动用户之间、移动用话与固定用户之间的信息交换。
这里的“信息交换”不仅仅指双方的通话,也包括数据、传真、图像等通信业务。
移动通信网的分类
公用移动电话网:
直接向社会公众提供移动通信业务,与公共交换电话网(PSTN)联系密切,需经过专门的线路进入公共交换电话网的移动通信网。
专用的移动通信网:
自己组成一个网后,不再进入电话网,或仅仅和电话网保持一定的关系。
例如,工业企业中的无线电调度网、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网。
按移动通信网的服务区域覆盖方式可分为:
——大区制
——小区制
移动通信网络构成可以是:
集中式的基础结构网络,如蜂窝移动通信网络;分布式或Adhoc网络。
第2节频率复用
2.Frequencyreuse
1、大区制通信网及其特点
大区制
由一个基站覆盖一个较大的服务区,半径约30-50km范围。
基站很高,达几十至百余米;发射功率很大,一般为50-200W.
优点:
基地台组成单一,设备少而便宜,网络结构简单,成本低,不需无线交换,直接与PSTN相连。
缺点:
覆盖范围有限、系统容量受限、系统设备受限
区域划分
大区覆盖区域的划分决定于系统的容量、地形和传播特性。
大区覆盖区半径的极限距离应由下述因素确定:
在正常的传播损耗时,地球曲率限制了传输的极限范围;
地形环境影响,例如山丘、建筑物等阻挡,信号传播可能产生覆盖盲区;
多径反射干扰限制了传输距离的增加;
基站发射功率增加是有限的,只能增加很小的覆盖距离;
移动台MS发射功率很小,上行(MS至BS)信号传输距离有限,所以上行和下行(BS至MS)传输增益限制了BS与MS的互通距离。
传输增益
移动台发射功率小是决定大区制系统覆盖区大小的主要因素,上下行增益差可达6-12dB以上。
减小增益差的措施有:
设置分集接收台
基站采用全向天线发射和定向天线接收,可以获得8-10dB的增益。
基站用分集接收的天线配置。
提高基站接收机灵敏度。
在大的覆盖范围内,用同频转发器扫除盲区。
应用
适合于中、小城市等业务量不大的地区或专用通信网
2、小区制移动通信网构成方式
构成和特点
蜂窝(小区制)的概念:
将所要覆盖的地区划分成若干个小区,每个小区的半径可以根据用户的密度在1-10km左右,基站发射功率一般为5-20W。
在每个小区内设置一个基站为本小区范围内的用户服务。
同时,又可在MSC的统一控制下,实现小区之间移动用户通信的转接,以及移动用户与市话用户的联系。
目的:
解决大区制频谱匮乏,容量小,服务质量差,频谱利用率低等问题。
特点:
低发射功率,小的覆盖范围,干扰与D/r0相关
频率复用,用户容量大,频率利用率高,用户终端也可以小巧。
组网具有灵活性。
随着用户数的增加,每个覆盖区可以继续划小,以不断适应用户数增长的实际需要。
网路构成复杂:
越区切换,漫游,位置登记,更新,管理,系统鉴权等。
条状服务区
定义:
用户的分布呈条状或带状,如河流、铁路、公路、狭长城市等。
频率分配:
可采用二频组、三频组或四频组频率复用。
二频组:
不同频道组的两个小区组成一个区群;
三频组:
不同频道组的三个小区组成一个区群;
四频组:
不同频道组的四个小区组成一个区群;
无论哪种频率复用都存在同频干扰。
具体采用何种频率分配方案,取决于射频防卫度。
工程设计
(1)
工程设计
(2)
工程设计(3)
例如:
设D/r0=8,有两个同频基站(m=2),则C/I=10lg(74/2)=30.7dB
重叠区宽度a的确定
(1)
实际上,相邻小区间是有重叠区的,由于电波传播的不确定性,因此很难找到相邻小区间的严格的分界线,通常说的覆盖区是从场强的平均变化意义上理解的。
因此,在设计时应考虑在两个相邻区域的连接处要有一定的重叠区来减少可能出现的弱场强区及不可通率,但是重叠区过深又会导致越站干扰,所以必须设计适当。
重叠区宽度a的确定
(2)
当移动台处于覆盖区边缘J点时,受到的同频干扰最严重,分别为:
重叠区宽度a可根据对C/I设计的要求,由上式算出。
面状服务区
服务区是一个宽广的平面时,称为面状服务区。
小区形状
在面状服务区设计时,能覆盖一个平面的规则多边形有三种。
对三种图形的比较可知,正六边形小区的中心间隔最大,覆盖面积最大,重叠区域宽度最小,重叠区域的面积也最小。
对于同样大小的服务区域,采用正六边形构成小区所需的小区数最少,故所需频率组数也最少,因此也最经济。
2.簇(区群,cluster)
小区制的一个特点是可以进行频率复用,以提高频率利用率。
具体实现方法是利用区群。
将若干个小区组成一个区群,区群内的每个小区占有不同的频率,占用给定的频带。
另一个区群可重复使用相同的频带。
不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰。
划分区群的条件
区群由一组载波频率不同的小区组成;
区群的几何形状应能构成无缝隙的更大的覆盖区域,以至无限扩展;
区群间同频小区间的距离保持相等,且为最大;
构成区群的基本示意图
区群内小区数目N的计算
N为区群中的小区个数。
a、b为相邻同频道小区间的间隔小区数,取正整数且不同时为零。
正六边形小区群的构成:
确定同频小区的方法
同频小区间二维距离的确定
自某一小区A出发,先沿边的垂线方向跨a个小区,再按逆时针方向转60度,再跨b个小区,就可找到同频小区。
N小区复用模式
3.同频复用距离D和同频复用比R
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为同频复用距离D:
D=(3N)1/2r0
同频无线区间的距离D和小区半径r0的比值为同频复用比R:
R=D/r0=(3N)1/2
因为C/I=40lg(D/r0-1),所以C/I只与R有关,R是计算同频干扰和频率复用的一个重要参数。
D与N及频率利用率的关系:
N越大,D越大,抗同频干扰能力越好,但频率利用率低。
4.频率复用模式
区群是构成蜂窝网的二次几何图形。
全部频谱在区群内分配使用。
覆盖并由N个小区组成的区群,频道总数被分成N组,每个小区分给一个频道组,全部频道分给区群。
区群获得全部频率,相邻的区群重复使用相同的频率分配模式。
频率复用模式的确定主要以同频干扰防护门限为依据。
若N太大,则每个小区中分得的频道数太少,若N太小,每个小区频道数增加,但由于同频小区距离近而使得同频干扰防护减少。
因此,N通常取12,9,7,4,3。
如GSM系统中,若采用全向天线,则N=7,若采用定向天线,则N=4,为4×3复用方式,每基站3个120度扇形小区或三叶草形小区。
5.中心激励与顶点激励
中心激励:
基站在小区的中间,用全向天线覆盖。
顶点激励:
基站设在正六边形的三个顶点,用120度定向天线覆盖。
优点:
消除障碍物的阴影,对干扰有一定的隔离度。
第3节干扰
3.Interference
1、同频干扰防护
定义:
当同频干扰是主要干扰制约因素时,系统必须克服同频干扰从而保证达到规定的性能,称为同频干扰防护。
同频干扰分类:
MS接收信号和同频干扰;BS接收信号和同频干扰
平衡系统:
中心小区的BS和MS都可能遭受同频干扰。
当干扰较大时,中心小区的MS由6个基站引起的载波干扰比(C/I)与BS接收到由6个小区中BS干扰所产生的载波干扰比(C/I)数值相同,这种系统称为平衡系统。
平衡全向小区系统C/I的计算
(1)
MS作为接收,当噪声小于同频干扰电平时,C/N近似用C/I表示。
且有:
m为干扰源总数,Ik为干扰功率。
若同频BS间距为D,所有BS的发射功率相同,BS距离被干扰MS的距离为Dk,则有:
平衡全向小区系统C/I的计算
(2)
令Dk=D(MS位于小区的中心),则:
最坏情况是MS位于小区的边缘,并假设干扰基站离MS的距离都为(D-r0),此时有:
上式为最坏情况下的C/I值,以该C/I值为依据进行系统设计,即使在业务繁忙时也能有好的系统性能。
无论何种区群构成方法,在周围第一层有6个同频干扰小区,所以,m=6。
实例:
N=7,a=4时,可得:
实际计算时,可以根据规定的同频干扰防护确定N的值并选择蜂窝系统结构,或者在N已确定的情况下根据计算得到的同频复用比来判断组网的合理性。
定向小区系统C/I的计算
利用定向天线可以降低同频干扰。
利用定向天线将小区分成3个或6个扇形覆盖区,干扰只在主瓣方向有效,从而有效干扰源的数量将减少。
采用120度覆盖时,只有3个,采用60度覆盖时,只有一个有效干扰源。
120o定向覆盖同频干扰的实例:
当N=7,a=4时,m=3可得:
C/I=21.8dB
降低同频干扰的措施
定向天线覆盖;
同频复用距离和频率分配方案的最佳化;
天线高度和功率控制;
天线俯仰角的调整:
利用俯仰角减少天线在干扰方向上的增益,同时增强覆盖区内的信号强度,提高C/I;
调整天线方位角。
调整天线俯仰角应注意下列问题:
天线高度与覆盖区直径成一定比例,一般两者之比大于0.1;
俯仰的角度应保证覆盖区增益最大,而对同频干扰区边缘信号干扰最小为原则;
选择高增益定向天线特别是垂直方向图较为尖锐的天线实施俯仰对C/I的改善更为有效。
2、邻道干扰
定义:
相邻频道之间的相互干扰
产生原因:
接收滤波器不够理想
影响:
易产生远近效应
解决方法:
精确滤波;在一个小区中(甚至相邻的小区中)不使用相邻频道。
每个小区只分配给可用信道的一部分,给小区分配的信道就没有必要在频率上相邻。
通过使小区中信道间隔尽可能大,就可以大大减小邻频干扰。
因此,不是给每个特定的小区分配在频谱上连续的信道,而是使在给定小区内分配的信道间隔最大。
通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区,许多分配方案可以使一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽,其中N是簇的大小。
有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道,来阻止一些次要的邻频干扰。
3、功率控制
功率控制是减小各种系统干扰的有效手段。
基本思想:
当移动台距离基站较近时,以较小的发射功率进行通信;反之,则以较大的发射功率进行通信。
优点:
可减小系统干扰,从而增大系统容量;可减小移动台的功耗,从而增加其工作时间。
第4节信道分配策略
4.Channelassignmentstrategies
1概述
频率(频道或波道)分配是频率复用的前提:
频道分组:
根据移动网的需要将全部频道分成若干组,有分区分组分配法和等频距分配法两种。
频道分配:
以固定的或动态分配方法指配给蜂窝网的用户使用,有固定分配和动态分配两种。
频道分组的原则
根据国家规定选择双工方式、载频中心频率值、频道间隔、收发间隔等协调频率计划;
确定无互调干扰或尽量减少互调干扰的分组方法;
考虑有效利用频率、减小基站天线高度和发射功率,在满足业务质量和射频防卫度的前提条件下,尽量减小同频复用距离,从而确定频道分组组数。
频道指配
固定波道分配:
是给每个小区(或每个基站)分配一组预先确定好的话音频道,基站的频道是固定不变的。
若无线区群由N个小区组成,则需要N个频道组。
蜂窝系统采用此方法。
动态波道分配:
是指很多个无线区都可以使用同一波道,频道动态分配。
无绳电话、集群通信系统采用此方法。
频道指配应注意的问题:
在同一频道组中不能有相邻序号的频道,避免多波道系统的邻道干扰。
根据移动通信设备抗干扰能力来设定相邻频道的最小频率和空间间隔。
频率计划、远期规划、新归网和重叠网频率指配的协调一致。
由规定的射频防卫度建立频率复用和频道指配图案。
2固定波道分配
步骤1:
波道组数
当同频复用比D/r0确定后,就能相应的确定波道组数。
例:
带状网,蜂窝网。
步骤2:
每组的波道数
根据无线区的话务量确定
步骤3:
波道的频率指配
(1)分区分组分配法
分配原则:
所需的波道应占用最小的频段,以提高频段利用率。
为避免同频干扰,在单位无线区群中不能使用相同的波道。
为避免三阶互调干扰,在每个无线区应采用无三阶互调波道组。
例如一个区群由7个小区组成,每个小区要求分配6个频道,根据分区分组分配法的要求,可用试探法选取可用的频道组如下:
第1组:
1,5,14,20,34,36;
第2组:
2,9,13,18,21,31;
第3组:
3,8,19,25,33,40;
第4组:
4,12,16,22,37,39;
第5组:
6,10,27,30,32,41;
第6组:
7,11,24,26,29,35;
第7组:
15,17,23,28,38,42;
特点:
a:
分区分组分配法没有考虑到邻道干扰;
b:
当无线区需要很多频道数时,要满足前述要求非常困难;
因此,这种分配方法只适合于小容量移动通信系统的频率支配。
(2)等频距分配法
⒈原理:
按频率等间隔分配信道。
若需要M个信道,将其分为N个信道组,则每个信道组中有M/N个信道,而N个信道组的信道序列可以由以下确定:
K+jN,K=1,2,…N;j=0,1,…,M/N-1式中K为信道组的序列号,最大为K=N,j为信道序号的取值。
⒉如果基站采用了无方向性激励时,通常以12个无线小区(基地区)作为一个区群。
如图4-6-1所示。
⒊如果采用扇形方向的天线激励,通常采用4个基站、24个扇形无线小区为一个区群。
如图4-6-2所示。
按K+jN的规律,可确定各信道组的信道序列如下:
第一信道组,K=1,j=0~12,故(1,13,25,…)
第二信道组,K=2,j=0~12,故(2,14,26,…)
第三信道组,K=3,j=0~12,故(3,15,27,…)
第四信道组,K=4,j=0~12,故(4,16,28,…)
第五信道组,K=5,j=0~12,故(5,17,29,…)
第六信道组,K=6,j=0~12,故(6,18,30,…)
第七信道组,K=7,j=0~12,故(7,19,31,…)
第八信道组,K=8,j=0~12,故(8,20,32,…)
第九信道组,K=9,j=0~12,故(9,21,33,…)
第十信道组,K=10,j=0~12,故(10,22,34,…)
第十一信道组,K=11,j=0~12,故(11,23,35,…)
第十二信道组,K=12,j=0~12,故(12,24,36,…)
等频距分配法的特点:
按频率间隔来分配波道,既可以100%的利用频率资源,又能有效的避免波道组中的邻道干扰。
同频干扰的防护由蜂窝系统区群的构成和网络结构作为计算依据和质量保证。
对于互调干扰的影响,由于波道组中有足够大的波道间隔,接收机中频滤波器有较强的带外抑制能力,可以减小到很小的程度。
在频道指配中,切实做到在相邻无线区不使用有邻频道的频道组,能有效的降低邻频干扰。
固定波道分配的特点:
优点:
各基站只需配置与所分配的波道相应的设备,控制简单。
缺点:
波道利用率不够充分。
动态波道分配
动态信道分配法:
不是将信道固定地分配给某个基站,而是多个基站均可使用同一信道,每次呼叫请求来的时候,为它服务的基站就向MSC请求一个信道。
交换机就根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道。
此方法进一步提高频谱的利用率,使信道的配置方法能够随移动通信系统的地理分布变化而变化。
特点:
频谱的利用率大约可提高百分之二十;需智能控制,避免了忙闲不均的情况,可以减小阻塞的可能性,从而提高系统的中继能力,但此时的邻近的信道干扰比较突出,增加了系统的存储和计算量,预测和控制系统均比较复杂。
第5节中继和服务等级(多波道共用技术)
5.Truncking&GOS
频率有效利用的方法包括两种:
波道的地区复用(空间),多波道共用(时间)
频谱的有效利用:
波道窄带化、宽带多址技术和数据传输技术
1多波道共用的概念
在移动通信网的一个无线区内假设有n个信道,m个用户,m个用户对这n个信道的使用有两种方式:
独立信道方式和多信道共用方式。
独立信道方式:
设一个无线区内有n个信道,对区域内的每个用户分别指定一个信道,不同信道内的用户不能互换信道。
多信道共用方式:
在一个无线小区内的n个信道,为该区内的m个用户所共用,则当k(k 两种方式的比较: 独立信道方式在信道分配原则上简单,但是信道不能充分利用,即信道利用率低; 多共用信道方式在相同多的用户的信道的情况下,会使用户通话的阻塞概率明显下降,即可明显提高信道的利用率。 多信道共用可使用户数目明显增加。 但也不是无止境的,否则将使阻塞率增加而影响质量。 采用多信道共用方式,在保持一定通话质量的情况下,一个信道究竟平均分配多少用户才合理? ? ? 这就是我们要讨论的话务量和呼损问题。 2用户数的确定 ●呼叫话务量 概念: 指单位时间内(1小时)进行的平均电话交换量。 公式表示: A=Ct0 C: 每小时平均呼叫次数(包括呼叫成功和呼叫失败的次数); T0: 每次呼叫平均占用信道的时间(包括接续时间和通话时间); 如果t0以小时为单位,则话务量A的单位是爱尔兰(Erl)。 例: 设在100个信道上,平均每小时有2100次呼叫,平均每次呼叫时间为2分钟,求这些信道上的呼叫话务量。 解: A=2100*2/60=70Erl ●完成话务量、损失话务量 完成话务量: 完成接续的那部分话务量称为完成话务量。 A`=C0*t0 C0: 单位时间(1小时)内呼叫成功的次数。 损失话务量: 未完成接续的话务量。 3.呼损率 概念: 当多个用户共用时,会出现许多用户虽然发出呼叫,但因无信道而不能通话(即呼叫失败)。 在一个通信系统中,造成呼叫失败的概率称为呼叫失败概率,简称为呼损率(B)。 公式表示: B=(A-A')/A=(C-Co)/C 其中: A`为完成话务量;Co为1小时内呼叫成功而通话的次数,(A-A`)为损失话务量。 物理意义: 损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。 4.信道利用率 每个波道平均完成的话务量。 若一个信道在全部时间内都被利用,没有空闲,则该信道一小时1(erl)的话务量,这是一个信道最大的能力。 信道利用率=(每小时平均传输的爱尔兰数/信道数)×100% 呼损率B愈小,成功呼叫的概率越大,用户就越满意。 因此,呼损率也称为系统的服务等级(或业务等级)。 呼损率和话务量是一对矛盾,即服务等级和信道利用率是矛盾的 如果呼叫有以下性质: 每次呼叫相互独立,互不相关(呼叫具有随机性); 每次呼叫在时间上都有相同的概率;并假定移动电话通信服务系统的信道数为n,则呼损率可计算如下: 上式为电话工程中的Erl公式。 如已知呼损率B,则可根据上式计算出A和n的对应数量关系。 5.繁忙小时集中度(K) 忙时话务量对全日(24小时)话务量之比。 K=忙时话务量/全日话务量 K一般为8%-14% 6.每个用户忙时话务量(Aa) 公式: Aa=CTK/3600 其中: C为每一用户每天平均呼叫次数,T为每次呼叫平均占用信道的时间(单位为秒),K为忙时集中度。 意义: Aa为最忙时间的那个小时的话务量,是统计平均值。 7.系统用户数 根据忙时话务量Aa决定系统用户数。 每波道容纳的用户数m为: 由n个波道组成的系统能容纳的用户总数M为: M=mn=A/a 例1一移动通信系统有8个频道,统计每天每个用户呼叫3次,每次占用频道平均2分钟,忙时集中系数为10%,当阻塞率为10%时,试问系统能容纳多少用户? 平均每个频道用户数为多少? 系统的频道利用率为多少? 解: 根据爱尔兰呼损公式,已知信道数和阻塞率,查询爱兰表可得: 系统的总话务量为5.597爱尔兰。 例2某一移动通信系统中,平均每天有1000次电话,平均每次通话时间为3min,忙时集中率为30%,今要求在忙时提供的服务等级为0.10,问应该设多少信道? 解: 全系统每天话务量为50erl,集中在忙时的话务量为15erl,因要求B=0.10,故从爱兰表上查出,当c=18时,可得Aa=15.48erl的业务量服务,故需要设18个信道。 18个信道在B=0.10时,可提供15.548erl。
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