1、第一章 无线组网基础,1.1 区域覆盖方式 1.2 蜂窝网结构特点 1.3 干扰与系统容量 1.4 频道共用技术 1.5 提高系统容量的方法,组网遇到的问题有： 1）.如何选择网络制式结构（即区域覆盖的方式）； 2）.如何有效地利用频谱（即由时域、频域、空间域提高频谱的利用率）； 3）.如何选定电台设备保证正常通信（即考虑电波衰耗情况）； 4）.如何完成系统的交换与控制功能。,服务区：整个移动通信网所覆盖的区域。 小区：一个基台（BS）所覆盖的区域（半径最大为天线高度的视线距离）。,1.1区域覆盖方式,大区制：由一个基台覆盖整个服务区。 主要特点：基站天线很高，几十米至几百米；基站发射功率大，
2、50200W；覆盖半径3050公里。 优点：网络结构简单、成本低。 缺点：容量小，一般用户几十至几百个，目前用于专用网。,一.大区制移动通信网,提高覆盖半径是大区制需解决的问题。 决定覆盖半径的因素为：地球的曲率，地形影响，多径反射，移动台发射功率大小，信号传输距离限制。 解决上行信号问题的办法：设置分集接收和同频转发台。,二.小区制移动通信网,小区制：整个服务区分为许多个小区，每个小区设一个基台（BS）负责小区内移动台（MS）的通信。同时设若干个移动交换控制中心（MSC）通过有线统一控制基台协调工作。 业务区：一个移动交换控制中心负责的区域。,小区制特点： (1).可空分复用解决频道数少与用
3、户数多的矛盾。 空分复用：间隔一定的空间距离，可设置完全相同的小区。 (2).网络结构灵活，可小区分裂成更小的小区。 (3).由于空分复用，需考虑同频干扰的影响。 (4).移动台要有过境切换功能。,按小区交叠方式可有下列几种实际小区的形状：三种形状小区的比较：,当服务区面积一定，正六边形小区面积最大， 所需基台数最少，最经济，为目前使用的小区形状， 称为蜂窝小区。,1.2 蜂窝网结构特点,一.空分复用 为保证空分复用时同频小区间有足够的距离，相邻的若干个小区都不能频率再用。 使用不同频率的小区构成一个区群。 只有不同区群的小区才能进行频率再用（即空分复用）。 区群的组成应满足两个条件： （1）
4、区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖； （2）邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。,满足条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。 可以证明，区群内的小区数应满足下式：,式中，i, j为正整数。,若一个区群由N个小区构成，每个小区需k个频率， 则一个区群需kN个频率。 即整个服务区仅使用kN个频率即可。,常见的区群结构：,二.同频(信道)小区的距离,由某小区A每条边（共六条）的垂线跨i个小区， 再向左转60度跨j个小区， 即可找到相邻区群的同频小区A（共六个）。,设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r， 相邻小区间距为31/2r。 则可以算出同信道小区中心之间的
5、距离为 可见群内小区数N越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。,三.基台设置方式,中心激励： 如图（a），基台设在小区中央，由全向天线形成圆形覆盖区域。 可能会有辐射阴影。,顶点激励： 如图（b），基台设在小区的三个顶点，由定向天线形成120度 的扇形覆盖区域。可避免辐射阴影。,四.越区切换,越区(过区)切换是指将当前正在进行的移动台与基站之间的 通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到 另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性， 将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间
6、的链路。越区切换包括三个方面的问题： 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换； 越区切换如何控制，也就是系统完成切换的实施过程； 越区切换时信道分配。,切换策略的目标：切换次数和中断次数最小；无明显干扰的快速通话转接；对新呼叫阻塞的影响最小。越区切换算法所关心的主要性能指标： 越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、 越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔 以及越区切换发生的时延等。 越区切换分为两大类：硬切换，软切换。 硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接,如GSM系统。 软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧 链路的分集合并来改善通信质量，
7、当与新基站建立可靠连接之后 再中断旧链路,如CDMA系统。 决定何时需要进行越区切换，通常根据移动台处接收的平均信号 强度，或信噪比、信干比、误比特率等参数。 可以仅以某个方向(上行或下行)的链路质量为准，也可以同时考 虑双向链路的通信质量。, 相对信号强度准则(准则1)：在任何时间都选择具有最强接收信号的基站。 缺点：在原基站信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。 具有门限规定的相对信号强度准则(准则2)：仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可能进行切换。此法选门限为关键，门限低，会引起较大的越区时延，此时链路质量差
8、，可能会导致信号中断。 具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3)：仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强很多（即大于滞后余量）的情况下切换。 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则(准则4)：上述 准则结合。,1.越区切换的准则,(1).移动台控制的越区切换。 移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度 和质量，当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业 务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。 在大系统中容易引起切换冲突。 (2) 网络控制的越区切换。 基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后， 网络开始安排向另一个基站的越区切换。 切换时间长，可
9、达10S。若MS失去联系，将造成信号中断。(3) 移动台辅助的越区切换。 网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基站， 网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。 时间快，切换过程1s2s ，信号中断1s。,2.越区切换的控制策略,越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时， 新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。越区切换时的信道分配涉及切换优先问题，系统处理切换 请求时常采用越区切换请求优先于初始呼叫请求。 常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。其特点是：因新呼叫使可用信道数的减少，要增加呼损率，但减少了通话被中断的概率。,3.越区切换
10、时的信道分配,1.3 干扰与系统容量,系统容量C是指系统中能同时工作的用户数（即总频道数）。若系统有M个区群，每个区群由N个小区构成， 每个小区有k个频率，则一个区群的频道数S = k N。系统容量C = M S = M k N一个区群的频道数S不变，即整个服务区仅使用S = k N个频率， 区群的小区数N减少，则每个小区的频率数k增加， 系统的区群数M增加，系统容量C亦增加。系统内干扰包括同频干扰，邻道干扰，互调干扰等，它们都会 影响到系统的容量。,相同频率间的干扰为同频干扰。能构成同频干扰的频率范围为f0BI/2，f0为载波频率，BI为接收机的中频带宽。 移动通信系统的空分复用会产生同频干
11、扰。对于异频双工系统，假设基站A和B使用相同的频道。移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于 移动台天线高度，因此当移动台M处于小区的边沿时，易于受到 基站B发射的同频道干扰。基站A接收本小区移动台M发射的信号，也会受到B小区移动 台发射信号的同频道干扰，但较小。,一.同频干扰与系统容量,为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下， 允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为 同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或 共道再用距离。 所谓“安全”系指接收机输入端的有用信号与同频道干扰 的比值已大于射频防护比RF 。,假定各基站与各移动台的设备参数相同， 覆盖区路径衰耗指数
12、n相同， 则移动台接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值,i0为同频干扰小区数，r为小区半径， Di为同频干扰的路径长度（即同频小区间距）,仅考虑第一层干扰小区（中心激励时i0=6）， Di均相等为D。,据同信道小区中心之间的距离结果，同频复用比：,同频干扰I小，同频小区间距D小，同频复用比Q小， 则区群的小区数N小，系统的区群数M增加，系统容量C亦增加。,设计要求：,邻道干扰是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。 它有两个方面的含义： 1）.发射机输出信号带宽太宽落入相邻频道，从而干扰邻道正常工作的接收机。 要求电台对邻道干扰的抑制（边带辐射比）达到70dB以上。 2）.接收机带宽太宽无法滤除
13、邻道正常工作的信号，从而形成对本接收机的干扰。 要求电台接收机邻道选择性达到70db以上。为避免邻道干扰的影响，移动通信系统在一个小区内一般 避免使用邻频。,二.邻道干扰,三.互调干扰,非线性器件的输出电流ic与输入电压u的关系式为:ak为非线性器件的特性系数，通常有a1a2a3。假设有两个信号同时作用于非线性器件:输出:1) 在各个失真项中都包含A和B的高次谐波分量(nA和nB), 其频率通常远离接收机的调谐频率0，不予考虑。 2) 在二阶(n=2)失真项中，会出现A+B和A-B两种组合频率。由于接收机的输入电路及高频放大器调谐回路具有选择性，而A和B往往都接近0，使A+B和A-B远离接收机
14、的调谐频率0，受到很大抑制，不易形成互调干扰。,3) 在三阶(n=3)失真项中，会出现2A-B、2B-A、2A+B与2B+A等组合频率，后两项的性质类似于二阶组合频率中的A+B可以忽略；但2A-B和2B-A两项，当A和B都接近于有用信号的频率0时，很容易满足以下条件：2A-B和2B-A两项频率可以落入接收机0的通频带之内，这两种组合频率的干扰对接收机的危害比较大。通常把这两种组合频率的干扰称为三阶互调干扰。 4) 同理，在五阶(n=5)失真项中，具有危害性的组合频率是3A-2B或3B-2A，这两种组合频率的干扰称之为五阶互调干扰。,在非线性器件中，系数a5a3，五阶互调干扰的影响小于三阶互调干
15、扰的影响。 即高阶互调的强度一般都小于低阶互调分量的强度。 因而在一些实际系统的设计中，常常只考虑三阶互调干扰， 至于七阶以上的互调干扰，因为其影响更小，一般都不予考虑。 若在非线性电路的输入端同时出现三个不同频率的干扰信号:按同样方法分析可以看出，其中危害最大的互调频率是 三阶互调中的A+B-C, A+C-B和B+C-A等项。我们把两个干扰信号产生的三阶互调称之为三阶-型互调， 把三个干扰信号产生的三阶互调称之为三阶-型互调。,为避免互调干扰的影响，要求电台对互调干扰的抑制达到70dB。 移动通信系统在一个小区内一般不同时使用构成三阶互调关系的 几个频率。四.自动功率控制可减小干扰 依据电台
16、间距离的远近调整发射功率的大小， 可减小干扰信号的强度，从而减小干扰。,1.4 频道共用技术,一.用户占用信道方式二.多波道共用技术,一.用户占用信道方式1.专用波道方式k个信道提供给k个用户使用，每个用户均各占用一个信道。 可保证用户随时呼叫;信道利用率很低。2.独立波道方式 x个用户分成k组，每组用户共用一个信道，谁先呼叫谁先占用。 信道利用率得到提高;但同组用户同时呼叫会产生碰撞， 各组间信道不能共用。3.多波道共用方式 x个用户共用k个信道（k小于x），只有k个信道均被占用， 第k+1个用户呼叫才被拒绝，信道利用率得到很大提高。 为提高系统的频道利用率，小区制移动系统用户 占用信道的方
17、式为多波道共用方式， 即一个小区的x个用户共同使用k个信道。,二.多波道共用技术,x与k的关系由用户的业务量及系统的呼损率决定。1.话务量与呼损率 在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。 话务量分为流入话务量和完成话务量。 流入话务量为系统产生而需要去实现的业务量， 其大小取决于单位时间(1小时)内平均发生的呼叫次数 和每次呼叫平均占用信道时间(含通话时间)H。,定义流入话务量A为：的单位 次/小时；H的单位 小时/次；A是一个无量纲的量，专门定义其单位为“爱尔兰”(Erlang)。 A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。 1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。,在
18、信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败。即发生“呼损”。 能完成的业务量称为完成话务量。,已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为， 设单位时间内成功呼叫的次数为0（0）。 完成话务量：,流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量：,损失话务量占流入话务量的比率即为呼叫损失的比率，称为“呼损率” B： 呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。 呼损率B也称为通信网的服务等级(或业务等级)。 对于一个通信网来说，当信道数一定，能完成的话务量A0就确定了， 要使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些。 呼损率与流入话务量是一对矛
19、盾，要折衷处理。呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同的。,信道利用率用每小时每信道的完成话务量来计算：,2.阻塞呼叫清除的呼损率计算 通信网对用户的呼叫可采用阻塞呼叫清除模式： 用户呼叫无等待建立时间，只要系统无空闲信道就被拒绝。,此时系统呼损率由爱尔兰呼损公式计算：k为信道数，A为系统可承受的流入话务量。,P184表5-2,呼损率B一定时， 信道数k增加，系统可承受的流入话务量A增加（即用户数增加），信道利用率也增加。 信道数k小于3时，A指数增加， 信道数k大于6时，A线性增加； 信道数k大于8时，信道利用率增加缓慢。小区用户增加依靠信道数k增加来解决是有限的。,3.阻塞呼叫延迟的呼损率
20、计算通信网对用户的呼叫也可采用阻塞呼叫延迟模式： 用户呼叫有等待建立时间t，只有t秒后系统仍无空闲 信道，用户才被拒绝。,延迟时间大于t秒的条件概率：H为通话的平均保持时间。,系统呼损率：可查表计算。（见参考书无线通信原理）,此时，呼叫被延迟的概率：,4.用户数x的确定 每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量a来进行计算。 最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数n， 一般n=10%15%。 每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定：,通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天)， 每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为n。 国外资料表明：
21、公用移动通信网可按a=0.01设计，专业移动通信网可按a=0.05设计。,每频道容纳的用户数小区的用户数为x = mk,2.5 提高系统容量的方法,系统确定后，由于用户数x增加，导致信道数k不够， 使系统服务等级下降，需采取适当方法使原系统容量增大。,1.小区的分裂 2.划分扇区（裂向技术） 3.微小区技术,1.小区的分裂通信网络已建立，原低密度用户区域经发展成为高密度 用户区域，则相应地将该区域的小区再划小，此为小区分裂。 顶点激励的小区分裂很容易。 小区分裂后，新小区半径减小，则相应的 基台发射功率减小，系统干扰也减小， 同频复用距离也相应减小； 同频复用比Q = Di / ri = (
22、3N )1/2不变， 总频点数S = k N不变； 小区分裂后，新小区面积减小， 覆盖范围的小区数增加，同频复用次数M也增加。 系统容量C = M S增加。,2.划分扇区（裂向技术） 利用若干个定向天线来替代同向天线， 即将小区划分为若干个扇区，为裂向技术。,三扇区（120o裂向） 六扇区（60o裂向） 裂向后，同频干扰的数目减小，同频干扰减小， 同频复用距离D也相应减小； 小区未变，同频复用比Q = Di / r = ( 3N )1/2相应减小， 从而可选较小簇（N减小）； 同频复用次数M也增加，则系统容量C = M S增加。 另总频点数S = k N不变，则每小区信道数k增加。,120o裂
23、向时，同频干扰的数目减少为两个，,60o裂向时，同频干扰的数目减少 为一个，,裂向的缺点： 1）.小区内切换次数增加，控制复杂。 2）.小区内基站天线数量增多，成本增加。 3）.中继效率下降。 中继效率： 在一定呼损率下某一固定信道配置所能提供的用户数。,3.微小区技术一个小区由若干个微小区构成，每个微小区设置有基站收发信机，均受小区的基站控制器控制。 移动台在小区内移动时，由信号最强的微小区提供服务，工作信道 由基站控制器控制基站收发信机改变，移动台无需因跨越微小区而 改变（小区内无切换）。 小区信道数k所承受的流入话务量A不变，中继效率不变。 微小区基站发射功率下降，同频干扰减小，同频复用距离D减小。 小区未变，同频复用比Q = D / r = ( 3N )1/2减小，N减小。 同频复用次数M增加。 则系统容量C = M S增加。,
