1、无线通信工程,姚彦教授厦门大学通信工程系2007年11-12月,第12讲：蜂窝技术,引言 频率再用 蜂窝系统的容量 蜂窝系统的干扰 容量与干扰的折中 链路平衡 体制比较,引言,什么叫蜂窝技术?,蜂窝技术是将有限的无线频谱资源在空间上重复使用，以提高通信容量的一种方法。 移动通信最早采用的体制是单基站的大区制。这时，在一个基站发射机覆盖的范围内，当采用FDMA方式时每个工作频率只能提供给一个用户，这是很不经济的。 如果将这个大区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，并控制发射机的功率，就可以在相互不产生干扰的小区之间使用相同的频率，称为频率再用。 频率再用是蜂窝系统提高通信容量的关键。,蜂窝移动
2、电话的发展历史,1947年 Bell Lab发明蜂窝移动通信技术。 1967年 AT&T推出汽车蜂窝电话系统。 1974年 Motorola制成世界上第一部蜂窝移动电话手机，当时重量为1公斤左右。技术主管为马丁库珀。第一代蜂窝：模拟AMPS，TACS 第二代蜂窝：数字GSM，IS-95 第三代蜂窝: 宽带WCDMA，cdma2000，TDS-CDMA,蜂窝系统概念,引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破，其主要目的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用户服务。 蜂窝的主要特点：通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同小区间重复利用。通过将小区划分成扇区或更小的小区的方法（小区分裂）来增
3、大系统的容量。,蜂窝系统概念（续）,假定所有基站都采用全向天线、相同的发射功率，理想传播环境，这时每个基站所能被接收的功率大于某个门限的区域构成一个圆形的小区。用这些圆形小区无空隙地覆盖整个大区，就必须是下面有一定交叉的圆圈的组合。去掉一些重叠部分，就成为六角形的组合。,蜂窝系统概念（续）,在蜂窝系统中，基站位置的设置可以有两种方法：中心发射小区，用于全向天线。边角发射小区，用于扇形天线。,中心发射小区,边角发射小区,频率再用,什么叫频率再用,在无线蜂窝系统中，每个小区需要使用一个频率（对TDD），或一对频率（对FDD），在对基站发射功率严格控制的情况下，相隔距离足够远的两个小区，可以重复使用
4、这个频率，以提高频谱资源的利用率。这种方法称为蜂窝系统的频率再用（Frequency reuse)。 频率再用是无线蜂窝系统的核心概念，是提高频谱利用率的主要措施。 令：小区半径为Rc，频率再用距离为D，就可以定义频率再用因子：QD/Rc,蜂窝坐标系统,非正交蜂窝坐标系统 小区的中心位置：蜂窝坐标系统（u，v）和直角 坐标系统（x，y）的关系：,蜂窝坐标系统（续）,环状蜂窝坐标系统 六个扇区旋转对称，每个扇区600 在扇区中的一个小区其坐标：（n,i） 其中n为环的圈数，i为在第n的 环中小区的序号，i=1,2,n第n个环上第i个小区到原点 的距离：每个环上有6n个小区，但同一个环上 的小区到
5、中心小区的距离是不同的。,簇（Cluster）的概念,由不同频率的最少小区集合，组成一个簇。整个区域的覆盖就通过簇的平移复制而成。 如右图所示。 簇中小区的个数K称为簇尺寸。 不同簇之间使用相同频率的小区的最小距离D称为再用距离。,D,簇（Cluster）的概念（续）,K3,如何进行频率再用,在建立簇以后，根据以下方法进行平移复制： 1、将簇中某个参考频率的小区，沿u坐标移动i个小区； 2、再沿v坐标移动j个小区； 3、这样得到的蜂窝结构，能够保证再用距离为：,i=1,j=1; K3; D=3Rc,如何进行频率再用（续）,i=2,j=1; K7; D=4.6Rc,如何进行频率再用（续）,同频干
6、扰的小区位置,根据最佳准则安排的小区，其同频干扰的小区位置是按照左图配置的。 在第n层上有6n个同频的小区。 其中6个小区到0号小区的距离为nD，还有6（n-1）个小区到0号小区的距离略小于nD。,蜂窝系统的容量,容量分析,系统的总面积为As，小区的面积为Ac，单位带宽所能支持的小区用户数（小区容量）为m，整个工作频段的带宽为W，系统的簇尺寸为K。 系统的总用户数为：整个系统在单位带宽、单位面积内的用户数（系统容量）为：,容量讨论,小区容量：每个小区在单位带宽内所能支持的最大用户数。 系统容量：整个系统在单位带宽、单位面积内所能支持的最大用户数。 系统容量n和小区容量m成正比，和簇尺寸K成反比
7、，和小区面积Ac成反比。,容量讨论（续）,提高系统容量的主要途径： 提高小区容量。如：话音激活技术、信源压缩技术、高效率调制技术、扇区化技术等。 减少簇尺寸。如：采用更好的多址技术（FDMATDMA CDMA，提高系统抗干扰能力等。 减少小区面积。如：采用微蜂窝、微微蜂窝等。,小区分裂,采用小区分裂的方法可以提高系统的容量。 一般采用的方法是让分裂后的新小区半径为原来旧小区半径的一半，即：新小区半径旧小区半径/2 这时，就有：新小区面积旧小区面积/4 根据前面的结论，蜂窝系统的容量就可以扩大4倍。,小区分裂（续）,但小区分裂也受到用户密度、传播条件等因素的制约，并不是小区分得越小越好。 同时还
8、要考虑基站发送功率的问题。 在不考虑同频干扰的情况下，基站的发送功率只要保证处于小区边缘处用户站所需的SNR。 当有多个小区存在时，基站必须增强发送功率以补偿同频干扰。,蜂窝系统的干扰,反向链路的同频干扰,前向链路的同频干扰,前向链路同频干扰的计算,在第0号小区内用户站接收端的载波干扰比为：其中：Pt为基站的发射功率，所有小区都相同；G()为基站天线增益；im为小区i基站天线主波束和用户站的夹角；ki为传播损耗参数；dim为小区i的基站天线到用户站的距离；为传播损耗的距离幂指数。,前向链路同频干扰的计算（续）,在全向天线情况下，取： G() 常数 用户站在小区的边缘，取： d0mRc 对于第n
9、环上的干扰小区，取： dim nD 假定所有小区传播损耗的统计特性都一样，取：ki = 常数 就有：,前向链路同频干扰的计算（续）,已知：就有：其中：（）是黎曼Zeta函数。,前向链路同频干扰的计算（续）,在大多数蜂窝无线系统中，传播的距离幂指数为：4 就有：,容量与干扰的折中,簇尺寸的选择,根据前面的讨论，系统的容量及干扰对簇尺寸的要求是互相矛盾的。提高簇尺寸K，可以增加接收的C/I值，但同时也降低了系统的容量。 正确选择簇尺寸的方法是：根据载干比的最低要求选定簇尺寸K。在此条件下再采取其它提高容量的措施。 例如：AMPS系统要求C/I18dB，求出K 7。 GSM系统要求C/I12dB，求
10、出K 4。,扇区化,可以把一个小区划分成若干个扇区，如左图所示。 需要讨论扇区情况下的干扰及容量。,扇区化（续）,在采用扇区的情况下，干扰小区的数量会减少。经过计算，得到扇区情况下前向链路的载干比：,扇区化（续）,取：4，得到：可以看出：扇区化能够减少干扰，从而降低对簇尺寸的要求，因而可以提高系统容量。,链路平衡,什么叫链路平衡？,蜂窝系统要关心的问题：1、覆盖范围，2、在覆盖范围内的通信质量。 但是通信都是双向的，即存在基站移动台（前向，或下行）和移动台基站（反向，或上行）两个通信方向，即存在两条链路。在一个没有仔细设计的蜂窝系统中，这两条链路的覆盖范围及通信质量可能不对称，从而浪费资源或者
11、形成干扰。 为此，需要对系统进行平衡，即设法让前向和反向具有相同的覆盖及质量，这就是链路平衡。,链路传输及干扰示意图,链路平衡的总要求,链路平衡包括：传输平衡及干扰平衡。 传输平衡要求：前向链路及反向链路的传输余量近似相等，这时两条链路具有基本上相同的覆盖范围。 干扰平衡要求：前向链路和反向链路的链路干扰近似相等，这主要是同频小区引入的同频干扰，这时两条链路具有基本上相同的通信质量。,传输平衡,前向链路的传输余量为：反向链路的传输余量为：传输平衡的要求为：,传输平衡（续）,讨论： 1、在一般情况下，收发天线及馈线都是相同的，就有：LBTLBR，LMTLMR，GBTGBR，GMTGMR2、对于T
12、DD系统，LDOWNLUP；对于FDD系统， LDOWN和LUP的瞬时值可能不同（由于频率选择性衰落），但是它们的统计平均值应该是相同的，即： 。3、传输平衡的要求为： PBTPMR= PMTPBR。即：基站发射功率和移动台接收门限之差值，等于移动台发射功率和基站接收门限之差值。,干扰平衡,讨论： 1、前向链路的同频干扰，是指相邻同频小区的基站对本小区移动台的干扰。根据前面的分析，在理想传播条件下，前向链路的同频干扰随着簇尺寸K的增加而改善。 2、反向链路的同频干扰，是指相邻同频小区的所有移动台对本小区基站的干扰。可以看出，这种干扰不仅和簇尺寸K有关，而且和各个小区的移动台密度有关。 3、干扰平衡要注意适当选择簇尺寸K，再考虑到用户密度及干扰分配等因素，使得前向及反向链路的干扰及业务质量达到较好的平衡。,体制比较,簇尺寸的比较,FDMA、模拟（AMPS）的簇尺寸为7，TDMA、数字（GSM）的簇尺寸为34，CDMA、数字（IS-95）的簇尺寸为1。 主要原因是这几种体制有不同的干扰忍受能力： FDMA的同频干扰必须在18dB以下； TDMA的抗同频干扰能力优于FDMA，为12dB； CDMA的没有同频干扰的问题。,容量的比较,TDMA（GSM）比FDMA（AMPS）的系统容量可提高36倍。 CDMA（IS-95）比TDMA（GSM）的系统容量可提高34倍。,
