第二章蜂窝移动通信系统.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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1
7、2。,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
8、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
9、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.
10、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
11、,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
12、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
13、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
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