第4章 移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-2

復(fù)習(xí)：

移動通信的概念及特點移動通信：指通信的一方或雙方在移動中實現(xiàn)通信。即要求通信中至少有一方處在運動中或暫時停留在某一非預(yù)定的位置上。典型的移動通信系統(tǒng)通常由移動臺(MS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)構(gòu)成。移動交換中心(MSC)是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的核心。

MSC：完成呼叫接續(xù)與控制、無線資源管理和移動性管理等功能。三種數(shù)據(jù)庫(HLR、VLR和AUC)HLR：歸屬地用戶位置數(shù)據(jù)庫。存儲該HLR管轄區(qū)的所有移動用戶的有關(guān)數(shù)據(jù)。VLR：外來用戶位置數(shù)據(jù)庫。存儲進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)的漫游移動用戶的有關(guān)數(shù)據(jù)。復(fù)習(xí)：

頻率復(fù)用技術(shù)區(qū)域劃分兩大類：大區(qū)制和小區(qū)制為增加系統(tǒng)容量，采用小區(qū)制（蜂窩網(wǎng)），可以實現(xiàn)頻率復(fù)用；小區(qū)制又分為2種：帶狀服務(wù)區(qū)和面狀服務(wù)區(qū)蜂窩網(wǎng)：小區(qū)形狀——正六邊形區(qū)群：由使用不同頻率組的一組小區(qū)組成。在區(qū)群之間可進(jìn)行頻率復(fù)用。區(qū)群的組成應(yīng)滿足兩個條件：

一、區(qū)群之間要鄰接，且無縫隙、無重疊地進(jìn)行覆蓋；

二、鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。

要滿足以上兩個條件，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N應(yīng)滿足：

N=i2+ij+j2(4-2-1)復(fù)習(xí)：1j確定最近的同頻小區(qū)的步驟：12i1)從當(dāng)前小區(qū)開始，沿任意一條邊的垂直方向數(shù)i個小區(qū)；2)順（逆）時針方向旋轉(zhuǎn)60。，再數(shù)j個小區(qū)。則該小區(qū)為當(dāng)前小區(qū)的一個相鄰?fù)l道小區(qū)。j補(bǔ)充：相鄰?fù)l小區(qū)距離的計算

1）相鄰小區(qū)之間的中心距離：2）相鄰?fù)l道小區(qū)的距離：N為區(qū)群內(nèi)小區(qū)數(shù)目，R為小區(qū)輻射半徑D60°減小同頻干擾和提高小區(qū)容量之間相互矛盾區(qū)群大小的選擇設(shè)系統(tǒng)共有S個可用的雙向信道，服務(wù)區(qū)域可劃分為M個區(qū)群，區(qū)群由N個小區(qū)組成，小區(qū)半徑固定為r。每小區(qū)信道數(shù)k＝S／N系統(tǒng)總的信道數(shù)C=S×M=k×N×M同頻道小區(qū)距離系統(tǒng)容量↑→

k↑

→

N↓

。同頻干擾↓→

D↑

→

N↑

。同頻干擾和系統(tǒng)容量之間進(jìn)行折中處理。相互矛盾例1：某蜂窩系統(tǒng)的總帶寬為30MHz，采用兩個25kHz的信道組成全雙工語音和控制信道，系統(tǒng)采用9小區(qū)復(fù)用方式，并將總帶寬中的1MHz分給控制信道。計算總的可用信道數(shù)；確定控制信道數(shù)；確定每個小區(qū)中的語音信道數(shù)；例2：一個蜂窩系統(tǒng)中有1001個用于處理通信業(yè)務(wù)的可用信道，設(shè)小區(qū)的面積為6km2，整個系統(tǒng)的面積為2100km2。

N=7，計算系統(tǒng)容量；

N=4，覆蓋整個區(qū)域，需要將該區(qū)群覆蓋多少次？計算系統(tǒng)容量；例1：某蜂窩系統(tǒng)的總帶寬為30MHz，采用兩個25kHz的信道組成全雙工語音和控制信道，系統(tǒng)采用9小區(qū)復(fù)用方式，并將總帶寬中的1MHz分給控制信道。計算總的可用信道數(shù)；確定控制信道數(shù)；確定每個小區(qū)中的語音信道數(shù)；解：例2：一個蜂窩系統(tǒng)中有1001個用于處理通信業(yè)務(wù)的可用信道，設(shè)小區(qū)的面積為6km2，整個系統(tǒng)的面積為2100km2。

N=7，計算系統(tǒng)容量；

N=4，覆蓋整個區(qū)域，需要將該區(qū)群覆蓋多少次？計算系統(tǒng)容量；解：減小區(qū)群大小N

能增大系統(tǒng)容量

3.信道分配

信道分配：指將給定頻率分配給一個區(qū)群中的不同小區(qū)。信道的合理分配不僅可以降低干擾(如鄰道干擾、互調(diào)干擾)外，還可以提高系統(tǒng)的容量。

信道分配主要有三種方式：

①固定信道分配方式，即為各小區(qū)分配一組預(yù)先確定的信道，小區(qū)中任何呼叫請求只能占用特定的空閑信道；

②動態(tài)信道分配方式，即隨業(yè)務(wù)量的變化動態(tài)配置各小區(qū)的全部信道；

③固定、動態(tài)結(jié)合信道分配方式。

1)固定信道分配方式

基本原則：將所有信道分成n組，每個小區(qū)固定使用其中的一組，并且要求每組中的信道不會形成明顯的干擾。

主要包括分區(qū)分組配置法和等頻距配置法兩種。

(1)分區(qū)分組配置法。

分配原則如下：

①盡量減小占用的總頻段，以提高頻段的利用率。

②同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道，以避免同頻干擾。

③小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)

干擾。

設(shè)給定的頻段以等間隔劃分為信道，按順序分別標(biāo)明各信道的號碼為：1，2，3，…。若每個區(qū)群有7個小區(qū)，每個小區(qū)需6個信道，則按上述原則進(jìn)行分配，可得到：

第一組：1，5，14，20，34，36

第二組：2，9，13，18，21，31

第三組：3，8，19，25，33，40

第四組：4，12，16，22，37，39

第五組：6，10，27，30，32，41

第六組：7，11，24，26，29，35

第七組：15，17，23，28，38，42

該法的特點是：避免了三階互調(diào)；但未考慮同一信道組中的頻率間隔，可能會出現(xiàn)較大的鄰道干擾；隨著所需信道數(shù)的增加，頻譜利用率隨之降低。

在此簡單介紹一下互調(diào)干擾。

由于帶外n個信號的混頻(多諧波或是組合頻率)而產(chǎn)生一個出現(xiàn)在帶內(nèi)的頻率分量，此分量與接收機(jī)中心頻率相近時會被接收機(jī)接收，形成對有用信號的干擾，這種干擾稱為互調(diào)干擾。當(dāng)帶外混頻數(shù)為3時，稱為三階互調(diào)干擾。

互調(diào)干擾最大來自于三階互調(diào)。無三階互調(diào)頻道組要求滿足的條件：任意兩個頻道序號之差全部不一樣。

采用差值陣列法：將選取的編號進(jìn)行相減運算，所得到的差值形成一個陣列。

無相同數(shù)值，則為無三階互調(diào)信道組

(2)等頻距配置法。

基本原則：按等頻率間隔對信道進(jìn)行配置，只要頻距N選得足夠大，就可以有效地避免鄰道干擾。

例如，

等頻距配置時，可根據(jù)區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N來確定同一信道組內(nèi)各信道之間的頻率間隔，如第一組用(1，1＋N，1＋2N，1＋3N，…)，第二組用(2，2＋N，2＋2N，2＋3N，…)等。若N=7，則信道配置為第一組：1，8，15，22，29，…

第二組：2，9，16，23，30，…

第三組：3，10，17，24，31，…

第四組：4，11，18，25，32，…

第五組：5，12，19，26，33，…

第六組：6，13，20，27，34，…

第七組：7，14，21，28，35，…這樣的頻率配置可能正好滿足產(chǎn)生互調(diào)的頻率關(guān)系，但正因為頻距大，干擾易于被接收機(jī)輸入濾波器濾除而不易作用到非線性器件，這也就避免了互調(diào)干擾的產(chǎn)生。

固定信道分配方式

優(yōu)點：實現(xiàn)起來比較簡單；

缺點：頻率利用率不高，造成頻率資源的浪費。

改進(jìn)的方法：空閑頻道借用——當(dāng)小區(qū)中的所有頻道已使用完，而又有新的呼叫請求時，從相鄰的小區(qū)中借用空閑信道

固定信道配置方式只能適應(yīng)移動臺業(yè)務(wù)分布相對固定的情況。

2)動態(tài)信道分配方式

在該方式中，所有信道不是固定地分配給小區(qū)，只有用戶發(fā)出呼叫時，才為服務(wù)的小區(qū)分配信道。

分配信道時考慮的因素：同頻道復(fù)用距離(在限定的最小頻率復(fù)用距離內(nèi)的小區(qū)沒有使用該頻率)不會對本小區(qū)已經(jīng)使用的信道產(chǎn)生明顯的干擾，以后呼叫阻塞的可能性，候選信道使用的頻次等。優(yōu)點：提高了信道利用率，可適應(yīng)業(yè)務(wù)分布的動態(tài)變化；缺點：要求MSC連續(xù)實時地收集關(guān)于信道占用情況、話務(wù)量分布清況等數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)存儲量和運算量。

動態(tài)信道分配方式又可分為動態(tài)配置法和柔性配置法兩種。

(1)動態(tài)配置法：隨業(yè)務(wù)量的變化重新配置全部信道。

若能理想地實現(xiàn)，則頻率利用率可提高20％～50％，但要及時算出新的配置方案，且要避免各類干擾則十分困難。

(2)柔性配置法：給區(qū)群中的每個小區(qū)分配若干信道(只分配其中的一部分信道)，預(yù)留其它信道，供各小區(qū)需要時分配。

優(yōu)點：簡單、實用，既能提高頻率利用率，減少呼叫阻塞概率，又能降低開銷。

4.2.2干擾和系統(tǒng)容量

對于蜂窩網(wǎng)，干擾是影響系統(tǒng)性能和容量的主要因素。干擾的主要類型：移動臺接收信號受到的干擾：所屬基站發(fā)給其它移動臺的信號（鄰道干擾）相鄰?fù)l小區(qū)的同頻信號基站產(chǎn)生的三階互調(diào)信號基站接收信號受到的干擾：本小區(qū)移動臺的影響（注意遠(yuǎn)近效應(yīng)）其它小區(qū)的同頻道干擾其中，同頻干擾、鄰道干擾和三階互調(diào)干擾的影響最大，且無法根除。鄰道干擾和互調(diào)干擾可以通過合理分配信道的方式把影響減到最??；

同頻干擾則必須結(jié)合區(qū)群的組成及系統(tǒng)對載干比的要求等因素進(jìn)行綜合考慮，把同頻干擾的影響降至最低。

1.同頻干擾

1)同頻干擾的定義

同頻干擾是指兩個相同頻率的不同信號產(chǎn)生的干擾。蜂窩通信系統(tǒng)中采用頻率復(fù)用技術(shù)，同頻小區(qū)之間就會存在同頻干擾。同頻干擾的大小由同頻小區(qū)間的距離決定

為了減小同頻干擾的影響和保證接收信號的質(zhì)量，必須使接收機(jī)輸入端的有用信號功率與同頻干擾功率之比大于某個數(shù)值，該數(shù)值稱為射頻防護(hù)比。

射頻防護(hù)比［S/N］：移動臺M處于小區(qū)的邊沿時，移動臺接收機(jī)的有用信號與同頻道干擾之比。

不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的話音質(zhì)量要求其射頻防護(hù)比也不同。載干比

2)影響同頻再用距離的因素

(1)調(diào)制方式。

(2)電波傳播特性。(一般按雙線模型分析。)

(3)小區(qū)半徑。

(4)工作方式，如采用同頻單工、異頻雙工等方式對同頻再用也會起一定影響。

(5)可靠通信概率。解決方法：1、增大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，但會增大對相鄰?fù)l小區(qū)的干擾。

2、增大頻率復(fù)用的距離，但復(fù)用距離的增加，又會導(dǎo)致頻率利用率降低、系統(tǒng)容量減小。在同頻干擾與系統(tǒng)容量二者之間進(jìn)行折中選擇

3)同頻再用距離與小區(qū)半徑之間的關(guān)系

移動臺M處于小區(qū)A的邊沿時，從基站A收到的信號最弱，即最易受到基站B發(fā)射的同頻道干擾。

定義：A、B兩基站之間的距離為同頻再用距離，記做D。

D=DI+DS=DI+r0(4-2-2)

式中，DI為同頻道干擾源至被干擾接收機(jī)的距離；

DS為有用信號的傳播距離，即為小區(qū)半徑r0。圖4-8同頻再用距離定義同頻再用系數(shù)（同頻復(fù)用因子）為

根據(jù)雙線模型傳播損耗公式，以dB為單位可表示為

［L］=40lgd－20lg(hthr)(4-2-4)

(4-2-3)設(shè)干擾信號和有用信號的傳播損耗中值分別為LI和LS，分別以DI和DS取代式(4-2-4)中的d可得到：

［LI］=40lgDI－20lg(hthr)(4-2-5)

［LS］=40lgDS－20lg(hthr)(4-2-6)

所以傳播損耗之差為(4-2-7)設(shè)A基站和B基站的發(fā)射功率均為PT，則移動臺M接收機(jī)的輸入信號功率和同頻道干擾功率分別為

［S］=［PT］－［LS］

(4-2-8)

［I］=［PT］－［LI］(4-2-9)

則移動臺接收信號載干比為

［S/I］=［S］－［I］=［LI］－［LS］

(4-2-10)

又因為

所以(4-2-11)則滿足信噪比時，

同頻再用距離D與小區(qū)半徑r0之間的關(guān)系為

式中，D/r0(同頻再用距離/小區(qū)半徑)稱為同頻復(fù)用因子。(4-2-12)又因為

D=DI+DS=DI+r0(4-2-2)(4-2-11)例4-1若某系統(tǒng)的射頻防護(hù)比為8dB，小區(qū)半徑為r0，求同頻再用距離。

例4-1若某系統(tǒng)的射頻防護(hù)比為8dB，小區(qū)半徑為r0，求同頻再用距離。

解：根據(jù)式(4-2-11)可求得

則同頻再用距離D=DI+r0=3.6r0。

若考慮到快衰落及慢衰落，射頻防護(hù)比［S/I］將大于

8dB。理論分析和實驗表明，按無線小區(qū)內(nèi)可靠通信概率為90%考慮，［S/I］約需25dB，這樣可得：

4)區(qū)群中滿足同頻干擾條件下小區(qū)數(shù)的確定

設(shè)小區(qū)的輻射半徑為r0，同信道小區(qū)中心之間的距離dg為

只考慮同頻干擾，移動臺接收機(jī)收到NI個小區(qū)的同信道干擾，其信噪比為(4-2-13)(4-2-14)滿足射頻防護(hù)比時，同頻再用距離D為

通常要求dg≥D，即使用相同頻段的小區(qū)之間的物理距離至少應(yīng)為同頻再用距離，則可得到:

結(jié)論：給定［S/I］時就能確定區(qū)群中小區(qū)的數(shù)目。(4-2-15)(4-2-16)例4-2對于一個蜂窩網(wǎng)，當(dāng)要求射頻防護(hù)比［S/I］=

18dB時，求區(qū)群中小區(qū)數(shù)目N的最小值。

解：依據(jù)公式(4-2-16)可得

整理得：

N≥4.8

再依據(jù)公式(4-2-1)可得N最小可以取7。圖4-9同頻小區(qū)的多源干擾5)多個干擾源時的同頻干擾

蜂窩系統(tǒng)中所有的同頻小區(qū)之間都會存在一些干擾。

如圖所示，通常我們只考慮第一層小區(qū)產(chǎn)生的干擾，第二層的同頻小區(qū)對當(dāng)前基站的影響一般可以忽略不計。

假設(shè)同頻干擾小區(qū)數(shù)為：

第i個同頻干擾小區(qū)引起的干擾功率為：一般情況下距離發(fā)射臺d處的信號強(qiáng)度Pr之間有如下關(guān)系：其中：P0為距離發(fā)射臺d0處的信號強(qiáng)度在市區(qū)的蜂窩系統(tǒng)中，路徑衰減指數(shù)補(bǔ)充：另一種確定小區(qū)數(shù)目的方法移動接收機(jī)信干比：設(shè)所有的基站發(fā)射功率都相同；路徑衰減指數(shù)相同；移動臺距所屬小區(qū)基站的距離為r；(最壞情況)

距第i個同頻小區(qū)的距離為Di；小區(qū)形狀為正六邊形；假設(shè)：僅考慮第一層干擾小區(qū)；周圍干擾基站與目標(biāo)基站的距離都相等；近似Di=D；則有：補(bǔ)充：另一種確定小區(qū)數(shù)目的方法同信道小區(qū)中心之間的距離為：例：在某系統(tǒng)中，接收機(jī)要求的信干比門限為路徑損耗指數(shù)n＝4，求系統(tǒng)允許的最小N。解：

2.蜂窩系統(tǒng)的擴(kuò)容

無線服務(wù)的需求不斷增大，頻率資源越來越緊張，需要采用一些技術(shù)手段提高頻率資源利用率，以達(dá)到擴(kuò)大系統(tǒng)容量的目的。

目前的主要技術(shù)有：

小區(qū)分裂：通過增加基站的數(shù)量來增加系統(tǒng)容量，允許蜂窩系統(tǒng)有計劃地擴(kuò)容。

裂向：依靠定向基站天線來減小同頻干擾以提高系統(tǒng)容量。

微小區(qū)：將小區(qū)覆蓋分散，將小區(qū)邊界延伸到難以到達(dá)的地方。

1)小區(qū)分裂

1、基本原理：將原來擁塞的小區(qū)劃分成更小的新小區(qū)，每個新小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)地降低天線高度和減小發(fā)射機(jī)功率。分裂后的小區(qū)面積減小，相同的覆蓋區(qū)內(nèi)區(qū)群的復(fù)制次數(shù)增大，增加了單位面積內(nèi)的信道數(shù)目，從而提高了系統(tǒng)容量。

2、分裂方法例：將半徑為R的小區(qū)分裂為半徑為R/2的小小區(qū)保留原小區(qū)的基站原小區(qū)的基站不可再用以R為半徑的圓所覆蓋的小區(qū)面積是以R/2為半徑的圓所覆蓋的小區(qū)面積的4倍。故小區(qū)數(shù)增加到大約為原來小區(qū)數(shù)的4倍。3、帶來的問題實際中，不是所有的小區(qū)都同時分裂，不同規(guī)模的小區(qū)將同時存在，應(yīng)該特別注意保持同頻小區(qū)之間的最小距離。小區(qū)面積的減少，意味著小區(qū)邊界穿越次數(shù)頻繁，這會造成呼叫切換的增加。所以，分裂之后，頻道分配和功率調(diào)整將會非常復(fù)雜。解決辦法：將大小區(qū)的信道分成兩組。一組適應(yīng)小小區(qū)的復(fù)用需求。一組適應(yīng)大小區(qū)的復(fù)用需求。小區(qū)分裂通過增加單位面積內(nèi)的信道數(shù)來提高系統(tǒng)容量的。

2)裂向

另一種提高系統(tǒng)容量的方法是保持小區(qū)半徑r0不變，而尋找辦法來減小同頻復(fù)用因子D/r0。

容量的提高是通過減小區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量，從而提高頻率復(fù)用次數(shù)。但需要在不降低發(fā)射功率的前提下減小同頻干擾。

原理：采用定向天線來代替全向天線，每個定向天線面向其扇區(qū)發(fā)射和接收信號，可以有效地減小同頻干擾的影響范圍，提高系統(tǒng)容量，這種技術(shù)稱為裂向(扇區(qū)化)。

同頻干擾減小的程度取決于使用扇區(qū)的數(shù)目通常一個小區(qū)劃分為3個120°的扇區(qū)或6個60°的扇區(qū)。

如采用120度定向天線后，所接收的同頻干擾功率僅為采用全向天線的1/3，可減小系統(tǒng)的同頻干擾。同頻道小區(qū)距離D可適當(dāng)減小，也即可以減小區(qū)群大小N，從而提高系統(tǒng)容量。

圖4-11全向天線基站小區(qū)和定向天線基站小區(qū)基站設(shè)在小區(qū)的中央，用全向天線形成圓形覆