移动通信原理与系统第2章

移动通信MobileCommunication2目录第一章概述（4学时）第二章移动通信组网原理（8学时）第三章移动信道中的电波传播（8学时）第四章数字移动通信关键技术（8学时）第五章GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）第八章移动数据传输（4学时）第九章未来移动通信展望（2学时）习题讲解与课堂练习（6学时）复习（2学时）3第二章移动通信组网原理2.1大区制移动通信网2.2频率复用和小区制移动通信网2.2.1构成及特点2.2.2条（带）状服务区2.2.3面状服务区2.3移动通信网的信道分配策略2.3.1固定信道分配2.3.2动态信道分配2.4干扰和系统容量2.4.1同频干扰2.4.2邻频干扰42.4.3移动台的功率控制2.4.4蜂窝系统容量的改善2.4.3面状服务区2.5多信道共用技术2.5.1话务量、呼损率和系统用户数2.5.2信道的自动选择方式2.6越区切换2.6.1切换门限值、切换过程和信道分配2.6.2实际切换中需要注意的问题52.1大区制移动通信网通常移动通信网的体制可分为小容量的大区制和大容量的小区制6一、大区制的概念指一个基站覆盖整个服务区二、特点基站发射功率很大，一般为50-200W；大区制系统的基站频道数是有限的，容量不大，只适用于中小城市和专用移动通信等大区制的网络结构简单、成本低72.2频率复用和小区制移动通信网2.2.1构成及特点MSCPSTNBS1BS2BS3BS4BS5BS6BS78一、小区制的概念将整个服务区划分成若干个半径为2-20km的小区，每个小区中设置一基站负责与小区内移动用户的无线通信，这种方式称为小区制。目的：为了解决大区制系统容量不高、频谱利用率低等问题。9二、小区制的特点可以提高频率利用率，增加用户容量：因为同一组波道频率可以多次重复使用小区制中因为采用了频率重用技术，因此带来同频道干扰问题网路构成复杂：需要越区切换、漫游、位置登记、更新等102.2.2条（带）状服务区一、定义条状服务区是指用户的分布呈条状，例如铁路、公路、狭长城市、沿海水域、内河等11二、频率分配可采用二频组、三频组、四频组进行频率复用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四频组：采用不同频道组的四个小区组成一个区群二频组三频组f1f2f1f2f1f2f1f1f2f3f1f2f3f112三、重叠区的确定假设小区半径为R，相邻小区的交叠宽度为a,第n+1区与第1区为同频道小区。采用无方向性天线，当移动台处于覆盖区边缘时，遭受同频干扰影响最为严重。此时，收到的有用信号功率中值则与dS成比例，而收到K台的干扰功率与dI成例。假设重叠区宽度a=0，则边缘处信干比为：当有m个基站也使用同一频率时，可得最低C/I值为：dI=(2n-1)R-nadS3R-2aR（dS/dI）-nnISddmIC113当移动台处于覆盖区边缘点时，受到的同频干扰最严重二频组（A与C同频）：三频组（A与D同频）：n频组（A与n+1同频）：重叠区宽度a可根据C/I设计要求，由上式计算出来在C/I符合要求，即大于同频干扰防卫度的前提下，为了使频率利用最经济，希望同频复用距离D越小越好。dBRaRIC23lg40dBRaRIC35lg40dBRnaRnIC)12(lg40142.2.3面状服务区当服务区是一个宽广的平面时，称为面状服务区。卫星波束Macro-cellMicro-cellPicro-cell小区的类型15一、小区形状在面状服务区设计时，能覆盖一个平面的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种。123456RRR16从下表可看出：对于同样大小的服务区域，采用构成的小区所需的小区数最小，是最经济的一种方式正三角形正方形正六边形邻小区距离小区面积重叠区宽度重叠区面积重叠区与小区面积比1.410.570.21所需最小频率数643R2R3284.1R24.1R254.0R23.1RR22R26.2RRR59.0R27.0正六边形17二、频率复用和簇（区群）的构成1、区群的概念区群的概念：把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇。同频小区：不同簇中使用相同频率的小区同频复用距离：任意两个同频小区之间的距离182、构成簇（区群）的条件簇之间可以邻接且无空隙无重叠的进行覆盖相邻簇中同频小区之间的距离相等3、簇内小区数可以证明，区群内的小区数应满足下式：式中，i、j为相邻同频小区间的相隔小区数，取正整数且不同时为零22jijiN19非正交蜂窝坐标(,)(3,3)uviRjR003cos3021sin302xuuyuvuv223DRijij20示例(i=j=2)单个Cell的面积为2233232Arh同信道小区之间的距离为222232Drijijhijijrhh’超级六边形的高h’=d/2区群尺寸为222''AhNijijAh214837282116437271913932819127422113731143210Nij簇内小区数N的取值22三、同频复用距离1、确定同频小区间位置的方法自某小区A出发，先沿边的垂线方向跨i个小区，再按逆时针方向转60度，再跨j个小区，就可以找到同频小区，共6个。D232、同频复用距离、同频复用比同频复用距离D：相邻的两个簇中，位置对应的两个同频小区中心之间的距离可见，簇内小区数N越小，同频小区之间的距离越近，抗同频干扰的性能越差，但频率利用率越高。RND324四、中心激励与顶点激励中心激励：基站设在小区的中央，由全方向天线形成圆形覆盖区顶点激励：若基站设在正六边形的三个顶点上，用扇形辐射的定向天线。优点：消除障碍物阴影，对来自天线方向图主瓣之外的干扰有一定的隔离度25中心激励顶点激励26五、频率复用模式对于全向覆盖并由N个小区组成的区群，频道总数被分成N组，每个小区分给一个频道组，区群获得全部频率。相邻的区群重复使用相邻的频率分配模式频率复用模式的确定主要以同频干扰防护门限为依据。若N太大，则每个小区中分得的频道数太少；若N太小，每个小区频道数增加，但由于同频小区距离近而使同频干扰增大。常用的N=12，9，7，4，3。27举例：GSM频率规划方式若为无方向性天线，采用N=7复用方式若为方向性天线，一般采用4×3复用方式、话务密集区采用3×3复用方式BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2AA1A3A228A1B1C1D1A2B2C2D2A3B3C3D3123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536292.3移动通信网的信道分配策略信道分配策略主要有两类：固定的和动态的302.3.1固定信道分配概念：将频道固定分配给某个小区使用，蜂窝系统采用此法1、分区分组法遵循的准则所需波道尽量占用最小的频段，即尽量提高频段利用率为避免同道干扰，在单位无线区群内不能使用相同波道为避免三阶互调干扰，在每个无线小区内应采用无三阶互调波道组。①几个干扰信号（ωA、ωB、ωC）与受干扰信号的频率（ωS）之间满足2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS②干扰信号的幅度足够大；③干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作产生互调干扰的基本条件312、等频距分配法按信道之间的频距相等的原则进行信道分组，是大容量蜂窝网广泛使用的方法。优点：只要频距选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰、控制简单；缺点：信道的利用还不够充分32举例：GSM系统中的频率分配频道组号123456789101112各频道组频道号767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124332.3.2动态信道分配概念：每个无线区使用的信道数是不固定的，当某时刻业务量大时，使用的信道数就多，否则就少，以增大系统容量和改善通信质量。其特点：控制复杂频率利用率高34信道借用策略概念：如果某小区租户的所有信道都已被占用，允许该小区从相邻小区中借用信道。35呼损率与出租信道数变化关系在不同热点小区到达率条件下最佳出租信道数和呼损率362.4干扰和系统容量蜂窝系统中的干扰主要有两种类型：同频干扰和邻频干扰有用信号干扰信号干扰信号372.4.1同频干扰概念：同频小区之间的干扰两种同频干扰：1）MS接收信号和同频干扰2）BS接收信号和同频干扰功率频率f1相同信道干扰区域38同频复用比Q：同频复用距离和小区半径的比值对于正六边形小区NRDQ31212345345671267123451234567345671267123453456767Q=D/ro=4.6N=7213242131342413439结论：N，D，抗同频干扰的性能，但频率利用率在满足同频干扰比指标的条件下，应尽量提高频率利用率（N尽量小）。401、全向小区S/I的计算前提：忽略噪声的影响，MS作为接收方则S/I为：其中，S是来自目标基站中的想获得的信号功率，Ii是第I个同频干扰小区的基站信号对移动台的干扰功率。假设：同频BS的发射功率相等，且距被干扰MS的距离为则S/I为：最好情况下，令：则C/I为：kDDDi01iiiISIS01iininDRIS003iNiRDISnn41最坏情况下：MS位于小区的边缘则S/I为：令：则S/I为：（式2）RDDknRRDmIS144442)(2)(2DRDRDRIS42举例：若蜂窝系统的前向信道要求的信干比为17dB，假设第一层中有6个同频小区，且它们与移动台之间的距离都相同，路径损耗指数n=4。讨论：当采用N=7的复用模式时，能否满足信干比要求？解：N=7,n=4,m=6根据式（1），所以，满足信干比要求dBdBNIC177.183614432、降低同频干扰的措施定向天线覆盖同频复用距离和频率分配方案的最佳化天线高度和功率控制天线俯仰角的调整调整天线方位角442.4.2邻频干扰1.概念来自使用信号频率的相邻频率的信号干扰2.降低邻频干扰的措施精确的滤波有效的信道分配452.4.3功率控制有利于延长用户设备的电池寿命显著减小系统中反向信道的S/I功率控制对于CDMA扩频通信系统来说尤为重要462.4.4蜂窝系统容量的改善提高蜂窝系统容量的常用方法：小区分裂（CellSplitting）、小区扇形化（Sectoring）和覆盖区分区域1、小区分裂在现有小区的基础上划分更小的小区，增加新的蜂窝的小区，并在适当的地方增设新的基站。分裂后的每个小区都有自己的基站，基站的天线高度要相应降低，发射机功率也要减小目的：通过增加基站数量，使得单位覆盖面积内的信道数增加，从而提高频率复用率，增大系统容量47482、扇区化在原小区的基础上，将中心设置基站的全向覆盖区分成几个定向天线的小区优点：1、增加了小区数目，却不增加基站数量2、重叠区小，有利于越区切换3、利用天线的定向辐射性能，降低了同频干扰4、减小维护工作量和基站建设投资49360O度全向小区定向小区（扇区化）120度60度50