第五章 蜂窝组网技术

移动通信技术第五章蜂窝组网技术2MobileCommunicationTheory目录移动通信网的基本概念5.1频率复用和蜂窝技术5.2多址接入技术5.3码分多址关键技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析5.5切换、位置更新5.6无线资源管理技术5.7移动通信网络结构5.83MobileCommunicationTheory5.1移动通信网的基本概念实现系统在其覆盖区内良好的语音和数据通信，这样的通信网就是移动通信网学习的内容包括：1.移动通信网络结构2.蜂窝式组网理论3.移动通信网的基本组成•蜂窝移动通信系统图示•各子系统功能4MobileCommunicationTheory5.1.1移动通信网络结构fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20,自由空间传播损耗）空中网络fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20,自由空间传播损耗）基站与固定网络服务区内各基站的相互连接多址接入切换和位置更新频率复用和蜂窝小区地面网络5MobileCommunicationTheory5.1.2蜂窝式组网理论无线蜂窝式小区覆盖将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域小功率发射一个较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置相当数量的用户频率复用蜂窝系统的基站工作频率，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率优点：缓解了频率资源紧缺，增加了系统容量缺点：同频干扰6MobileCommunicationTheory5.1.2蜂窝式组网理论多信道共用由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用并且仍能满足服务质量的信道利用技术越区切换当正在通话的移动台进入相邻无线小区时，业务信道自动切换到相邻小区基站，从而不中断通信过程7MobileCommunicationTheory5.2频率复用和蜂窝小区用来解决频率资源有限和用户容量问题区域覆盖方式小容量的大区制•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大容量的小区制•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切换和位置管理8MobileCommunicationTheory5.2.1大容量的小区制频率复用和覆盖方式带状服务覆盖区面状服务覆盖区•簇•小区的覆盖形状•同频干扰同频相邻小区的找法9MobileCommunicationTheory带状服务覆盖区双频组频率配置三频组频率配置f1f2f1f2f1f2f1f1f2f3f1f2f3f110MobileCommunicationTheory面状服务覆盖区簇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图5－2蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示q=D/R=4.6N=721324213134241341212123451234534567123456712671234567123451234567123456734567134567122671234567123453456734567676711MobileCommunicationTheory小区的覆盖形状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基站发射机位置中心激励小区：安置在小区的中心顶点激励小区：安置在六边形顶点之中的三个上实际形状由于地形地貌、传播环境、衰落形式的多样性，小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状12MobileCommunicationTheory同频干扰小区簇的意义频率复用距离与小区簇的关系载波干扰比与小区簇的关系13MobileCommunicationTheory小区簇的意义一个共有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）MSMKNC14MobileCommunicationTheory频率复用距离与小区簇的关系频率复用距离（即同频距离）D是指最近的两个频点小区中心之间的距离在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线，其夹角为120º。此两条直线分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为I和J，于是（＊）令：I=2iH，J=2jH式中H为小区中心到边的距离其中，R是小区的半径。这样，代入（＊）式得其中N又称为频率复用因子N越大，则D越大，这样同频干扰越小，但是频率利用率越低；N越小，则D越大，这样频率利用率越高，但是同频干扰越大。可见频率利用率与同频干扰是一对矛盾×62×15376××15×××76×41××4DJI222222cos120DIJIJIIJJ32HR3IiR3JjR3DNR22Niijj图5－3N=7频率复用设计示例15MobileCommunicationTheory推导载波干扰比与小区簇的关系假定小区的大小相同，移动台的接收功率门限按小区的大小调节。若设L为同频干扰小区数，则移动台的接收载波干扰比可表示为式中，C为最小载波强度；为第l个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率移动无线信道的传播特性表明:小区中移动台接收到的最小载波强度C与小区半径的成正比设是第l个干扰源与移动台的间距，则移动台接收到的来自第l个干扰小区的载波功率与成正比。n为衰落指数，一般取4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相同，则移动台的载干比可近似表示为1()nLnllCRID1LllCCIIlInRlD()nlD16MobileCommunicationTheory推导载波干扰比与小区簇的关系通常在被干扰小区周围，干扰小区是多层，一般第一层起主要作用。现仅考虑第一层干扰小区，且假定所有干扰基站与预设被干扰基站的间距相等，即，则载干比可简化为:式中同频复用比例（也称同频干扰因子），一般用Q表示即3DQNR3nnNDRCILLlDD3DRN17MobileCommunicationTheory载波干扰比与小区簇的关系式表明了载干比和小区簇的关系一般模拟移动通信系统要求，假设n取值为4，根据上式可得出，簇N最小为6.49，故一般取簇N的最小值为7数字移动通信系统中，所以可以采用较小的N值。18CIdB3nnNDRCILL7~10CIdB18MobileCommunicationTheory同频相邻小区的找法沿着任何一条六边形链移动i个小区逆时针旋转60度再移动j个小区i=3j=2N=19图5－4在蜂窝小区中定位同频小区的方法19MobileCommunicationTheory5.3多址接入技术多址接入方式:频分多址方式（FDMA）时分多址方式（TDMA）码分多址方式（CDMA）空分多址方式（SDMA）20MobileCommunicationTheory多址接入方式目前应用的多址方式:频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)及其混合方式等信道3信道1信道N信道2ftc多址接入方式建立多址接入时区分信道的依据频分多址方式（FDMA）传输信号的载波频率不同时分多址方式（TDMA）传输信号存在的时间不同码分多址方式（CDMA）传输信号的码型不同信道1信道2信道3信道Nftcftc信道2信道1信道3信道N图5－5FDMA、TDMA、CDMA的示意图FDMATDMACDMA21MobileCommunicationTheory5.3.1频分多址（FDMA）方式频谱分割原理主要干扰特点22MobileCommunicationTheoryFDMA频谱分割原理每个用户分配一个信道，即一对频谱较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转23MobileCommunicationTheoryFDMA频谱分割原理设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间，设有保护频隙图5－6FDMA系统频谱分割示意图24MobileCommunicationTheoryFDMA的主要干扰干扰方式起因解决方法互调干扰系统内非线性器件产生的各种组合频率成份落入本频道接收机通带内选用无互调的频率集邻道干扰相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内加大频道间的隔离度同频干扰相邻区群中同信道小区的信号造成的干扰适当选择频道干扰因子Q25MobileCommunicationTheoryFDMA系统的特点每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现符号时间平均延迟扩展（Ts），所以码间干扰较少，无需自适应均衡基站复杂庞大，易产生信道间的互调干扰必须使用带通滤波器来限制邻道干扰越区切换复杂，必须瞬时中断传输，对于数据传输将带来数据的丢失sT26MobileCommunicationTheory5.3.2时分多址（TDMA）方式工作原理系统特点27MobileCommunicationTheoryTDMA工作原理在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收发信号MS3MS1MS2BS时隙帧时隙N……时隙3时隙2时隙1保护比特信息数据同步比特尾比特一个TDMA帧图5－8TDMA帧结构图5－7TDMA系统工作示意图28MobileCommunicationTheoryTDMA系统的特点突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为TDMA系统中需要较高的同步开销发射信号速率随N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡不需双工器基站复杂性小，互调干扰小抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据29MobileCommunicationTheory5.3.3码分多址（CDMA）方式工作原理系统特点存在问题30MobileCommunicationTheoryCDMA的工作原理码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，才能对接收的信号进行相关检测MSNMS1MS21c2c1C2CNcNCMSCBS图5－9CDMA系统工作示意图31MobileCommunicationTheoryCDMA系统的特点多用户共享同一频率通信容量大容量的软特性多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高，无需自适应均衡平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断低信号功率谱密度的好处抗窄带干扰能力强对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段32MobileCommunicationTheoryCDMA系统的软切换过程每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换Play33MobileCommunicationTheoryCDMA系统存在问题多址