移动通信第五章.ppt

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1、第五章 移动通信组网原理,移动通信技术,第五章 移动通信组网原理,大区制移动通信网小区制移动通信网频率复用模式小区分裂同频干扰防护频率分配多波道共用技术,本章要求：了解大区制、掌握小区制实现方式、频率复用模式，了解小区分裂及实施方案，掌握同频干扰防护的计算、降低同频干扰的措施、等频距固定频道分配方法与多波道共用技术。,大区制移动通信网,无线服务区：基站信号所能覆盖的区域。,大区制是指一个基站所覆盖的无线服务区较大。因此：基站天线架设较高（几十米到百余米）发射功率很大（50-200W)覆盖半径达30-50km。,其覆盖范围受以下因素的影响：地球曲率造成的视距；地形环境，如山丘，树林，建筑物造成的

2、阴影；移动台发射机功率小，限制了BS与MS的互通距离；基站发射机功率有限，且增加发射功率只能增加很小的覆盖距离；多径和其它干扰的影响；,大区制系统的基站频道数有限，容量小，一般只能容纳几十至几百个用户，不能满足用户数目日益增加的需求。,小区制移动通信网,基本的小区类型（r0为小区半径）超小区（r0 20km)：人口稀少的农村地区。宏小区(r0=1-20 km)：人口较稠密地区。微小区（r0=0.1-1 km)：城市繁华区段。微微小区（r0 0.1 km)：办公室或家庭移动环境。,什么叫小区制小区制是基于频率重复使用的观点，将整个无线服务区划分成若干个半径为2-20Km的小区域，并在每个小区域中

3、心设置基站，负责与该小区内的移动用户进行无线通信，这种方式称为小区制。,小区制工作方式的特点,区群：地理位置相邻、但不能使用相同频率的小区 组成一个区群（或称为簇,cluster)。区群的大小：区群中小区的数目。只有在不同的区群中可以频率复用。,例：大区制覆盖：M个双工信道；小区制：区群大小N，M个双工信道供每个区群使用，则每个小区分配P(P=M/N)个频道，若给定服务区内包含k个区群，则整个服务区中可以使用的频道数kM=kPN。,注意：区群越小复用次数越多系统容量越多；区群越小同频小区之间的距离越小同频干扰越大。,小区制移动通信网,（1）可提高频率利用率,小区制实现的方式,（3）网络构成复杂

4、、成本高,（2）大大增强了组网的灵活性 小区可以分裂，以适应不断增长的用户数的实际需要。,b)常用组网方式 二频组(采用不同频道组的两个小区组成一个区群)三频组(采用不同频道组的三个小区组成一个区群).,a)定义：指用户分布呈带状的地区所组建的小区。,（1）带状（条状）服务区,小区制移动通信网,带（条）状服务区,当C/I 已知，可确定 a,c)重叠区的确定,为了保证通话的质量，要求设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有适当纵深的重叠区。但重叠区过深会招致越区干扰，所以必须适当设计。,假设重叠区的深度为a,小区半径为r0。见（图4-7）干扰最严重的地方出现在区域的的边缘。对于不同的情况，可得到信号

5、同频干扰比：,二频组：C/I=40 log(D-r0)/r0=40 log(3r0-2a)/r0,三频组：C/I=40 log(5r0-3a)/r0,n 频组：C/I=40 log(（2n-1)r0-na)/r0,小区制移动通信网,I）相邻小区重叠区大小的确定 二频组：C/I=40 log(D-r0)/r0=40 log(3r0-2a)/r0 三频组：C/I=40 log(5r0-3a)/r0 n 频组：C/I=40 log(（2n-1)r0-na)/r0 当C/I 已知，可确定 a,d)组网设计考虑,II）小区数的确定(指同频复用小区间的小区数）,若参考点J只受到单一基站K产生的同频干扰，则

6、K点信干比为：,当有m个基站和A采用同一频率，m个基站距离J点分别为(D-r0)i，他们都将在J点产生同频干扰，此时总的信干比为：,为路径损耗系数，一般取4,（4-4）,小区制移动通信网,当所有(D-r0)i都相等时，C/I值最小，为：,例：假设D/r0=8，有两个同频干扰基站，即m=2，则：,（4-5）,由D/r0=8可知，两个同频基站之间应隔3个小区，故采用的是四频组区群。,小区制移动通信网,（2）面状服务区（蜂窝网）,定义：用户分布呈宽广平面分布的地区所组建的小区。,构成方法：将整个服务区划分为多个无线区，无线区的 实际形状取决于电波传播条件和天线的方向性。,当基站采用全向天线时，无线区

7、大体上是圆。,当多个无线小区彼此邻接覆盖整个服务区时，就可以用圆的内接正多边形来近似。小区构成的图形有多种，主要为正三角形，正方形，正六角形。,采用何种图形来覆盖，主要考虑以下几个因素：相邻小区的中心间隔；单位小区的面积；重叠区宽度；重叠区面积；,小区制移动通信网,蜂窝小区的形状,蜂窝小区的形状（续）,从图中可以看出：正六角形小区的中心间隔最大，覆盖 面积最大，重叠区面积最小，这说明：,在覆盖同样大小的区域时，采用正六边形小区结构所 需要的小区数目最小，基站也就最少，因而最经济；相邻小区之间的领道干扰最小；采用正六边形小区所需要的不同频率组数最小。,由于正六边形构成的覆盖网络酷似蜂窝，因而称为

8、蜂窝网。,小区制移动通信网,正六边形小区群的构成,小区簇的组成,在蜂窝系统中，为了便于频率复用，同时保持采用同频频道的小区之间距离相等并最大，发展了许多复用图样。由一组采用不同频道的小区所组成的一定图样，称为无线单元小区簇。,对于采用正六边形的小区而言，由若干个正六边形组 成的基本复用图样称为区群或簇。,小区制移动通信网,构成簇的基本条件：（1）这一图样能彼此邻接且无空隙地覆盖整个服务区面积。（2）相邻单元中，同频道的小区间距离相等，且最大。（3）满足这些条件的簇的形状和簇内小区数N（即频率组数）的取值不是任意的。,其中a、b分别为相邻同频小区之间的二维距离，均为整数，其中之一可以为0，但不能

9、同时为0。由式子（4-6）可以算出一系列的N值，见表4-3。,（4-6）,图：确定同频小区的方法表：区群内的小区数,确定同频小区,例：确定N=19的区群中同频小区。如图所示，沿中心小区正六边形的任意一个边移动a=3个小区，然后，逆时针旋转60度，再移动b=2个小区即到达同频小区。其中a和b分别表示相邻同频小区的二维距离（即相隔的小区数）。,小区制移动通信网,确定同频小区,同频复用距离D，从图中可见同频小区之间的距离满足：,即：,结论：簇内小区数越多（即N越大），同频复用距离就越远，抗同频干扰的能力就越强；但是，频率利用率就越低。所以，在满足同频干扰值的条件下，应尽可能取小的N值。,定义同频复用

10、比R=D/r0，则,小区制移动通信网,2.常用的基本复用模式 N=3、4、7、9、13例：a=2,b=1,N=7,TACS AMPS a=1,b=1,N=3;a=2,b=0,N=4,GSM a=1,b=0,N=1,CDMA,频率复用模式,1.什么叫频率复用模式 如上述研究和设计出的区群或簇，通过频率不断重复使用，使有限的频率资源产生无限的系统容量的技术称为频率复用技术，而这些基本的区群或簇称为基本复用模式。,对于全向覆盖的小区，若复用模式为N，则总的频道数被分成N组，每个小区分得一个频道组，所有频道分配给簇内所有小区，每个簇重复使用相同的频率分配模式。,3.小区图案和频率复用,频率复用模式,中

11、心激励方式：,缺点：假如小区内有大的障碍物，会造成阴影区。,顶点激励方式：,优点：减小天线主瓣之外的干扰，从而可以减小同频复用距离，提高频谱利用率。,4.小区的激励方式,基站放在小区中央，采用全方向天线形成圆形覆盖区的方式。,基站放在正六边形的3个成120度角的顶点上，使用120度的扇形覆盖的定向天线的方式。,频率复用模式,1*6*3,小区分裂,实施方案,小区分裂,I)原基站上分裂划分扇区,I)原基站上分裂（续）三叶草形小区分裂方式,小区分裂,II）增加新基站正六边形分裂,小区分裂,同频干扰防护计算,1.为何必须考虑同频干扰防护,所谓进行同频干扰防护就是使系统的载干比达到规定的性能指标。蜂窝移

12、动通信系统是一个频率复用的高干扰环境系统，其同频干扰往往成为制约系统性能的主要因素，热噪声相对而言很小，因此，主要对载波同频干扰比进行计算。,2.全向小区系统C/I的计算,m为干扰源总数,计算环境为平衡系统（全向覆盖，噪声可忽略）,为路径损耗系数,简化公式，令所有Dk D，则：,2.全向小区系统C/I的计算（续）,注：在一个完全展开的正六边形组成的蜂窝系统中，对于任何簇的构成方案，在周围第一层均有6个同频干扰小区，如果只考虑第一层同频小区，则：C/I=1/6 R4,同频干扰防护计算,根据最坏情况下的C/I值进行系统设计，即使在业务繁忙时也能有好的系统性能。,同频干扰防护计算,最坏情况下全向天线

13、系统C/I计算：,Dk=D-r0 来替代，则：,例：对于GSM系统，N=4，,前面我们讲过国家规定GSM系统载干比必须大于等于12dB，这说明N=4采用全向小区覆盖不能满足网络服务质量要求，这种设计要被否定。,3.定向小区系统C/I的计算,1）什么叫定向小区系统？,为了增加系统容量将一个中心激励的基站利用定向天线将其分成3或6个扇形覆盖小区，像这样由定向小区组成的系统叫定向小区系统。,I）由于定向天线产生的电磁波能量在前后方向上相差 10dB以上，故对其它基站或MS同频干扰只在主瓣方向 有效，从而使有效干扰源的数量大大减少。II）根据经典文献120度扇区、三叶草形小区的同频干扰 源为2个，60

14、度扇区的同频干扰源仅有一个。,同频干扰防护计算,2）定向小区系统干扰特点,3）计算方法,I）120度3扇区情况,表明120度扇区定向天线覆盖可以改善同频干扰比。,II）6扇区情况作为作业,同频干扰防护计算,还考虑对于GSM系统，N=4，,国家规定GSM移动通信系统的设备必须满足：,如果不满足，必须采用调整措施使之满足，有几种措施：N增大，m减小，使I减小，通过调整基站方位角、仰角使小区间的同频干扰I减到最小。,频率规划方案,频率规划包含两个含义：频道分组，根据服务网络的需要将全部频道分成若干个频道组；频道指配：以一定的规律和方式（固定或动态）将频道指派给服务区内的用户。,频道分配策略：根据频道

15、和小区的关系，可将分配策略分为固定频道分配策略、动态频道分配策略和混合频道分配策略。,固定频道分配策略：系统给每个小区指派一组预先确定好的频率。优点：控制方便；缺点：信道利用率低。动态频道分配策略：根据小区中实时变化的业务量进行信道分配。优点：提高系统的信道利用率，减小呼叫阻塞。缺点：控制复杂。复合频道分配策略：将一部分信道固定分配给各小区，另一部分作为各小区均可使用的动态信道。,2）蜂窝网固定波道分配,固定波道（信道）分配法,需要解决的问题：频道组数；每组的频道数；频道的频率指配。,1）带状网的固定波道分配,a)根据对系统C/I要求确定同频复用模式N之后就能相应 的确定频率组数；b)然后根据

16、每个无线小区的话务量确定每组所需的波道数（根据爱尔兰公式计算）；c)每组波道频率指配,a)根据同频复用模式N，确定所需频道组数就为N。b)根据每个无线小区的话务量确定每组所需的频道数（根据爱尔兰公式计算）,两种固定信道分配法,a）分区分组分配法：着眼于波道组中的波道满足无三阶互调干扰条件，但频道资源没有被全部利用。,b）等频距分配法,实现方法：将所有频道按频道序号等间隔的分组，每个小区或扇区只使用其中一组频率。,是大容量蜂窝系统广泛使用的频率分配方法。,特点：,1）频道全部利用2）同一频道组中的相邻频道序号之间的间隔为总频道组数目(由同频复用模式N和基站覆盖情况确定）；3）同一频道组中的频道可

17、能不满足无互调干扰的条件，但由于同一组的频道之间有足够大频道间隔，可将干扰信号减到很小的程度。,所谓等频距是指一个频道组内相邻频道的频道序号间隔相同，相邻频道的频率差也就相等。,例：GSM系统，N=4，1200定向覆盖（即复用模式为4/12，每基站采用3个120度的定向天线覆盖)。故Q=3，总的频道组数为NQ=12。NQ也就是频道组中相邻频道序号的间隔。,全向小区覆盖，需要的频道组数为：N组；定向小区，分裂为Q个，则需要的频道组数为：NQ组。,续上例，共有124个频道，如何分配？,两种固定信道分配法,而多波道共用，就是n个波道为该无线区内的所有用户共用。当其中k（kn）个波道被占用时，其他用户

18、可以使用（n-k）个波道中的任一个。,多波道共用技术及其相关概念,在一个无线区域内的几个波道均为该无线区内的所有用户共用的方式。,显然，所有波道同时被占用的概率远小于一个波道被占用的概率，因而，多波道共用可以大大提高波道的利用率。,1.什么叫多波道共用,和多波道共用相对应的是独立波道方式。比如说，在一个无线区中有n个波道，将用户也分成n组，每组用户分别被指定在某一波道上工作，不同波道内的用户不能互换波道，这种用户占用波道的方式就称为独立波道方式。这种方式下波道占用率不高。,2.多波道共用相关概念,A的单位：“爱尔兰”（Erl）-一个话路连续被占用1小时的话务量。,1）话务量:度量通信系统业务量

19、或繁忙程度的指标。,定义：在一个特定时间内呼叫次数与每次呼叫平 均占用时间的乘积。,A=S,A流入话务量单位时间内的平均呼叫次数S每次呼叫平均占用时间,流入话务量定义为单位时间内（通常一个小时）发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用波道的时间,多波道共用技术及其相关概念,3）多波道移动电话系统中描述话务量A、呼损率B、共用波道数n三个参量的公式为爱尔兰呼损公式：,2)呼损率,定义：当一个系统的所有波道均被占用后，若再有新呼叫发生，必将因无波道可用而损失掉。在单位时间内这种被损失掉的呼叫占全部呼叫的比率称为呼损率，通常又称为服务等级，是通信网接续质量的主要指标。,A：n个波道总的流入话务量n:共用

20、的波道数 i:0-n,多波道共用技术及其相关概念,如已知呼损率B，据上式可算出A和n的对应数量关系，巴尔姆表见表5.5，表中m为每个波道能够容量的用户数，nm为系统总的用户数；a定义为每用户忙时话务量。,4）波道利用率,波道空闲的时间越短，波道利用率就越高。,a）定义：单位时间内波道被占用时间的总和所占的比率。,b）计算方法：用每个波道平均完成的话务量表示,A表示完成话务量,若已知B、n可以根据表5.5查得A，再根据上式可计算得波道利用率。,多波道共用技术及其相关概念,图：波道利用率,从图中可以看出信道数无限增加并不能明显扩大容量，因为波道利用率并不随之线性增加。,5）系统用户数,它是移动通信

21、系统工程设计中最重要的决定性参数，它决定了网络规模的大小、系统设备的多少、经济投资的大小。因此设计一个系统时，首先必须计算系统的用户数，即估算系统容量。,为了计算系统用户数，必须要知道每用户忙时话务量每用户忙时话务量由统计方法确定，每用户忙时话务量计算公式为：,a=CTK/3600,C：每用户每天平均呼叫次数T：每次呼叫平均占用波道的时间（秒/次）K：忙时话务量对全日（24小时）话务量的比，称为集中系数，一般为10%-15%左右。,由于业务性质不同，各国发展情况不同，各国a的取值也不同，中国：0.03Erl/用户，国外：0.01Erl/用户。,多波道共用技术及其相关概念,每波道所能容纳的用户数

22、m的计算,一般m的值在2530,体现了网络支持能力与需求的关系，以及成本投入与支持能里的关系。a越大,m越小。,M=nm=A/a,系统所能容纳的用户总数M的计算,多波道共用技术及其相关概念,1）系统设计时，在保证一定的服务质量和尽量提 高波道利用率下，还要满足经济与技术上的合 理要求。因此必须首先选定合理的呼损率，确 定忙时话务量和采用多波道共用的工作方式。2）随着共用波道数n的增加，波道利用率提高速 度越来越小，但设备复杂度越来 越高，互调产物越来越多，故n 不宜大于30。3）当a、n一定时，系统用户数越多，呼损率越大，服务质量越差。B一般选择为5%-20%，我国的 移动通信体制规定为5%。

23、,结论：,多波道共用技术及其相关概念,解：对于多信道共用系统：n=8,查表得 A=5.597 Erl M=A/a=5.597/0.01=560(用户)=5.597*(1-0.1)/8=0.63,例：a=0.01Erl，B=10%，现有8个无线信道，采用两种不同的技术，即多信道共用和单信道方式组成的两系统。分别计算它们的利用率和容量。,多波道共用技术及其相关概念,对于单信道系统：n=1,A=0.111 Erl M=(A/a)*8=(0.111/0.01)*8=88(用户)=0.111*(1-0.01)/1=0.10,总 结,大区制移动通信网小区制移动通信网频率复用模式小区分裂同频干扰防护频率规划

24、（分配）多波道共用技术,掌握大区制与小区制的技术特点；频率复用；蜂窝结构；提高系统容量的方法；频率分配方法；多波道共用技术；话务量、呼损率及波道利用率；,1.一移动网需24个波道组，每波道组有18个波道，若采用等频距分配法，试写出第2个波道组的波道序号。2.设一个系统共有12个波道，用户话务量为0.01。如果将12个波道分成12组和全部为用户所共用，在这两种情况下分别计算能容纳用户总数和波道利用率。结果说明了什么？（B=10%）3.某蜂窝系统频率复用模式N=4，三扇区分裂，小区半径为1.8km。（1）计算同频复用距离和同频复用比。（2）设路径损耗指数=4，计算载波同频干扰比。（3）如果采用等频距分配方法该系统需要的频道组数为多少？,作 业,