件蜂窩的概念PPT課件

1、1,第2章 蜂窩的概念,移動通信的組網(wǎng),2,2.1 蜂窩的概念,3,一、組網(wǎng)的基本問題,蜂窩電話如何接通？ 過程： (1)當蜂窩電話打開但還沒有進行通話時，它首先檢查前向控制信道組來確定信號最強的一個，接著監(jiān)視該控制信道直至信號降到不可用的水平，然后它再檢測該控制信道以確定哪個基站信號最強,4,2)當有電話呼叫某用戶時，MSC向蜂窩系 統(tǒng)里的所有基站發(fā)送請求。移動識別號 (MIN)即用戶電話號碼，作為尋呼內容廣播 到蜂窩系統(tǒng)內的所有前向控制信道內，移動 終端接收到它監(jiān)視的基站發(fā)送的確認信息并 提示MSC進行切換。這樣， MSC指示BS將該呼叫 轉移到該小區(qū)內沒有使用的信道上去（一般每個 小區(qū)有

2、一個控制信道和1056個語音信道），BS通 知移動終端將頻率改到一個沒被使用的前向和反 向語音信道上去，在此基礎上，另一個數(shù)據(jù)信息,5,稱為警告）通過前向語音信道發(fā)送到移 動手機通知它振鈴，以提示用戶接電話 （總共幾秒鐘）。 (3)一旦通話開始了，為了保證用戶在移進 及移出基站時的通話質量，MSC調整移動 終端的發(fā)送功率和移動終端與基站間的信 道，這叫做切換。語音信道使用了特殊的 控制信道來使BS和MSC在通話過程中控制 移動終端,6,4)當移動終端主呼時，在反向控制信道中發(fā)送通話初始請求，通過這個請求，移動終端將電話號碼、電子序列號(ESN)和被叫電話號碼發(fā)送出去，移動終端還發(fā)送基站分類標識

3、(SCM),表明該用戶發(fā)送功率水平。小區(qū)基站接收到這些信息并將其發(fā)送給MSC。 MSC再校驗該請求后，通過PSTN連接到被叫方，同時通知基站和主叫用戶將信道移到?jīng)]被使用的前向和反向信道上去，以便開始通話,7,如何解決容量問題？ 當前移動通信發(fā)展所遇到的最突出的問題， 就是有限的可用頻率如何有秩序的提供給越 來越多的用戶使用二互不相互干擾，這涉及 到頻率的管理和有效利用。比如，目前GSM 系統(tǒng)可用頻帶為10MHZ,相鄰頻道間隔為 200kHZ，頻道配置采用等間隔配置方法，因 而只有49個頻道，這么少的頻道數(shù)如何容納 上億計的用戶來進行通話呢,8,答案：我們通過劃分小區(qū)、頻率復用、小區(qū)分裂以及多址

4、聯(lián)接等技術來解決通亮問題。 二、組網(wǎng)體制 大區(qū)制 （早期） 小區(qū)制 （目前的蜂窩系統(tǒng),9,大區(qū)制通信網(wǎng),定義：在一個服務區(qū)內（如東營市）只有一個基地站，并由它負責移動通信的聯(lián)絡和控制。 大區(qū)制盡可能地增大基站覆蓋范圍，解決大區(qū)域的移動通信業(yè)務。 特征： (1)基站天線架設得很高，可達幾十米百余米,10,2)為了大范圍覆蓋，發(fā)射功率很大，一般為50200W; (3)實際覆蓋半徑達3050KM. 決定覆蓋半徑的因素： (1)地球曲率； (2)地形影響 (3)多徑反射 (4)移動臺發(fā)射功率小，上行信號傳輸距離有限（上下行功率差可達612dB）,出現(xiàn)手機在服務區(qū)內接收信號很強，卻打不出電話的現(xiàn)象,11

5、,大區(qū)制的特點： 優(yōu)點： 網(wǎng)路結構簡單，成本低； 覆蓋面積大 缺點： 基站頻道數(shù)目有限，容量不大，一般用戶數(shù) 只能達幾十至幾百個。 實現(xiàn)：一般借助市話交換局設備，將基站的收發(fā)信設備與市話交換局連接起來，借助于很高的天線，為一個大的服務區(qū)提供移動通信業(yè)務,12,大區(qū)制解決上行信號問題的辦法： 設置分集接收臺 基站發(fā)射用全向天線，基站接收用定向天線（可有810dB增益） 提高基站接收靈敏度 同頻轉發(fā),13,2.2 服務小區(qū)的形狀,條狀服務區(qū) 面狀服務區(qū),14,條狀服務區(qū),定義：指用戶的分布呈條狀（或帶狀），例如鐵路、公路、狹長城市、沿海水域、河流等。 圖2.1、2.2,15,面狀服務區(qū),通常情況下

6、，服務區(qū)不呈條狀而是一個 寬廣的平面，稱為面狀服務區(qū)。 構成方法： 將整個服務區(qū)劃分為許多小區(qū)(無線區(qū))，這些小區(qū)的實際形狀取決于電波傳播條件和方向性。 實際的面狀小區(qū)的覆蓋，基站天線全向輻射時為一個圓，實際為不規(guī)則，有重疊區(qū),16,理想情況：若基站使用全向發(fā)射天線，基 站覆蓋區(qū)實際上是一個圓。但從理論上說，圓 形小區(qū)鄰接會出現(xiàn)多重覆蓋或無覆蓋區(qū)。 為了理論分析和設計方便，用全覆蓋的形 狀代表，可用全六邊形、四面形、三角形，面 積最大、最直接的為六邊形,17,面狀服務區(qū)與蜂窩結構,一個蜂窩系統(tǒng)構成的基本條件： 基本圖案能彼此鄰接且無空隙地覆蓋整個面積。 相鄰單元中，同頻道的小區(qū)間距離相等，且為

7、最大。 區(qū)域內的各個小區(qū)使用不同的頻道。 簇獲得全部頻率。 簇：共同使用全部可用頻率的N個小區(qū)叫做一簇，若系統(tǒng)中簇復制得越多，則系統(tǒng)容量越大，頻率的利用率越高。 因數(shù)N叫做簇的大小，典型值3、4、7、9、12,18,19,蜂窩的概念 1974，Bell實驗室提出蜂窩概念 蜂窩系統(tǒng)-“小區(qū)制”系統(tǒng) 將所要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在110km左右。在每個小區(qū)設立一個基站為本小區(qū)范圍內的用戶服務。并可通過小區(qū)分裂進一步提高系統(tǒng)容量。 “頻率復用”的概念：同頻干擾的強弱與同頻復用小區(qū)間距和小區(qū)半徑的比值有關，信干比可控。 特點：用戶容量大，服務性能較好，頻譜利用率較

8、高，用戶終端小巧且電池使用時間長，輻射小等。 新的問題：系統(tǒng)復雜、越區(qū)切換、漫游、位置登記更新和管理、以及系統(tǒng)鑒權等,20,小區(qū)制通信網(wǎng),隨著擁護數(shù)量的增大，話務量響應增大，需要提供很多波道才能滿足通話要求。為了增大服務面積，從頻率復用的觀點出發(fā)，可以將整個服務區(qū)劃分為若干個半徑為220km的小區(qū)域，每個小區(qū)域中設置基站，負責與小區(qū)內移動用戶的無線通信，這種方式稱為小區(qū)制,21,小區(qū)制的特點： 可以提高頻率利用率（相隔一定距離的小區(qū)可以同時使用相同的工作頻率組） 具有組網(wǎng)的靈活性 網(wǎng)路構成復雜,22,小區(qū)制網(wǎng)構成方式： 基本小區(qū)有：（r：小區(qū)半徑） 超小區(qū)： r 20km（農(nóng)村） 宏小區(qū)： r

9、 1-20km（人口稠密地區(qū)） 微小區(qū)： r 0.1-1km（城市繁華區(qū)） 微微小區(qū)： r 0.1km（辦公室、家庭） 優(yōu)點：提高頻率利用率，組網(wǎng)靈活 缺點：網(wǎng)絡復雜,23,蜂窩的分類,宏蜂窩(Macro-cell)：220km 微蜂窩(Micro-cell)：0.42km 皮蜂窩(Pico-cell)：400m 分層蜂窩(由多種蜂窩組成) 多維小區(qū),24,25,2.3 頻率復用,頻率復用是小區(qū)制網(wǎng)的核心問題。 定義：小區(qū)內基站的工作頻率，由于電波傳播損耗產(chǎn)生的隔離度，可以在相隔一定距離后的另一小區(qū)重復使用。 研究同頻干擾和同頻小區(qū)間的距離是頻率復用的依據(jù)。 同頻小區(qū)間的距離取決于能容的同頻干

10、擾。同頻干擾又取決于話音質量要求的載噪比（C/N）或C/I,26,1、同頻干擾與同頻復用比,D：同頻基站間的距離為同頻復用距離 R：小區(qū)半徑,27,定義：Q=D/R為同頻復用比 同頻復用比告訴我們： Q復用次數(shù)越多，系統(tǒng)容量越大； Q 復用次數(shù)越少，話音質量好，干擾小。 Q的選取主要考慮C/I比，C/I取決于同頻干擾射頻防衛(wèi)度，射頻防衛(wèi)度是滿足接收質量要求時的射頻信號與干擾信號之比（射頻防衛(wèi)度，一般定為話音4級時為17dB、3級時為12dB,28,2、服務區(qū)形狀,條狀服務區(qū) 面狀服務區(qū),29,條狀服務區(qū),定義：指用戶的分布呈條狀（或帶狀），例如鐵路、公路、狹長城市、沿海水域、河流等。 條狀服務

11、區(qū)示意圖,30,條狀網(wǎng)的頻率復用： 可采用多個頻率復用，二頻復用，三頻，四頻 從建網(wǎng)成本和頻率利用率角度看，二頻組可取； 從減少同頻干擾的角度看，三頻組可取，但不論二、三、四頻組，其同頻干擾都不可避免。 二頻組、三頻組示意圖 復用時需確定重疊區(qū)：重疊區(qū)太大，越區(qū)干擾大，重疊區(qū)小，弱電場區(qū)可能多,31,重疊區(qū)的確定 在設計小區(qū)時應考慮兩個相連區(qū)域的連接處要有一定縱深的重疊區(qū)來減少可能出現(xiàn)的弱電場區(qū)及不可通概率。但是重疊區(qū)過深又會招致越區(qū)干擾，所以必須設計得當,32,33,寬度a可根據(jù)對C/I設計要求，由上式計 算出來，這樣就可以確定出重疊區(qū)的大小,34,小區(qū)數(shù)的確定 根據(jù)所需的信干比來確定小區(qū)數(shù)

12、,35,面狀服務區(qū),通常情況下，服務區(qū)不呈條狀而是一個 寬廣的平面，稱為面狀服務區(qū)。 構成方法： 將整個服務區(qū)劃分為許多小區(qū)(無線區(qū))，這些小區(qū)的實際形狀取決于電波傳播條件和方向性。 實際的面狀小區(qū)的覆蓋，基站天線全向輻射時為一個圓，實際為不規(guī)則，有重疊區(qū),36,理想情況：若基站使用全向發(fā)射天線，基 站覆蓋區(qū)實際上是一個圓。但從理論上說，圓 形小區(qū)鄰接會出現(xiàn)多重覆蓋或無覆蓋區(qū)。 為了理論分析和設計方便，用全覆蓋的形 狀代表，可用全六邊形、四面形、三角形，面 積最大、最直接的為六邊形,37,面狀服務區(qū)與蜂窩結構,一個蜂窩系統(tǒng)構成的基本條件： 基本圖案能彼此鄰接且無空隙地覆蓋整個面積。 相鄰單元中

13、，同頻道的小區(qū)間距離相等，且為最大。 區(qū)域內的各個小區(qū)使用不同的頻道。 簇獲得全部頻率。 簇：共同使用全部可用頻率的N個小區(qū)叫做一簇，若系統(tǒng)中簇復制得越多，則系統(tǒng)容量越大，頻率的利用率越高。 因數(shù)N叫做簇的大小，典型值3、4、7、9、12,38,39,N越大，則意味著同頻小區(qū)間距離越遠，同頻干擾越小。 N越小，則意味著一個系統(tǒng)中可有更多的簇，頻率利用率高，有更多的容量。 N的選取原則：從提高頻率利用率的角度，在保持滿意的通信質量的前提下，N應取最小值最好,40,滿足上述條件的簇的形狀和簇內小區(qū)數(shù) N是有限的，并且N滿足： N=a2+ab+b2 其中，a、b分別為相鄰同頻小區(qū)之間的二維距離(相隔

14、小區(qū)數(shù)) 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 28,41,同聘小區(qū)的距離： 確定同頻小區(qū)二維距離的方法： 自某小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂線方向跨a個小區(qū)，再按逆時針方向轉600 ，再跨上b 個小區(qū)，可以找到6個相鄰的同頻小區(qū)。 如下圖示,42,43,接下來可以計算同頻小區(qū)的距離： 位置對應的兩個同頻小區(qū)中心之間的距離D即同頻復用距離，計算公式： D=sqrt(3N)*r0 (r0 為正六邊形的頂點半徑，即小區(qū)輻射半徑) 同頻復用比：Q=D/ r0 = sqrt(3N,4

15、4,45,46,系統(tǒng)信道分配策略(小區(qū)間信道分配,固定信道分配：每小區(qū)頻率固定 動態(tài)信道分配：按需分配 固定與動態(tài)相結合：借用信道分配,2.4 信道分配策略,47,多信道共用技術與信道設計（1）小區(qū)內多信道共用的概念,獨立信道方式：用戶在指定信道上工作，信道利用率不充分。 多信道共用：任何一個小區(qū)內的移動用戶可選取小區(qū)內空閑信道，所有信道對用戶共用。 多信道共用提高了小區(qū)內信道利用率,48,2）信道的自動選擇方法,多信道技術的主要問題是怎樣自動選擇信道 傳統(tǒng)方法（人工選擇老式電話機） 自動選擇方法：四種方式 專用呼叫信道方式 循環(huán)定位方式 循環(huán)不定位方式 循環(huán)分散定位方式,49,專用呼叫信道方

16、式,在給定的多個共用信道中，選擇一個信道專門作為呼叫信道，以完成建立通信聯(lián)系的信道分配，而其余信道作為話務信道。 適合：大系統(tǒng)、多信道、蜂窩移動通信系統(tǒng)采用此方式，一個小區(qū)內有幾十個信道、一次呼叫在幾百毫秒,50,51,循環(huán)定位方式,基站在空閑信道中可選擇一個空閑信道，作為臨時的呼叫信道，在此信道上基站發(fā)出呼叫信號在給定的多個共用信道中，沒有專門指定的話務信道和呼叫信道，具體哪一個信道臨時作為呼叫信道使用由基站控制，每個信道都有機會臨時擔當呼叫信道。 優(yōu)點：信道利用率高，全部信道可通話，適用于中小容量的系統(tǒng) 缺點：處理時間長，有呼叫沖突現(xiàn)象,52,53,循環(huán)不定位方式,基于循環(huán)定位方式，企圖解

17、決沖突現(xiàn)象。 基站在所有空閑信道上都發(fā)出空閑信號，通信雙方隨機地占據(jù)就近的空閑信道。 用戶須進行信道掃描，基站下行需發(fā)長信號。 移動用戶不定位呼叫基站，基站發(fā)長信號定位移動臺建立通信。 只適合信道很少的系統(tǒng)，解決了沖突，但接續(xù)時間長，系統(tǒng)的全信道都工作，互調干擾嚴重,54,循環(huán)分散定位方式,上種方法的改進，基站下行時，在所有信道上發(fā)呼叫信號，等待應答 解決接續(xù)時間長，但接續(xù)控制復雜，多信道工作,55,3）系統(tǒng)信道數(shù)的設計,在移動通信怎樣設計信道的數(shù)量，滿足通信的服務質量，滿足用戶的需求，是設計中的一個重要問題。 服務等級GOS，用呼損率B表示,56,57,3）系統(tǒng)信道數(shù)的設計,用戶越滿意，但B

18、太小.如B=0，則需很多信道來滿足B的要求，或意味著允許的用戶數(shù)少，公網(wǎng)中一般取B=0.05 在一個系統(tǒng)中，滿足一定用戶數(shù)U，選擇合理的N個信道，達到B要求的服務質量是信道設計的要點,58,3）系統(tǒng)信道數(shù)的設計,在多信道共用中，存在兩種中繼方式： 不對呼叫請求進行排隊 阻塞呼叫清除，如果有空閑信道則立即進入，如果已沒有空閑信道，則呼叫阻塞，拒絕進入。 對呼叫請求進行排隊,59,根據(jù)排隊論可得到在第一種中繼方式下服務等級B的公式為,N：信道數(shù)，A提供的總話務量。 根據(jù)上式可得到：B、A、N的三者關系。上式一般計算成表，方便使用。 同時又根據(jù)用戶數(shù)U、每用戶的話務量，可得A與用戶數(shù)的關系，一般在工

19、程設計時，將每用戶的話務量考慮為忙時話務量計算,60,每用戶忙時話務量,C：用戶每天平均呼叫的次數(shù) T：每次呼叫平均占用信道的時間（秒/次） K：集中系數(shù)，忙時話務量對全日（24小時）話務量的比，一般選10%15,61,62,63,信道利用率,信道利用率表示在單位時間內，信道占用的話務量時間之比(常用%表示) ，越大表示每信道越忙，空閑的時間越短，利用率越高,64,65,66,67,2.5 切換策略,什么叫越區(qū)切換 當前正在通信的移動臺與基站之間的鏈路轉移到另一個基站的過程,68,越區(qū)切換的種類,越區(qū)切換從技術上可分硬切換和軟切換： 硬切換：新的連接建立前，先中斷舊的連接。例如GSM系統(tǒng)。 軟

20、切換：指既維持舊的連接，又同時建立新的連接。例如CDMA系統(tǒng),69,越區(qū)切換的種類,越區(qū)切換從小區(qū)的性質上可分： 同一交換中心基站之間的越區(qū)切換 同一BSC之間的切換 不同BSC之間的切換 不同交換中心之間基站的越區(qū)切換， 微小區(qū)與宏小區(qū)之間的切換 同基站內不同扇區(qū)的切換， 不同運營商之間的切換,70,切換的研究包括三個方面,1. 越區(qū)切換的準則，也就是何時需要進行越區(qū)切換 2. 越區(qū)切換如何控制，也就是系統(tǒng)完成切換的實施過程 3. 越區(qū)切換時的信道分配,71,切換策略的目標,切換次數(shù)和中斷次數(shù)最小 無明顯干擾的快速通話轉接 對新呼叫阻塞的影響最小,72,主要性能指標包括,越區(qū)切換的失敗概率

21、因越區(qū)失敗而使通信中斷的概率 越區(qū)切換的速率 越區(qū)切換引起的中斷的時間間隔與時延,73,2）越區(qū)切換的準則,決定何時需要進行越區(qū)切換，通常根據(jù)移動臺處接收的平均信號強度，或信噪比、信干比、誤比特率等參數(shù),74,75,相對信號強度準則,在任何時間都選擇具有最強接收信號的基站，如A處。 缺點：在原基站信號強度仍滿足要求的情況下，會引發(fā)太多不必要的越區(qū)切換，特別在衰落信道下,76,具有門限規(guī)定的相對信號強度準則,僅允許移動用戶在當前基站的信號足夠弱（低于某一門限），且新基站的信號強于本基站的信號情況下，才可能進行切換。門限Th2，B點切換。 此法選門限為關鍵，門限低，如Th3，會引越較大的越區(qū)時延，

22、此時鏈路質量差，可能會導致信號中斷,77,具有滯后余量的相對信號強度準則,僅允許移動用戶在新基站的信號強度比原基站信號強很多（即大于滯后余量）的情況下切換。 C點，h為滯后余量,78,具有滯后余量和門限規(guī)定的相對信號強度準則,將上述二準則結合。 上述各準則中信號強度的測量需注意：，由于信號有衰落，需取窗口，對一段信號求平均值，窗口的寬度越大，平均后方差越小，但時延越大，時延越大，掉話可能性越大,79,3）越區(qū)切換控制,過程控制主要有三種： 移動臺控制的越區(qū)切換 網(wǎng)絡控制的越區(qū)切換 移動臺輔助的越區(qū)切換,80,移動臺控制的越區(qū)切換,移動臺連續(xù)監(jiān)測當前基站和幾個越區(qū)時的候選基站的信號強度和質量，當

23、滿足某種越區(qū)切換準則后，移動臺選擇具有可用業(yè)務信道的最佳候選基站，并發(fā)送越區(qū)切換請求。 DECT等小系統(tǒng)常采用，在大系統(tǒng)中容易引起切換沖突,81,網(wǎng)絡控制的越區(qū)切換,基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質量，當信號低于某個門限后，網(wǎng)絡開始安排向另一個基站的越區(qū)切換。 缺點：若MS失去聯(lián)系，將造成信號中斷。 第一代模擬系統(tǒng)采用此方法 切換時間長，可達10S,82,移動臺輔助的越區(qū)切換,網(wǎng)絡要求移動臺測量其周圍基站的信號并把結果報告給舊基站，網(wǎng)絡根據(jù)測試結果決定何時進行越區(qū)切換以及切換到哪一個基站。 第二代系統(tǒng)GSM，CDMA都采用此方法。 特點：時間快，切換過程1s2s ，信號中斷1s,83,4)越區(qū)

24、切換時的信道分配,越區(qū)切換時的信道分配涉及切換優(yōu)先問題。 系統(tǒng)處理切換請求時常采用越區(qū)切換請求優(yōu)先于初始呼叫請求,84,優(yōu)先切換的方法,A. 保留小區(qū)中所有信道中的一小部份，專門服務切換請求。 缺點：信道利用率降低 B. 對切換請求進行排隊,85,微小區(qū)高速移動切換的問題,在微小區(qū)，高速移動用戶僅有很少時間就需切換，對系統(tǒng)壓力太大， 一種宏小區(qū)與微小區(qū)相結合的傘狀小區(qū)結構，切換時采用宏小區(qū)信道可解決上述問題,86,87,88,2.6 干擾和系統(tǒng)容量,89,2.6.1 蜂窩系統(tǒng)的同頻干擾,全向天線時 的同頻干擾,90,2.6.1 蜂窩系統(tǒng)的同頻干擾,m：干擾源的總數(shù) Ik：相互獨立的第k個干擾源

25、對移動接收機的干擾功率,91,可設各小區(qū)干擾功率一樣： 簡化：只考慮第一層的干擾，小區(qū)一樣大,一般取n=4（城市環(huán)境,例：N=7的小區(qū),92,最壞結果計算： 將最短干擾距離定為平均數(shù),例：N=7,93,2.6.2 鄰頻干擾,相鄰頻率的信號干擾產(chǎn)生的原因： 發(fā)射信號的雜散、諧波 接收機濾波問題 解決辦法：采用信道分配不相鄰的方法,94,2.7 中繼和服務等級,移動通信網(wǎng)性能指標,95,話音質量和信噪比要求,話音傳輸質量以接收機輸出端音頻頻帶內的信噪比S/N或載噪比C/N來表示，業(yè)務種類不同，要求不同（公網(wǎng)高，專網(wǎng)低）。 移動數(shù)據(jù)傳輸常用誤碼率，一般只有10-4左右，常用糾錯等方法提高。 誤碼率一般用Eb/No（歸一化信噪比）作為常數(shù)來計算，Eb/No為折合到接收機輸入端的比特能量Eb與噪聲的單邊功率譜密度No之比值,96,話音質量和信噪比要求,話音質量的評定往往采