1、1,第三章 蜂窝组网技术,主讲人：刘劲,2,主要内容,3.1 信道再用和小区导论3.2 信干比计算，一维情况3.3 二维小区簇和信干比3.4 小区的信道分配3.5 过区切换3.6 流量控制,3,3.1 信道再用和小区导论,按无线通信网的服务区域覆盖方式分类,小容量的大区制,大容量的小区制（蜂窝系统）,4,1.基本概念 在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站 (Base Station，BS)，并由它负责移动通信的联络和控制。,一、大区制移动通信网,5,2. 特点基站：高架天线（数十米数百米） 大功率发射机（几十几百瓦，200W左右）移动台：几十几百部、 天线低、 发射功率小覆盖半径：几十公
2、里问题：上行信号差,一、大区制移动通信网,6,一、大区制移动通信网,3. 优点 4. 缺点,系统简单、投资少、见效快，主要用于专网或用于用户较少的地域。如在农村或城镇的初期投资。,为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道的频率都不能重复，因而，其频率利用率和通信容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。,7,问题：无线系统可容纳同时呼叫的数量始终都要受制于分配多少频谱。如何调整移动通信系统，使有限的无线频率获得更大容量的通信，并覆盖大面积的范围？,一、大区制移动通信网,8,1. 改进的思想 将整个服务区划成许多个小的区域（小区cell） - 每个小区设置一个基站，每个基站的服务范围仅
3、限小区内； - 相邻小区使用不同的频道，而相距一定距离的小区可以使用相同的频道。,二、小区制（蜂窝）移动通信网,9,举例：30个双向信道 - 大区制时，只能有30个用户同时通信 - 小区制时，若分为30个小区，相邻3个小区采用不同的频道，每个小区有10个双向频道，则服务区可以同时为300个用户提供服务。若分为更多的小区，则可获得更大的容量。,二、小区制（蜂窝）移动通信网,10,二、小区制（蜂窝）移动通信网,2. 基本概念 把整个服务区域划分为若干个无线小区(cell)，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，有可在移动业务交换中心MSC的统一控制下， 实现小区之间移动 用
4、户通信的转接。,11,二、小区制（蜂窝）移动通信网,3. 特点基站：小功率发射机（520W）小区半径：120km，甚至几百米频率复用系统容量可继续扩大特点：系统复杂、容量大,12,二、小区制（蜂窝）移动通信网,4. 优点提高了频率利用率；基站功率减小，从而使相互间的干扰减少；无线小区的大小可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性；解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。 最大的优点,13,二、小区制（蜂窝）移动通信网,5. 缺点,在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就越高
5、。基站数量增加，建网的成本相应提高。,应根据用户密度或业务量的大小确定无线小区的半径。目前，宏小区半径一般为15km左右。,14,三、频率复用与同频干扰,1. 小区制要解决的问题,小区的基本思想：在不同的小区重新使用频率来增加系统的容量。同样的频率不能在临近的小区分配，否则会造成信道间的干扰。使用相同频率的小区必须保持足够远，直至达到系统能忍受的干扰水平。,15,三、频率复用与同频干扰,2. 一维小区AMPS系统，832个信道被分成4组，每组208个信道；两个使用相同频率的小区之间隔着3个小区，称为4小区再用；若给定小区数为N，则总共有208N个信道可以使用。,16,三、频率复用与同频干扰,2
6、. 一维小区若分成3组，每组277个信道；此时，小区总数不变，仍为N，则总共有277N个信道可以使用。,17,三、频率复用与同频干扰,2. 一维小区,3小区复用277N,4小区复用208N,C.F. 如何取舍？,2小区复用,18,2. 一维小区,抗干扰能力分析,信干比SIR or 载干比CIR,在接收机端接收到的平均信号功率 与平均干扰功率之比。,AMPS系统：18dBD-AMPS系统：14dB GSM系统：7-12dB,返回,19,3.2 信干比计算，一维情况,信干比的计算主要由下式中的距离决定：,忽略阴影衰落和多径衰落，假设 g(d)=kd n；每个基站在小区的中央，发射同样的功率PT，则
7、距离基站d米远的平均接收功率为PTd n,n为3或4；P点的接收信干比为：,20,3.2 信干比计算，一维情况,P点的接收信干比为：当仅仅考虑干扰的第1层时(即最近的干扰，次近的不考虑)，邻近P点有两个干扰基站，则相应的信干比为：,包括所有干扰的基站，Pint表示归一化的干扰功率。,21,3.2 信干比计算，一维情况,当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：在3小区再用中，D=6R；4小区再用中，D=8R。,结论,(1) n,干扰,SIR,(2) 再用因子,干扰,SIR,22,3.2 信干比计算，一维情况,当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：考虑次邻近P点的两个干扰小区，则，信干比为：
8、,返回,23,一、小区的形状,如果基站采用全向天线，其覆盖范围应该为一个半径为 的圆形区域 ； 无缝覆盖的三种内接可能：正三角形、正方形、正六边形； 正六边形最接近圆形，对于同样大小的区域，相邻小区的重叠区域最小，小区面积最大，因而，所需基站数最少、小区数最少。 采用正六边形作为小区的形状时，系统的整体构架类似于蜂窝，故称为“蜂窝网”。,3.3 二维小区簇和信干比,24,注意：由于地形和用户密度的不同，实际的覆盖区域事实上是不规则的，但采用不规则形状的蜂窝结构效率低，因此，对蜂窝结构和性能的研究都是基于规则拓扑的，即使它们仅具有概念上的意义。而拓扑结构对构建实际的规划提供了很有价值的信息和设计
9、准则。,一、小区的形状,25,二、区群,1. 定义： 将小区进行空间上的划分，相邻的使用不同频道的所有小区组合在一起就构成了区群，或称之为簇(Cluster)，区群中包含了系统的全部频率资源。,26,区群举例,27,2. 区群、频率复用与系统容量,假设一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，如果将S个信道均匀地分配给一个区群的N个小区，每个小区都分配到k个信道（kS），那么可用信道的总数可表示为S=kN。 如果区群在系统中复制了M次，则双向信道的总数C可以作为容量的一个度量：C=M kN= MS也就是说，系统的容量扩大了M倍。,二、区群,28,N蜂窝系统的频率复用因子 N的选择要考虑到这两方面的
10、因素，选择一个在可以承受的同频干扰下尽可能小的值。,系统的容量：,分析：,区群的尺寸N,复制次数M,系统容量C,同频小区间的距离,同频干扰,END,2. 区群、频率复用与系统容量,29,例：一个蜂窝系统中有1001个用于处理通信业务的可用信道，设小区的面积为6平方公里，整个系统的面积为2100平方公里。 （a）如果区群尺寸为7，计算系统容量； （b）如果区群尺寸为4，要覆盖整个蜂窝区域，需将该区域覆盖多少次？ （c）如果区群尺寸为4，计算系统容量。,2. 区群、频率复用与系统容量,解：已知：可用信道总数K=1001 小区面积=6km2 总的覆盖面积=2100km2 （a）N=7 每小区的可用信
11、道数J=K/N=1001/7=143信道/小区 一个区群覆盖的面积=7*6=42km2 区群需复制M=2100/42=50次， 故，C=MJN=50*143*7=50050个信道 （b）N=4 一个区群覆盖的面积=4*6=24km2 区群需复制M=2100/24=87.5=87 （c）N=4 每个小区的信道数目J=K/N=1001/4=250信道/小区 故，C=MJN=87*250*4=87000个信道结论：通过减小区群尺寸增大了系统的容量。,31,（1）构成区群要满足的两个条件,区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个区域； 同频小区之间的距离最大。,3. 频率复用下的小区规划,32,（2）
12、小区的规划,b) 确定最近的同信道相邻小区的规则： 步骤1：自某一小区A出发，沿边的垂线方向移动i个小区; 步骤2：逆时针旋转60度后，再移动j个小区。,3. 频率复用下的小区规划,a) 确定区群的尺寸N：,式中i、j为非负整数，且不能同时为零； N =1，3，4，7，9，12，13，16,33,不同尺寸区群的形状,34,（i=2, j=1）,相邻同频小区位置的确定,35,N=3，i=1, j=1,相邻同频小区位置的确定,1,2,36,（N=4, i=2, j=0）,相邻同频小区位置的确定,37,举例：蜂窝系统中的频道计算,一个蜂窝电话系统，总带宽为30MHz，使用两个25kHz作为双向信道，
13、假定该系统采用9小区复用方式，并将总带宽中的1MHz分配给控制信道。 a. 计算总的可用信道数； b. 确定控制信道数； c. 确定每个小区中的话音信道数； d. 确定各个小区中控制信道与话音信道的一种合理分配方法。,38,解：已知：总带宽=30MHz 信道带宽=25kHz*2=50kHz a. 总的可用信道=30MHz/50kHz=600个 b. 控制信道数=1000/50=20 c. 每个小区中的话音信道数=（600-20）/9=64 d. 由于最多只能有20个信道作为控制信道，9个小区，可以给7个小区各分配2个控制信道和64个话音信道，给另外2个小区各分配3个控制信道和66个话音信道。,
14、举例：蜂窝系统中的频道计算,39,4.六边形小区的几何结构,R：半径（中心到顶点的距离）,R,R,：中心到边的垂线,40,（1）区群中同频小区的距离,4.六边形小区的几何结构,41,（2）同频小区的分布特点,每个小区都有6个最近的同信道小区； 同信道小区分层排列，候选小区被第k层的6k个小区包围； 小区尺寸相同时，各层中的同信道小区都位于由该层同信道小区连接而成的六边形边界上； 若两个最近的同信道小区之间的半径为D，则第k层的同信道小区连接而成的六边形的半径为kD。,4.六边形小区的几何结构,42,区群中同频小区的分布,43,5. 频率复用比,频率复用比Q定义为：,因为频率复用会导致同信道小区
15、的出现，所以Q也称为同信道复用比。又：所以,44,增加Q的值，同频小区间的空间距离与小区覆盖距离之比就会增加，因此来自同频小区的射频能量就会减小而使干扰降低。 当区群的大小较小时，Q的值越小，容量越大；但Q的值越大，同频干扰就越小，因此，要折衷处理。,5. 频率复用比,45,若设i0为同频干扰小区数，则监视前向信道的信干比SIR可以表示为,第i个来自同频干扰小区基站的干扰功率,三、二维信干比的计算,设所有的基站的发射功率都相同，移动台距当前小区基站的距离为R，距第i个同频小区基站的距离为Di，则：,来自目标基站的想获得的信号功率,46,仅考虑相邻同频小区（第一层干扰小区），则,三、二维信干比的
16、计算,P,(D-R),47,使用上式得到的近似信干比：,三、二维信干比的计算,48,仅考虑相邻同频小区（第一层干扰小区），若假设所有干扰基站与目标基站间的距离是相等的，小区中心之间的距离都为D，则上式可简化为,三、二维信干比的计算,简化考虑：,49,例：在某系统中，接收机要求的信干比门限为 ，n = 4，求系统允许的最大N。,解：,故：N=7。,三、二维信干比的计算,50,四、提高蜂窝系统容量的方法,无线服务的需求不断增大，频率资源越来越紧张，需要采用一些技术手段提高频率资源利用率，以达到扩容的目的。目前的主要方法有： 小区分裂 划分扇区 新的微小区概念,51,(1) 基本方法：将拥塞的小区分
17、成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。(2) 特点：通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统容量的增长，同时又不影响为了维持同频小区间的最小同频复用因子Q所需的信道分配策略。,1. 小区分裂,52,A,1. 小区分裂,53,(3) 实际问题过渡区域的信道分配 大功率发射机与小功率发射机同时存在； 信道分成两组，两个信道组的大小取决于分裂的进程情况。过区切换 低速用户和高速用户同时得到服务 伞状小区方法,1. 小区分裂,54,(1) 基本思想：保持小区半径不变，设法减小D/R比值。采用定向天线代替全向天线实现。 最坏信噪比：考虑6个最近的同频小区：,2. 小区
18、裂向（划分扇区）,55,2. 小区裂向（划分扇区）,(2) 基本思想：保持小区半径不变，设法减小D/R比值。采用定向天线代替全向天线实现。 只有2个最近的同频小区：信干比增加倍数为：,56,(3) 优点：降低了同频干扰，从而增大系统容量。(4) 实际问题： 同一小区中扇区间的切换通常不经过MSC，由基站控制器完成 中继效率下降,2. 小区裂向（划分扇区）,57,(1) 基本思想： 每3个微小区和一个基站组成一个小区“三叶草” 型小区(2) 优点采用定向天线，同频干扰下降，容量扩大移动台在一个小区的微小区之间切换时，频道不变，因而中继效率不变(3) 缺点增加了基站控制器的复杂度增加了基站的成本,
19、返回,3. 分区微小区,58,一、固定信道分配策略 - 将所有信道分成N组，给每个小区固定地分配其中的一组，如果小区中所有信道都已被占用，则呼叫阻塞。优点：简单。缺点：容易造成资源浪费，不够灵活。改进：借用策略,3.4 小区的信道分配,59,一、固定信道分配策略 - 借用策略,3.4 信道分配,信道锁定,60,2. 动态信道分配策略 - 所有信道不是固定地分配给每个小区，而是，每次呼叫请求到来时，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。优点：频率利用率高，可适应业务分布的动态变化。缺点：控制复杂，开销较大（增加了系统的存储和计算量）。,3.4 信道分配,61,1. 特点 来自所使用信号频率的相邻
20、频率的信号干扰称为邻频干扰。 原因：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传输带宽内而引起的。 后果：易产生远近效应。 解决办法：精确的滤波；信道分配在一个小区、甚至相邻小区中不使用相邻的频道。,三、邻频干扰对信道分配的影响,62,使每个小区中的信道间隔尽可能大 ； 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一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N为簇的大小； 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。,A B C D,三、邻频干扰对信道分配的影响,返回,63,一、基本概念 1. 什么叫切换？当一个移动台在通话的过程中从
21、一个基站移动到另一个基站时，MSC自动地将呼叫转移到新基站的信道上。 2. 切换的要求： - 通常要求切换请求优先于呼叫初始请求 ； - 切换必须要很顺利地完成，并且尽可能少地出现，同时使用户觉察不到。,3.5 过区切换,64,一、基本概念 3. 关键问题： 切换的准则 切换的控制 切换时的信道分配,3.5 过区切换,65,1. 切换信号的门限,指定某个特定的信号强度为基站接收机中可接受话音质量的最小可用信号，稍微强一点的信号强度就可以作为启动切换的门限，其间隔用 表示； 不能太大也不能太小，太大，可能发生不需要的切换，增加MSN的负担，太小，则可能会因为信号太弱而掉话，没有足够的时间来完成切
22、换过程。,二、切换的实际操作,66,2. 切换图解,A,B,BS1,BS2,不正确的切换情况,正确的切换情况,A点强度,切换门限,维持通话的最小可接收信号,B点强度，通信中断,切换强度，成功切换,67,3. 切换判断应注意的问题,保证检测到的信号电平的下降不是因为瞬间的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站 。 准备切换前，先对信号监视一段时间，观察信号的连续变化； 决定切换进行的时间长短取决于移动终端移动的速度，如果监控到信号强度快速衰落，则进行快速切换。,68,第一代模拟蜂窝系统中，信号强度的测量是在MSC的管理下由基站来完成的，基站使用备用的接收机（即定位接收机）来测量小区中正在进行
23、呼叫的接收信号强度指示（RSSI）。定位接收机由MSC控制，用来监视相邻基站中有切换可能的移动用户的信号强度，并将RSSI值传给MSC，由MSC做出是否切换的决定。 第二代蜂窝系统中，切换的决定由移动台（MS）辅助完成。在MS辅助切换（MOHO）中，每个MS测量从周围基站中接收到的信号功率，并且将测量的结果连续地报告给为它服务的基站，当从一个相邻小区的基站中接收到的信号强度比当前基站高出一定的电平或是维持了一定的时间时，就准备进行切换。切换的测量由每个移动台来完成，因此MOHO方法比第一代的要快得多。,3. 切换判断应注意的问题,69,4. 优先切换,信道监视：保留小区中所有可用信道的一部分，
24、专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务。缺点：由于可用来通话的信道减少了，因此降低了小区所承载的话务量。 切换请求排队：是减少由于缺少可用信道而强迫中断概率的一种方法。由于接收到的信号强度下降到切换门限以下，到信号强度太弱出现通话中断之间有一个有限的时间间隔，因此，可以对切换请求进行排队，时延和队列长度由当前特定服务区域的业务流量模式决定。,70,5.实际切换中出现的问题,问题一：移动速度变化范围太大，高速用户在小区之间的穿行会使MSC不堪重负。 解决办法： 减小MSC介入切换的次数； 采用伞状小区方法，为高速移动的用户提供大面积的覆盖，同时为低速移动的用户提供小面积的覆盖。,
25、71,问题二：小区拖尾。一般出现在微小区系统中，由对基站发射强信号的步行用户所产生。在市区内当用户和基站之间存在一个视距无线路径时，由于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号强度衰减不快，即使用户远离了小区的预定范围，基站接收到的信号仍可能高于切换门限，因此不做切换，直至用户深入到相邻小区中，从而产生潜在的干扰和话务量管理问题。 解决办法：仔细调整切换门限和无线覆盖参数。,5.实际切换中出现的问题,72,一、多信道共用,在一个无线区内n个信道为该无线区内所有用户共用，任何一个移动用户选取空闲信道及占用时间都是随机的。 与市话用户共同享有中继线相类似，这种占用信道的方式相对于独立信道方式而言，可以
26、明显提高信道利用率。只要这个小区内同时发起的呼叫小于n，就不会发生阻塞。 多信道共用支撑着移动网的呼损率、中断率、系统容量等指标。,3.6 流量控制,73,1. 话务量 在一定时间内（通常为1小时）呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积，是度量通信系统业务量或繁忙程度的指标。 分为流入话务量和完成话务量，前者包括成功呼叫和失败呼叫，后者仅包括成功的呼叫。 当计算C所用的单位与t相同时，单位为爱尔兰（Erlang,Erl.）,单位时间内发生的平均呼叫次数,单位时间内呼叫成功的次数,二、基本概念,74,忙时话务量：一天24小时总有些时候打电话的人多，另一些时候人少，对一个通信系统来说，可区分忙时
27、、非忙时。一天中最忙的小时的话务量。在考虑通信系统的用户数和信道数时，显然该采用忙时话务量，忙时信道够用，不忙肯定也够用。 忙时集中系数 K：忙时话务量与全天话务量之比，通常取值7%-15% 。 假设每用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道时间为T（秒/次），则每个用户的忙时话务量a为：a=C.T.K/3600 ，通常，公众网取0.010.03Erl，专用网0.030.06Erl。,1. 话务量,75,若系统有n个信道，则系统所能容纳的用户数M为： 每个信道容纳的用户数 m：,2. 容量,76,损失话务量：A-A0 呼损率，呼叫损失的概率，用B表示： 呼损率越小，成功呼叫的概率越大，用
28、户就越满意，因此，呼损率也称为系统的服务等级GOS (Grade Of Service) ，是衡量通信网接续质量的主要指标。 若系统的呼损率为10%，表明100次呼叫中有10次因信道被占用而打不通电话。,3. 呼损率,77,如果呼叫有以下性质： 每次呼叫相互独立、互不相关(呼叫具有随机性) 每次呼叫在时间上都有相同的概率，并假设移动电话通信服务系统的信道系数为n 则，呼损率、话务量、信道数之间存在这样的关系： 如已知呼损率B，则可根据上式计算出A和n的对应数量关系。,电话工程中的Erlang公式,爱尔兰公式,78,B、n、A之间的关系 爱尔兰呼损表,79,多信道共用时，信道利用率是指每个信道平
29、均完成的话务量。在不同的呼损率B的条件下，信道的利用率也是不同的，表示为,4. 信道利用率,80,某移动通信系统一个无线小区有11个信道(1个控制信道，10个话音信道)，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道平均时间为80秒，呼损率要求10%，忙时集中率为0.125。计算该无线小区的容量和利用率？ 解：总话务量（查表）：A=7.511Erl. 每个用户的忙时话务量： a=CTK/3600=10*80*0.125/3600=0.0278Erl 每个信道能容纳的用户数：m=A/n/a=27 系统容纳的用户数：M=nm=270 （个） 利用率=7.511*(1-10%)/n=67.6%,5. 例题
30、,返回,81,思考题,若将上题的系统采用单信道共用，重新计算系统容量和利用率。,82,小区的形状,带状网,蜂窝网,特点：有向天线，小区形状扁圆形； 频率复用（双频制、三频制）； 小区呈线状排列,特点：小区形状正六边形； 网络覆盖类似于蜂窝； 频率复用。,返回,83,无缝覆盖的三种内接可能： 正三角形、正方形、正六边形,内接正三角形,内接正方形,内接正六边形,(1) 小区的形状,小区的形状,84,小区的形状,内接正三角形,内接正方形,内接正六边形,辐射半径相同的情况下三种形状小区的比较:,85,三种形状小区的比较（辐射半径相同的情况下）,正六边形最接近圆形，对于同样大小的区域，相邻小区的重叠区域最小，小区面积最大，因而，所需基站数最少、小区数最少。,返回,86,Class is over!,
