1、1,主要內容,3.1 信道再用和小區(qū)導論 3.2 信干比計算，一維情況 3.3 二維小區(qū)簇和信干比 3.4 小區(qū)的信道分配 3.5 過區(qū)切換 3.6 流量控制,2,3.1 信道再用和小區(qū)導論,按無線通信網的服務區(qū)域覆蓋方式分類,小容量的大區(qū)制,大容量的小區(qū)制（蜂窩系統(tǒng)）,3,1.基本概念 在一個服務區(qū)域（如一個城市）內只有一個基站 (Base Station，BS)，并由它負責移動通信的聯絡和控制。,一、大區(qū)制移動通信網,4,2. 特點 基站：高架天線（數十米數百米） 大功率發(fā)射機（幾十幾百瓦，200W左右） 移動臺：幾十幾百部、 天線低、 發(fā)射功率小 覆蓋半徑：幾十公里 問題：上行信號差,一

2、、大區(qū)制移動通信網,5,一、大區(qū)制移動通信網,3. 優(yōu)點 4. 缺點,系統(tǒng)簡單、投資少、見效快，主要用于專網或用于用戶較少的地域。如在農村或城鎮(zhèn)的初期投資。,為了避免相互間的干擾，在服務區(qū)內的所有頻道的頻率都不能重復，因而，其頻率利用率和通信容量都受到了限制，滿足不了用戶數量急劇增長的需要。,6,問題： 無線系統(tǒng)可容納同時呼叫的數量始終都要受制于分配多少頻譜。 如何調整移動通信系統(tǒng)，使有限的無線頻率獲得更大容量的通信，并覆蓋大面積的范圍？,一、大區(qū)制移動通信網,7,1. 改進的思想 將整個服務區(qū)劃成許多個小的區(qū)域（小區(qū)cell） - 每個小區(qū)設置一個基站，每個基站的服務范圍僅限小區(qū)內； - 相

3、鄰小區(qū)使用不同的頻道，而相距一定距離的小區(qū)可以使用相同的頻道。,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,8,舉例：30個雙向信道 - 大區(qū)制時，只能有30個用戶同時通信 - 小區(qū)制時，若分為30個小區(qū)，相鄰3個小區(qū)采用不同的頻道，每個小區(qū)有10個雙向頻道，則服務區(qū)可以同時為300個用戶提供服務。若分為更多的小區(qū)，則可獲得更大的容量。,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,9,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,2. 基本概念 把整個服務區(qū)域劃分為若干個無線小區(qū)(cell)，每個小區(qū)分別設置一個基站，負責本區(qū)移動通信的聯絡和控制。同時，有可在移動業(yè)務交換中心MSC的統(tǒng)一控制下， 實現小區(qū)之間移動 用戶通信的轉接。,10

4、,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,3. 特點 基站：小功率發(fā)射機（520W） 小區(qū)半徑：120km，甚至幾百米 頻率復用 系統(tǒng)容量可繼續(xù)擴大 特點：系統(tǒng)復雜、容量大,11,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,4. 優(yōu)點 提高了頻率利用率； 基站功率減小，從而使相互間的干擾減少； 無線小區(qū)的大小可根據實際用戶數的多少靈活確定，具有組網的靈活性； 解決了頻道數量有限和用戶數增大之間的矛盾。 最大的優(yōu)點,12,二、小區(qū)制（蜂窩）移動通信網,5. 缺點,在移動臺通話過程中，從一個小區(qū)轉入另一個小區(qū)時，移動臺需要經常地更換工作頻道。 無線小區(qū)的范圍越小，通話中切換頻道的次數就越多，這樣對控制交換功能的要求就越高

5、。 基站數量增加，建網的成本相應提高。,應根據用戶密度或業(yè)務量的大小確定無線小區(qū)的半徑。目前，宏小區(qū)半徑一般為15km左右。,13,三、頻率復用與同頻干擾,1. 小區(qū)制要解決的問題,小區(qū)的基本思想：在不同的小區(qū)重新使用頻率來增加系統(tǒng)的容量。 同樣的頻率不能在臨近的小區(qū)分配，否則會造成信道間的干擾。 使用相同頻率的小區(qū)必須保持足夠遠，直至達到系統(tǒng)能忍受的干擾水平。,14,三、頻率復用與同頻干擾,2. 一維小區(qū) AMPS系統(tǒng)，832個信道被分成4組，每組208個信道； 兩個使用相同頻率的小區(qū)之間隔著3個小區(qū)，稱為4小區(qū)再用； 若給定小區(qū)數為N，則總共有208N個信道可以使用。,15,三、頻率復用與

6、同頻干擾,2. 一維小區(qū) 若分成3組，每組277個信道； 此時，小區(qū)總數不變，仍為N，則總共有277N個信道可以使用。,16,三、頻率復用與同頻干擾,2. 一維小區(qū),3小區(qū)復用277N,4小區(qū)復用208N,C.F. 如何取舍？,2小區(qū)復用,17,2. 一維小區(qū),抗干擾能力分析,信干比SIR or 載干比CIR,在接收機端接收到的平均信號功率 與平均干擾功率之比。,AMPS系統(tǒng)：18dB D-AMPS系統(tǒng)：14dB GSM系統(tǒng)：7-12dB,返回,18,3.2 信干比計算，一維情況,信干比的計算主要由下式中的距離決定：,忽略陰影衰落和多徑衰落，假設 g(d)=kd n； 每個基站在小區(qū)的中央，發(fā)

7、射同樣的功率PT，則距離基站d米遠的平均接收功率為PTd n,n為3或4； P點的接收信干比為：,19,3.2 信干比計算，一維情況,P點的接收信干比為： 當僅僅考慮干擾的第1層時(即最近的干擾，次近的不考慮)，鄰近P點有兩個干擾基站，則相應的信干比為：,包括所有干擾的基站，Pint表示歸一化的干擾功率。,20,3.2 信干比計算，一維情況,當僅僅考慮干擾的第1層時，P點的信干比為： 在3小區(qū)再用中，D=6R；4小區(qū)再用中，D=8R。,結論,(1) n,干擾,SIR,(2) 再用因子,干擾,SIR,21,3.2 信干比計算，一維情況,當僅僅考慮干擾的第1層時，P點的信干比為： 考慮次鄰近P點的

8、兩個干擾小區(qū)，則，信干比為：,返回,22,一、小區(qū)的形狀,如果基站采用全向天線，其覆蓋范圍應該為一個半徑為 的圓形區(qū)域 ； 無縫覆蓋的三種內接可能：正三角形、正方形、正六邊形； 正六邊形最接近圓形，對于同樣大小的區(qū)域，相鄰小區(qū)的重疊區(qū)域最小，小區(qū)面積最大，因而，所需基站數最少、小區(qū)數最少。 采用正六邊形作為小區(qū)的形狀時，系統(tǒng)的整體構架類似于蜂窩，故稱為“蜂窩網”。,3.3 二維小區(qū)簇和信干比,23,注意：由于地形和用戶密度的不同，實際的覆蓋區(qū)域事實上是不規(guī)則的，但采用不規(guī)則形狀的蜂窩結構效率低，因此，對蜂窩結構和性能的研究都是基于規(guī)則拓撲的，即使它們僅具有概念上的意義。而拓撲結構對構建實際的規(guī)

9、劃提供了很有價值的信息和設計準則。,一、小區(qū)的形狀,24,二、區(qū)群,1. 定義： 將小區(qū)進行空間上的劃分，相鄰的使用不同頻道的所有小區(qū)組合在一起就構成了區(qū)群，或稱之為簇(Cluster)，區(qū)群中包含了系統(tǒng)的全部頻率資源。,25,區(qū)群舉例,26,2. 區(qū)群、頻率復用與系統(tǒng)容量,假設一個共有S個可用的雙向信道的蜂窩系統(tǒng)，如果將S個信道均勻地分配給一個區(qū)群的N個小區(qū)，每個小區(qū)都分配到k個信道（kS），那么可用信道的總數可表示為S=kN。 如果區(qū)群在系統(tǒng)中復制了M次，則雙向信道的總數C可以作為容量的一個度量： C=M kN= MS 也就是說，系統(tǒng)的容量擴大了M倍。,二、區(qū)群,27,N蜂窩系統(tǒng)的頻率復用

10、因子 N的選擇要考慮到這兩方面的因素，選擇一個在可以承受的同頻干擾下盡可能小的值。,系統(tǒng)的容量：,分析：,區(qū)群的尺寸N,復制次數M,系統(tǒng)容量C,同頻小區(qū)間的距離,同頻干擾,END,2. 區(qū)群、頻率復用與系統(tǒng)容量,28,例：一個蜂窩系統(tǒng)中有1001個用于處理通信業(yè)務的可用信道，設小區(qū)的面積為6平方公里，整個系統(tǒng)的面積為2100平方公里。 （a）如果區(qū)群尺寸為7，計算系統(tǒng)容量； （b）如果區(qū)群尺寸為4，要覆蓋整個蜂窩區(qū)域，需將該區(qū)域覆蓋多少次？ （c）如果區(qū)群尺寸為4，計算系統(tǒng)容量。,2. 區(qū)群、頻率復用與系統(tǒng)容量,解：已知：可用信道總數K=1001 小區(qū)面積=6km2 總的覆蓋面積=2100km

11、2 （a）N=7 每小區(qū)的可用信道數J=K/N=1001/7=143信道/小區(qū) 一個區(qū)群覆蓋的面積=7*6=42km2 區(qū)群需復制M=2100/42=50次， 故，C=MJN=50*143*7=50050個信道 （b）N=4 一個區(qū)群覆蓋的面積=4*6=24km2 區(qū)群需復制M=2100/24=87.5=87 （c）N=4 每個小區(qū)的信道數目J=K/N=1001/4=250信道/小區(qū) 故，C=MJN=87*250*4=87000個信道 結論：通過減小區(qū)群尺寸增大了系統(tǒng)的容量。,30,（1）構成區(qū)群要滿足的兩個條件,區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙無重疊地覆蓋整個區(qū)域； 同頻小區(qū)之間的距離最大。,3.

12、頻率復用下的小區(qū)規(guī)劃,31,（2）小區(qū)的規(guī)劃,b) 確定最近的同信道相鄰小區(qū)的規(guī)則： 步驟1：自某一小區(qū)A出發(fā)，沿邊的垂線方向移動i個小區(qū); 步驟2：逆時針旋轉60度后，再移動j個小區(qū)。,3. 頻率復用下的小區(qū)規(guī)劃,a) 確定區(qū)群的尺寸N：,式中i、j為非負整數，且不能同時為零； N =1，3，4，7，9，12，13，16,32,不同尺寸區(qū)群的形狀,33,（i=2, j=1）,相鄰同頻小區(qū)位置的確定,34,N=3，i=1, j=1,相鄰同頻小區(qū)位置的確定,1,2,35,（N=4, i=2, j=0）,相鄰同頻小區(qū)位置的確定,36,舉例：蜂窩系統(tǒng)中的頻道計算,一個蜂窩電話系統(tǒng)，總帶寬為30MHz

13、，使用兩個25kHz作為雙向信道，假定該系統(tǒng)采用9小區(qū)復用方式，并將總帶寬中的1MHz分配給控制信道。 a. 計算總的可用信道數； b. 確定控制信道數； c. 確定每個小區(qū)中的話音信道數； d. 確定各個小區(qū)中控制信道與話音信道的一種合理分配方法。,37,解：已知：總帶寬=30MHz 信道帶寬=25kHz*2=50kHz a. 總的可用信道=30MHz/50kHz=600個 b. 控制信道數=1000/50=20 c. 每個小區(qū)中的話音信道數=（600-20）/9=64 d. 由于最多只能有20個信道作為控制信道，9個小區(qū)，可以給7個小區(qū)各分配2個控制信道和64個話音信道，給另外2個小區(qū)各分

14、配3個控制信道和66個話音信道。,舉例：蜂窩系統(tǒng)中的頻道計算,38,4.六邊形小區(qū)的幾何結構,R：半徑（中心到頂點的距離）,R,R,：中心到邊的垂線,39,（1）區(qū)群中同頻小區(qū)的距離,4.六邊形小區(qū)的幾何結構,40,（2）同頻小區(qū)的分布特點,每個小區(qū)都有6個最近的同信道小區(qū)； 同信道小區(qū)分層排列，候選小區(qū)被第k層的6k個小區(qū)包圍； 小區(qū)尺寸相同時，各層中的同信道小區(qū)都位于由該層同信道小區(qū)連接而成的六邊形邊界上； 若兩個最近的同信道小區(qū)之間的半徑為D，則第k層的同信道小區(qū)連接而成的六邊形的半徑為kD。,4.六邊形小區(qū)的幾何結構,41,區(qū)群中同頻小區(qū)的分布,42,5. 頻率復用比,頻率復用比Q定義

15、為：,因為頻率復用會導致同信道小區(qū)的出現，所以 Q也稱為同信道復用比。 又： 所以,43,增加Q的值，同頻小區(qū)間的空間距離與小區(qū)覆蓋距離之比就會增加，因此來自同頻小區(qū)的射頻能量就會減小而使干擾降低。 當區(qū)群的大小較小時，Q的值越小，容量越大；但Q的值越大，同頻干擾就越小，因此，要折衷處理。,5. 頻率復用比,44,若設i0為同頻干擾小區(qū)數，則監(jiān)視前向信道的信干比SIR可以表示為,第i個來自同頻干擾小區(qū)基站的干擾功率,三、二維信干比的計算,設所有的基站的發(fā)射功率都相同，移動臺距當前小區(qū)基站的距離為R，距第i個同頻小區(qū)基站的距離為Di， 則：,來自目標基站的想獲得的信號功率,45,僅考慮相鄰同頻小

16、區(qū)（第一層干擾小區(qū)），則,三、二維信干比的計算,P,(D-R),46,使用上式得到的近似信干比：,三、二維信干比的計算,47,僅考慮相鄰同頻小區(qū)（第一層干擾小區(qū)），若假設所有干擾基站與目標基站間的距離是相等的，小區(qū)中心之間的距離都為D，則上式可簡化為,三、二維信干比的計算,簡化考慮：,48,例：在某系統(tǒng)中，接收機要求的信干比門限為 ，n = 4，求系統(tǒng)允許的最大N。,解：,故：N=7。,三、二維信干比的計算,49,四、提高蜂窩系統(tǒng)容量的方法,無線服務的需求不斷增大，頻率資源越來越緊張，需要采用一些技術手段提高頻率資源利用率，以達到擴容的目的。 目前的主要方法有： 小區(qū)分裂 劃分扇區(qū) 新的微小區(qū)

17、概念,50,(1) 基本方法：將擁塞的小區(qū) 分成更小的小區(qū)，每個小區(qū) 都有自己的基站并相應地降 低天線高度和減小發(fā)射機功 率。 (2) 特點：通過用更小的小區(qū) 代替較大的小區(qū)來允許系統(tǒng) 容量的增長，同時又不影響 為了維持同頻小區(qū)間的最小 同頻復用因子Q所需的信道 分配策略。,1. 小區(qū)分裂,51,A,1. 小區(qū)分裂,52,(3) 實際問題 過渡區(qū)域的信道分配 大功率發(fā)射機與小功率發(fā)射機同時存在； 信道分成兩組，兩個信道組的大小取決于分 裂的進程情況。 過區(qū)切換 低速用戶和高速用戶同時得到服務 傘狀小區(qū)方法,1. 小區(qū)分裂,53,(1) 基本思想：保持小區(qū)半徑不 變，設法減小D/R比值。采用 定

18、向天線代替全向天線實現。 最壞信噪比： 考慮6個最近的同頻小區(qū)：,2. 小區(qū)裂向（劃分扇區(qū)）,54,2. 小區(qū)裂向（劃分扇區(qū)）,(2) 基本思想：保持小區(qū)半徑不 變，設法減小D/R比值。采用 定向天線代替全向天線實現。 只有2個最近的同頻小區(qū)： 信干比增加倍數為：,55,(3) 優(yōu)點：降低了同頻干擾，從 而增大系統(tǒng)容量。 (4) 實際問題： 同一小區(qū)中扇區(qū)間的切換通常不經過MSC，由基站控制器完成 中繼效率下降,2. 小區(qū)裂向（劃分扇區(qū)）,56,(1) 基本思想： 每3個微小區(qū)和一個基站組成一個小區(qū)“三葉草” 型小區(qū) (2) 優(yōu)點 采用定向天線，同頻干擾下降，容量擴大 移動臺在一個小區(qū)的微小區(qū)

19、之間切換時，頻道不變，因而中繼效率不變 (3) 缺點 增加了基站控制器的復雜度 增加了基站的成本,返回,3. 分區(qū)微小區(qū),57,一、固定信道分配策略 - 將所有信道分成N組，給每個小區(qū)固定地分配其中的一組，如果小區(qū)中所有信道都已被占用，則呼叫阻塞。優(yōu)點：簡單。缺點：容易造成資源浪費，不夠靈活。改進：借用策略,3.4 小區(qū)的信道分配,58,一、固定信道分配策略 - 借用策略,3.4 信道分配,信 道 鎖 定,59,2. 動態(tài)信道分配策略 - 所有信道不是固定地分配給每個小區(qū)，而是，每次呼叫請求到來時，為它服務的基站就向MSC請求一個信道。優(yōu)點：頻率利用率高，可適應業(yè)務分布的動態(tài)變化。缺點：控制復

20、雜，開銷較大（增加了系統(tǒng)的存儲和計算量）。,3.4 信道分配,60,1. 特點 來自所使用信號頻率的相鄰頻率的信號干擾稱為鄰頻干擾。 原因：鄰頻干擾是由于接收濾波器不理想，使得相鄰頻率的信號泄漏到傳輸帶寬內而引起的。 后果：易產生遠近效應。 解決辦法：精確的濾波；信道分配在一個小區(qū)、甚至相鄰小區(qū)中不使用相鄰的頻道。,三、鄰頻干擾對信道分配的影響,61,使每個小區(qū)中的信道間隔盡可能大 ； 順序地將連續(xù)的信道分配給不同的小區(qū)，許多分配方案可以使一個小區(qū)內的鄰頻信道間隔為N個信道帶寬，其中N為簇的大小； 其中一些信道分配方案還通過避免在相鄰小區(qū)中使用鄰頻信道來阻止一些次要的鄰頻干擾。,A B C D

21、,三、鄰頻干擾對信道分配的影響,返回,62,一、基本概念 1. 什么叫切換？ 當一個移動臺在通話的過程中從一個基站移動到另一個基站時，MSC自動地將呼叫轉移到新基站的信道上。 2. 切換的要求： - 通常要求切換請求優(yōu)先于呼叫初始請求 ； - 切換必須要很順利地完成，并且盡可能少地出現，同時使用戶覺察不到。,3.5 過區(qū)切換,63,一、基本概念 3. 關鍵問題： 切換的準則 切換的控制 切換時的信道分配,3.5 過區(qū)切換,64,1. 切換信號的門限,指定某個特定的信號強度為基站接收機中可接受話音質量的最小可用信號，稍微強一點的信號強度就可以作為啟動切換的門限，其間隔用 表示； 不能太大也不能太

22、小，太大，可能發(fā)生不需要的切換，增加MSN的負擔，太小，則可能會因為信號太弱而掉話，沒有足夠的時間來完成切換過程。,二、切換的實際操作,65,2. 切換圖解,A,B,BS1,BS2,不正確的 切換情況,正確的 切換情況,A點強度,切換門限,維持通話的最小可接收信號,B點強度，通信中斷,切換強度，成功切換,66,3. 切換判斷應注意的問題,保證檢測到的信號電平的下降不是因為瞬間的衰減，而是由于移動臺正在離開當前服務的基站 。 準備切換前，先對信號監(jiān)視一段時間，觀察信號的連續(xù)變化； 決定切換進行的時間長短取決于移動終端移動的速度，如果監(jiān)控到信號強度快速衰落，則進行快速切換。,67,第一代模擬蜂窩系

23、統(tǒng)中，信號強度的測量是在MSC的管理下由基站來完成的，基站使用備用的接收機（即定位接收機）來測量小區(qū)中正在進行呼叫的接收信號強度指示（RSSI）。定位接收機由MSC控制，用來監(jiān)視相鄰基站中有切換可能的移動用戶的信號強度，并將RSSI值傳給MSC，由MSC做出是否切換的決定。 第二代蜂窩系統(tǒng)中，切換的決定由移動臺（MS）輔助完成。在MS輔助切換（MOHO）中，每個MS測量從周圍基站中接收到的信號功率，并且將測量的結果連續(xù)地報告給為它服務的基站，當從一個相鄰小區(qū)的基站中接收到的信號強度比當前基站高出一定的電平或是維持了一定的時間時，就準備進行切換。切換的測量由每個移動臺來完成，因此MOHO方法比第

24、一代的要快得多。,3. 切換判斷應注意的問題,68,4. 優(yōu)先切換,信道監(jiān)視：保留小區(qū)中所有可用信道的一部分，專門為那些可能要切換到該小區(qū)的通話所發(fā)出的切換請求服務。缺點：由于可用來通話的信道減少了，因此降低了小區(qū)所承載的話務量。 切換請求排隊：是減少由于缺少可用信道而強迫中斷概率的一種方法。由于接收到的信號強度下降到切換門限以下，到信號強度太弱出現通話中斷之間有一個有限的時間間隔，因此，可以對切換請求進行排隊，時延和隊列長度由當前特定服務區(qū)域的業(yè)務流量模式決定。,69,5.實際切換中出現的問題,問題一：移動速度變化范圍太大，高速用戶在小區(qū)之間的穿行會使MSC不堪重負。 解決辦法： 減小MSC

25、介入切換的次數； 采用傘狀小區(qū)方法，為高速移動的用戶提供大面積的覆蓋，同時為低速移動的用戶提供小面積的覆蓋。,70,問題二：小區(qū)拖尾。一般出現在微小區(qū)系統(tǒng)中，由對基站發(fā)射強信號的步行用戶所產生。在市區(qū)內當用戶和基站之間存在一個視距無線路徑時，由于用戶以非常慢的速度離開基站，平均信號強度衰減不快，即使用戶遠離了小區(qū)的預定范圍，基站接收到的信號仍可能高于切換門限，因此不做切換，直至用戶深入到相鄰小區(qū)中，從而產生潛在的干擾和話務量管理問題。 解決辦法：仔細調整切換門限和無線覆蓋參數。,5.實際切換中出現的問題,71,一、多信道共用,在一個無線區(qū)內n個信道為該無線區(qū)內所有用戶共用，任何一個移動用戶選取

26、空閑信道及占用時間都是隨機的。 與市話用戶共同享有中繼線相類似，這種占用信道的方式相對于獨立信道方式而言，可以明顯提高信道利用率。只要這個小區(qū)內同時發(fā)起的呼叫小于n，就不會發(fā)生阻塞。 多信道共用支撐著移動網的呼損率、中斷率、系統(tǒng)容量等指標。,3.6 流量控制,72,1. 話務量 在一定時間內（通常為1小時）呼叫次數與每次呼叫平均占用信道時間的乘積，是度量通信系統(tǒng)業(yè)務量或繁忙程度的指標。 分為流入話務量和完成話務量，前者包括成功呼叫和失敗呼叫，后者僅包括成功的呼叫。 當計算C所用的單位與t相同時，單位為愛爾蘭（Erlang,Erl.）,單位時間內發(fā)生的平均呼叫次數,單位時間內呼叫成功的次數,二、基本概念,73,忙時話務量：一天24小時總有些時候打電話的人多，另一些時候人少，對一個通信系統(tǒng)來說，可區(qū)分忙時、非忙時。一天中最忙的小時的話務量。在考慮通信系統(tǒng)的用戶數