移动通信-第五章-蜂窝组网技术

蜂窝组网技术陈智通信抗干扰技术国家级重点实验室移动通信系统第五章2主要内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3/5.4/5.5多址接入及容量分析5.6CDMA系统中的功率控制(第7章)5.7切换、位置更新(第6，7章)35.1移动通信网的基本概念移动通信网络组成空中网络频率复用和蜂窝小区多址接入地面网络各基站相互连接基站与固定网络（PSTN、ISDN、PDN）的连接4主要内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3/5.4/5.5多址接入及容量分析5.6CDMA系统中的功率控制(第7章)5.7切换、位置更新(第6，7章)55.2频率复用和蜂窝小区蜂窝:将服务区划分成许多小面积覆盖区域，用一个小功率的发射机来服务一个小面积覆盖区。移动通信网的区域覆盖方式分为两类小容量的大区制大容量的小区制65.2频率复用和蜂窝小区小容量大区制一个基站覆盖整个服务区天线架设高发射功率大频谱效率低，小容量的通信网控制方式简单、设备成本低大区制移动通信网BSMS1MS3MS275.2频率复用和蜂窝小区大容量小区制小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种一种是带状服务覆盖区另一种是面状服务覆盖区8带状服务覆盖区可采用多个频率组复用A1fB2fAB1f2fAB1f2fABC3f1f2fABC1f2f3f双频组三频组95.2频率复用和蜂窝小区频率复用：将N个相邻的小区组成一个区群(簇)，将可供使用的频道划分成N组，区群内的每个小区使用不同的频率组，而相邻区群重复使用相同的频率组分配模式105.2频率复用和蜂窝小区同频小区：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。同频干扰：这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰（也叫同道干扰）。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11面状服务覆盖区:蜂窝网在平面区域内划分小区全向天线的覆盖区是圆形。三种形状小区移动通信系统广泛使用六边形进行理论分析和设计正六边形构成小区所需的小区数最少，无重叠区实际形状125.2频率复用和蜂窝小区按基站对小区的覆盖方式：中心激励小区：基站位于小区中心，有时会有辐射。顶点激励：在顶点上设置基站，并采用三个互成120°的定向天线，以避免辐射阴影中心激励顶点激励135.2频率复用和蜂窝小区簇（区群）：共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区群）若N越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越大，频率的利用率越高。N叫做区群的大小，典型值3、4、7、9、12、……构成蜂窝网的二次几何图形145.2频率复用和蜂窝小区构成簇的基本条件：基本图案（簇）能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。相邻单元（簇）中，同频道的小区间距离相等，且为最大。15满足上述两个条件的簇的形状和簇内小区数N是有限的，并且N应该满足下式：i和j分别为相邻同频小区之间的二维距离（相邻小区数），都为正整数，不能同时为零28272521191613129743N435434323221j230120120101i22Niijj165.2频率复用和蜂窝小区簇间同频小区位置的确定沿着任意一条六边形边的垂线方向移动i个小区，并逆时针方向旋转60°，再移动j个小区。图2.3确定同频小区的方法AiAAAAAADj17利用寻找同频小区的方法确定簇例如：N=3,i=1,j=1AAAAAAABCCCCCCBBBBBBCA5.2频率复用和蜂窝小区18常见正六边形小区群的图案ACBN=3,i=1,j=1DACBN=4,i=0,j=2N=7,i=1,j=2DCBAEFG5.2频率复用和蜂窝小区19思考：画一个N=4的蜂窝系统结构，要求至少包括3个区群，将簇中小区所用频率组用A,B,C,D标识。1.N=4对应的2维坐标：i=0,j=2DACBDACBDACB3.确定相邻区群的位置2.N=4的基本区群形状：DACBN=4,i=0,j=25.2频率复用和蜂窝小区20同频小区之间的距离D5.2频率复用和蜂窝小区21H为小区中心到边的距离相邻j个小区的中心距离同频小区之间的距离D220222cos120DIJIJIIJJ22IiHJjH2JjH0cos(30)HRH030R3/2RAAJ120225.2频率复用和蜂窝小区由于R是小区的半径，有带入有3IiR3JjR3DNR235.2频率复用和蜂窝小区一定要用寻找相邻同频小区的方法确定相邻区群的位置才能保证同频小区间距离最大：以N=4,i=0,j=2为例，思考DACBDACBDACBDACBD=3R233.5DRR错误正确3DNR24全向小区系统C/I的计算如图，同频小区围绕着某一小区可分为多层。来自第一层的同频干扰最强。分析时，可只考虑第一层同频干扰。同频小区分布1第一层111111第二层1111第三层115.2频率复用和蜂窝小区25设所有BS发射功率相同，同频复用距离为D，小区半径为R，干扰台离MS的距离分别为Dk(k=1,2…m)MSBSBSBSBSBSBSRDBSD1D2D3D4D5D60nTCPRd2)有效信号：10nmTkkIPdD3)无效信号：111nmKkmnnKkDRDR100nnmkTTkDCRPPddI4)全向小区系统C/I：若干扰基站与移动台的距离相等，Dk=D，则移动台的载干比可近似表示为则1nnmnnkkCRRImDD3(/),6nnNCDRmImm典型为5.2频率复用和蜂窝小区27例,蜂窝移动通信系统，若使载干比C/I（假设路径传输损耗因子n为4，并且只考虑第一层同频干扰，不考虑最坏情况）大于13dB，请问区群大小N应该为多少？解：同时N应满足区群构成条件，即N可为4,7,9……，所以区群大小N至少为4时，才能满足系统的载干比要求1310131019.95CdBI43(3)19.956nNCNIm3.65N28例：蜂窝小区N=7的模式，设n=4，问其载干比?解如果，N=4时，2841/373.56CIN4(3)2413.8()6CNdBI18.7dB同频复用比Q:与区群的大小有关。对于六边形系统来说，Q可表示为Q的值越小则容量越大；Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小3DQNR5.2频率复用和蜂窝小区30例，系统总的可用信道数S=280，相同区域内，用N=7的区群需要复制4次，而用N=4的区群需要复制7次，求二者能提供的信道总数N=7时每个小区的可用信道数则总的可用信道数同频复用比QN=4时每个小区的可用信道数则总的可用信道数同频复用比Q474028401120CMNK/280/740KSN/280/470KSN747028701960CMNK34.58QN33.46QN41/318.7()6CINdB4(3)13.8()6CNdBI315.2频率复用和蜂窝小区结论：N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可有更多的区群，频谱利用率高，有更多的容量。从提高频谱利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，N应取最小值为好。32利用定向天线可以降低同频干扰m=2或3120°定向覆盖的同频干扰DCBAEFGDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD5.2频率复用和蜂窝小区3(/)nnNCDRImm33蜂窝无线系统的典型干扰1.噪声——内部噪声，人为噪声，自然噪声2.同频道干扰定义：相邻区群中同频小区中同频信道之间的干扰典型解决方案：组网时的频率规划5.2频率复用和蜂窝小区34f理想滤波器邻道干扰定义：来自相邻的或相近的频道的干扰主要的产生原因：非理想滤波器典型解决方案：接收机滤波器阻带衰减设计，最大程度地衰减邻道干扰组网的频率规划：同一小区内的频率组有足够的隔离度实际滤波器带外辐射35互调干扰定义：非线性器件产生的组合频率成分落入本频道造成的干扰主要的产生原因：非线性器件典型解决方案：器件的非线性优化处理组网的频率规划：同一小区内的频率组尽可能避免所产生的组合频率相互产生互调干扰36小结蜂窝结构小区组网的基本条件：基本图案能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。相邻单元中，同频道的小区间距离相等且为最大蜂窝结构小区组网步骤1.通信质量C/IN：2.确定区群的大小3.考虑邻道干扰和互调干扰的抑制分配可用信道4136CNI22Niijj37系统频谱的分配(以FDD系统为例)频率上行链路工作频段下行链路工作频段fifpfjfq按频道间隔进行信道划分1234M下行链路工作频段N个频率组分给一个区群，相邻区群重复使用ACBACBN=3按业务质量干扰等要求进行信道分组14频率组A25频率组B37频率组C38主要内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.3/5.4/5.5多址接入及容量分析5.6CDMA系统中的功率控制(第7章)5.7切换、位置更新(第6，7章)395.3多址接入技术移动通信网1.下行链路(基站移动台)各移动台能识别发送给本移动台的信号？2.上行链路(移动台基站)基站如何识别来自各个不同移动台的信号？解决方案：多址接入技术(MultipleAccess）基站下行链路基站上行链路移动台移动台移动台移动台移动台移动台40多址接入技术将正交的信号维度（时域、频域等）划分为不同的信道后分配给用户，以支持多用户通信。尽量保证不同用户发射的信号相互正交5.3多址接入技术41典型的多址技术1.频分多址(FDMA)：沿频率轴将信号维度划分为不同的频道，频带独享，时间共享。每个用户占用一个频道，在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。42FDMA系统的频谱管理分配给每个用户一对频谱，分别用于下行和上行用户与用户之间，上下行之间必须有足够的保护间隔42......反向信道保护频带前向信道保护频隙f1’f2’fN’f1f2fN保护频段的作用：补偿邻道干扰和多普勒扩展。43FDMA系统的频谱管理两个移动用户之间的通信必须通过基站转发，同时占用2对频谱5.3多址接入技术44FDMA系统内的主要干扰1.互调干扰器件的非线性效应线性度通过频率规划抑制2.邻道干扰邻道信号的寄生辐射频道间隔3.同频道干扰同频小区蜂窝组网规划45FDMA系统的特点1.每信道占用一个载频：每个频道只传送一路业务信息。载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。往往是窄带2.移动台实现简单如果频带较窄，无需自适应均衡。3.基站复杂庞大多部收发信机以支持多用户带通滤波器组465.3多址接入技术4.需要周密的频率规划限制邻道干扰、互调干扰、同信道干扰5.越区切换复杂切换的瞬时信息可能丢失472.时分多址(TDMA)：时隙划分，时隙独享，频率共享。沿时间轴划分信号维度，分配给用户的是互不重叠并周期重复的时隙（TimeSlot，TS）。每个用户只能按指定TS向基站发射和接收来自基站的信号。发射数据采用的是“缓存–突发”法，对每个用户而言，发射不连续用户1TS148工作过程5.3多址接入技术49同步和定时是TDMA系统正常工作的前提。同步位同步：针对每个符号，是正确接收符号的基础。时隙同步：针对每个时隙，是接收机正确区分数据的基础。帧同步：针对每个帧，进行复用/解复用所需。495.3多址接入技术50定时关系不同MS到BS的距离差异，导致不同的信号延迟。会使得BS接收到的信号相互交叠解决办法：设定保护时间（GuardTime）用户提前发送TGT⊿T5.3多址接入技术