第五章--蜂窝组网技术

第五章蜂窝组网技术程郁凡[e-mail]通信抗干扰技术国家级重点实验室第五章内容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多址接入技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析第五章蜂窝组网技术22021年3月5.1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移动性管理地面网络各基站相互连接基站与固定网络（PSTN、ISDN、PDN）的连接2021年3月第五章蜂窝组网技术3第五章内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.2.1蜂窝的概念5.2.2簇（区群）5.2.3同频复用距离与同频干扰5.2.4信道分配5.3多址接入技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析第五章蜂窝组网技术42021年3月小容量的大区制大区制就是在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站，并由它负责移动通信的联络和控制。主要特点：基站天线架设得很高，几十～几百米基站发射功率大：50～200W覆盖半径：30～50km优点：网络结构简单，成本低缺点：覆盖范围有限，服务性能差。频谱利用率低，容量小，一般用户几十～几百个，常用于专网。小容量的大区制5BSMS1MS3MS2图5.1大区制移动通信网第五章蜂窝组网技术2021年3月5.2.1蜂窝的概念1974年，贝尔实验室提出了蜂窝概念。蜂窝系统----“小区制”系统小区制——用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），即将所要覆盖的地区划分为若干个小区，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。6AACCCBBCAB频率复用----在相邻的小区使用不同的频率，在相距较远的小区采用相同的频率（同频小区）。即将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，而不同的区群重复使用相同的频率分配模式。大容量的小区制小区制——借助频率复用突破频率资源限制，产生高容量特点----频谱利用率较高、用户容量大、服务性能较好。新的问题----系统网络构成复杂（越区切换、位置登记、更新、漫游以及系统鉴权等，网络频率规划）。小区的分类（r：小区半径）超小区：r＞20km（农村）宏小区：r＝1～20km（人口稠密地区）微小区：r＝0.1～1km（城市繁华区）微微小区：r＜0.1km（办公室、家庭）2021年3月第五章蜂窝组网技术7小区制覆盖区服务覆盖区：带状服务覆盖区用户的分布呈带状（或条状），如铁路、公路、沿海水域等。面状服务覆盖区服务区是一个宽广的平面。2021年3月第五章蜂窝组网技术8带状服务覆盖区9A1fB2fAB1f2fAB1f2f双频组可采用多个频率组复用ABC3f1f2fABC1f2f3f三频组面状服务覆盖区——蜂窝网在平面区域内划分小区全向天线的覆盖区是圆形。10小区形状正三角形正方形正六边形邻区距离小区面积交叠区宽度交叠区面积3r2rr21.3r22r22.6rr0.59r0.27r21.2r20.73r20.35r三种形状小区在覆盖相同大小的地理区域，正六边形构成小区所需的小区数最少移动通信系统广泛使用六边形进行理论分析和设计实际形状基站对小区的激励方式中心激励基站位于小区中心，由全向天线实现圆形覆盖区，有时会有辐射阴影。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2021年3月第五章蜂窝组网技术11中心激励顶点激励第五章内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.2.1蜂窝的概念5.2.2簇（区群）5.2.3同频复用距离与同频干扰5.2.4信道分配5.3多址接入技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析第五章蜂窝组网技术122021年3月5.2.2簇（区群）簇共同使用全部可用频率的N个小区叫做一个簇(区群）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13AACCCBBCAB2021年3月第五章蜂窝组网技术簇共有S个可用信道，分给一个簇（簇的大小为N），簇中的每个小区分配K个信道，各个小区分配不相同，则可用无线信道的总数S为：一个簇对应一定的覆盖区域，若达到单位面积的覆盖需复制M个簇，则信道总数C为：SKNCMKNMSBCAN=3,K=S/NM=3,C=MSAAABCCCBB若N越小，则单位面积所需复制的区群越多，系统容量越大，频率利用率越高。14举例[例5.1]系统总的可用信道数S=280，相同区域内，用N=7的区群（7小区复用）需要复制4次，而用N=4的区群（4小区复用）需要复制7次，求两种情况下的信道总数和每个小区的可用信道数。解：N=7时每个小区的可用信道数：信道总数：N=4时每个小区的可用信道数：信道总数：2021年3月第五章蜂窝组网技术15280740KSN42801120CMS280470KSN72801960CMS构成簇图案的基本条件1)基本图案（簇）能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。2)相邻簇中，同频小区间距离相等，且为最大。16N=3N=7簇（区群）的大小满足簇图案条件的簇的形状和N是有限的。N满足：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，不能同时为零2021年3月第五章蜂窝组网技术1722Niijji101021021032j122323434534N34791213161921252728确定同频小区位置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。2021年3月第五章蜂窝组网技术18AAAAAAj图5.2确定同频小区的方法AiD利用寻找同频小区的方法确定簇例如：N=3,i=1,j=12021年3月第五章蜂窝组网技术19AAAAAAABCCCCCCBBBBBBCA常见区群图案2021年3月第五章蜂窝组网技术20DACBN=4,i=0,j=2N=7,i=1,j=2DCBAEFG图5.3常见正六边形小区群的图案N=3,i=1,j=1BCA举例[例5.2]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。2021年3月第五章蜂窝组网技术211.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=2第五章内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.2.1蜂窝的概念5.2.2簇（区群）5.2.3同频复用距离与同频干扰5.2.4信道分配5.3多址接入技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析第五章蜂窝组网技术222021年3月5.2.3同频复用距离与同频干扰干扰的影响干扰是蜂窝无线系统性能的主要影响因素。同频干扰、邻道干扰等移动台或基站必须能够在较强的噪声和干扰中检出可能是较弱的信号。载干比要大于某个指定的数值（射频防护比）:一般模拟移动系统要求C/I18dB，数字移动通信系统C/I约为7~10dB之间N0是接收机内部噪声；Nr为外部噪声；I为总干扰230011PMrrikikCCCNNNINNI2021年3月第五章蜂窝组网技术干扰的影响在移动通信环境中，通常干扰影响大于噪声影响：同频干扰影响最大，是制约限制系统性能的主要因素。频率复用带来的问题：同频干扰。同频小区：使用相同频率的小区为同频小区。同频干扰（同道干扰）同频小区之间的信号干扰。在进行系统设计时，根据规定的载干比C/I计算允许的I值，并作为系统设计和组网的依据。240rCCCNNNIICIIDN同频复用距离两个同频小区之间的距离(D）25H030RH:小区中心到边的距离I:相邻i个小区的中心距离0cos3032HRR2IiH220222cos120DIJIJIJIJ223333iRjRiRjR3iR3JjR223RijijN同频复用距离(1)j→JAAR:小区半径CIIDN同频复用距离(2)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2021年3月第五章蜂窝组网技术26223DRijij3DNRDACBDACBDACBDACBD=3R错误正确322233.46DRjRRN:区群大小R:小区半径CIIDN全向小区系统C/I的计算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。271第一层111111第三层11第二层11111图5.4同频小区的分布CIIDN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)28MSBSBSBSBSBSBSRDBSD1D2D3D4D5D6有用信号：同频干扰信号：全向小区C/I：00nrrdCPRPdR00111nLLLlrlrliildIIPDPdD100001nrnLriLnlilndPdCRIdPdDRD图5.5全向小区的同频干扰n：路径损耗指数L:主要同频小区个数CIIDN若干扰基站与移动台的距离相等，Dl=D，则移动台的载干比可近似表示为：同频复用比Q同频复用距离与小区半径之比291nLnliDCIR1nnLnnliCRRILDD3DNRnDRL3QDRNnCQILL:典型值为6（全向小区）3nNCIL3nNCILCIIDN定向小区的同频干扰利用定向天线可以降低同频干扰，增大C/I值，改善通信质量。L＝2或32021年3月第五章蜂窝组网技术30DCBAEFGDDDDDDDDDDDDDD图5.6120定向小区的同频干扰DDDDDD3nNCILCIIDN结论31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应取最小值最好。3=nnNCQILLN:区群大小R:小区半径L:主要同频小区个数33DNRQDRNN347912D3R3.5R4.6R5.2R6.0RQ33.54.65.26.0CMSCIIDN举例3222Niijj[例5.3]某蜂窝移动通信系统小区为全向天线，若使载干比C/I大于13dB（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，设各同频小区到接收台距离相等为D），请问区群大小N最小应为多少。解：根据题意要求：因为：n=4，全向小区L=6，同时N应满足区群构成条件（），即N可为4,7,9,12,……，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319.95nNCIL4319.956N3.65N313nNCdBIL举例[例5.4]全向天线的蜂窝小区N=7的模式，设路径损耗指数n=4，求其载干比，N=4时呢?解：N=7时：N=4时：2021年3月第五章蜂窝组网技术33433772173.518.762nNCdBIL43342413.86nNCdBIL第五章内容5.1移动通信网的基本概念5.2频率复用和蜂窝小区5.2.1蜂窝的概念5.2.2簇（区群）5.2.3同频复用距离与同频干扰5.2.4信道分配5.3多址接入技术5.4蜂窝移动通信系统的容量分析第五章蜂窝组网技术342021年3月5.2.4信道分配2021年3月第五章蜂窝组网技术35图5.7蜂窝网络规划的一般原理工程规划：基站位置、小区结构（复用模式、小区半径）的确定信道分配固定网络