蜂窩移動通信系統(tǒng)課件

1、前文回顧移動通信的基本概念移動通信的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)移動通信的特殊性通信介質(zhì)（無線信道）的特殊性通信終端的特殊性第1頁，共61頁。移動通信原理與應(yīng)用第三講蜂窩移動通信系統(tǒng)第2頁，共61頁。移動通信中的噪聲和干擾噪聲 內(nèi)部噪聲/人為噪聲/自然噪聲鄰道干擾同頻干擾互調(diào)干擾多址干擾第3頁，共61頁。噪聲對移動通信的影響人為噪聲主要表現(xiàn)為車輛點火噪聲噪聲強度隨地點的分布近似服從對數(shù)正態(tài)分布噪聲對話音質(zhì)量產(chǎn)生惡化車輛在行進的動態(tài)過程中，惡化量為達到靜態(tài)條件下一樣的話音質(zhì)量所需的接收電平增加量第4頁，共61頁。鄰道干擾來自相鄰或者相近的頻道的干擾f理想濾波器f實際濾波器非理想的濾波器是產(chǎn)

2、生鄰道干擾的主要原因第5頁，共61頁。由于工作頻帶緊隨的若干頻帶的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產(chǎn)生的干擾移動通信網(wǎng)內(nèi)，一組空間分散的臨近工作頻道引入的干擾1、發(fā)信邊帶擴展：發(fā)信頻譜超出限定的寬度，成為落到相鄰頻道的帶外輻射干擾?！救缥覈诘谝淮苿油ㄐ畔到y(tǒng)中規(guī)定，在160MHz和450MHz頻段，落在相鄰頻道16KHz帶內(nèi)的干擾功率，應(yīng)較載波功率低70dB。解決方法：拉寬頻率間隔；發(fā)信端使用濾波器】2、發(fā)信機邊帶噪聲 存在于發(fā)信機載頻的兩側(cè)，而且噪聲頻譜很寬，可能在數(shù)M赫茲內(nèi)對接收機產(chǎn)生干擾鄰道干擾第6頁，共61頁。鄰道干擾3、發(fā)信機的雜散輻射 在有用帶寬以外的某些頻率點上的寄生輻射，如

3、發(fā)信機內(nèi)部的源的寄生輻射等4、蜂窩網(wǎng)內(nèi)臨近信道的干擾 網(wǎng)內(nèi)距離最小，具有討論價值的頻道間的干擾第7頁，共61頁。同頻干擾 所有落在接收機通帶內(nèi)，與有用信號頻率相同或者相近的無用信號所產(chǎn)生的干擾。同頻干擾在諸多干擾因素中主要地決定了蜂窩系統(tǒng)的通話質(zhì)量。 由于產(chǎn)生同頻干擾的無用信號與有用信號具有非常相似甚至相同的信號特征，而且和有用信號表現(xiàn)為加性，所以接收端無法濾除和抑制同頻干擾。第8頁，共61頁。同頻干擾產(chǎn)生的原因同頻干擾產(chǎn)生主要原因是蜂窩移動通信系統(tǒng)中采用了頻率復(fù)用來提高頻譜利用率，因此同頻干擾不可避免。同頻干擾頻率復(fù)用率對同頻干擾和同頻復(fù)用距離的研究是小區(qū)制移動通信網(wǎng)頻率分配的依據(jù)規(guī)定射頻防

4、衛(wèi)度：達到主觀上比較滿意的接收質(zhì)量時，射頻信道與干擾信號的比值。亦即，接收信號與同頻干擾的比值必須大于射頻防衛(wèi)度。一般規(guī)定話音4級時17dB，3級時12dB。話音質(zhì)量第9頁，共61頁。同頻干擾幾個定義：同頻小區(qū)：使用相同頻率的小區(qū)。R：小區(qū)半徑同頻復(fù)用距離(D)：兩個同頻基站之間的距離。Q=D/R:同頻復(fù)用比同頻干擾示意圖同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B第10頁，共61頁。同頻干擾假設(shè)：A、B兩個基站具有相同的設(shè)備參數(shù)，發(fā)射功率同為歸一化功率Pt（dBW）。移動臺MS此時應(yīng)該具有最小的載干比（最大的同頻干擾）。LS為基站A到MS的路徑損耗，LI為基站B到MS的路徑損耗。那么，易知：-

5、 MS接收到 A基站的輸入信號功率為：C= Pt - LS MS接收到B急診的同頻干擾功率為：I= Pt - LI同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B第11頁，共61頁。設(shè)DS、DI分布為MS到基站A和基站B的距離，為信號的波長，為衰落指數(shù)，可以取24，路徑損耗由以下公式給出：LS=(4DS /) LI=(4DI /)以dB表示信號/干擾之比同頻干擾同頻小區(qū)AQ=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B第12頁，共61頁?；フ{(diào)干擾當(dāng)多個不同頻率的信號加到非線性器件上時，非線性變換將會產(chǎn)生許多組合頻率，其中一部分可能會落到接收機通帶內(nèi)，從而對有用信號產(chǎn)生干擾，成為互調(diào)干擾。產(chǎn)生原因發(fā)射機功率放大器的非

6、線性性接收機高頻放大器或者混頻器的非線性性一般分析互調(diào)干擾是只需要考慮三階的互調(diào)干擾第13頁，共61頁。多址干擾CDMA系統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)中，所有的用戶在同一頻率上同一時間上工作，通過一系列正交碼字來區(qū)別各個用戶。如果由于無線環(huán)境造成碼字的非完全正交性，必然會產(chǎn)生碼間干擾。多址干擾是CDMA系統(tǒng)的主要干擾，因此決定了CDMA系統(tǒng)的容量。第14頁，共61頁。問題1 蜂窩概念的引入大區(qū)制 在一個服務(wù)區(qū)域（如一個城市）內(nèi)只有一個基站，并由它負責(zé)移動通信的聯(lián)絡(luò)和控制。BSMS1MS3MS2 大區(qū)制移動通信網(wǎng)第15頁，共61頁。蜂窩概念的引入早期的移動通信網(wǎng)一般是大區(qū)制主要特點：基站天線很高，幾十幾百米基站

7、發(fā)射功率大：50200W覆蓋半徑：3050km優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，成本低缺點：頻譜利用率低，服務(wù)性能差，容量小，一般用戶幾十幾百個，一般用于專網(wǎng)。第16頁，共61頁。蜂窩概念的引入提高覆蓋半徑是大區(qū)制需解決的問題決定覆蓋半徑的因素：地球的曲率限制了傳輸?shù)臉O限范圍地形環(huán)境影響，信號傳播可能產(chǎn)生盲區(qū)多徑反射限制了傳輸距離移動臺發(fā)射功率小，上行信號傳輸距離有限（上下行傳輸增益差可達612dB）第17頁，共61頁。蜂窩概念的引入解決上行問題的辦法：設(shè)置分集接收臺基站發(fā)射用全向天線，接收用定向天線提高基站接收靈敏度 大區(qū)制設(shè)置分集接收臺示意圖MS1MS2BSRdRdRd第18頁，共61頁。蜂窩概念的引入

8、出發(fā)點： 解決或者緩和有限的頻譜資源和用戶容量之間的矛盾目的 1、解決無縫覆蓋問題 2、通過某種機制提升通信系統(tǒng)用戶容量 第19頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)-小區(qū)制系統(tǒng) 1974年Bell實驗室提出蜂窩移動通信系統(tǒng)小區(qū)制網(wǎng)構(gòu)成方式基本概念小區(qū)制：利用頻率復(fù)用的概念，將整個服務(wù)區(qū)域劃分成若干個小區(qū)，每個小區(qū)分別設(shè)置一個低發(fā)射功率的基站，負責(zé)本小區(qū)的通信。頻率復(fù)用：N個相鄰的小區(qū)組成一個區(qū)群(簇)將可供使用的頻道劃分成N組區(qū)群內(nèi)的每個小區(qū)使用不同的頻率組相鄰區(qū)群重復(fù)使用相同的頻率組分配模式第20頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)小區(qū)制系統(tǒng)基本小區(qū)有：（r0：小區(qū)半徑）超小區(qū)：r0 20km（農(nóng)村）宏小區(qū)：r0 12

9、0km（人口稠密地區(qū)）微小區(qū)：r0 0.11km（城市繁華區(qū)）皮小區(qū)（微微小區(qū)）：r0 0.1km（辦公室、家庭）解決的問題：用戶容量大，服務(wù)性能號，頻譜利用率相對較高，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(fù)雜，越區(qū)切換，漫游，位置登記，更新和管理以及系統(tǒng)鑒權(quán)，需要有交換設(shè)備，使成本增加按服務(wù)區(qū)形狀分：帶狀服務(wù)區(qū)、面狀服務(wù)區(qū)第21頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)小區(qū) 帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)用戶的分布呈條狀（或帶狀），如鐵路、公路、沿海沿河水域等第22頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)的多頻復(fù)用雙頻復(fù)用ABABABABCDABCDABCABC三頻復(fù)用四頻復(fù)用第23頁，共61頁。課

10、堂習(xí)題試計算如下帶狀覆蓋服務(wù)區(qū)下的同頻干擾的C/I值RaMSAACBRaMSAACBm個小區(qū)第24頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)帶狀服務(wù)區(qū)的重疊區(qū)f1ABf2af1ABf2a重疊區(qū)域過大，越區(qū)干擾比較大重疊區(qū)域過小，形成弱電場第25頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)指服務(wù)區(qū)不呈條狀而是一個寬廣的平面第26頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū) 小區(qū)形狀：應(yīng)該是規(guī)則結(jié)構(gòu)：圓形（全向天線），三角形，正方形，六邊形蜂窩的由來：對于同樣大小的服務(wù)區(qū)域，采用正六邊形構(gòu)成小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最少，無重疊區(qū)，故所需的頻率組數(shù)也最少，最經(jīng)濟。僅有理論分析和設(shè)計意義。r第27頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)的激勵方式中心激勵 基站

11、位于小區(qū)中心，有時會有輻射陰影頂點激勵 在頂點上設(shè)置基站，并采用三個互成120的定向天線，以避免輻射陰影第28頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)的區(qū)群區(qū)群（簇，Cluster）：共同使用全部可用頻率的N個小區(qū)叫做一簇(區(qū)群)若N越小，則系統(tǒng)中區(qū)群復(fù)制得越多，系統(tǒng)容量越大，頻率的利用率越高。N叫做區(qū)群的大小，典型值3、4、7、9、12 、構(gòu)成蜂窩網(wǎng)的二次幾何圖形第29頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)設(shè)蜂窩移動系統(tǒng)區(qū)群的大小為N、區(qū)群內(nèi)每個小區(qū)分配有K個信道，小區(qū)間信道分配各不相同區(qū)群在系統(tǒng)中復(fù)制M次 每個區(qū)群的雙向信道有：S=KN該系統(tǒng)的容量為：C=MKN=MSAAABCCCBBBCA第30頁，共

12、61頁。蜂窩系統(tǒng)構(gòu)成區(qū)群的條件 構(gòu)成區(qū)群的基本條件：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，且為最大。 滿足上述兩個條件的簇的形狀和簇內(nèi)小區(qū)數(shù)N是有限的，并且N應(yīng)該滿足下式： a 和b分別為相鄰?fù)l小區(qū)之間的二維距離（相鄰小區(qū)數(shù)），都為正整數(shù)，不能同時為零第31頁，共61頁。AaADb蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)區(qū)群內(nèi)同頻小區(qū)位置的確定沿著任意一條六邊形邊的垂線方向穿過a個小區(qū)，并逆時針方向旋轉(zhuǎn)60，再穿過b個小區(qū)。a=3,b=2，N=19(右圖)圖 2.3 確定同頻小區(qū)的方法60o第32頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)常見正六邊形小區(qū)群的圖案ACBN=3,a=1

13、,b=1DACBN=4,a=0,b=2N=7,a=1,b=2DCBAEFG第33頁，共61頁。蜂窩系統(tǒng)面狀服務(wù)區(qū)思考：畫一個N = 4的蜂窩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要求至少包括3個區(qū)群，將簇中小區(qū)所用頻率組用A,B,C,D標(biāo)識。1. N=4對應(yīng)的2維坐標(biāo)： a=0,b=2DACBDACBDACB3. 確定相鄰區(qū)群2. N=4的基本區(qū)群形狀：DACBN=4,a=0,b=2第34頁，共61頁。問題2 干擾和信道容量 干擾和噪聲噪聲內(nèi)部噪聲，人為噪聲，自然噪聲 鄰頻干擾相鄰頻率之間的干擾 同頻干擾相同頻率之間的干擾 互調(diào)干擾器件特性造成的干擾 多址干擾碼字相關(guān)帶來的干擾同頻干擾頻譜利用率同頻小區(qū)之間距離越小，頻譜

14、利用率越高，但同頻干擾越大；同頻小區(qū)之間距離越大，則同頻干擾越小，但頻譜利用率降低。第35頁，共61頁。同頻干擾1、定義：同頻干擾：指所有落到接收機同帶內(nèi)的、與有用信號頻率相同或相近的無用信號所產(chǎn)生的干擾同頻小區(qū)：使用相同頻率的小區(qū)。同頻復(fù)用距離(D)：當(dāng)信號/同頻干擾比滿足通信質(zhì)量要求或達到規(guī)定的C/I指標(biāo)時，兩個同頻小區(qū)之間的距離。 2、在諸多干擾因素中，同頻干擾主要地決定了蜂窩系統(tǒng)的通話質(zhì)量3、產(chǎn)生同頻干擾的無用信號與有用信號具有相同的信號特征（同頻），所以，在接收端無法濾除和抑制同頻干擾4、對同頻干擾和同頻復(fù)用距離的研究是小區(qū)制移動通信網(wǎng)頻率分配的依據(jù)第36頁，共61頁。信號/同頻干擾比同頻小區(qū)A同頻干擾示意圖Q=D/r0DMSr0同頻小區(qū)B第37頁，共61頁。第38頁，共61頁。第39頁，共61頁。第40頁，共61頁。第41頁，共61頁。第42頁，共61頁。第43頁，共61頁。第44頁，共61頁。第45頁，共61頁。第46頁，共61頁。第47頁，共61頁。第48頁，共61頁。第49頁，共61頁。第50頁，共61頁。第51頁，共61頁。第52頁，共61頁。第53頁，共6