西電通信原理大作業(yè)

1、西安電子科技大學(xué)通信原理大作業(yè)蜂窩通信網(wǎng)姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)通信網(wǎng)是在多點(diǎn)之間傳遞信息的通信系統(tǒng)。通信網(wǎng)的基本組成部分是終端設(shè)備、通信鏈路和交換設(shè)備，有些通信網(wǎng)中還包含轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。隨著時(shí)代的發(fā)展，通信網(wǎng)也有著多種不同的應(yīng)用和技術(shù)的進(jìn)步。其中移動(dòng)通信網(wǎng)在我們的生活中起到無可取代的作用，蜂窩網(wǎng)是當(dāng)前最主要的一種移動(dòng)通信網(wǎng)，主要由基站、移動(dòng)臺(tái)、移動(dòng)交換中心組成，并與固定電話網(wǎng)相連。第一代蜂窩網(wǎng)采用模擬調(diào)制體制，現(xiàn)已淘汰。第二段蜂窩網(wǎng)采用數(shù)字調(diào)制體制，以電話通信為主，目前正在廣泛使用中。我國采用的第二代蜂窩網(wǎng)體制主要是GSM。第三代蜂窩網(wǎng)正在發(fā)展中，它應(yīng)能滿足數(shù)據(jù)傳輸和多媒體通信的需求，以及

2、全球漫游。本文主要介紹蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)及其相關(guān)問題1.蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)基本概述蜂窩系統(tǒng)也叫“小區(qū)制”系統(tǒng)。是將所有要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在110km左右。在每個(gè)小區(qū)設(shè)立一個(gè)基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務(wù)。并可通過小區(qū)分裂進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。這種系統(tǒng)由移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、基站（BS）設(shè)備及移動(dòng)臺(tái)（MS）（用戶設(shè)備）以及交換中心至基站的傳輸線組成。目前在我國運(yùn)行的900MHz 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（TACS）模擬系統(tǒng)和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）數(shù)字系統(tǒng)都屬于這一類。就是說移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)交換中心與公共的電話交換網(wǎng)（就是我們平時(shí)所說的電話網(wǎng)PSTN）之間相連，

3、移動(dòng)交換中心負(fù)責(zé)連接基站之間的通信，通話過程中，移動(dòng)臺(tái)（比如手機(jī)）與所屬基站建立聯(lián)系，由基站再與移動(dòng)交換中心連接，最后接入到公共電話網(wǎng)。通過把地理區(qū)域分成一個(gè)個(gè)稱為小區(qū)的部分，蜂窩系統(tǒng)就可以在這個(gè)區(qū)域內(nèi)提供無線覆蓋。蜂窩無線系統(tǒng)指的是在地理上的服務(wù)區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)用戶和基站的全體，而不是將一個(gè)用戶連到一個(gè)基站的單個(gè)鏈路。當(dāng)把頻譜分為很多信道，每個(gè)小區(qū)分配一組信道。從基站到移動(dòng)臺(tái)方向稱為前向信道，反之為反向信道。前向和反向信道共同組成了雙工蜂窩信道。當(dāng)使用頻分雙工時(shí)，前向和反向信道使用不同的頻率；當(dāng)使用時(shí)分雙工時(shí)，前向和反向信道占用不同時(shí)隙，但是用相同頻率。當(dāng)使用頻分雙工時(shí)，前向和反向信道使用不同的

4、頻率；當(dāng)使用時(shí)分雙工時(shí)，前向和反向信道占用不同時(shí)隙，但是用相同頻率。高容量蜂窩系統(tǒng)在小區(qū)間進(jìn)行頻率復(fù)用，如圖所示。N個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)簇（cluster,又叫區(qū)群），則服務(wù)區(qū)全部可用頻譜分到一個(gè)簇，且簇內(nèi)各小區(qū)獲得不同信道：如N是簇大小，系統(tǒng)有M個(gè)信道資源，則簇內(nèi)每個(gè)小區(qū)獲得信道數(shù)位M/N。簇周期性重復(fù)實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，于是出現(xiàn)同頻小區(qū)，且呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)。同頻小區(qū)會(huì)引起同頻干擾，因此同頻小區(qū)之間要距離足夠遠(yuǎn)以避免同頻干擾，兩個(gè)同頻小區(qū)中心之間的最小距離 ,其中R是小區(qū)半徑。人們認(rèn)識(shí)到，同頻干擾是制約無線通信系統(tǒng)的容量和鏈路質(zhì)量的主要因素之一。在系統(tǒng)容量（大尺度）和鏈路質(zhì)量（小尺度）之間做折中時(shí)，它起著舉

5、足輕重的作用。如在不增加系統(tǒng)分配頻譜帶寬的前提下，要獲得高容量可以減小N，然而此時(shí)因?yàn)橥l距離減小又增加了同頻干擾，這會(huì)降低鏈路質(zhì)量。由于無線傳播影響，用戶移動(dòng)性以及話務(wù)量變化，蜂窩系統(tǒng)中的有用信號(hào)和干擾都是隨機(jī)信號(hào)，很難對他們建立解析模型，主要靠仿真來估計(jì)。一般需要對蜂窩之間的射頻傳播環(huán)境和移動(dòng)用戶的位置進(jìn)行建模才能仿真。另外，每個(gè)用戶話務(wù)量的統(tǒng)計(jì)特征以及基站中信道分配方案的類型決定了瞬時(shí)干擾電平和系統(tǒng)容量?？紤]到如上特性，蜂窩系統(tǒng)中在考慮同頻干擾對系統(tǒng)性能的影響時(shí)主要采用系統(tǒng)的中斷概率進(jìn)行分析。其定義如下：Poutage=PrpSIR<SIR0=0SIR0pSIR(x)dx2. 求解

6、目標(biāo)著重對蜂窩系統(tǒng)的業(yè)務(wù)行為、中繼、信道復(fù)用、信道、用戶移動(dòng)行為，扇區(qū)化等進(jìn)行建模，對中斷率（質(zhì)量）、可接受蜂窩面積（覆蓋）進(jìn)行仿真計(jì)算，并分析上述兩個(gè)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)與容量與扇區(qū)化、簇大小的關(guān)系。3.建立模型本次給出蜂窩系統(tǒng)的簡單仿真實(shí)例，著重解決求解目標(biāo)中的問題。為了解決整體的仿真蜂窩系統(tǒng)，下面將先對系統(tǒng)的單個(gè)部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。.業(yè)務(wù)模型-中繼和服務(wù)等級(jí)用戶的統(tǒng)計(jì)特性主要描述為以下兩方面1.單個(gè)用戶隨機(jī)地接入系統(tǒng)，也就是隨機(jī)地發(fā)出一個(gè)呼叫請求。同一用戶的兩個(gè)連續(xù)的呼叫請求之間的時(shí)間間隔，服從指數(shù)分布。因此對應(yīng)的pdf 是p=exp(-)其中是單個(gè)用戶在單位時(shí)間內(nèi)呼叫請求的平均次數(shù)（單位時(shí)間

7、呼叫數(shù)）。我們假定有U個(gè)用戶，由任意兩個(gè)用戶發(fā)出的兩個(gè)連續(xù)呼叫請求之間的時(shí)間間隔也服從指數(shù)分布，呼叫請求的平均次數(shù)是=U。2.呼叫周期也是服從指數(shù)分布的隨機(jī)變量，于是短呼叫比長呼叫發(fā)生的次數(shù)要多。呼叫周期用s表示，則s的pdf 是fss=exp(-s)其中，1/=H 是平均呼叫周期（單位時(shí)間）。基于這些統(tǒng)計(jì)特性，大量用戶可以共享數(shù)量較少的信道。因?yàn)閱蝹€(gè)用戶不需要在所有時(shí)間都接入系統(tǒng)，可以僅在呼叫期間給用戶分配信道。呼叫終止后，信道返回可用信道庫。由于所有信道可能都在為其他用戶服務(wù)，信道變得繁忙，于是新呼叫被阻塞。根據(jù)用戶的統(tǒng)計(jì)特性、信道庫中的可用信道數(shù)、中繼系統(tǒng)的一些特征，我們可以確定由于缺乏

8、空閑信道而阻塞的概率。這個(gè)概率叫阻塞概率，是中繼系統(tǒng)的“服務(wù)等級(jí)”的一個(gè)量度。單個(gè)用戶的統(tǒng)計(jì)特性可以概括在用戶產(chǎn)生的話務(wù)量 中，用愛爾蘭做單位可以定義。一個(gè)包含U個(gè)用戶的系統(tǒng)中，總流入話務(wù)量用愛爾蘭表示。為了確定中繼系統(tǒng)提供的用戶服務(wù)質(zhì)量，一個(gè)很重要的考慮就是系統(tǒng)怎樣處理呼叫阻塞。兩個(gè)基本策略。第一個(gè)策略是：呼叫請求被阻塞就清除，這時(shí)的中繼系統(tǒng)稱為阻塞清除系統(tǒng)。第二個(gè)策略是：將阻塞呼叫保持在一個(gè)隊(duì)列中，當(dāng)有可用信道時(shí)再提供服務(wù)，采用這種策略的系統(tǒng)是阻塞呼叫延遲系統(tǒng)。我們主要討論前者，因?yàn)檫@更常見。因此做如下假設(shè)：Ø 阻塞的呼叫被清除Ø 呼叫到達(dá)無記憶Ø 有限個(gè)用戶

9、Ø 信道庫有C個(gè)可用中繼信道在這些條件下，阻塞率PB可以用愛爾蘭B公式給出。愛爾蘭B公式將流入話務(wù)量A、中繼信道數(shù)C和阻塞率聯(lián)系起來。.信道模型在分析蜂窩系統(tǒng)的性能時(shí)，非常重要的就是精確的建立無線傳播對接收信號(hào)的影響模型，因?yàn)檫@些影響通常是系統(tǒng)性能惡化的主要原因。接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性主要涉及到兩個(gè)重要的傳播效應(yīng)：小尺度衰落以及陰影衰落。其中小尺度衰落是由局部區(qū)域的多徑造成的，而陰影是由諸如樹木、建筑物等因素引起本地平均信號(hào)的隨機(jī)衰減造成的。測量表明，無線通信系統(tǒng)的本地平均電平可以用對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量精確的建模，當(dāng)用分貝表示時(shí)，服從正態(tài)分布。由面積均值和標(biāo)準(zhǔn)差來刻畫。面積均值是發(fā)射機(jī)或接收

10、機(jī)分隔距離、發(fā)射機(jī)功率級(jí)、天線增益的函數(shù)，而陰影的標(biāo)準(zhǔn)差取決于物理環(huán)境。盡管在某些情況下，有用信號(hào)和干擾信號(hào)的陰影是性能變差的主要原因，但在一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真中，必須同時(shí)考慮小尺度衰落的影響。然而由于抵消小尺度衰落影響的技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如空間分集、擴(kuò)頻、編碼和交織、技術(shù)等，我們可以認(rèn)為接收信號(hào)主要取決于大尺度陰影影響。為了簡單起見，假設(shè)平均掉了小尺度的影響，因此僅考慮陰影和路徑損耗。假設(shè)平均掉了小尺度衰落影響，而有用信號(hào)或單個(gè)干擾信號(hào)的本地平均功率級(jí)呈現(xiàn)出對數(shù)正態(tài)變化。如果使用dBW表示，本地平均功率級(jí)可以建模為X=log10=mx+ dBW這里，mx是區(qū)域的平均功率級(jí)，是標(biāo)準(zhǔn)差X的零均值正

11、態(tài)隨機(jī)變量，這是由大尺度障礙造成的陰影。區(qū)域平均功率通常建模如下：mx=PT+GTT,T+GRT,R-10Klog10d dBW其中，d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間隔，為路徑損耗指數(shù)，PT為發(fā)射功率，發(fā)射和接收天線增益為GT GR ，K是模型中所有不變項(xiàng)組成的，T和T是發(fā)射端到接收端的發(fā)射俯仰角和方位角，R和R是信號(hào)到達(dá)接收天線的到達(dá)俯仰角和方位角。這四個(gè)角度取決于移動(dòng)臺(tái)和基站天線的相對位置。.扇區(qū)化的小區(qū)為了減少同頻干擾，蜂窩通信系統(tǒng)通常要在基站中使用幾個(gè)扇區(qū)化天線。每個(gè)扇區(qū)化天線在指定扇區(qū)內(nèi)發(fā)射，而且為每個(gè)扇區(qū)分配小區(qū)全部可用信道的一部分信道。因此，由于基站的定向性，減少了基站或移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)天線的同

12、頻干擾?？紤]蜂窩系統(tǒng)中基站的雙向鏈路上都配置了扇區(qū)化天線。假設(shè)波束寬度BW=120度，扇區(qū)化天線的正反向比是無窮大，因此在波束寬度之外沒有功率發(fā)射。還假設(shè)使用的簇大小為N=4。首先考慮前向鏈路，由于基站天線的定向性，第一層同頻小區(qū)干擾基站數(shù)由6減為2，反向鏈路上也由6減為2，見后圖.可見，扇區(qū)化是減少同頻干擾的有效辦法。顯然減弱程度取決于扇區(qū)化天線的波束寬度和使用的簇大小。實(shí)際中使用的扇區(qū)天線的正反向比是有限的，因此來自第一層同頻小區(qū)的干擾小區(qū)數(shù)仍為6，不過其中的一些變得很弱，因?yàn)榻?jīng)正反向比衰減了。.總的同頻干擾基于接收到的單個(gè)干擾信號(hào)僅受陰影和路徑損耗的影響這一假設(shè)，總的同頻干擾可以建模為單

13、個(gè)干擾信號(hào)的復(fù)合，他們的本地平均功率級(jí)均服從對數(shù)正態(tài)變化。通常假設(shè)每一個(gè)干擾的相移因散射而變化顯著，于是我們可以假設(shè)相位是隨機(jī)的，因而在本地區(qū)域做平均時(shí)，信號(hào)是非相干疊加的。因此，給定位置的總同頻干擾I可以建模為對數(shù)正態(tài)分布信號(hào)之和，即I=i=1kIi其中在Ii以分貝表示時(shí)，可以用式X=log10=mx+ dBW 來建模。人們廣泛接受這么一個(gè)事實(shí)，即對數(shù)正態(tài)分布變量的和可以近似的表示為另一個(gè)對數(shù)正態(tài)分布。兩種流行的方法有wilkson和schwartz與yeh方法。我們一旦知道每一個(gè)單獨(dú)的同頻干擾信號(hào)，也就是說已知了的均值和，那我們就可以用wilkson和schwartz與yeh方法來計(jì)算總的

14、干擾的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，mI和I。簡言之，均值和方差都是和的形式。4.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?定義要仿真的系統(tǒng)我們要仿真的系統(tǒng)具有特征如前所述的中繼系統(tǒng)、信道模型、扇區(qū)化小區(qū)。這里定義傳播特性（信道參數(shù)）以及同頻小區(qū)的位置。傳播特性（信道參數(shù)）包括：Ø 小區(qū)半徑Ø 路徑損耗指數(shù)Ø 以分貝為單位的對數(shù)正態(tài)陰影的標(biāo)準(zhǔn)差Ø 基站發(fā)射功率級(jí)Ø 每個(gè)小區(qū)的扇區(qū)數(shù)Ø 扇區(qū)化天線的正反向比Ø 要仿真的瞬時(shí)位置組數(shù)這些都在仿真中輸入設(shè)定。同頻小區(qū)的位置同頻小區(qū)的位置由蜂窩系統(tǒng)簇大小和小區(qū)半徑?jīng)Q定。同頻小區(qū)的第一層位于以中心小區(qū)基站為圓心、半徑為D=sqrt(

15、3N)R的圓周上，而且彼此的距離相等。如圖所示，我們僅考慮第一層同頻小區(qū)的干擾。第i個(gè)同頻小區(qū)的位置用向量可以表示為：xBSix+yBSiy=3NRcosN+i-16x+sin(N+(i-1)/6)y.把移動(dòng)臺(tái)放入每一個(gè)小區(qū)假設(shè)移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)均勻的隨機(jī)分布。同頻干擾發(fā)生在分配了同一組信道的扇區(qū)間。在仿真中，假設(shè)位于中央小區(qū)和同頻小區(qū)的移動(dòng)臺(tái)處于同一扇區(qū)。使用極坐標(biāo)描述，即移動(dòng)臺(tái)距離各自中心小區(qū)基站的距離r以及移動(dòng)臺(tái)與基站傳播方向與參考方向間的夾角beta。這樣在以被研究小區(qū)為中心小區(qū)的坐標(biāo)系中的移動(dòng)臺(tái)的絕對位置就可以由同頻小區(qū)的位置以及移動(dòng)臺(tái)相對于各自小區(qū)的位置決定。未扇區(qū)化的小區(qū)中，移動(dòng)臺(tái)均

16、勻分布在小區(qū)內(nèi)，因此beta在0 2Pi內(nèi)隨機(jī)分布，距離r服從概率分布fRr=2r/R2在扇區(qū)化后，移動(dòng)臺(tái)以等概出現(xiàn)在各扇區(qū)。且一旦隨機(jī)選定扇區(qū)后，移動(dòng)臺(tái)就隨機(jī)出現(xiàn)在所選扇區(qū)內(nèi)。.計(jì)算移動(dòng)臺(tái)和基站之間的距離Ø 同頻移動(dòng)臺(tái)到中心小區(qū)基站的向量（反向鏈路干擾使用）中心小區(qū)基站坐標(biāo)（0，0）-各同頻移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)Ø 同頻小區(qū)基站到中心移動(dòng)臺(tái)向量（前向鏈路干擾使用）中心移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)-各同頻小區(qū)基站坐標(biāo).計(jì)算雙向鏈路上接收到的有用信號(hào)和干擾信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Ø 有用信號(hào)前向和反向鏈路均值（dBW）msf=PT,BS-10log10r0dBWmsf=PT,MS-10log10r0d

17、BW式中，f代表前向，r代表反向。在表達(dá)式中，雙向鏈上的基站天線增益都被設(shè)置成0dBW,k=1.Ø 有用信號(hào)前向和反向鏈路的標(biāo)準(zhǔn)差等于陰影的標(biāo)準(zhǔn)差，因此sf=sr=Ø 總干擾信號(hào)總頻頻干擾建模為單個(gè)同頻干擾之和If=iIif Ir=iIirØ 干擾信號(hào)前向和反向鏈路標(biāo)準(zhǔn)差 msf=PT,BS-10log10r0dBWmsf=PT,MS-10log10r0dBWK=1，GT,iT,i, GR,iR,i取決于移動(dòng)臺(tái)的相對位置，具有如下描述：GT,iT,i= GR,iR,i=0 dB,扇區(qū)內(nèi)-B dB，扇區(qū)外Ø 干擾信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差等于陰影的標(biāo)準(zhǔn)差I(lǐng),if=I,i

18、r=Ø 總干擾信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差使用wilkinson方法，原理如前所述，多個(gè)對數(shù)正態(tài)分布和仍然是對數(shù)正態(tài)分布。由以上計(jì)算的各路干擾信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差做參數(shù)代入，即可得到總干擾信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差mIf,mIr,If,Ir。.確定雙向鏈路SIR的均值和標(biāo)準(zhǔn)差因?yàn)橛杏眯盘?hào)和總同頻干擾都用dB表示時(shí)是正態(tài)隨機(jī)變量，所以用dB表示的信噪比SIR也是正態(tài)隨機(jī)變量。對于前向鏈路，有SIRf=SdBf-IdBf其均值和標(biāo)準(zhǔn)差為mSIRf=mSf-mIfSIRf=(Sf)2+(If)2反向鏈路亦然。.計(jì)算中斷概率（3種方法）解析方法如前所述，我們可以得到針對每一組瞬時(shí)位置時(shí)用dB表示的SIR均值和標(biāo)

19、準(zhǔn)差。于是我們可以用前面計(jì)算的解析方法計(jì)算中斷概率Poutage=PrpSIR<SIR0 =0SIR0pSIRxdx=0SIR012SIRexp-(x-mSIR)22SIR2=1-Q(SIR0-mSIRSIR)蒙特卡羅方法方法A對具有上述SIR均值和方差的正態(tài)隨機(jī)過程進(jìn)行SIR采樣，如果得到瞬時(shí)值sir<SIR0(中斷閾值)，則中斷次數(shù)加一，重復(fù)足夠多次直到 中斷概率=中斷次數(shù)/總測試次數(shù) 收斂到穩(wěn)定值。方法B：對具有有用信號(hào)和單個(gè)干擾信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)過程進(jìn)行采樣，得到有用信號(hào)和單個(gè)干擾信號(hào)的樣本。然后利用下述公式，代入上述樣本進(jìn)行SIR計(jì)算If=10log10(i=1

20、610Iif/10)Ir=10log10(i=1610Iir/10)SIRf=Sf-IfSIRr=Sr-Ir系統(tǒng)性能可接受蜂窩面積比運(yùn)算從仿真過程可以看出，中斷率可以通過把用戶隨機(jī)放置在選定小區(qū)的范圍，然后把在每個(gè)位置計(jì)算出的中斷概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得到的。由于進(jìn)行了平均，在某個(gè)給定位置的高中斷概率可以由另一個(gè)位置的低中斷概率補(bǔ)償。在性能分析中，希望有一種小區(qū)面積百分比度量以指示多大比重的小區(qū)具有可接受的或者不可接受的系統(tǒng)性能。計(jì)算方法：首先定義可靠性概率：SIR大于給定閾值的概率。顯然有PrellaSIR0=PrSIR>SIR0=1-Poutage(SIR0)則系統(tǒng)性能可接受的蜂窩面積百分

21、比PareaSIR0=PrellaSIR0>Pmin位置數(shù)所有位置數(shù)5.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1：上述三種計(jì)算中斷率方法執(zhí)行結(jié)果對比實(shí)驗(yàn)2：對比以下六種不同配置下蜂窩系統(tǒng)性能-中斷率Ø 簇大小N=4，全向天線Ø 簇大小N=4，120度扇區(qū)化天線Ø 簇大小N=4，60度扇區(qū)化天線Ø 簇大小N=7，全向天線Ø 簇大小N=7，120度扇區(qū)化天線Ø 簇大小N=7，60度扇區(qū)化天線實(shí)驗(yàn)3：對比以上六種不同配置下蜂窩系統(tǒng)性能-可接受蜂窩面積比6.仿真結(jié)果與分析結(jié)果驗(yàn)證1：三種計(jì)算中斷率方法執(zhí)行結(jié)果對比輸入：輸出：三種方法得到的中斷概率相同，可見解析法與蒙特卡羅方法得到的結(jié)果一致。結(jié)果驗(yàn)