无线课件05级课本第3章

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1、第3章 蜂窝的概念：系统设计基础,第1次 蜂窝系统的几何学,回顾：蜂窝系统,从网络规模看，蜂窝网是一种广域网络。 蜂窝网的最小组成单位：小区（cell）。 小区的覆盖由基站（BS）完成，即由基站保证位于小区边界上的移动台（MS）可以满足基本的信号干扰比（SIR）门限。 核心思想是频率复用！ 大区制系统是噪声受限（noise-limited)系统，而蜂窝系统是干扰受限（interference-limited）系统。,回顾：频率复用,实际上，频率复用的思想由来已久例如：西安的FM广播电台和北京的FM广播电台完全可以采用相同的发射载频，而不会造成相互的干扰，因为发射机之间的距离相当地远。 就蜂窝系

2、统而言，频率复用的距离要小得多，因为这种系统的目标是用户容量尽可能地大。距离可以小到什么程度由多方面因素决定。主要包括：接收机对同频干扰的容忍程度、系统所采用的多址方式等。这一章，主要以FDMA系统来介绍蜂窝原理。,重要数量值AMPS系统的SIR门限 对于AMPS系统，接收机可以允许的有用信号和同频干扰信号的功率比一般要大于18dB。即， 有用信号功率63同频干扰功率。 因此，这就为AMPS系统（FDMA的蜂窝系统）的设计做出了基本的限定。,一般在系统规划与设计时采用正六边形作为小区的形状。为什么？ 区群（簇，cluster）的概念。 区群大小（cluster size）公式。 同频小区的确定

3、。 区群的形状。,采用正六边形小区形状的原因： 1）蜂窝系统是为了实现对一个大的地理区域（即系统的服务区域）的覆盖而设计的，一般 为面状区域。通过为数众多的小区来实现系 统服务区域的覆盖。几何上可以证明，要实 现面状区域的既无缝隙又无重叠的覆盖，可 能的正多边形小区形状只有三种：正方形、 正三角形和正六边形。,2）半径一定的情况下，正六边形面积最 大，这样系统服务区域一定时，所需的 小区数目最少，即所需基站最少。 3）早期的蜂窝系统，基站通常位于小区中 心，并采用全向天线，这样在无阻挡的 平面地形上，基站的有效覆盖区域基本 上呈圆形，在半径一定的情况下正六边 形最接近于圆形。,练习：计算半径均

4、为R的以下各图形面积。,R2,2R2,2.598R2,1.299R2,区群（cluster，也译作簇）：对于蜂窝系统，系统所提供的全部频率资源将在若干个相互邻接的小区上予以分配，分配的基本原则是每个小区将获得彼此不同的一部分频率资源，一般可以考虑平均分配。我们将上述这些相邻接的一组小区称作一个区群。换句话说，在一个区群内部是不进行频率复用的！ 将蜂窝系统的组成由小区（系统的最小组成单位）放大到区群，即整个系统服务区域的覆盖也可以看作由一个个区群覆盖完成，在区群之间进行频率复用。,什么是“相互邻接”？区群中任意正六边形小区都至少与区群中另外两个小区存在公共边。 构成区群的情况 不构成区群的情况,

5、区群大小：一个区群中包含的小区数称作区群 大小。几何上可以证明，要满足以下两个条件： 1）各个区群实现整个面状服务区域的无缝无重叠覆盖； 2）使用相同频率的小区之间的最小距离在整个系统范围内为常数。 区群大小不是可以取任意值的。而应当服从以下 公式，即： Ni2ij+j2 ， 其中，N为区群大小， i、j可以取自然数，但不 同时为0。,上表是根据区群大小（N）公式计算出的i、j取不同数值情况下可能的区群大小值，即区群大小可以取1、3、4、7、9、12、13、16、19、。而不可能取2、5、6、8、10、11、14、15、17、18、。,区群的形状：区群大小一定时，区群的形状是确定的。,N7时,

6、N3时,N4时,区群上的频率分配： 正如前面所指出的，区群并不仅仅是一个地理区域的概念，而且是整个系统频率资源的一个分配单位一般，系统可使用的全部频率资源在区群范围内进行平均分配。,（a）采用N1的区群进行频率复用，称之为完全频率复用。CDMA。,（b）采用N3的区群进行频率复用，系统全部频率资源平分为A、B、C三组，分别分配到区群内3个小区上使用。,同频小区：在蜂窝系统设计和规划时位于不同区群内，采用相同的频道组的小区称作同频小区。要想对由于采用相同频率工作而引起的相互干扰进行有效的控制，同频小区的分布应当存在规律性。具体地，就是要求在整个系统范围内，同频小区之间的最小距离为常数。这个最小距

7、离，一般称之为同频复用距离，记作D。,同频小区的确定： 1）沿某正六边形小区一 条边的垂线方向行进i 个小区； 2）逆时针旋转60后 再向前行进j个小区。 所到达的小区可以与原 始小区使用相同的频道 组。,i=3，j=2的情形,重要距离相邻小区的中心距 “向前行进一个小区”指的是从本小区中 心出发沿某边垂线方向前进，直至到达相邻小 区的中心。若小区半径为R，则行进距离d （相邻小区的中心距）为：,R,d,同频复用距离（D）：,D,id,jd,同频小区的分布： N3的情形如右图所示。 结论：同频小区分层 排布。无论区群大小， 第1层共6个，第2层共12 个，第n层共6n个。 各层同频小区分布在以

8、 原始小区中心为中心的 同心圆上，同心圆半径 顺次为D、2D、nD。,“第1层同频小区共有6个”,教材pp40 图3.2 N19（i3， j 2）时的同频小区分布情形。 其中，红色边框 是区群边界。,“蜂窝系统的几何学”内容小结： 区群概念 区群大小公式 同频小区的确定 同频复用距离公式 同频小区的分层排布,同频干扰和系统容量（教材第3.5节）,蜂窝系统是自干扰系统 FDMA系统的干扰类型 同频复用比例（Q） 信干比的计算,就蜂窝系统而言，最重要的干扰来自于系统本身。即由于频率的复用，系统中存在同频小区，它们相互之间存在着无法滤除的干扰。 FDMA系统的主要干扰类型包括：同频干扰和邻频干扰。后

9、者相对影响要小一 些，我们稍后介绍。,同频干扰是不能简单地通过增加发射功率来克服的！ 例如， 某BS发射功率的增加将意味着，它对别的采用相同载频工作的BS所覆盖小区上的MS会带来更为严重的同频干扰。,同频复用比例（Q）：,即，区群越大（N越大），同频复用比例（Q）越大； 区群越小（N越小），同频复用比例（Q）越小。,教材pp46表3.1,Cluster size：区群大小 Co_channel Reuse Ratio：同频复用比例,例：某FDMAFDD蜂窝系统，共有21对双工频道，考虑所有信道在区群内均匀分配，小区半径R一定的情况下，以下两种区群配置，D分别为多少？Q呢？哪个具有更大的容量？（

10、假设全部信道均被用于用户通话，且两种情况均可以保证用户正常通信同频干扰的影响可以忍受）。 1）N3；2）N7。（参前例！）,解 1）N3，D3R，Q3；每个小区分配7对信道（频道）。 2）N7，D4.58R，Q4.58；每个小区分配3对信道（频道）。 由于系统服务区域是给定的，小区覆盖面积一定 （R一定）时，覆盖整个服务区域所需的总小区数 就是一定的，则N3时可用信道更多，系统容量 更大。,总结： 从提高容量的角度出发，我们希望N越小 （Q也越小，即同频小区的分布越密集）越 好；从减小干扰的角度出发，我们希望N 越大（Q也越大，即同频小区分布越稀疏） 越好。 所以，蜂窝系统要在控制干扰水平的前

11、提 下，尽可能地采用小的区群。,信干比计算 1）信干比（Signal-to-Interference Ratio）指的是在 蜂窝系统特定接收机处有用信号功率和同频干 扰功率的比值。常简记作SI或SIR。 2）信干比的估算 下面来进行前向链路的最差信干比估算。现来 进行一些假定： i. 所有基站均位于小区中心且发射功率相同，设为Pt； ii. 整个系统服务区域的地理环境为平坦地面， 则路径损耗因子n=4； iii. 所有小区半径都相同，并等于R。,最差信干比：1.对应于最坏的有用信号接收情形，如图蓝点所示的MS位于当前小区的顶点上，此时它距位于小区中心的基站的距离达到了最远，前向接收信号强度最小

12、。2. 假定第一层同频小区的各基站同时在采用相同频率发射，这意味着干扰数目达到最大（共6个）。,MS,注意：后续分析中将忽略第一层以外的各层同频小区的影响。,估算重要用到的重要关系 发射载频一定时，在存在地面反射的情况 下，假设接收机距离发射机的距离为D， 则接收功率Pr与发射功率Pt之间的关系如 pp85式（4.52）所示。假定Gt、Gr、ht、 h r为常数，则,较粗略的估算：认为各第一层同频基 站距受干扰移动台的距离都近似地等于同 频复用距离D。 在忽略其他各层同频基站 （离受干扰移动台足够远）的影响，我们 可以得到最差情况下的信干比为：,（续前页） 用分贝值（dB）表示的信干比等于：

13、对于AMPS系统，S/I应大于等于18dB，所 以结合上式，有：,初步结论 就AMPS系统来说，要保证获得用户 可接受的通信质量，区群大小（N）至少 应等于7，即该系统应采用7小区构成的区 群。,较精确的估算：实际上，第一层同频 基站距受干扰移动台的距离是存在差异 的。对于N7的情况，考虑到这种差异， 我们可以近似地认为各有两个基站距受干 扰移动台的距离分别为D+R、D、DR， 从而有：,（续前页） 即， N7时，Q4.58，代入上式，得到： 或,对于N7的情况，我们可以得到如右图所示的几个不同的计算（估算）结果。,结论 这些结果表明，就AMPS而言，采用N7 的区群配置，在最差的情况下，信干

14、比会低于 系统所要求的18dB。也就是说，实际上存在发 生信干比不满足要求的概率（尽管概率很低）。 那么，一个AMPS系统的运营商就面临这样的选 择是提高N值来确保时时处处满足18dB要求 呢？还是保持N7不变，确保更大的用户容量？,习题：试分别计算N7的情况下，仅考虑第一层同频小区影响的最差信干比和同时考虑第一层和第二层同频小区影响的最差信干比。假定各层同频小区距离中心小区的受干扰移动台的距离均为nD，其中n=1、2等，D为同频复用距离。,第3章 蜂窝的概念：系统设计基础,第2次 信道分配与切换,信道分配策略（第3.3节） 固定信道分配和动态信道分配 切换策略（第3.4节） 切换的定义 切换

15、的依据 硬切换与软切换 切换的过程控制类型 “切换优先”切换信道的分配原则,什么是信道分配？ 信道分配指的是蜂窝系统如何将可用信 道资源在区群范围内进行分配，以减小 干扰并保证足够的用户容量。 信道分配策略分为两种： 1）固定信道分配 2）动态信道分配,固定信道分配： 系统拥有的信道资源（如载频或频道）采用某种方式进行划分以后，各信道组被固定地分配到区群内各个小区上去。一旦分配完毕，一般情况下，各小区只固定使用分配到本小区的那组信道。若小区内暂时没有空闲信道，呼叫将被阻塞（到达用户的呼叫无法接通或用户发起的呼叫无法拨出）。,如何划分信道组？ 1）邻频干扰和远近效应 2）旨在减小邻频干扰的信道组

16、划分方案,邻频（邻道）干扰：使用有用接收信号的相邻信道的干扰信号称为邻频干扰。,邻频干扰,邻频干扰,远近效应：假定MS1和MS2在反向链路上工作于邻道。,fc,k,fc,k+1,由于MS2到达BS的信号远远强于MS1到达BS的信号，所以使得MS1信号无法正常被接收，这种由于距离的较大差异造成的效应称为远近效应。,BS处的接收功率谱,无线移动通信对约束邻频干扰的要求:,这一点一般通过采用适宜的调制技术和线性化功放来保证。,发射频谱的主瓣应比旁瓣高6070dB。,旨在减小邻频干扰影响的信道分配方案： 例假定系统为FDMAFDD系统，总共 有21对双工信道（频道），按照载频由低 到高的递增顺序依次编号为1号、2号、 20号、21号