蜂窝通信基础

1、:用不同的频率，司频率的小区产生第6章蜂窝通信基础6. 1引言在这章里，我们给出了蜂窝通信的基础，研究了正六角型小区再用比（q）和群（N）大小的关系。并且本章还涉及全向和分扇区的小区的共道干扰问题以及蜂窝通信中的切换方法。6.2蜂窝系统很多商业的无线电和电视系统被设计成近可能大的覆盖面积。这 些系统运行在允许的最大功率和最高天线上。频率不能再用，除非地理上有足够 的差距，一个发射站不会干扰另一个相同频率的发射站。蜂窝系统采用了相反的方法，为了允许在最短距离的频率再用，采用低功率发射， 以使得可用信道的有效使用，最大化一个地理区的每个信道再用的次数， 这是有 效的蜂窝系统设计的关键。蜂窝系统是很多低功率的无线电波扩展到整个服务区，每一个无线电波组称为一 个小区，发射功率可提供本小区边缘的用户通信需要，小区的半径大至26km小至2km在实际中，小区的覆盖不是规则形状的，确切的小区覆盖决定于地势 和其它因素，为了设计方便，我们做一些近似，假定为覆盖区为规则的多边形， 如全向天线小区，覆盖面积近似为圆形，为了获得全覆盖，无死角，小区面积多 为正多边形，如正三角形，正四边形，正六角型，采用正六角

2、型主要有两个原因： 第一，正六角型的覆盖需要较少的小区，少的发射站，第二，正六角型小区覆盖 相对于四边形和三角形费用小。为了使移动通信系统的业务容量最大， 同时使移动台在各种速度时切换最少， 除 了最大限度地提高频谱效率外，对于移动台诸如移动特性、输出功率及所用业务 类型等不同参数，使用不同类型的蜂窝可能是有利的。蜂窝分层结构如图所示。 同一地理区域同时运用不同类型的蜂窝是可能的。蜂窝层大体可分成巨区、宏区、微区及微微区，但并不意味着仅这四类，这些蜂 窝类型的一些参数如表所示。蜂窝半径既无线电可靠的通信范围，它与输出功率、 业务类型、接收灵敏度、编码及调制等有关，终端速度即基站与移动台的相对速 度（仍面状植盖径有关，半径越大安装高度也越大。为了降低小区间的干扰，D),划分的方法 区群蜂房类型巨区宏区微区蜂房半径(km100-500351终端速度(km/h)1500W500100安装地点LEO/HEO/GEO建筑物/塔的顶部灯杆/建筑物运行环境所有乡村郊区市区业务量擁度低低到中中到高_适用系统卫星蜂窝/无绳6. 3正六角形小区的地理分布我们用u-v坐标来计算点C1和C2的距离D, C1和

3、C2是正六角型的中心，其坐 标分别为（u1,v1 ）和（u2,v2 ）。假定（u1,v1 ） = （ 0, 0）,这样（u2,v2）成为整数值（i,j ）,上式可写成：图6.1坐标系D 二i2 j2 ij1/2相邻小区的归于化距离为1, （l=1,j=0 或I=0,j=1），两个相邻小区的中心到中 心的实际距离为2Rcos3（J,或.3R , R为中心到顶点的距离。我们假定所有小区的面积大致相等，只要小区面积是固定的，共道干扰对于每个 小区的发射功率是不相干的，共道干扰是 q （这里q=D/R）的函数，进一步讲，D 是N和S/I的函数，这里N是在第一层干扰小区的数目。S/I是移动接收机希望 接收信号与干扰的比值。图6.2共道小区图从图中我们可得到大区的半径D:D2 二 3R2(i2 j2 ij)既然正六角形是正比于中心与顶点距离的平方，因此，大区的面积为:Aarg厂 k3Ri2 j2 ij)小的正六角形的面积为:2Asmall = k(R )argeAsmall= 3(ij2 ij)R2-3N从几何上可以证明第一层小区中心点构成的大区中，小区的数目为3N,即小区的面积正比与小区的数目A

4、small 1Alarge =3NAl argeAsmall=3N6-43N =3(i2 j2 ij)q为再用比ijNq1011.731133.002p74.5831136.24R2=3N公式D = q= , 3N将影响蜂窝系统容量和共道干扰，减小q则每个群的小区数将 R减小。如果所有RF通道是常数，则每个小区的通道数将增加；相反q增加会减小共道干扰和系统容量。6 .4 共道干扰比对于移动接收机的S/I为Ni (Ik)对于正六角形小区的蜂窝系统，第一层有六个共道干扰小区N= 6,在蜂窝系统中，干扰是决定性因子，热噪声可以忽略，假定各小区的功率相等，干扰就是 共道小区的功率传输到本小区对本小区产生干扰。因此S/I可表示为6、Dk这里2 r 5是传播损耗的倾斜率，它决定于地势环境，假定6个D是相等的, 则D 二 DkS _1_ qI6(q厂-61q珂呻对于模拟系统S/I比值要有18dB或更高，此时语音的质量才能接受。S若 S = 18dBj=4 则 I0 25q = 6 63.1 .=4.41(4 41 2N6.49 :- 73上式说明了对于信躁比为18dB的情况需采用7小区再用形式。基于

5、q=D/R选择 小区半径R可决定Do6 .5全向天线小区最坏情况蜂窝系统设计对于7小区再用模式，q=4.6适合于一般干扰情况，有一情况是移动体处在 小区边界时的情况，这时接收信号最弱，又受到强干扰。图6.3最坏情况共道干扰如上图给出了六个干扰小区的距离 =R2I 一 2(D - R厂 2D -2(D R) _r=4 时，D/R= qS1=y年yI 2(q -1)一 2q2(q1)一对于通常的7小区再用模式q = 4.6,将q=4.6代入得 S/l=54.3 (17.3dB) 在实际情况下，由于小区位置的非理想性和地势影响，S/I通常小于17.3dB, 可能只有14dB或更小。6 .6利用方向性天线来减小共道干扰在呼叫量增加的情况下，频谱需要有效利用，尽量避免增加频谱复用形式中 的小区数N。为此我们使用方向性天线来减少共道干扰。这种情况下，每个小区 被分为三个或六个扇区。在基站上使用三个或六个方向性天线，每个扇区分配一组通道。这样共道干扰会减小。6 .7七小区再用模式中的方向性天线影响6 .7.1三扇区情况我们考虑最坏情况，移动体在位置M,这种情况下，移动体受的信号最弱，受 到基站的较强

6、干扰。由于采用了方向性天线，干扰小区的数目由六减为二。 在点M从移动体到两个干扰天线的距离分别为D和D+ 0.7R;最坏情况S/I比值为：SR鼻I 一 D，(D 0.7R)*S1Iq 鼻(q 0.7)鼻对于q=4.6 则S/l=285(24.5dB)。因此使用方向天线对于减小共道干扰是很有 效的。6 .7.2六扇区情况在这种情况下，小区被分为六个扇区，每个扇区600的波束宽度的方向性天线。这种情况下，只有一个干扰出现。最坏情况的S/I为：对于q=4.6上式得S/I = 789 (29dB)。这显示出共道干扰的进一步减小。但扇区I (D 0.7R)=(q 0.7)4的增多，会影响中继效率6 .8小区分裂当一个特定的小区的话务量增加时，小区可以被分裂为更小的小区。通过小区的数的增加，增加信道的再用数，这样来增加用户容量。小区面积的减少，意味着小区边界穿越次数频繁，这会造成呼叫的切换的增加和 每个用户更高的处理负载。计算表面小区半径减少为 1/4，每个用户切换次数会 十倍的增加。6 .9注册(登记)移动台（MS注册是将MS的特征如位置或状态报告给网络。 MS和网络可以使注 册初始化。注册是M

7、S通知服务提供者它的存在和希望得到服务。无线系统（ RS通知移动 交换中心（MSC和所需要的其它网络单元。MSC和其它网络单元完成需要的注 册功能。当MS穿越一个或多个服务商的区域时也发生注册。 作为MS勺地理位置被注册后， 网络可以给它传递呼叫。6 .10终端鉴权终端鉴权是确认MS有无权限的过程。鉴权包括网络的和MS的公共算法以及每一 个MS和网络自己知道的参数的确定。这个参数称为私人密码，不会在网络上通 过无线接口播放。6 .11切换切换是使移动台的一个呼叫进程在小区之间移动时能够继续的过程。 切换可以基 于接收的信号强度或S/I值（在终端、RS或两者的测量），或基于网络资源管 理的需要。切换过程可能涉及终端的注册和鉴权。切换被分为硬切换和软切换。软切换是当移动终端的通信被连到另一个目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时与两个无线端口通信。硬切换是移动终端被连接到非相邻的无线系统、不同的频率分配、或不同的空中 接口特性或技术。硬切换在空中接口是先断后通的过程。6.12话务量与业务等级6.12.1微小区话务量在以微小区（Microcell

8、 ）为主要无线覆盖方式的个人通信网中，话务 量通常是较大的。每个微小区（或小区）的话务量可用下式表：A 二?0dS式中0为每用户平均话务量（Erl /用户），d为用户密度（用户数/ km2、S为小区面积（km2。每用户平均话务量可以表示成P00其中，0为平均每个用户在单位时间内发出呼叫的次数，又称为呼叫到达速率；+为通话时间r的均值E（r）呼叫到达过程和通话过程都是随机过程。-0和+的特性应根据大量实测数 据经过统计分析得出。理论研究和实测数据表明，话务产生过程为泊松过程，呼 叫到达速率符合泊松分布，通话时间r服从负指数分布。众所周知，泊松过程具有叠加特性，即如果有 n个任意速率的独立泊松流，则复合流也是泊松过程，其总速率为所有速率之和。同一小区中，各 用户的呼叫过程通常是独立的。并假设，各用户的平均呼叫到达速率相等。这样, 若微小区i中有N个移动用户，则总的呼叫到达速率为：N i 二人1 k 二 N 1kA如果某个无线个人通信系统有M个微小区，则该系统总呼叫到达速率为Mmm -1根据i和的值，可计算出每个微小区（或小区）的话务量和系统总话务量。由以上分析可知，影响话务量的主要因素是每个用户平均呼叫到达速率0、平均通话时间1和移动用户密度d。在不同地段、不同时间，这些参数都在发生变化。对系统规划和设计真正有意义的数据应在大量实测基础上产生。但进行话务实测难度大。耗费时间长。在进行网络性能分析时，常作一些使问题简化的假设。 在进行网络规划和设计时，可用多种方法进行话务量预测。国外蜂窝移动通信系 统的用户忙时话务量取0. 01-0.03 Erl。其中日本及北欧取0. 01 Erl，美国取 0. 026 Erl，香港统计的话务量为队 0.022-0.025Erl。根据近几年我国在北京。 上海。广州的蜂房移动电话网的初步统计数据，国内手持机用户忙时话务量（含来话和去话）为0. 025-0.035 Erl ，车载台用户为 0.02-0.025 Erl 。6. 12. 2业务等级从网络经营者的观点看，移动网的主要目标是在一定的业务水平上， 在给定 数目的信道中提供最大量的话务服务和其它通信业务服务。这意味着最大数量的 用户能够得到服务。增大网络承载能力是网络经营者的目标， 但受到两个条件的 约束，第一是业务等级

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