無線通信原理與應(yīng)用-32-信道分配及切換課件

電氣工程學(xué)院通信工程系3.1頻率復(fù)用3.2信道分配及切換3.3干擾和系統(tǒng)容量3.4中繼和系統(tǒng)容量3.5提高蜂窩系統(tǒng)容量內(nèi)容提要第3章蜂窩的概念電氣工程學(xué)院通信工程系3.1頻率復(fù)用內(nèi)容提要第3章1電氣工程學(xué)院通信工程系信道分配(ChannelAssignmentStrategies)為了提高無線頻譜利用效率，需要頻率復(fù)用方案以實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)：（1）增加用戶容量（2）減少干擾信道分配策略是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要技術(shù)手段：（1）固定分配策略（2）動態(tài)分配策略信道分配策略的選擇將影響系統(tǒng)性能！§3.2信道分配及切換電氣工程學(xué)院通信工程系信道分配(ChannelAs2電氣工程學(xué)院通信工程系固定分配策略核心思想：給每個小區(qū)分配一組事先確定好的話音信道；小區(qū)中的任何呼叫都只能使用空閑信道；一旦本小區(qū)中的所有信道都已被占用，則呼叫阻塞，用戶將得不到服務(wù)；借用策略：如果一個小區(qū)自己的所有信道都已被占用、沒有了空閑信道，將允許該小區(qū)從相鄰小區(qū)中借用信道。整個借用過程由MSC來管理，必須保證信道的借用不會中斷或干擾接觸小區(qū)的任何一個正在進(jìn)行的呼叫；

電氣工程學(xué)院通信工程系固定分配策略核心思想：3電氣工程學(xué)院通信工程系MSC分配頻率條件：

1.小區(qū)沒有使用該頻率

2.最小頻率復(fù)用距離內(nèi)的小區(qū)也沒使用該頻率，以避免同頻干擾。動態(tài)分配策略核心思想：信道事先不固定地分配給給每個小區(qū)；每次呼叫請求到來，為該呼叫服務(wù)的基站向MSC請求分配一個信道；MSC根據(jù)某種算法給發(fā)出請求的小區(qū)分配一個信道；

MSC所采用的分配算法需要考慮：該小區(qū)以后呼叫阻塞的概率大??；候選信道使用的頻率；信道復(fù)用距離；其它開銷；

電氣工程學(xué)院通信工程系動態(tài)分配策略核心思想：4電氣工程學(xué)院通信工程系

考慮到干擾抑制、容量最大化等因素，信道分配策略要復(fù)雜得多用戶之間互干擾的抑制；信道的自適應(yīng)分配動態(tài)分配策略的分析：優(yōu)點(diǎn)：降低了阻塞概率；所有小區(qū)都可使用系統(tǒng)中所有可用信道，增加了系統(tǒng)中繼能力；缺點(diǎn)：

MSC需要連續(xù)實(shí)時(shí)地收集信道占用、話務(wù)量分布、所有信道的無線信號指示強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，增加了存儲和計(jì)算量，增大了MSC的處理負(fù)擔(dān)。電氣工程學(xué)院通信工程系考慮到干擾抑制、容量最大化5電氣工程學(xué)院通信工程系當(dāng)移動終端在不中斷當(dāng)前通話的情況下從一基站移動到另一基站時(shí)，MSC自動地將這個通話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到新基站的信道上的過程稱之為切換。這個切換過程不僅要識別一個新基站（BS），而且要求把語音和控制信號同時(shí)分配到新BS上的信道上。在小區(qū)內(nèi)分配空閑信道時(shí)，許多切換策略都使切換請求優(yōu)先于呼叫初始請求。切換的要求：很順利地完成；盡可能地少出現(xiàn)；迅速，使用戶察覺不到。為了適應(yīng)這些要求，需要指定一個啟動切換的最恰當(dāng)信號強(qiáng)度。切換策略電氣工程學(xué)院通信工程系當(dāng)移動終端在不中斷當(dāng)前通話的情況下6電氣工程學(xué)院通信工程系

設(shè)定某個略強(qiáng)于接收機(jī)可接受服務(wù)質(zhì)量的最小可用信號作為切換門限，接收信號低于門限值則進(jìn)行切換。為防止不必要的切換和切換掉機(jī)，切換信號門限是經(jīng)過仔細(xì)策劃而設(shè)置的。首先，切換必須在信號衰落到原BS可容忍的最小接收值，表示為（通常為-90dBm~-100dBm）之前完成。設(shè)切換門限為，則

是設(shè)計(jì)切換門限的重要參量。電氣工程學(xué)院通信工程系設(shè)定某個略強(qiáng)于接收機(jī)可接受服務(wù)質(zhì)7電氣工程學(xué)院通信工程系若值太小，可能因信號太弱導(dǎo)致在切換過程尚未完成時(shí)的掉話，在掉話之前沒有足夠的時(shí)間來完成切換。特別是對快速移動的用戶這個問題尤為嚴(yán)重。若值太大，系統(tǒng)可能進(jìn)行不必要的切換，增加MSC的負(fù)擔(dān)。圖(a)沒有切換的原因：（1）MSC處理切換的時(shí)延過大：當(dāng)話務(wù)量大時(shí)，MSC負(fù)擔(dān)重，可能導(dǎo)致時(shí)延大；當(dāng)臨近基站沒有可用信道時(shí)，MSC會一直等待出現(xiàn)空閑信道；（2）對系統(tǒng)的切換時(shí)間而言，間隔設(shè)置的太??；電氣工程學(xué)院通信工程系若值太小，可能因信號太弱導(dǎo)致8電氣工程學(xué)院通信工程系在切換之前，要保證所檢測的信號電平下降不是因?yàn)樗查g衰減，而是因?yàn)橐苿咏K端正離開當(dāng)前基站；基站在準(zhǔn)備切換之前需要對信號監(jiān)視一段時(shí)間，以對這種信號能量連續(xù)的平均測量進(jìn)行優(yōu)化，避免不必要切換，同時(shí)保證在掉話之前完成切換；切換進(jìn)行時(shí)間的長短由移動終端的移動速度決定。如：在某一個固定時(shí)間間隔內(nèi)接收的短期平均信號強(qiáng)度的坡度很陡，則要快速切換；切換要點(diǎn)電氣工程學(xué)院通信工程系在切換之前，要保證所檢測的信號電平9電氣工程學(xué)院通信工程系一個呼叫在小區(qū)內(nèi)沒有經(jīng)過切換的通話時(shí)間稱之為駐留時(shí)間；某個特定用戶的駐留時(shí)間受到傳播、干擾、用戶與基站距離等參數(shù)的影響；駐留時(shí)間的數(shù)據(jù)變化的大小取決于用戶的移動速度和無線覆蓋的類型；

Case1：在為高速公路上的車載用戶提供覆蓋的小區(qū)中，多數(shù)用戶都沿著固定路線以較穩(wěn)定速度行駛，此種情況下駐留時(shí)間為一個隨機(jī)數(shù)；

Case2：對密集、混亂的小區(qū)用戶，平均駐留時(shí)間變化大，且比其它小區(qū)短；駐留時(shí)間電氣工程學(xué)院通信工程系一個呼叫在小區(qū)內(nèi)沒有經(jīng)過切換的通話10電氣工程學(xué)院通信工程系在第一代模擬蜂窩系統(tǒng)中，信號的強(qiáng)度是由BS檢測并由MSC監(jiān)視的。BS通過檢測所有語音信道判斷移動站相對自己的位置。此外，每一BS還有另一個接收機(jī)檢測相鄰BS中的移動站的信號。這個接收機(jī)稱為定位器。定位器是由MSC控制監(jiān)視那些可能需要切換的MS發(fā)出的信號。基于本BS語音信道和相鄰BS定位器檢測的結(jié)果，MSC決定是否需要切換。第二代數(shù)字TDMA通訊系統(tǒng)中，切換是以移動終端MS輔助決定的。每個MS檢測周圍BS發(fā)出的信號，并不斷向本BS匯報(bào)。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)從某個BS來的信號強(qiáng)度超出本BS信號一定電平或是持續(xù)了一定的時(shí)間，就準(zhǔn)備進(jìn)行切換。這種切換方式的切換速度大大高于第一代通訊系統(tǒng)，而且MSC也可以從該項(xiàng)繁重的任務(wù)中解放出來。應(yīng)該指出,不同系統(tǒng)在接受和處理切換的策略可能很不相同的。它們主要體現(xiàn)在切換優(yōu)先權(quán)的設(shè)置上。切換控制方式電氣工程學(xué)院通信工程系在第一代模擬蜂窩系統(tǒng)中，信號的強(qiáng)度11電氣工程學(xué)院通信工程系優(yōu)先切換方法之一：信道監(jiān)視信道監(jiān)視：保留小區(qū)中所有可用信道的一小部分，專門為可能要切換到該小區(qū)的通話所發(fā)出的切換請求服務(wù)；信道監(jiān)視是使切換具有優(yōu)先權(quán)的一種較成熟的方法：優(yōu)點(diǎn)：在使用動態(tài)策略分配時(shí)能使頻譜資源得到充分利用，因?yàn)閯討B(tài)分配策略可根據(jù)需求分配的方案使所監(jiān)視的信道最少；缺點(diǎn)：減少了可用于通話的信道，降低了所承載的話務(wù)量；優(yōu)先切換優(yōu)先切換方法之二：對切換請求排序可以降低由于缺少可用信道而強(qiáng)迫中斷的概率；必須注意：對切換請求排序也不能保證強(qiáng)迫中斷概率為0，因?yàn)闀r(shí)延過大時(shí)，將引起所接收到的信號強(qiáng)度下降到維持通話所需的最小值以下，從而導(dǎo)致強(qiáng)迫中斷；電氣工程學(xué)院通信工程系優(yōu)先切換方法之一：信道監(jiān)視優(yōu)先切換12電氣工程學(xué)院通信工程系問題1：當(dāng)移動終端移動速度變化范圍較大時(shí)，實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會遇到困難；例如：

高速車輛只要幾秒鐘就可以駛過一個小區(qū)的覆蓋范圍；

步行用戶在整個通話過程中都處于小區(qū)的覆蓋范圍之內(nèi)，不需切換；

在為了提高容量而增加了微小區(qū)的地方，MSC會因?yàn)榻?jīng)常高速用戶的經(jīng)常穿行而不堪重負(fù)；實(shí)際切換中需要注意的問題電氣工程學(xué)院通信工程系問題1：當(dāng)移動終端移動速度變化范圍13電氣工程學(xué)院通信工程系問題2：新小區(qū)站址的選擇與限制根據(jù)蜂窩概念，可通過增加小區(qū)站點(diǎn)來增加系統(tǒng)容量，但在實(shí)際中，要在市區(qū)獲得小區(qū)站點(diǎn)的物理位置，對于運(yùn)營商來說，并不容易。運(yùn)營商更愿意在一個已經(jīng)存在小區(qū)的物理位置上安裝基站；傘狀小區(qū)方法：通過使用安裝在同一個建筑物或發(fā)射臺上的不同高度的天線和不同強(qiáng)度的功率，在一個站點(diǎn)上設(shè)置大的和小的覆蓋區(qū)域。為高速用戶提供大面積覆蓋，為低速用戶提供小面積覆蓋。實(shí)際切換中需要注意的問題傘狀小區(qū)方法能使高速用戶的切換次數(shù)下降到最小，同時(shí)為步行用戶提供附加的微小區(qū)信道；如果一個高速用戶正接近基站，且它的速度正很快下降，則基站則自己就能決定將用戶轉(zhuǎn)移到同點(diǎn)設(shè)置的微小區(qū)中，而不需要MSC的干涉；電氣工程學(xué)院通信工程系問題2：新小區(qū)站址的選擇與限制實(shí)際14電氣工程學(xué)院通信工程系問題3：小區(qū)拖尾；小區(qū)拖尾由對基站發(fā)射強(qiáng)信號的步行用戶產(chǎn)生，當(dāng)用戶和基站之間存在視距無線路徑時(shí)，就會發(fā)生；用于用戶以非常慢的速度離開基站，平均信號強(qiáng)度衰減較慢，使用戶遠(yuǎn)離了小區(qū)的預(yù)定范圍，基站所接收到的信號仍可能高于切換門限，因此不做切換；小區(qū)拖尾問題會產(chǎn)生干擾問題和話務(wù)量管理問題，因?yàn)橛脩粼谀菚r(shí)已經(jīng)深入到相鄰小區(qū)中去了；解決小區(qū)拖尾問題的方法：調(diào)整切換門限；調(diào)整無線覆蓋參數(shù)；實(shí)際切換中需要注意的問題電氣工程學(xué)院通信工程系問題3：小區(qū)拖尾；實(shí)際切換中需要注15電氣工程學(xué)院通信工程系3.1頻率復(fù)用3.2信道分配及切換3.3干擾和系統(tǒng)容量3.4中繼和系統(tǒng)容量3.5提高蜂窩系統(tǒng)容量內(nèi)容提要第3章蜂窩的概念電氣工程學(xué)院通信工程系3.1頻率復(fù)用內(nèi)容提要第3章16電氣工程學(xué)院通信工程系信道分配(ChannelAssignmentStrategies)為了提高無線頻譜利用效率，需要頻率復(fù)用方案以實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)：（1）增加用戶容量（2）減少干擾信道分配策略是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要技術(shù)手段：（1）固定分配策略（2）動態(tài)分配策略信道分配策略的選擇將影響系統(tǒng)性能！§3.2信道分配及切換電氣工程學(xué)院通信工程系信道分配(ChannelAs17電氣工程學(xué)院通信工程系固定分配策略核心思想：給每個小區(qū)分配一組事先確定好的話音信道；小區(qū)中的任何呼叫都只能使用空閑信道；一旦本小區(qū)中的所有信道都已被占用，則呼叫阻塞，用戶將得不到服務(wù)；借用策略：如果一個小區(qū)自己的所有信道都已被占用、沒有了空閑信道，將允許該小區(qū)從相鄰小區(qū)中借用信道。整個借用過程由MSC來管理，必須保證信道的借用不會中斷或干擾接觸小區(qū)的任何一個正在進(jìn)行的呼叫；

電氣工程學(xué)院通信工程系固定分配策略核心思想：18電氣工程學(xué)院通信工程系MSC分配頻率條件：

1.小區(qū)沒有使用該頻率

2.最小頻率復(fù)用距離內(nèi)的小區(qū)也沒使用該頻率，以避免同頻干擾。動態(tài)分配策略核心思想：信道事先不固定地分配給給每個小區(qū)；每次呼叫請求到來，為該呼叫服務(wù)的基站向MSC請求分配一個信道；MSC根據(jù)某種算法給發(fā)出請求的小區(qū)分配一個信道；

MSC所采用的分配算法需要考慮：該小區(qū)以后呼叫阻塞的概率大??；候選信道使用的頻率；信道復(fù)用距離；其它開銷；

電氣工程學(xué)院通信工程系動態(tài)分配策略核心思想：19電氣工程學(xué)院通信工程系

考慮到干擾抑制、容量最大化等因素，信道分配策略要復(fù)雜得多用戶之間互干擾的抑制；信道的自適應(yīng)分配動態(tài)分配策略的分析：優(yōu)點(diǎn)：降低了阻塞概率；所有小區(qū)都可使用系統(tǒng)中所有可用信道，增加了系統(tǒng)中繼能力；缺點(diǎn)：

MSC需要連續(xù)實(shí)時(shí)地收集信道占用、話務(wù)量分布、所有信道的無線信號指示強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，增加了存儲和計(jì)算量，增大了MSC的處理負(fù)擔(dān)。電氣工程學(xué)院通信工程系考慮到干擾抑制、容量最大化20電氣工程學(xué)院通信工程系當(dāng)移動終端在不中斷當(dāng)前通話的情況下從一基站移動到另一基站時(shí)，MSC自動地將這個通話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到新基站的信道上的過程稱之為切換。這個切換過程不僅要識別一個新基站（BS），而且要求把語音和控制信號同時(shí)分配到新BS上的信道上。在小區(qū)內(nèi)分配空閑信道時(shí)，許多切換策略都使切換請求優(yōu)先于呼叫初始請求。切換的要求：很順利地完成；盡可能地少出現(xiàn)；迅速，使用戶察覺不到。為了適應(yīng)這些要求，需要指定一個啟動切換的最恰當(dāng)信號強(qiáng)度。切換策略電氣工程學(xué)院通信工程系當(dāng)移動終端在不中斷當(dāng)前通話的情況下21電氣工程學(xué)院通信工程系

設(shè)定某個略強(qiáng)于接收機(jī)可接受服務(wù)質(zhì)量的最小可用信號作為切換門限，接收信號低于門限值則進(jìn)行切換。為防止不必要的切換和切換掉機(jī)，切換信號門限是經(jīng)過仔細(xì)策劃而設(shè)置的。首先，切換必須在信號衰落到原BS可容忍的最小接收值，表示為（通常為-90dBm~-100dBm）之前完成。設(shè)切換門限為，則

是設(shè)計(jì)切換門限的重要參量。電氣工程學(xué)院通信工程系設(shè)定某個略強(qiáng)于接收機(jī)可接受服務(wù)質(zhì)22電氣工程學(xué)院通信工程系若值太小，可能因信號太弱導(dǎo)致在切換過程尚未完成時(shí)的掉話，在掉話之前沒有足夠的時(shí)間來完成切換。特別是對快速移動的用戶這個問題尤為嚴(yán)重。若值太大，系統(tǒng)可能進(jìn)行不必要的切換，增加MSC的負(fù)擔(dān)。圖(a)沒有切換的原因：（1）MSC處理切換的時(shí)延過大：當(dāng)話務(wù)量大時(shí)，MSC負(fù)擔(dān)重，可能導(dǎo)致時(shí)延大；當(dāng)臨近基站沒有可用信道時(shí)，MSC會一直等待出現(xiàn)空閑信道；（2）對系統(tǒng)的切換時(shí)間而言，間隔設(shè)置的太小；電氣工程學(xué)院通信工程系若值太小，可能因信號太弱導(dǎo)致23電氣工程學(xué)院通信工程系在切換之前，要保證所檢測的信號電平下降不是因?yàn)樗查g衰減，而是因?yàn)橐苿咏K端正離開當(dāng)前基站；基站在準(zhǔn)備切換之前需要對信號監(jiān)視一段時(shí)間，以對這種信號能量連續(xù)的平均測量進(jìn)行優(yōu)化，避免不必要切換，同時(shí)保證在掉話之前完成切換；切換進(jìn)行時(shí)間的長短由移動終端的移動速度決定。如：在某一個固定時(shí)間間隔內(nèi)接收的短期平均信號強(qiáng)度的坡度很陡，則要快速切換；切換要點(diǎn)電氣工程學(xué)院通信工程系在切換之前，要保證所檢測的信號電平24電氣工程學(xué)院通信工程系一個呼叫在小區(qū)內(nèi)沒有經(jīng)過切換的通話時(shí)間稱之為駐留時(shí)間；某個特定用戶的駐留時(shí)間受到傳播、干擾、用戶與基站距離等參數(shù)的影響；駐留時(shí)間的數(shù)據(jù)變化的大小取決于用戶的移動速度和無線覆蓋的類型；

Case1：在為高速公路上的車載用戶提供覆蓋的小區(qū)中，多數(shù)用戶都沿著固定路線以較穩(wěn)定速度行駛，此種情況下駐留時(shí)間為一個隨機(jī)數(shù)；

Case2：對密集、混亂的小區(qū)用戶，平均駐留時(shí)間變化大，且比其它小區(qū)短；駐留時(shí)間電氣工程學(xué)院通信工程系一個呼叫在小區(qū)內(nèi)沒有經(jīng)過切換的通話25電氣工程學(xué)院通信工程系在第一代模擬蜂窩系統(tǒng)中，信號的強(qiáng)度是由BS檢測并由MSC監(jiān)視的。BS通過檢測所有語音信道判斷移動站相對自己的位置。此外，每一BS還有另一個接收機(jī)檢測相鄰BS中的移動站的信號。這個接收機(jī)稱為定位器。定位器是由MSC控制監(jiān)視那些可能需要切換的MS發(fā)出的信號?；诒綛S語音信道和相鄰BS定位器檢測的結(jié)果，MSC決定是否需要切換。第二代數(shù)字TDMA通訊系統(tǒng)中，切換是以移動終端MS輔助決定的。每個MS檢測周圍BS發(fā)出的信號，并不斷向本BS匯報(bào)。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)從某個BS來的信號強(qiáng)度超出本BS信號一定電平或是持續(xù)了一定的時(shí)間，就準(zhǔn)備進(jìn)行切換。這種切換方式的切換速度大大高于第一代通訊系統(tǒng)，而且MSC也可以從該項(xiàng)繁重的任務(wù)中解放出來。應(yīng)該指出,不同系統(tǒng)在接受和處理切換的策略可能很不相同的。它們主要體現(xiàn)在切換優(yōu)先權(quán)的設(shè)置上。切換控制方式電氣工程學(xué)院通信工程系在第一代模擬蜂窩系統(tǒng)中，信號的強(qiáng)度26電氣工程學(xué)院通信工程系優(yōu)先切換方法之一：信道監(jiān)視信道監(jiān)視：保留小區(qū)中所有可用信道的一小部分，專門為可能要切換到該小區(qū)的通話所發(fā)出的切換請求服務(wù)；信道監(jiān)視是使切換具有優(yōu)先權(quán)的一種較成熟的方法：優(yōu)點(diǎn)：在使用動態(tài)策略分配時(shí)能使頻譜資源得到充分利用，因?yàn)閯討B(tài)分配策略可根據(jù)需求分配的方案使所監(jiān)視的信道最少；缺點(diǎn)：減少了可用于通話的信道，降低了所承載的話務(wù)量；優(yōu)先切換優(yōu)先切換方法之二：對切換請求排序可以降低由于缺少可用信道而強(qiáng)迫中斷的概率；必須注意：對切換請求排序也不能保證強(qiáng)迫中斷概率為0，因?yàn)闀r(shí)延過大時(shí)，將引起所接收到的信號強(qiáng)度下降到維持通話所需的最小值以下，從而導(dǎo)致強(qiáng)迫中斷；電氣工程學(xué)院通信工程系優(yōu)先切換方法之一：信道監(jiān)視優(yōu)先切換27電氣工程學(xué)院通信工程系問題1：當(dāng)移動終端移動速度變化范圍較大時(shí)，實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會遇到困難；例如：

高