第二章蜂窝移动通信系统.ppt

移动通信原理与应用,2,2023/3/30,目 录,第一章 概 述第二章 蜂窝移动通信系统第三章 无线移动通信信道第四章 移动通信的调制技术第五章 抗衰落技术第六章 语音编码技术第七章 移动通信中的多址接入技术第八章 移动通信网第九章 GSM通信系统第十章 IS-95 CDMA移动通信及其标准介绍第十一章 第三代移动通信及其标准介绍,3,2023/3/30,第二章 蜂窝移动通信系统,2.1蜂窝小区的概念和特点 2.1.1大区制移动通信系统 2.1.2频率复用和小区制移动通信系统2.2信道切换策略 2.2.1信道切换原理 2.2.2实际系统切换的一些考虑2.3干扰和信道容量 2.3.1同频干扰和系统容量 2.3.2相邻信道的干扰 2.3.3蜂窝小区容量的改善2.4电信业务流量与服务等级 2.4.1电信业务流量 2.4.2通信系统服务质量和负荷能力,4,2023/3/30,2.1 蜂窝小区的概念和特点,解决频率资源有限和用户容量问题区域覆盖方式大区制(小容量)一个基站覆盖整个服务区，发射功率要大利用分集接收等技术来保证上行链路的通信质量只能适用于小容量的通信网小区制(大容量)频率复用将覆盖区域划分为若干小区，每个小区设立一个基站服务于本小区，但各小区可重复使用频率 带来同频干扰的问题,5,2023/3/30,2.1 蜂窝小区的概念和特点,2.1.1 大区制移动通信系统,一个基站覆盖整个服务区，发射功率要大利用分集接收等技术来保证上行链路的通信质量只能适用于小容量的通信网,例如用户数在1000以下的。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。,大区制频率覆盖,6,2023/3/30,2.1.2小区制移动通信系统和频率复用1969年，Bell实验室 把整个大范围的无线服务区划分成彼此相邻的正六边形小区，每个小区设置基站。每个基站使用多个无线电频率作为通信信道，各相邻基站使用不同的无线电频率。采用频率复用技术,2.1 蜂窝小区的概念和特点,7,2023/3/30,2.1 蜂窝小区的概念和特点,图2.1 双频组和三频组频率配置,（1）带状服务覆盖区 为了克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配置.如图2.1所示。,8,2023/3/30,（2）面状服务覆盖区要覆盖整个区域，无重叠和间隙，只有三种可能的选择：正三角形、正方形、正六边形,采用六边形的原因用最小的小区数就能覆盖整个地理区域最接近于全向的基站天线和自由空间传播的全向辐射模式,2.1 蜂窝小区的概念和特点,9,2023/3/30,基站激励方式,中心激励(center-excited)：基站设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区。顶点激励(edge-excited)：基站设在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120度扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域。,全向辐射天线基站,120扇形辐射天线基站,2.1 蜂窝小区的概念和特点,10,2023/3/30,共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇同一个小区簇内，要使用不同的频率；不同的小区簇间使用对应的相同频率,1 2 1 2 3 4 5 3 4 5 6 7 1 2 6 7 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 73 4 5 6 7 1 2 6 7 1 2 3 4 5 3 4 5 6 7 6 7,蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示,q=D/R=4.6N=7,D,R,2,1 3,2 4 2,1 3 1 3,4 2 4,1 3,4,2.1 蜂窝小区的概念和特点,11,2023/3/30,一个共有S个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含N个小区，每个小区分配K个信道（kS）那么 如果簇在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可作为容量的一个度量N叫做簇的大小，典型值为4、7或12。N的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时，可以承受的干扰（主要是同频干扰）,2.1 蜂窝小区的概念和特点,12,2023/3/30,N=5?,N=4?,2.1 蜂窝小区的概念和特点,13,2023/3/30,簇之间彼此邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；邻接之后的簇应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等；簇内的小区数应满足下式,其中，i和j为零或正整数。N的典型值为4、7或12。,每一簇的小区数N的确定,14,2023/3/30,小区簇数N的取值,15,2023/3/30,簇的组成,16,2023/3/30,相邻同频小区的找法,沿着任何一条六边形边的垂线方向移动i个小区逆时针旋转60度再移动j个小区,i=？j=？N=？,在蜂窝小区中定位同频小区的方法,17,2023/3/30,N=4，i=2，j=0,N=7，i=2，j=1,相邻同频小区的找法,18,2023/3/30,频率复用距离与小区簇的关系,同频小区中心之间的距离为：,式中，D:频率复用距离，N:区群中的小区数目，r:小区半径,频率复用距离（即同频距离）D是指最近的两个同频小区中心之间的距离,同频复用比,Q的值越小则容量越大；而Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。实际中，需要对这两个目标进行协调和折衷。,19,2023/3/30,小区簇的意义,在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。,20,2023/3/30,切换 将处于通话状态的MS转移到新的业务信道上（新的小区）的过程。目的 实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。操作识别新的小区分配给移动台在新小区的话音信道和控制信道。原因信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区。由移动台发起。由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。由上级实体发起。要求 切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户觉察不到；切换门限要恰当切换前对信号的监视：保证信号电平的下降确实由于移动台正离开当前基站,2.2 信道切换策略,21,2023/3/30,检测 方法信道监视方法目的：使切换请求优先于初始呼叫请求原理：保留小区中所有可用信道的一小部分，专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务对切换请求进行排队目的：减小中断的发生概率原理：信号强度下降到切换门限以下和因信号太弱而通话中断之间的时间间隔是有限的,2.2 信道切换策略,22,2023/3/30,2.2 信道切换策略,2.2.2实际系统切换的一些考虑,在实际的蜂窝系统中，当移动速度变化范围较大时，系统设计将遇到许多问题。通过使用不同高度的天线和不同强度的功率，在一个站点上设置“大的”和“小的”覆盖区是可能的，这种技术叫做伞状小区方法。伞状小区方法能用来为高速用户提供大面积的覆盖，同时为低速用户提供小面积的覆盖。小区拖尾是由对基站发射强信号的步行用户所产生的。由于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号能量衰减不快；即使当用户远离了小区的预定范围，基站接收的信号仍然可能高于切换门限，因此不做切换，这就会产生潜在的干扰和话务量管理问题，因为用户那时已深入到了相邻小区中。,23,2023/3/30,2.3 干扰和信道容量,2.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰同频复用比例,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。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。,Q的值越小则容量越大；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。,24,2023/3/30,2.3 干扰和信道容量,2.3.2 相邻信道的干扰邻频干扰:降低邻频干扰的措施:,来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰,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了传输带宽内而引起的。,使用精确的滤波器 合适的信道分配,使小区中的信道间隔尽可能的大 避免在相邻小区使用邻频信道来阻止次要的邻频干扰,25,2023/3/30,2.3 干扰和信道容量,2.3.3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.,图2.4 小区分裂的图例,小区分裂减小了小区半径R，但不改变同频复用因子D/R，从而增加了单位面积上的信道数目，提高了系统容量。,26,2023/3/30,2.3 干扰和信道容量,2.扇区的概念,图2.5 扇区划分,蜂窝系统中的同频干扰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，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。采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用，如图2.5(a)和(b)所示。,27,2023/3/30,裂向减少了同频干扰源的个数以N=7小区的复用结构为例：全向天线：6个干扰源；120度定向天线：2个干扰源；60度定向天线：1个干扰源,28,2023/3/30,2.3 干扰和信道容量,3.新微小区的概念,基于7小区复用的微小区概念，如图2.6所示。在这个方案中，每3个(或者更多)区域站点(在图2.6中以Tx/Rx表示)与一个单独的基站相连，并且共享同样的无线设备。各微小区用同轴电缆、光导纤维或微波链路与基站连接。多个微小区和一个基站组成一个小区。,图2.6 微小区的概念,微小区技术的优点在于，小区既可以保证覆盖半径，又能够减小蜂窝系统的同频干扰。同频干扰的减小提高了信号质量，也增大了系统容量，同时，又没有裂向引起的中继效率的下降。,29,2023/3/30,2.4电信业务流量与服务等级,2.4.1电信业务流量电信业务流量 定义:定量地表示通信系统中各种设备或通道承受的负荷，定量地表示用户对通信系统的通信业务需求的程度。在语音业务通信中常叫做电话负载话务量;在非话业务通信中常叫做信息流量或业务流量.影响通信系统负载能力的因素：呼叫强度()。单位时间里用户为实现通信而发起的呼叫次数呼叫占用时长或服务时间(S)。用户通信的时间或信息传输的时间时间区间(T)。考察的时间区间。通信系统电信业务流量,30,2023/3/30,话音业务中的业务流量平均呼叫强度或到达率:平均呼叫结束强度或服务率非话业务中的业务流量：信道容量,电信业务流量,31,2023/3/30,流入业务量强度（流入话务量）为,例如，每小时发生20次呼叫（20次/h），每次呼叫的平均通话时长3min（3min/呼叫),求流入话务量解：根据上式，话务量A=20(3/0)=1Erl(爱尔兰)。,流入话务量,概念 话务量是指单位时间（1小时）内进行的平均电话交换量。单位：爱尔兰（Erl），1个Erl表示一条信道被连续占用小时的话务量意义 度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标.,32,2023/3/30,2.4电信业务流量与服务等级,2.4.2 通信系统服务质量和负荷能力 1.损失系统服务质量损失系统服务质量等级 损失话务量与流入话务量的比率为呼损率，即呼损率B越小，呼叫成功的概率就越大，服务质量就越高.损失系统的服务等级指标是呼损率,33,2023/3/30,完成话务量的性质与计算 设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为,完成话务量即为,式中，C1S即为观察时间T小时内的实际通话时间。这个时间可以从另外一个角度来进行统计。若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(in)个信道同时被占用的时间为ti(tiT)，那么可以算出实际通话时间为,34,2023/3/30,当观察时间T足够长，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，上式就可改写为,完成话务量的性质与计算,35,2023/3/30,例如，某通信网共有 8 个信道，从上午8时至10时共两个小时的观察时间内，统计出i个信道同时被占用的时间(小时数)如表 所示。,利用公式，有,(爱尔兰),完成话务量的性质与计算,36,2023/3/30,这说明在总共8个信道中，平均有3.5个信道同时被占用。每信道每小时的平均被占用时间为3.5/8=0.4375小时。因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰，因此它的平均信道利用率就是43.75%。,完成话务量的性质与计算,37,2023/3/30,2.4电信业务流量与服务等级,(2)呼损系统呼损率B的计算,爱尔兰B公式(也叫阻塞呼叫清除公式)可求解呼叫阻塞概率。,例如，有一个系统容量n=10（条线），流入的业务强度A=6Erl，系统服务的用户很多，根据公式（2.11）计算这个系统的呼损率 B=0.043142100%4.3%,在不同呼损率B的条件下，信道的利用率也是不同的，即,38,2023/3/30,2.4电信业务流量与服务等级,0.010 1,0.204,0.526,0.111,0.250,1.36,1.66,2.22,2.88,4.01,4.46,5.08,6.22,7.51,9.68,12.0,13.2,15.2,17.6,21.6,表2.1 爱尔兰呼损表,爱尔兰B公式已经制成爱尔兰呼损表(见附录一)，若已知三个参数A、B和n中的任何两个参数，就可以从爱尔兰呼损表中查出需要的第三个参数。例如，可以从表2.1中找到B、A、n三者。,例：B5，AErl，需要多少条业务信道？,39,2023/3/30,呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系,爱尔兰呼损表,40,2023/3/30,呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系,爱尔兰呼损表,41,2023/3/30,计算每个信道容纳用户数及总用户数,在考虑通信系统的用户数和信道数时,应采用“忙时平均话务量”.先定义忙时集中系数 再计算每个用户忙时的平均话务量A 式中 C：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）最后得每个信道所能容纳的用户数,系统能容纳的用户数为,42,2023/3/30,某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道平均时间80秒，要求呼损率10%，忙时集中系数K=0.125，问给定8个信道可容纳多少用户？解：1由N=8,B=10%,利用爱尔兰呼损表，查表求得：A=5.597Erl 2求每个用户忙时话务量Aa 3每个信道能容纳的用户数m 4系统所容纳的用户数：,例题,43,2023/3/30,例题,某地区组网面积为1280km2，系统总频带宽度=40MHz，信道等效间隔Bc=60KHz，采用N=7小区复用，小区半径R=4km（小区面积按六边形面积2.5981R2计算）。若统计每用户平均忙时呼叫3次，每次呼叫平均时长36秒，要求系统的呼损率为2%，求：（1）该地区共建多少个小区？（2）每小区信道数？（3）该地区总话务量；（4）在给定的呼损率下，该地区可提供的总用户数？（）每信道用户数；（）系统一次服务的最大用户数？,44,2023/3/30,(1)小区面积2.5981R2=41.57Km2 小区个数:1280/41.57=31 个(2)每小区信道数:n=W/Bc/N=40000/60/7=95 条,(3)每小区话务量n=95 B=2%查爱尔兰呼损表得 A=84 Erl/小区总话务量31842604 Erl(4),总用户数:31*AAa=31*84/0.03=86800(户)(5)每信道用户数=86800/(95*7)=130户/信道,(6)系统一次服务的最大用户数，即总的可使用的信道数95*312945个,例题2的解,45,2023/3/30,在一个损失呼叫系统中，呼损率为，系统共有378个业务信道。假设每个用户忙时平均呼叫1次，每次呼叫平均时长2分钟，7小区复用方式，若每小区采用（1）全向天线（2）120度裂向（3）60度裂向,试分别计算三种条件下,1、每小区所容纳的用户数；2、信道利用率（中继效率）,例题3,46,2023/3/30,解：Aa=1*(2*60)/3600=1/30 Erl户(1)全向天线 n=378/7=54,B=1%查爱尔兰呼损表得 A=41.5 Erl/小区 每小区用户数mn=A/Aa=41.5/(1/30)1245户 信道利用率A(1-B)/n=41.5*(1-1%)/54=76.1%,(2)120度定向天线 n=378/7/3=18,B=1%查爱尔兰呼损表得 A=10.437 Erl/扇区 每小区用户数 3*mn=3*A/Aa=3*10.437/(1/30)939户 信道利用率A(1-B)/n=10.437*(1-1%)/18=57.4%,(3)60度定向天线 n=378/7/6=9,B=1%查爱尔兰呼损表得 A=3.783 Erl/扇区 每小区用户数 6*mn=6*A/Aa=6*3.783/(1/30)680户 信道利用率A(1-B)/n=3.783*(1-1%)/9=41.6%,47,2023/3/30,例题4某地区联通GSM组网，43复用方式的结构图如下，每个基站区采用3个1200扇区覆盖，（）试采用等频距配置法对第97124号频道进行配置。（）若要求呼损率为B=5%，每用户忙时平均话务量为0.02Erl/户，以基站C为例，计算该基站区容纳的用户数。（）信道利用率.,附：爱尔兰呼损表,43频率复用方式,GSM用户数预测,48,2023/3/30,三扇区的TCH配置分别为:n1=3*8-2=22;n2=2*8-2=14;n3=2*8-2=14即：22/14/14B=5%查爱尔兰呼损表得三扇区话务量分别为 17.13 Erl/9.730 Erl/9.730 Erl 总用户数A/Aa=(17.13+9.730+9.730)/0.02=1829户（）1=17.13*(1-5%)/22=74%2=3=9.730*(1-5%)/14=66%,（）基站C：三扇区的载频配置分别为:3/2/2,（）略,例题4的解,49,2023/3/30,GSM基站数预测,例题5联通MHz的GSM组网，43复用方式，市中心高密度区占地25km2,用户密度700户km2,呼损率为B=5%，每用户忙时平均话务量为0.027Erl/户，该区需建设多少个基站？解：,B=5%查爱尔兰呼损表得每基站的三扇区话务量分别为 17.13 Erl/9.730 Erl/9.730 Erl每基站的用户数为(17.13+9.730+9.730)/0.027=1355户/基站基站总数为25*700/1355=13个,50,2023/3/30,2.4电信业务流量与服务等级,2.等待系统服务等级的计算等待系统服务等级指标主要有：(1)等待时长的概率分布(2)呼叫平均等待时间和平均排队长度,51,2023/3/30,等待时间为呼叫等待的概率；呼叫等待时间超过规定时间t的概率。,爱尔兰C公式,其中，,(1)等待时长的概率分布,就是等待时长的概率分布，即,52,2023/3/30,平均等待时间,平均排队长度,(2)呼叫平均等待时间和平均排队长度,53,2023/3/30,某等待系统，在1条信道上的平均呼叫占用时长为10秒，呼叫到达率为1.2个分钟，呼叫流是泊松过程，（）求呼叫等待时间超过20秒的呼叫等待概率？（）呼叫平均等待时间和平均排队长度解(1)(2),例题6,54,2023/3/30,习题解答,2.4题 试绘出单位无线区群的小区个数N=4时，三个单位区群彼此邻接时的结构图形。假定小区的半径为R，邻接无线区群同频小区的中心间距如何确定？,3,4,2,1,3,4,2,1,3,4,2,1,