无线通信原理

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1、第三三章 蜂窝的概念：系统设计 基础 河南大学物理与电子学院 代震 主要内容 频率复用 信道分配和切换策略 干扰和容量 中继和服务等级 提高蜂窝系统容量 背景 早期移动通信系统的设计目标是通过使用安装 在高塔上的、单个的大功率发射机而获得一个 大面积的覆盖范围。虽然这种方式能获得很好 的覆盖，但它同时也意味着在系统中不能重复 使用相同的频率，因为复用频率将导致干扰。 例如，70年代纽约的贝尔移动系统最多能支持 1000平方英里内的12个同时呼叫。 开始调整移动通信的系统结构，以使其通过有 限的无线频率获得大容量的通信，同时又能覆 盖大面积的范围，迫在眉睫。 无线通信系统的术语定义 (1).基

2、站 移动无线系统中的固定站台，用户和移动台进行 无线通信。基站建在覆盖区域的中央或边缘包含 无线信道和架在塔上的发射、接收天线。 基站担当的就像桥的功能，将小区中的所有用户 的通话通过电话线或微波线路连到MSC(移动交换 中心)。MSC协调所有基站的操作，并将整个蜂窝 系统连到PSTN(电话网）上去。 基站包括有几个同时处理全双工通信的发送器、 接收器和支撑几个发送和接收天线的塔。 (2)控制信道（Control channel） 用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标 志及控制用途； (3)前向信道（Forward Link channel） 用来从基站向用户传送信息的无线信道（下行信

3、道）； (4)反向信道（Reverse Link channel） 用来从用户向基站传送信息的无线信道（上行信 道）； 小区内的通信业务是靠双向信道完成的。 (5)全双工系统 同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般 使用两个不同的频道(例如FDD)，而新的无绳或 个人通信系统使用TDD技术； (6)半双工系统 使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的 通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送 或接收信息； (7)切换 将移动站从一个信道或基站切换到另一个信道或 基站的过程； (8).移动台 在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中 使用的终端。移动台可以是便携的手持部件，或是安

4、装在移动车辆上的设备； (9).移动交换中心MSC 在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂 窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用 交换电话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局； 典型的MSC可容纳10万个用户，并能同时处理5000个 通话，同样还提供计费和系统维护功能。在大城市里， 几个MSC可以使用同一载波。 (10).寻呼 将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多 基站同时广播的方式进行； (11) .漫游 移动台可以在不是最初登记的其他区域内通信； (12)单工系统 只提供单向通信的通信系统(信息只被接受，不被确 认的(如寻呼)系统中，都是单工系统) ； (13

5、)收发信机 能同时发送和接收无线信号的设备； 3.1 概述 1974，Bell实验室提出蜂窝概念 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量的一个重大 突破。 蜂窝概念是一种系统级的概念，其思想是用许多 小功率（小覆盖区）的发射机来代替单个的大功 率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供 服务范围内的一小部分覆盖。 蜂窝通信系统就是将所要覆盖的地区划分为若干 个小区，每个小区分别设置一个基站，负责本区 移动通信的联络和控制。同时，由可在移动交换 中心（MSC）的统一控制下，实现小区之间的移 动用户通信的转接。 每个小区的半径可视用户的分布密度在 110km 左右，甚至500m。在每个小区设立 一个基站

6、（BS）为本小区范围内的用户服务。 特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用 率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐 射小等。 会出现新的问题：系统复杂、越区切换、漫游、 位置登记、更新和管理、以及系统鉴权等。 蜂窝的分类 宏蜂窝(Macro-cell)：220km 微蜂窝(Micro-cell)：0.42km 皮蜂窝(Pico-cell)：=j。 如果i 15 dB N=7模型可用。 （2）n3 同理：考虑N=7模型 计算信噪比为： S/I=(1/6)*(4.583)3=16.04=12.05dB15dB N=12模型可用。 在蜂窝通信网中，使两个同频小区保持 必要的距离D是保证同频道干扰

7、保护比达 到指标要求的主要方法。 在小区半径R一定的条件下，D与N成正 比关系，而N又和系统容量成反比。 因此，实际工作中需对同频干扰的系统 容量和干扰保护比这两个目标进行折衷。 3.5.3 邻频道干扰邻频道干扰 工作在k频道的接收机受到工作于k1频道的信号的干扰，即邻道（k1频道）信号功率落入k频道的接收机通带内造成的干扰称为邻频道干扰。 邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄露到了传输带宽内引起的。 邻频干扰可通过精确的滤波和信道分配 而减到最小。 实际工作中，为抵制邻频干扰，每个 基站都用高Q值的空腔滤波器。 解决邻频道干扰的措施 （1） 降低发射机落入相邻频道的干扰 功率

8、，即减小发射机带外辐射； （2） 提高接收机的邻频道选择性； （3） 在网络设计中，避免相邻频道在 同一小区或相邻小区内使用，以增加同 频道防护比。 邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻 频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。邻 频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到 最小。因为每个小区只分配给了可用信道中的 一部分，给小区分配的信道就没有必要在频率 上相邻。通过使小区中的信道间隔尽可能的大， 邻频干扰会减小。因此，不是在每个特定的小 区分配在频谱上连续的信道，而是使在给定小 区内分配的信道有最大的频率间隔。 通过顺序地将连续的信道分配给不同的 小区，许多分配方案可以使得在一个小 区内的

9、邻频信道间隔为N个信道带宽，其 中N是簇的大小。其中一些信道分配方案， 还通过避免在相邻小区中使用邻频信道 来阻止一些次要的邻频干扰。如果频率 复用比例小，邻频信道间的间隔就可能 不足以将邻频干扰强度保持在可容忍的 极限内。 例如，如果有一个移动台接近基站的程度是另一个的20 倍，而且有信号能量溢出它自己的传输频带，弱信号移 动台的信噪比(接收滤波器之前)可近似表示为： S/I=(20）-n （3.12） 如果路径衰减指数n=4，上式等于-52dB。如果基站接收 机的中频(IF)滤波器的斜率为20dB/倍频程，则为了获得 52dB的衰减，邻频干扰源至少要转移到距接收机频谱中 心6倍于传输带宽的

10、地方。即为了获得0dBSIR，要求有6 倍信道带宽间隔的滤波器。这意味着为了将邻频信道干 扰降到可接受水平以下，需要有大于6倍的信道间隔，或 是当距离很近的用户与远距离的用户使用同一个小区时， 需要更陡峭的基站滤波器，实际上，为了抵制邻频干扰， 每个基站都用高Q值的空腔滤波器。 3.5.4 互调干扰互调干扰 在专用网和小容量网中，互调干扰可能成为设台组网较关心的问题。产生互调干扰的基本条件是： （1）几个干扰信号（A、B、C）与受干扰信号的频率（S）之间满足2A-B =S或A+B-C =S 的条件； （2） 干扰信号的幅度足够大； （3） 干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作。 互调干扰分

11、为发射机互调干扰和接收机互调干扰两类。 1. 发射机互调干扰发射机互调干扰 一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰，称为发射机互调干扰。减少发射机互调干扰的措施有： （1） 加大发射机天线之间的距离； （2） 采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔； （3） 提高发射机的互调转换衰耗。 2. 接收机互调干扰接收机互调干扰 当多个强干扰信号进入接收机前端电路时，在器件的非线性作用下，干扰信号互相混频后产生可落入接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰称为接收机互调干扰。 减少接收

12、机互调干扰的措施有： （1） 提高接收机前端电路的线性度； （2） 在接收机前端插入滤波器， 提高其选择性； （3） 选用无三阶互调的频道组工作。 3. （1）蜂窝移动通信网 由于需要频道多和采用空腔谐振式合成器，只有采用互调最小的等间隔频道配置方式， 并依靠设备优良的互调抑制指标来抑制互调干扰。 （2） 专用的小容量移动通信网 主要采用不等间隔排列的无三阶互调的频道配置方法来避免发生互调干扰。表2-4列出无三阶互调的频道序号。由表2-4可见，当需要的频道数较多时， 频道利用率很低， 故不适用于蜂窝网。 表表3-4 无三阶互调干扰的信道组无三阶互调干扰的信道组 2.5.5 当外界存在一个离接收

13、机工作频率较远, 但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时，由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高，使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰。这种干扰与干扰信号的幅度有关，幅度越大，干扰越严重。当干扰电压幅度非常强时，可导致接收机收不到有用信号而使通信中断。 2.5.6 近端对远端的干扰近端对远端的干扰 当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台B（距离d2）到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台A（距离d1， d2 0为图3.7中的纵坐标。明确 了这两个参数以后就很容易求解第三个 参数。 显示以信道数量和以Erlang度量的话务 量强度为参数的呼叫延迟概率函数 例3.4 中继效率：用来度量某一GOS下和某一固定信 道配置所能提供的用户数。信道分组的方式可 以在很大程度改变一个中继系统所能处理的用 户数量。例如，据表3.4，GOS为0.01的10个 中继信道能支持4.46 Erlang的话务量，而两 个各有5个中继信道的信道组能支持21.36 Erlang, 或2.72 Erlang的话务量。很明显， 在某一特定的GOS上，10个信道中继在一起 所能支持的话务量比两组5个信道中继在一起 所能支持的多60。必须明确，中继无线系统 中的信道分配对整个系统的容量有重大的影响。