无线通信系统 chart2 蜂窝的概念

无线通信系统侯华信电学院第二章蜂窝的概念2.1频率复用2.2信道分配策略2.3切换策略2.4干扰和系统容量2.5中继和服务等级2.6提高蜂窝系统容量§2.1无线信道的物理建模§2.1.1自由空间、固定发射天线与接收天线§2.1.2自由空间、运动天线§2.1.3反射墙、固定天线§2.1.4反射墙、运动天线§2.1.5地平面反射§2.1.6由距离和阴影引起的功率衰减§2.1.7运动天线、多个反射体§2.1频率复用5164237§2.1频率复用六边形的基本特性RRd322332*23*6AreaRRR§2.1频率复用频率复用的概念S：一个簇中总的双工信道数K：一个小区中的信道数N：使用S个信道的小区数量S=kN簇的大小：N(区群大小）N:使用全部可以使用的频率的小区数量双工信道的总数：CC=MkN=MS（M:系统中簇的复用次数）§2.1频率复用N的计算等式：N=i2+ij+j2例如：i=2,j=1N=751156414162312132930313271817339101119827363534282037212223242526424344454746494838394041§2.1频率复用dD7NRDNRNdDijjiNijjidD332222§2.1频率复用蜂窝系统的容量正比于在一定的区域内簇被复用的次数（簇：N个小区完全使用了全部可以使用的频率，那么这N个小区被称为一个“簇”）。蜂窝系统中的频率复用因子为1/N。§2.1频率复用举例：总带宽为33MHz，，单向信道带宽为：25kHz，双向信道带宽为：50kHz，可以使用的信道总数为33000/50=660，服务区域内小区的综述为49。1.N=4,fourcells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/4=165,duplexchannelC=(49/4)×660=80842.N=7,sevencells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/7=95,duplexchannelC=(49/7)×660=46203.N=12,twelvecells33MHzbandwidth,totalnumberofchannelavailablepercell=660/12=55,duplexchannelC=(49/12)×660=2694§2.2信道分配策略原则：有效利用无线频谱，能够增加系统容量和最小化干扰。分配策略：固定分配和动态分配。固定分配：决定了系统的性能，特别是当一个移动台从一个小区切换到了另一个小区的时候。每个小区被分配到了预先决定好了的信道数量。§2.2信道分配策略动态分配：移动台向基站请求一个信道，基站收到该请求后向MSC请求一个基站。然后由交换机向发起请求的小区分配一个信道。算法应当考虑：单个小区内发生碰撞的可能性、候选信道频率的使用、信道的复用距离、代价函数。减少了碰撞发生的可能性，增加了系统的中继容量。要求MSC收集空闲信道数量、实时数据、业务分布、接收信道强度指示(RadioSignalStrengthIndications，RSSI)。§2.3切换策略切换：一个移动台移动到了另一个小区，同时会话持续进行。由MSC传输该呼叫到新基站的一个新的信道上。是蜂窝系统的重要功能。信令的切换门限：-90dbm~-100dbm(-110dbm~-120dbm)。驻留时间(Dwelltime）：一个呼叫可以在小区中维持而不切换的时间。切换策略：在1G中，切换由BS完成，由MSC管理；在2G中，切换的分配由移动台辅助完成。(MAHO)§2.3切换策略切换算法需要考虑的参数：信号强度、切换门限、切换时间、驻留时间。基站1基站2BA时间接收到的信号强度切换时的信号强度（通话成功转移到BS2）B点信号强度时间接收到的信号强度B点信号强度（通话中断）切换门限维持通话的最小可接收信号A点信号强度不正确的切换情况正确的切换情况§2.3切换策略实际切换中需要考虑的问题：高速移动和步行；小区拖尾(Celldragging)；切换是基于大范围内的度量，而不是信号强度；为高速通信设置的“伞状”宏小区为低速通信设置的微小区§2.4干扰和系统容量§2.4.1同频干扰和系统容量§2.4.2信道划分§2.4.3临频干扰§2.4.4功率控制§2.4干扰和系统容量干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。干扰源：同一个小区内的另一个移动台相邻小区中正在进行的通话使用相同频段的其他基站或者无意中深入蜂窝系统频带范围的任何非蜂窝系统。小区干扰的2个主要类型：同频干扰临频干扰§2.4.1同频干扰和系统容量同频小区：在一个给定的覆盖区域内，使用同一组频率的小区。同频干扰：同频小区之间的干扰。小区半径(R)和相邻最近的同频小区的中心之间距离(D)的函数。减小同频干扰：必须在物理上隔开一个最小距离，为传播提供充分的距离。同频复用比例Q：Q=D/R=(3N)1/2Q值越小，容量越大，因为簇的大小N比较小；但Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰比较小。§2.4.1同频干扰和系统容量51156414162312132930313271817339101119827363534282037212223242526424344454746494838394041§2.4.1同频干扰和系统容量信号干扰比：Ii是第i个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率。S是从预设基站中来的想获得的信号功率。P0参考点接收功率。d0该点与发射天线的最小距离。iiiiISINSISndRPS00§2.4.1同频干扰和系统容量假设用户处于小区的边缘，那么接收信干比S/I：如果每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径衰落指数也相同，S/I是：iniindDPdRPIS00001000)(iinininiinDRdDPdRPISDi是第i个干扰源与移动台间距离N路径衰落指数§2.4.1同频干扰和系统容量仅考虑第一层干扰小区，如果所有干扰基站与预设基站间等距，小区中心间的距离都是D，那么S/I是：如图所示：i0=6,N=7用dB表示：00)3()/(iNiRDISnn6/nRDIS8.7log10RDnRD第一层小区§2.4.1同频干扰和系统容量举例：考虑使用FM和30kHz信道的美国AMPS蜂窝系统，当SIR=18dB时就可以提供足够好的话音质量。假设路径损耗n=4，那么簇的大小N最小必须为6.49。所以要满足SIR=18dB，簇的最小值N为7。如果N=7,Q=4.6，则可以计算出最坏情况SIR=48.56(17dB)。§2.4.1同频干扰和系统容量考虑：如果SIR=18dB，n=4，N为什么数值最合适？42.4645.040/8.25log8.7log4018RDRDRDijjiNNNRD2252.6372,1or1,2NjijiNRNdDijjiNijjidD322228.7log10RDn§2.4.1同频干扰和系统容量下图是一个N=7的簇，移动台在小区边界，它经历的是前向信道中同频干扰最坏的情况。ARD+RD+RD-RD-RDDAAAAAA44444442()2()212(1)2(1)2RSIRDRDRDQDQ§2.4.1同频干扰和系统容量举例：为保证蜂窝系统前向信道的性能，要求SIR=15dB，那么当(a)n=4和(b)n=3时，N=?,Q=?(a)n=4,考虑一个7小区复用模型。同频复用比例D/R=(3N)1/2=4.583,SIR=(1/6)×(4.583)4=75.3=18.66dB。大于要求，N=7可用。(b)n=3,考虑一个7小区复用模型。SIR=(1/6)×(4.583)3=16.04=12.05dB。不满足最小S/I的要求，要用一个更大的N。下一个可用的N值为12。N=12(I=2,j=2),D/R=6,SIR=(1/6)×(6)3=36=15.56dB15dB.§2.4.2信道划分明智的为基站划分信道是一项重要的工作，实际划分比理论划分要难很多。一般而言，将可用的无线频谱划分为信道，这是在一个国家或地区使用的空中接口标准的一部分。CDMA的主要特征是N=1，它的频率划分比TDMA和FDMA都简单。呼吸小区（Breathingcell）：动态的，依赖于实时用户数量改变覆盖范围。§2.4.3邻频干扰邻频干扰（adjacentchannelinterference，ACI）：来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰。来源：接收滤波器不理想，相邻频率的信号泄露到了传输带宽内。减小的方法：精确的滤波、信道分配。如果频率复用比例N较小，邻频信道间的间隔就可能不足以将邻频干扰强度保持在可容忍的极限内。实际上，为了抵制邻频干扰，每个基站都用高Q值的空腔滤波器。§2.4.3邻频干扰举例：如果有一个移动台接近基站的程度是另一个的20倍，而且有信号能量溢出它自己的传输频带，弱信号移动台的信噪比（接收滤波器之前）可以近似表示为SIR=(20)-n当n=4时，SIR=-52dB；如果基站接收机的中频滤波器的斜率为20dB/倍频程，则为了获得52dB的衰减，邻频干扰源至少要转移到距接收机频谱中心6倍于传输带宽的地方。§2.4.4功率控制减小干扰在实际的蜂窝无线电和个人通信系统中，每个用户所发射的功率一直是在当前服务基站的控制之下。目的：保证每个用户所发射的功率都是所需的最小功率，以保持反向信道中链路的良好质量。作用：延长用户的电池寿命减小系统中反向信道的信噪比§2.5中继和服务等级依赖于中继才能在有限的无线频谱内为数量众多的用户服务。中继：允许大量的用户在一个小区内共享相对较少数量的信道，即从可用信道库中给每个用户按需分配信道。每个用户只是在有呼叫时才给分配一个信道，一旦通话终止，原先占有的信道就立即回到可用信道库中。根据用户行为的统计结果，中继使固定数量的信道或线路可为一个数量更大的、随机的用户群体服务。中继理论的基本原理是19世纪末的一个丹麦数学家爱尔兰（Erlang）提出的。§2.5中继和服务等级服务等级（GOS）：用来测量在系统最忙的时间用户进入系统的能力。GOS定义为呼叫阻塞的概率，或呼叫延迟时间大于特定排队时间的概率。中继理论中常用术语的解释：建立时间（Set-uptime）：给正请求的用户分配一个中继无线信道所需的时间；阻塞呼叫（Blockedcall）：由于拥塞无法在请求时间完成的呼叫，又叫损失呼叫；保持时间（Holdingtime）：通话的平均保持时间，表示为H（以秒为单位）；§2.5中继和服务等级话务量强度（Trafficintensity）：保证曾信道时间利用率，为信道的平均占用率，以Erlang为单位，是一个无量纲的值，可用来表征单个或多个信道的时间利用率；负载（Load）：整个系统的话务量强度，以Erlang为单位；GOS：表征拥塞的量，定义为呼叫阻塞概率（表示为B，单位是Erlang），或是延迟时间大于某一特定时间的概率（表示为C，单位是Erlang），请求速率（Requestrate）：单位时间内平均的呼叫请求是次数。表示为λ/秒。§2.5中继和服务等级基于阻塞概率的简单容量分析：话务量强度•H是通话的平均持续时间•是单位时间内的平均呼叫请求次数总的话务量•U是系统中的用户数量每个信道的话务量强度•C是双工信道的总数HAuuUAACUAAuc/§2.5中继和服务等