第2章 课件 蜂窝的概念.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 蜂窝的概念,移动通信的组网,2.1,蜂窝的概念,一、组网的基本问题,蜂窝电话如何接通？,过程：,(1),当蜂窝电话打开但还没有进行通话时，它首先检查前向控制信道组来确定信号最强的一个，接着监视该控制信道直至信号降到不可用的水平，然后它再检测该控制信道以确定哪个基站信号最强。,(2),当有电话呼叫某用户时，,MSC,向蜂窝系,统里的所有基站发送请求。移动识别号,(MIN),即用户电话号码，作为寻呼内容广播,到蜂窝系统内的所有前向控制信道内，移动,终端接收到它监视的基站发送的确认信息并,提示,MSC,进行切换。这样，,MSC,指示,BS,将该呼叫,转移到该小区内没有使用的信道上去（一般每个,小区有一个控制信道和,1056,个语音信道），,BS,通,知移动终端将频率改到一个没被使用的前向和反,向语音信道上去，在此基础上，另一个数据信息,（称为警告）通过前向语音信道发送到移,动手机通知它振铃，以提示用户接电话,（总共几秒钟）。,(3),一旦通话开始了，为了保证用户在移进,及移出基站时的通话质量，,MSC,调整移动,终端的发送功率和移动终端与基站间的信,道，这叫做切换。语音信道使用了特殊的,控制信道来使,BS,和,MSC,在通话过程中控制,移动终端。,(4),当移动终端主呼时，在反向控制信道中发送通话初始请求，通过这个请求，移动终端将电话号码、电子序列号,(ESN),和被叫电话号码发送出去，移动终端还发送基站分类标识,(SCM),表明该用户发送功率水平。小区基站接收到这些信息并将其发送给,MSC,。,MSC,再校验该请求后，通过,PSTN,连接到被叫方，同时通知基站和主叫用户将信道移到没被使用的前向和反向信道上去，以便开始通话。,如何解决容量问题？,当前移动通信发展所遇到的最突出的问题，,就是有限的可用频率如何有秩序的提供给越,来越多的用户使用二互不相互干扰，这涉及,到频率的管理和有效利用。比如，目前,GSM,系统可用频带为,10MHZ,相邻频道间隔为,200kHZ,，频道配置采用等间隔配置方法，因,而只有,49,个频道，这么少的频道数如何容纳,上亿计的用户来进行通话呢？,答案：我们通过划分小区、频率复用、小区分裂以及多址联接等技术来解决通亮问题。,二、组网体制,大区制,（早期）,小区制,（目前的蜂窝系统）,大区制通信网,定义：在一个服务区内（如东营市）只有一个基地站，并由它负责移动通信的联络和控制。,大区制尽可能地增大基站覆盖范围，解决大区域的移动通信业务。,特征：,(1),基站天线架设得很高，可达几十米,百余米；,(2),为了大范围覆盖，发射功率很大，一般为,50200W;,(3),实际覆盖半径达,3050KM.,决定覆盖半径的因素：,(1),地球曲率；,(2),地形影响,(3),多径反射,(4),移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下行功率差可达,612dB,）,出现手机在服务区内接收信号很强，却打不出电话的现象。,大区制的特点：,优点：,网路结构简单，成本低；,覆盖面积大,缺点：,基站频道数目有限，容量不大，一般用户数,只能达几十至几百个。,实现：一般借助市话交换局设备，将基站的收发信设备与市话交换局连接起来，借助于很高的天线，为一个大的服务区提供移动通信业务。,大区制解决上行信号问题的办法：,设置分集接收台,基站发射用全向天线，基站接收用定向天线（可有,810dB,增益）,提高基站接收灵敏度,同频转发,2.2,服务小区的形状,条状服务区,面状服务区,条状服务区,定义：指用户的分布呈条状（或带状），例如铁路、公路、狭长城市、沿海水域、河流等。,图,2.1,、,2.2,面状服务区,通常情况下，服务区不呈条状而是一个,宽广的平面，称为面状服务区。,构成方法：,将整个服务区划分为许多小区,(,无线区,),，这些小区的实际形状取决于电波传播条件和方向性。,实际的面状小区的覆盖，基站天线全向辐射时为一个圆，实际为不规则，有重叠区。,理想情况：若基站使用全向发射天线，基,站覆盖区实际上是一个圆。但从理论上说，圆,形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖区。,为了理论分析和设计方便，用全覆盖的形,状代表，可用全六边形、四面形、三角形，面,积最大、最直接的为六边形。,面状服务区与蜂窝结构,一个蜂窝系统构成的基本条件：,基本图案能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。,相邻单元中，同频道的小区间距离相等，且为最大。,区域内的各个小区使用不同的频道。,簇获得全部频率。,簇,：共同使用全部可用频率的,N,个小区叫做一簇，若系统中簇复制得越多，则系统容量越大，频率的利用率越高。,因数,N,叫做簇的大小，典型值,3,、,4,、,7,、,9,、,12,、,蜂窝的概念,1974,，,Bell,实验室提出蜂窝概念,蜂窝系统,-“,小区制,”,系统,将所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,110km,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。,“,频率复用,”,的概念：同频干扰的强弱与同频复用小区间距和小区半径的比值有关，信干比可控。,特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等。,新的问题：系统复杂、越区切换、漫游、位置登记更新和管理、以及系统鉴权等。,小区制通信网,随着拥护数量的增大，话务量响应增大，需要提供很多波道才能满足通话要求。为了增大服务面积，从频率复用的观点出发，可以将整个服务区划分为若干个半径为,220km,的小区域，每个小区域中设置基站，负责与小区内移动用户的无线通信，这种方式称为小区制。,小区制的特点：,可以提高频率利用率（相隔一定距离的小区可以同时使用相同的工作频率组）,具有组网的灵活性,网路构成复杂,小区制网构成方式：,基本小区有：（,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）,优点：提高频率利用率，组网灵活,缺点：网络复杂,蜂窝的分类,宏蜂窝,(Macro-cell),：,220km,微蜂窝,(Micro-cell),：,0.42km,皮蜂窝,(Pico-cell),：,400m,分层蜂窝,(,由多种蜂窝组成,),多维小区,2.3,频率复用,频率复用是小区制网的核心问题。,定义：小区内基站的工作频率，由于电波传播损耗产生的隔离度，可以在相隔一定距离后的另一小区重复使用。,研究同频干扰和同频小区间的距离是频率复用的依据。,同频小区间的距离取决于能容的同频干扰。同频干扰又取决于话音质量要求的载噪比（,C/N,）或,C/I,。,1,、同频干扰与同频复用比,D,：同频基站间的距离为同频复用距离,R,：小区半径,定义：,Q=D/R,为同频复用比,同频复用比告诉我们：,Q,复用次数越多，系统容量越大；,Q,复用次数越少，话音质量好，干扰小。,Q,的选取主要考虑,C/I,比，,C/I,取决于同频干扰射频防卫度，射频防卫度是满足接收质量要求时的射频信号与干扰信号之比（射频防卫度，一般定为话音,4,级时为,17dB,、,3,级时为,12dB,）。,2,、服务区形状,条状服务区,面状服务区,条状服务区,定义：指用户的分布呈条状（或带状），例如铁路、公路、狭长城市、沿海水域、河流等。,条状服务区示意图,条状网的频率复用：,可采用多个频率复用，二频复用，三频，四频,从建网成本和频率利用率角度看，二频组可取；,从减少同频干扰的角度看，三频组可取，但不论二、三、四频组，其同频干扰都不可避免。,二频组、三频组示意图,复用时需确定重叠区：重叠区太大，越区干扰大，重叠区小，弱电场区可能多,重叠区的确定,在设计小区时应考虑两个相连区域的连接处要有一定纵深的重叠区来减少可能出现的弱电场区及不可通概率。但是重叠区过深又会招致越区干扰，所以必须设计得当。,宽度,a,可根据对,C/I,设计要求，由上式计,算出来，这样就可以确定出重叠区的大小。,小区数的确定,根据所需的信干比来确定小区数：,D/r,0,8,6,4,C/I,30.7,25,16,所需频率组,4,3,2,A,、,K,两基站之间应隔小区数,3,2,1,面状服务区,通常情况下，服务区不呈条状而是一个,宽广的平面，称为面状服务区。,构成方法：,将整个服务区划分为许多小区,(,无线区,),，这些小区的实际形状取决于电波传播条件和方向性。,实际的面状小区的覆盖，基站天线全向辐射时为一个圆，实际为不规则，有重叠区。,理想情况：若基站使用全向发射天线，基,站覆盖区实际上是一个圆。但从理论上说，圆,形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖区。,为了理论分析和设计方便，用全覆盖的形,状代表，可用全六边形、四面形、三角形，面,积最大、最直接的为六边形。,面状服务区与蜂窝结构,一个蜂窝系统构成的基本条件：,基本图案能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。,相邻单元中，同频道的小区间距离相等，且为最大。,区域内的各个小区使用不同的频道。,簇获得全部频率。,簇,：共同使用全部可用频率的,N,个小区叫做一簇，若系统中簇复制得越多，则系统容量越大，频率的利用率越高。,因数,N,叫做簇的大小，典型值,3,、,4,、,7,、,9,、,12,、,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簇，频率利用率高，有更多的容量。,N,的选取原则：从提高频率利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，,N,应取最小值最好。,满足上述条件的簇的形状和簇内小区数,N,是有限的，并且,N,满足：,N=a,2,+ab+b,2,其中，,a,、,b,分别为相邻同频小区之间的二维距离,(,相隔小区数,),a 1 0 1 0 2 1 0 2 1 0 3 2,b 1 2 2 3 2 3 4 3 4 5 3 4,N 3 4 7 9 12 13 16 19 21 25 27 28,同聘小区的距离：,确定同频小区二维距离的方法：,自某小区,A,出发，先沿边的垂线方向跨,a,个小区，再按逆时针方向转,60,0,，再跨上,b,个小区，可以找到,6,个相邻的同频小区。,如下图示：,接下来可以计算同频小区的距离：,位置对应的两个同频小区中心之间的距离,D,即同频复用距离，计算公式：,D=sqrt(3N)*r,0,(r,0,为正六边形的顶点半径，即小区辐射半径,),同频复用比：,Q=D/r,0,=sqrt(3N),系统信道分配策略,(,小区间信道分配,),固定信道分配：每小区频率固定,动态信道分配：按需分配,固定与动态相结合：借用信道分配,2.4,信道分配策略,多信道共用技术与信道设计,（,1,）小区内多信道共用的概念,独立信道方式：用户在指定信道上工作，信道利用率不充分。,多信道共用：任何一个小区内的移动用户可选取小区内空闲信道，所有信道对用户共用。,多信道共用提高了小区内信道利用率。,（,2,）信道的自动选择方法,多信道技术的主要问题是怎样自动选择信道,传统方法（人工选择老式电话机）,自动选择方法：四种方式,专用呼叫信道方式,循环定位方式,循环不定位方式,循环分散定位方式,专用呼叫信道方式,在给定的多个共用信道中，选择一个信道专门作为呼叫信道，以完成建立通信联系的信道分配，而其余信道作为话务信道。,适合：大系统、多信道、蜂窝移动通信系统采用此方式，一个小区内有几十个信道、一次呼叫在几百毫秒。,循环定位方式,基站在空闲信道中可选择一个空闲信道，作为临时的呼叫信道，在此信道上基站发出呼叫信号在给定的多个共用信道中，没有专门指定的话务信道和呼叫信道，具体哪一个信道临时作为呼叫信道使用由基站控制，每个信道都有机会临时担当呼叫信道。,优点：信道利用率高，全部信道可通话，适用于中小容量的系统,缺点：处理时间长，有呼叫冲突现象。,循环不定位方式,基于循环定位方式，企图解决冲突现象。,基站在所有空闲信道上都发出空闲信号，通信双方随机地占据就近的空闲信道。,用户须进行信道扫描，基站下行需发长信号。,移动用户不定位呼叫基站，基站发长信号定位移动台建立通信。,只适合信道很少的系统，解决了冲突，但接续时间长，系统的全信道都工作，互调干扰严重。,循环分散定位方式,上种方法的改进，基站下行时，在所有信道上发呼叫信号，等待应答,解决接续时间长，但接续控制复杂，多信道工作。,（,3,）系统信道数的设计,在移动通信怎样设计信道的数量，满足通信的服务质量，满足用户的需求，是设计中的一个重要问题。,服务等级,GOS,，,用呼损率,B,表示。,（,3,）系统信道数的设计,用户越满意，但,B,太小,.,如,B=0,，,则需很多信道来满足,B,的要求，或意味着允许的用户数少，公网中一般取,B=0.05,在一个系统中，满足一定用户数,U,，,选择合理的,N,个信道，达到,B,要求的服务质量是信道设计的要点。,（,3,）系统信道数的设计,在多信道共用中，存在两种中继方式：,不对呼叫请求进行排队,阻塞呼叫清除，如果有空闲信道则立即进入，如果已没有空闲信道，则呼叫阻塞，拒绝进入。,对呼叫请求进行排队,根据排队论可得到在第一种中继方式下服务等级,B,的公式为：,N,：,信,道数，,A,提供的总话务量。,根据上式可得到：,B,、,A,、,N,的三者关系。上式一般计算成表，方便使用。,同时又根据用户数,U,、,每用户的话务量，可得,A,与用户数的关系，一般在工程设计时，将每用户的话务量考虑为忙时话务量计算。,每用户忙时话务量,C,：,用户每天平均呼叫的次数,T,：,每次呼叫平均占用信道的时间（秒,/,次）,K,：,集中系数，忙时话务量对全日（,24,小时）话务量的比，一般选,10%15%,信道利用率：,信道利用率表示在单位时间内，信道占用的话务量时间之比,(,常用,%,表示,),，,越大表示每信道越忙，空闲的时间越短，利用率越高。,2.5,切换策略,什么叫越区切换,当前正在通信的移动台与基站之间的链路转移到另一个基站的过程。,越区切换的种类,越区切换从技术上可分硬切换和软切换：,硬切换,：新的连接建立前，先中断旧的连接。例如,GSM,系统。,软切换,：指既维持旧的连接，又同时建立新的连接。例如,CDMA,系统。,越区切换的种类,越区切换从小区的性质上可分：,同一交换中心基站之间的越区切换,同一,BSC,之间的切换,不同,BSC,之间的切换,不同交换中心之间基站的越区切换，,微小区与宏小区之间的切换,同基站内不同扇区的切换，,不同运营商之间的切换。,切换的研究包括三个方面：,1.,越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换,2.,越区切换如何控制，也就是系统完成切换的实施过程,3.,越区切换时的信道分配。,切换策略的目标：,切换次数和中断次数最小,无明显干扰的快速通话转接,对新呼叫阻塞的影响最小,主要性能指标包括：,越区切换的失败概率,因越区失败而使通信中断的概率,越区切换的速率,越区切换引起的中断的时间间隔与时延,（,2,）越区切换的准则,决定何时需要进行越区切换，通常根据移动台处接收的平均信号强度，或信噪比、信干比、误比特率等参数。,基站,2,基站,2,的信号强度,基站,1,的信号强度,基站,1,A B C D,Th1,Th2,Th3,h,移动台,相对信号强度准则：,在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如,A,处。,缺点：在原基站信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换，特别在衰落信道下。,具有门限规定的相对信号强度准则：,仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可能进行切换。门限,Th2,，,B,点切换。,此法选门限为关键，门限低，如,Th3,，,会引越较大的越区时延，此时链路质量差，可能会导致信号中断。,具有滞后余量的相对信号强度准则,仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强很多（即大于滞后余量）的情况下切换。,C,点，,h,为滞后余量。,具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则：,将上述二准则结合。,上述各准则中信号强度的测量需注意：，由于信号有衰落，需取窗口，对一段信号求平均值，窗口的宽度越大，平均后方差越小，但时延越大，时延越大，掉话可能性越大。,（,3,）越区切换控制,过程控制主要有三种：,移动台控制的越区切换,网络控制的越区切换,移动台辅助的越区切换,移动台控制的越区切换,移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量，当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。,DECT,等小,系统常采用,，在大,系统中容易引起切换冲突,。,网络控制的越区切换,基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。,缺点：若,MS,失去联系，将造成信号中断。,第一代模拟系统采用此方法,切换时间长，可达,10S,。,移动台辅助的越区切换,网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。,第二代系统,GSM,，,CDMA,都,采用此方法,。,特点：时间快，切换过程,1s2s,，,信号中断,1s,。,(4),越区切换时的信道分配,越区切换时的信道分配涉及切换优先问题。,系统处理切换请求时常采用越区切换请求优先于初始呼叫请求。,优先切换的方法,A.,保留小区中所有信道中的一小部份，专门服务切换请求。,缺点：信道利用率降低,B.,对切换请求进行排队。,微小区高速移动切换的问题,在微小区，高速移动用户仅有很少时间就需切换，对系统压力太大，,一种宏小区与微小区相结合的伞状小区结构，切换时采用宏小区信道可解决上述问题。,2.6,干扰和系统容量,2.6.1,蜂窝系统的同频干扰,全向天线时,的同频干扰,2.6.1,蜂窝系统的同频干扰,m,：干扰源的总数,I,k,：相互独立的第,k,个干扰源对移动接收机的干扰功率,可设各小区干扰功率一样：,简化：只考虑第一层的干扰，小区一样大，,一般取,n=4,（城市环境）,例：,N=7,的小区,最坏结果计算：,将最短干扰距离定为平均数,例：,N=7,2.6.2,邻频干扰,相邻频率的信号干扰产生的原因：,发射信号的杂散、谐波,接收机滤波问题,解决办法：采用信道分配不相邻的方法。,2.7,中继和服务等级,移动通信网性能指标,话音质量和信噪比要求,话音传输质量以接收机输出端音频频带内的信噪比,S/N,或载噪比,C/N,来表示，业务种类不同，要求不同（公网高，专网低）。,移动数据传输常用误码率，一般只有,10,-4,左右，常用纠错等方法提高。,误码率一般用,E,b,/N,o,（,归一化信噪比）作为常数来计算，,E,b,/N,o,为折合到接收机输入端的比特能量,E,b,与噪声的单边功率谱密度,N,o,之比值。,话音质量和信噪比要求,话音质量的评定往往采用主观评定的办法，,CCITT,将评分质量分为五级,级别 评定类别 人的印象标准,5,优 几乎无噪声和失真，细节清晰可辨,4,良 有可感觉的轻微噪声和失真,3,中 有令人烦恼的噪声和失真,2,差 有令人非常烦恼的噪声和严重失真,1,劣 语言几乎不可懂,话音质量和信噪比要求,公网一般要求,4,级，专网,3,级,对于不同的移动业务，各国对,S/N,或,C/N,的,规定不一样,。,中国,：,模拟通信,，,移动用户与固定市话,、长话,用户通话时,，,要求,S/N,为,大于,29dB,或,C/N,为,17dB,，,相当于,4,级话音,。,美国,AMPS,网,要求,C/N,大于,18dB,，,日本要求,20dB,，,服务等级（,GOS,）,服务等级用呼损率,B,表示,B,：,在一个正常运行的系统中，忙时呼叫被阻塞的概率，单位为,Erlang,。,服务等级决定于系统中同时发出的呼叫数、总话务量、信道数量、系统设计等,呼损率包括无线信道呼损和中继电路呼损。,我国规定：无线信道,B0.05,，,在话务密度高的地区,B0.02,，,中继电路,B,应更低。,呼叫中断概率,在一个小时内建立的,Q,次呼叫中，若,N,次丢失，则呼叫中断概率为,N/Q,，,呼叫中断概率跟系统设计、严重干扰、越区切换等有关。,通信概率,移动通信由于受地形的影响和无线信号传播裒落影响，不可能达到覆盖范围的,100,。,通信概率是指移动用户在给定服务区域进行成功通话（达到规定通话质量）的概率，它包括位置概率和时间概率。,我国公网规定：城市通信概率,90%,，农村通信概率,50%,专网则要求较高，如铁路通信要求通信概率,(,在,3,级话音质量下,)95%,，。，,2.8,提高蜂窝系统容量,2.8.1,小区分裂,小区分裂是频率复用外，提高蜂窝网容量及频谱效率的又一重要概念,小区分裂是解决网中用户的增加，解决网中用户密度的不同的有效方法,小区分裂为：在原小区的基础上增加新基站，如常用,1,：,4,方案，新小区半径是原小区的一半,2.8.2,划分扇区,利用定向天线来改变同频干扰，从而可选较小簇，一般用,120,扇区,