lecture5_蜂窝系统设计

LOGO1徐少毅宽带无线移动通信研究所九教南[e-mail]公共邮箱：[e-mail]密码：2011wuxian1蜂窝系统设计第5章2主要内容蜂窝系统的基本概念1SIR和用户容量3信道复用2抗干扰技术4动态资源分配5基本速率极限6北京交通大学电子信息工程学院3蜂窝系统的基本概念（1）现有的网络主要分为两种架构：adhocnetwork和infrastructure-basednetworkinfrastructure-basednetwork：有基站（BS），或者接入点（AP）等中心控制器，接入到骨干网，实现RRM（资源分配以及干扰抑制）；基站之间也连接起来便于实现协作。Adhocnetwork：没有中心控制器，移动节点自组织形成网络，依靠自己通过分布式算法进行RRM。具有灵活性、成本低、健壮性。混合网络：二者的结合4蜂窝系统的基本概念（2）5蜂窝系统的基本概念（3）什么叫蜂窝系统?蜂窝系统也叫“小区制”系统。是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量。由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成。北京交通大学电子信息工程学院7蜂窝系统的特点蜂窝系统的特点:信号功率随传播距离衰减；在不用的空间位置上重复使用频率；多址技术（时分、频分、空分等正交方式或非正交的码分及这些方式的组合）；干扰（小区间干扰inter-cell或同信道干扰、小区内干扰intra-cell）情景复杂；用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧而且电池使用时间长，辐射小等等。存在越区切换问题。北京交通大学电子信息工程学院8蜂窝系统SINR用户小区内和小区间干扰的程度可用信号对干扰加噪声的功率比来表示，定义为：其中Pr是接收信号功率，PI是对应小区内和小区间干扰的接收功率。对于CDMA系统，PI是解扩后的干扰功率。对于干扰受限系统：SINR=Pr/PI北京交通大学电子信息工程学院9小区分裂10蜂窝系统的应用范围蜂窝系统的应用范围蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。目前模拟蜂窝移动通信系统主要用于开放电话业务。随着GSM数字蜂窝移动网的建设和发展，已逐步开放数据、传真等多种非电话业务。北京交通大学电子信息工程学院11主要内容信道复用2SIR和用户容量3蜂窝系统的基本概念1抗干扰技术4动态资源分配5基本速率极限6北京交通大学电子信息工程学院12信道复用信道复用：直接决定了小区间干扰、系统容量和系统性能；正交多址：没有小区内干扰，只有小区间干扰使用相同信道的小区中间要间隔开非正交多址：既有小区内干扰，也有小区间干扰扩频码的互相关性13区群（簇，cluster）的组成将若干个小区组成一个区群，区群内的每个小区占有不同的频率，占用给定的频带。另一个区群可重复使用相同的频带。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰。14复用距离（1）路径损耗是传播距离的函数，因此使用相同信道的那些小区间的复用距离D就是决定小区间平均干扰的一个重要参数。复用距离（resusedistance）是使用相同信道集的两个小区的中心距离，是决定小区间平均干扰的一个重要参数。影响复用距离的因素：小区形状、小区半径、同信道小区之间的小区个数。例如：正六边形、菱形小区。给定某个性能指标所要求的平均SINR，可以求出相应的最小复用距离。北京交通大学电子信息工程学院15复用距离（2）复用距离如何计算？16正六边形小区复用距离正六边形小区复用距离坐标图将每个小区的位置用一对数（i，j）来标记，以小区A为原点(0,0),从小区A出发，沿u轴移动i个小区，然后逆时针旋转60°，再沿v轴移动j个小区，所到达的小区即为（i，j）,坐标为（i，j）的小区和坐标为（0，0）的小区A的中心距离为：北京交通大学电子信息工程学院17菱形小区的小区簇信道分配方式对每个小区簇是相同的；每个簇中的小区个数为复用因子；复用因子为：N=0.25(D/R)2N=Nr/NcN越小则复用效率越高；N越小则复用距离越小；小区间干扰越大18正六边形的小区簇（1）正六边形的小区簇可以迭代形成：首先分配第一个信道集A给任意一个小区，以这个小区为基准，沿着某一排，正六变形的方向，移动i个小区，逆时针旋转60°，沿这个新方向上的一排正六边形移动j个小区，将信道集A分配给所到的这个小区。再回到原始的小区，换一个方向重复这个过程直到换完从原始小区出发的所有方向。重复上述迭代过程，直至从任何分配了A的小区出发都没有未分配的小区时为止，再按上面的方式在整个区域类分配信道集B、C…..。结果就形成了小区簇。19正六边形的小区簇（2）正六边形小区的小区簇北京交通大学电子信息工程学院20正六边形小区的信道分配簇大小可通过簇面积除以小区面积来近似计算：正六边形小区的面积是：正六边形小区簇的面积是：因此，每个簇包含的小区数是：北京交通大学电子信息工程学院21主要内容SIR和用户容量3蜂窝系统的基本概念1信道复用2抗干扰技术4动态资源分配5基本速率极限6北京交通大学电子信息工程学院22蜂窝系统的SIR蜂窝系统的SIR用来计算BER以及小区用户容量；用户容量：满足目标SIR的条件下，系统每小区能支持的最大用户数；SIR与小区规划、小区大小、复用距离和传播环境有关；影响SIR不准确的因素包括干扰数目小时被近似为高斯分布；为什么？没有考虑干扰本身也会经历衰落；SIR其实是信号功率与干扰功率这两个随机变量的比值，分布及其复杂，精确的SIR是很难获得的，在确知信道模型时，可以通过仿真来获得。23SIR和用户容量的计算过程简化路径损耗模型正交多址和非正交多址的SIR表达式用户容量通过简化路径损耗模型求出正交多址和非正交多址的SIR表达式，再得到相应的用户容量。用户容量定义为满足目标SIR的条件下，系统每小区能支持的最大用户数。24正交系统（TDMA/FDMA）TDMA时分多址（TDMA）是采用时分的多址技术。业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS等。正交系统FDMA频分多址（FDMA）是采用调频的多址技术。业务信道在不同的频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS等。北京交通大学电子信息工程学院25正交系统中SIR和用户容量的求解北京交通大学电子信息工程学院用户与基站的距离为dR，M个干扰源与目标接收机（下行时为移动台，上行时为基站）的距离为di，i=1，……，M，那么SIR为：如果移动台位于小区边界（d=R），并且所有的干扰源与目标接收机的距离都是复用距离D，那么SIR可简化为：若γI=γO=γ，则进一步简化为：26正交系统中SIR和用户容量的求解（1）多数小区形状下，D/R是复用因子N的函数，所以可用N来表示信干比：对上式求逆可得能满足此目标SIR的最小复用因子为：（公式*）若r=2，则公式进一步简化为：NSIR0/(a1a2)对于阴影衰落，可以根据中断率要求确定的SIR得到最小的复用因子N。27正交系统中SIR和用户容量的求解（2）用户容量Cu定义为系统能够同时支持的激活用户总数，这些用户都能满足一个共同的目标SIR值。若按复用因子N分配信道的结果是每个小区有Nc个信道，则Cu=Nc。系统总带宽B可以产生出NT=B/BS个带宽为BS的正交信道；复用因子N满足N=NT/NC。于是：其中G是系统带宽除以单个用户的带宽，N是满足公式*的最小的整数值。28例题1某TDMA蜂窝系统的小区为正六边形，所有信号传播的路径损耗因子都是γ=2。求目标SIR为10dB所需要的最小复用因子N。若系统总带宽为20MHz，每用户信号带宽为100kHz，计算相应的用户容量。北京交通大学电子信息工程学院29提示：将a1=0.167和a2=3带入公式*可得复用因子由G=B/BS=20*106/(100*103)=200可得每个小区可容纳的用户数Cu=G/N=10。30例题2某TDMA蜂窝系统的小区为菱形，所有信号传播的路径损耗因子都是γ=4，采用BPSK调制。假设接收信号为瑞利衰落，用户要求的误码率Pb=10-3。若系统是干扰受限的，求能满足此性能要求的最小复用因子N。若系统总带宽为20MHz，每用户信号带宽为100kHz，计算相应的用户容量。北京交通大学电子信息工程学院31提示：把干扰当高斯噪声处理，在瑞利衰落下Pb0.25/SIR0，SIR0是平均SIR。因此满足给定Pb的SIR为250。将SIR0=250、a1=0.125、a2=4和r=4带入公式*中得：所以满足性能要求的复用因子是N=12。由于G=200，所以每小区可容纳的用户数为Cu=G/N=16。32非正交系统(CDMA)CDMA又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑讯号碰撞的问题。非正交系统中的信道就是码字，这些码字一般都在每个小区复用，复用因子是N=1。非正交系统同时存在小区内干扰和小区间干扰，用户容量是满足SIR目标值时每小区能容纳的最大用户数。北京交通大学电子信息工程学院33非正交系统(CDMA)CDMA系统中用户容量受限于上行链路。为什么？远近效应；码字异步；CDMA系统中每小区的信道数为Nc=NT=Cu；有Nc-1个异步的小区内干扰；M个相邻小区内的移动台带来的MNc个异步的小区间干扰；34非正交系统中SIR和用户容量的求解设本小区的第i（i=1，…..，Nc-1）个干扰源到上行接收机的距离是di，其发射功率为Pi。设外小区的第j（j=1，…..，MNc）个干扰源到上行接收机的距离是dj，其发射功率为Pj。扩频码的互相关使干扰乘上了一个系数ξ/(3G)而减少，G是系统处理增益、是扩频码的一个参数，1≤ξ≤3。总的小区内和小区间干扰功率为：于是SIR为：北京交通大学电子信息工程学院35假设小区内有理想功控，使得期望信号和小区内干扰信号的接收功率相同，即则：表示功控后外小区干扰和本小区干扰的功率比，于是：令上式等于SIR的目标值SIR0，便可得到用户容量为：非正交系统中SIR和用户容量的求解北京交通大学电子信息工程学院36例题3考虑一个小区内理想功率控制的CDMA系统。假定目标SIR0=10dB，处理增益G=200，扩频码参数ξ=2，并假设来自小区内外的平均干扰功率相等（λ=1）。计算系统的用户容量。提示：即每个小区能容纳16个用户。北京交通大学电子信息工程学院37主要内容抗干扰技术4SIR和用户容量3信道复用2蜂窝系统的基本概念1动态资源分配5基本速率极限6北京交通大学电子信息工程学院38抗干扰技术北京交通大学电子信息工程学院抗干扰技术抗干扰技术扇区化多用户检测智能天线干扰平均预干扰消除蜂窝系统是干扰受限系统，任何能减小干扰的技术都能增加SIR和用户容量。39抗干扰技术(1)扇区化:扇区化利用定向天线将基站的360°全向天线分成为n个扇区，小区内和小区间干扰主要来自同一扇形。当负载很大（每个扇形中都存在干扰源）时，扇区化可以将干扰功率减少为1/N。当移动台在扇区移动时需进行却换，它会使系统开销及掉话率增大。蜂窝系统一般都采用N=3的扇区化。北京交通大学电子信息工程学院40抗干扰技术(2)智能天线:智能天线用高增益的窄波束对准期望用户，它也能在干扰方向上产生零陷。天线阵列也可以用来提供复用增益，使系统达到更高的数据速率，或者用来提供分集增益，使系统能提高可靠性。多用户检测:多用户检测把期望信号和某些或全部干扰信号一起检测，检测出的干扰可以被减弱或消除。使用户检测需要权衡性能增益和检测复杂性。特