第五章蜂窝组网技术ppt课件.ppt

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1、第五章 蜂窝组网技术,程郁凡通信抗干扰技术国家级重点实验室,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,2,2022年11月,5.1 移动通信网的基本概念,移动通信网络组成空中网络频率复用和蜂窝小区多址接入移动性管理地面网络各基站相互连接基站与固定网络（PSTN、ISDN、PDN）的连接,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,3,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.2.1 蜂窝的概念5.2.2 簇（区群）5.2.3 同频复用距离与同频干扰5.2.4 信道分配5

2、.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,4,2022年11月,小容量的大区制大区制就是在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站，并由它负责移动通信的联络和控制。 主要特点：基站天线架设得很高，几十几百米基站发射功率大：50200W覆盖半径：3050km优点：网络结构简单，成本低缺点：覆盖范围有限，服务性能差。频谱利用率低，容量小，一般 用户几十几百个，常用于专网。,小容量的大区制,5,BS,图5.1 大区制移动通信网,第五章 蜂窝组网技术,2022年11月,6,5.2.1 蜂窝的概念,1974年，贝尔实验室提出了蜂窝概念。蜂窝系统-“小区制”系统小区制用许

3、多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），即将所要覆盖的地区划分为若干个小区，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。,频率复用-在相邻的小区使用不同的频率，在相距较远的小区采用相同的频率（同频小区）。即将N个相邻的小区组成一个区群(簇)，将可供使用的频道划分成N组，区群内的每个小区使用不同的频率组，而不同的区群重复使用相同的频率分配模式。,大容量的小区制,小区制借助频率复用突破频率资源限制，产生高容量特点-频谱利用率较高、用户容量大、服务性能较好。新的问题-系统网络构成复杂（越区切换、位置登记、更新、漫游以及系统鉴权等，网络频率规划）。小区的分类（r：小区半径

4、）超小区：r 20km（农村）宏小区：r 120km（人口稠密地区）微小区：r 0.11km（城市繁华区）微微小区：r 0.1km（办公室、家庭）,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,7,小区制覆盖区,服务覆盖区：带状服务覆盖区用户的分布呈带状（或条状），如铁路、公路、沿海水域等。面状服务覆盖区服务区是一个宽广的平面。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,8,9,带状服务覆盖区,双频组,可采用多个频率组复用,三频组,10,面状服务覆盖区蜂窝网,在平面区域内划分小区全向天线的覆盖区是圆形。,三种形状小区,在覆盖相同大小的地理区域，正六边形构成小区所需的小区数最少,移动通信系统广泛使用六边

5、形进行理论分析和设计,基站对小区的激励方式,中心激励基站位于小区中心，由全向天线实现圆形覆盖区，有时会有辐射阴影。顶点激励在顶点上设置基站，并采用三个互成120的定向天线，以避免辐射阴影,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,11,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.2.1 蜂窝的概念5.2.2 簇（区群）5.2.3 同频复用距离与同频干扰5.2.4 信道分配5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,12,2022年11月,5.2.2 簇（区群）,簇共同使用全部可用频率的N个小区叫做一个簇(区群）N 叫做区群的大小，典型值

6、3、4、7、9、12 、构成蜂窝网的二次几何图形,13,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,14,簇,共有S 个可用信道，分给一个簇（簇的大小为N），簇中的每个小区分配K个信道，各个小区分配不相同，则可用无线信道的总数S为：一个簇对应一定的覆盖区域，若达到单位面积的覆盖需复制M 个簇，则信道总数C为：,N=3, K=S/N,M=3, C=MS,若N越小，则单位面积所需复制的区群越多，系统容量越大，频率利用率越高。,举例,例5.1系统总的可用信道数S = 280，相同区域内，用N = 7的区群（7小区复用）需要复制4次，而用N = 4的区群（4小区复用）需要复制7次，求两种情况下的信道总数和

7、每个小区的可用信道数。解：N = 7时每个小区的可用信道数：信道总数： N = 4时每个小区的可用信道数：信道总数：,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,15,16,构成簇图案的基本条件,1) 基本图案（簇）能彼此邻接且无空隙地覆盖整个 面积。 2) 相邻簇中，同频小区间距离相等，且为最大。,簇（区群）的大小,满足簇图案条件的簇的形状和N是有限的。N满足：i 和j分别为相邻同频小区之间的二维距离（相邻小区数），都为正整数，不能同时为零,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,17,确定同频小区位置,簇间同频小区位置的确定沿着任意一条六边形边的垂线方向移动i个小区，并逆时针方向旋转60，再移

8、动j个小区。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,18,图5.2 确定同频小区的方法,利用寻找同频小区的方法确定簇,例如： N=3, i=1, j=1,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,19,常见区群图案,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,20,图5.3 常见正六边形小区群的图案,举例,例5.2 画一个N = 4的蜂窝系统结构，要求至少包括3个区群，将簇中小区所用频率组用A,B,C,D标识。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,21,1. N=4对应的2维坐标： i=0, j=2,3. 确定相邻区群的位置,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5

9、.2.1 蜂窝的概念5.2.2 簇（区群）5.2.3 同频复用距离与同频干扰5.2.4 信道分配5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,22,2022年11月,5.2.3 同频复用距离与同频干扰,干扰的影响干扰是蜂窝无线系统性能的主要影响因素。同频干扰、邻道干扰等移动台或基站必须能够在较强的噪声和干扰中检出可能是较弱的信号。载干比要大于某个指定的数值（射频防护比）:一般模拟移动系统要求C/I18dB，数字移动通信系统C/I约为710dB之间N0是接收机内部噪声；Nr为外部噪声；I为总干扰,23,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,24,干扰的影响,在移

10、动通信环境中，通常干扰影响大于噪声影响：同频干扰影响最大，是制约限制系统性能的主要因素。频率复用带来的问题：同频干扰。同频小区：使用相同频率的小区为同频小区。同频干扰（同道干扰）同频小区之间的信号干扰。在进行系统设计时，根据规定的载干比C/I计算允许的I值，并作为系统设计和组网的依据。,25,同频复用距离两个同频小区之间的距离(D）,D,R,H:小区中心到边的距离I:相邻i个小区的中心距离,同频复用距离(1),iI,jJ,R: 小区半径,同频复用距离(2),一定要用寻找相邻同频小区的方法确定相邻区群的位置才能保证同频小区间距离最大以N = 4, i=0, j=2为例，思考,2022年11月,第

11、五章 蜂窝组网技术,26,N:区群大小R:小区半径,27,全向小区系统C/I的计算,同频小区围绕着某一小区可分为多层。来自第一层的同频干扰最强。分析时，可只考虑第一层同频干扰。,图5.4 同频小区的分布,28,设所有BS发射功率相同，同频复用距离为D，小区半径为R，干扰台离MS的距离分别为Dk(k=1,2m),有用信号：同频干扰信号：全向小区C/I：,图5.5 全向小区的同频干扰,n：路径损耗指数 L:主要同频小区个数,29,若干扰基站与移动台的距离相等，Dl = D，则移动台的载干比可近似表示为：同频复用比 Q同频复用距离与小区半径之比,L:典型值为6（全向小区）,定向小区的同频干扰,利用定

12、向天线可以降低同频干扰，增大C/I值，改善通信质量。L2或3,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,30,图5.6 120定向小区的同频干扰,31,结论,N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可有更多的区群，频谱利用率高，有更多的容量。从提高频谱利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，N应取最小值最好。,N: 区群大小R: 小区半径L: 主要同频小区个数,32,举例,例5.3 某蜂窝移动通信系统小区为全向天线，若使载干比C/I大于13dB （假设路径传输损耗因子n为4，并且只考虑第一层同频干扰，设各同频小区到接收台距离相等为D），请问区群大小N最小应

13、为多少。解：根据题意要求： 因为： n=4，全向小区L=6， 同时N应满足区群构成条件（ ），即N 可为4, 7, 9,12,，所以区群大小N至少为4时，才能满足系统的载干比要求。,举例,例5.4 全向天线的蜂窝小区N = 7的模式，设路径损耗指数n=4，求其载干比，N = 4时呢?解：N = 7时： N = 4时：,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,33,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.2.1 蜂窝的概念5.2.2 簇（区群）5.2.3 同频复用距离与同频干扰5.2.4 信道分配5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组

14、网技术,34,2022年11月,5.2.4 信道分配,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,35,图5.7 蜂窝网络规划的一般原理,工程规划：基站位置、小区结构（复用模式、小区半径）的确定,信道分配,固定网络的规划,分配信道，使小区间的干扰最小,36,信道分配(以FDMA/FDD系统为例),下行链路工作频段,图5.8 信道分配步骤,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,37,2022年11月,5.3 多址接入技术,移动通信系统是多用户同时工作的系统。下行链路（基站移动台）各移动台如何能识

15、别发送给本移动台的信号？上行链路（移动台基站）基站如何识别来自各个不同移动台的信号？解决办法：对不同用户的信号赋予不同的特征多址接入技术(Multiple Access),2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,38,多址接入技术,将正交的信号维度（时域、频域等）划分为不同的信道后分配给用户，以支持多用户通信。尽量保证不同用户发射的信号相互正交FDMATDMACDMA,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,39,复用(Multiplexing)和多址(Multiple Access),共同点为了充分利用信道资源，提高传输的有效性，数学基础都是信号正交分割理论不同点信号复用区分多路。点对点传输

16、。多址接入区分多个动态地址。点对多点通信。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,40,5.3.1 FDMA(Frequency Division Multiple Access),频分多址以频率来区分信道，沿频率轴将信号维度划分为不同的频道，频带独享，时间共享 。每个用户占用一个频道，在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。物理信道：频道用户地址：频道号,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,41,图5.9 FDMA,FDMA的频谱管理(1),分配给每个用户一对频谱，分别用于下行和上行用户与用户之间，上下行之间必须有足够的保护间隔信道之间的保护频隙的作用：补偿滤波特性不理想、邻道干

17、扰和多普勒扩展,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,42,.,.,上行信道 保护频带 下行信道(MSBS) (BSMS),f1 f2 fN F1 F2 FN,保护频隙,图5.10 FDMA/FDD系统的信道结构,43,FDMA的频谱管理(2),两个移动用户之间的通信必须通过基站转发，同时占用2对频谱实现双工通信。,图5.11 FDMA/FDD系统的工作示意图,FDMA系统内的主要干扰,互调干扰器件的非线性效应线性度通过频率规划抑制邻道干扰邻道信号的寄生辐射频道间隔同频道干扰同频小区蜂窝组网规划,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,44,45,FDMA系统的特点,每信道占用一个载频每个频

18、道只传送一路业务信息。载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。往往是窄带移动台实现简单如果频带较窄，无需自适应均衡。基站复杂庞大多部收发信机以支持多用户 带通滤波器组需要周密的频率规划限制邻道干扰和同频道干扰越区切换复杂切换的瞬时信息可能丢失,5.3.2 TDMA(Time Division Multiple Access),时分多址时隙划分，时隙独享， 频率共享。沿时间轴划分信号维度，分配给用户的是互不重叠并周期重复的时隙(Time Slot，TS)物理信道：时隙用户地址：时隙号,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,46,图5.12 TDMA,TDMA的时隙管理,将时间分割成周期性的帧，

19、每帧再分割成若干个时隙，每个用户只能按指定时隙收发信号。发射数据采用的是“缓存突发”法，对每个用户而言，发射不连续。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,47,用户1,用户2,用户3,图5.13 TDMA系统的时隙结构,t,用户1,用户N,TS1,TS2,TS1,TSN,帧,帧,TDMA系统的工作过程,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,48,图5.14 TDMA系统的工作过程,49,TDMA系统的同步和定时,图5.15 反向信道突发到达的时间关系,MS1突发,MS2突发,同步和定时是TDMA系统正常工作的前提。位/时隙/帧/复帧同步不同MS到BS的距离差异，导致不同的信号延迟。会使得

20、BS接收到的信号相互交叠。,解决办法：设定好保护时间TGT，令TGT 用户提前发送,GT：Guard Time,TDMA系统的特点,突发传输速率高语音编码速率；基站设备成本低，多个用户共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机；便于控制与时隙管理；通常为宽带高速均衡要求较高； 传输开销大：需要保护时间等；要求有精确的同步与定时。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,50,51,5.3.3 CDMA(Code Division Multiple Access),码分多址：码型划分，时隙、频率共享物理信道：地址码用户地址：码号技术基础扩频技术,图5.16 CDMA,52,CDMA系统工作原理

21、,CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码（扩频码），各地址码之间具有准正交性。,图5.17 CDMA系统工作示意图,不同的地址码之间因为不是完全正交会引入多址干扰,53,CDMA的地址码,CDMA的理想地址码特性尖锐的自相关特性处处为零的互相关特性（正交性）有足够多的地址码码组尽可能大的复杂度具有近似噪声的频谱,1) 伪随机序列2) 自相关性较好3) 部分m序列之间互相 关性较好(准正交)4) 码不够多5) 复杂度低6) 频谱类似噪声,1) 伪随机序列2) 自相关性较好3) 相关性较好(准正交)4) 码多5) 复杂度较低6) 频谱类似噪声,1) 不是伪随机序列2) 自相关性很差3) 同步时

22、的互相关性很好(正交)， 非同步时互相关性很差4) 码多5) 复杂度低,图5.18 常见的地址码序列,54,CDMA系统中的主要问题,主要问题多址干扰：地址码的非完美相关性（同步时的准正交性、不同步时的不正交性）远近效应：强用户信号对弱用户信号的明显抑制作用。解决方法功率控制 / 分布式天线系统,P2 P1,CDMA系统的特点,各用户地址码的准正交性会带来多址干扰，不严格同步也会带来多址干扰。多用户可共享频率；容量的软特性 ，用户的增加相当于噪声增加容量相对较大；采用扩频和Rake接收，减小多径衰落的影响单频组网，相邻小区频率相同，平滑的软切换；低信号功率谱密度，抗干扰能力强,2022年11月

23、,第五章 蜂窝组网技术,55,典型无线通信系统的多址接入方式,2G：GSM:TDMA/FDD2G：IS-95:CDMA/FDD3G：WCDMA、cdma2000:CDMA/FDDCDMA/TDDE3G：LTE:下行：OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)上行：SC-FDMA(Signal Carrier -FDMA),2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,56,第五章内容,5.1 移动通信网的基本概念5.2 频率复用和蜂窝小区5.3 多址接入技术5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,57,2022年11月,

24、58,5.4 蜂窝移动通信系统的容量分析,蜂窝系统的通信容量的常用定义定义1：每个小区的可用信道数，即每小区允许同时工作的用户数。 定义2：单位面积内可允许同时工作的用户数。通信容量m（定义1）取决于载波干扰功率比C/I和用户等效信道带宽Bc,Bt：系统占用的总带宽Bc：信道带宽或等效信道带宽S：无线信道总数或等效无线信道总数N：区群的大小（每区群中的小区数）m：通信容量,FDMA蜂窝系统的容量,考虑载干比的要求(C/I)s（系统所需的最小的C/I）假定为全向小区，路径损耗指数n为4：,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,59,举例,例5.5 若某系统采用了FDMA/FDD多址技术，其工作

25、频段为：上行：890915MHz，下行：935960MHz，频道间隔 Bc为25kHz。小区为全向天线，若要求载干比不低于13dB （路径传输损耗因子n为4） 则该系统无线信道（双工信道）总数和通信容量（每个小区的可用信道数）各为多少？解：系统带宽 Bt 为：915 890 = 25MHz 频道间隔Bc为：25kHz 则无线信道总数S为： S = Bt / Bc = 25103 / 25 = 1000 即该系统无线信道总数为1000。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,60,该系统每个小区的可用信道数为250个。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,61,62,TDMA蜂窝系统的容量

26、,考虑载干比的要求(C/I)s（系统所需的最小的C/I）假定为全向小区，路径损耗指数n为4：,Bc：TDMA系统的等效信道带宽。Bc ：系统的频道带宽。mslot ：每个频道包含的时隙数,63,举例,例5.6 考虑GSM系统，它是一个TDMA/FDD系统，前向链路带宽为25MHz，并且将25MHz分成若干个200kHz的无线频道。如果每个无线频道支持8个时隙，若要求载干比不低于13dB （设路径损耗指数n为4） 则系统无线信道（双工信道）总数和通信容量（每个小区的可用信道数）各为多少？解：显然GSM系统为FDMA/TDMA系统。 系统带宽Bt 为：25MHz FDMA频道带宽Bc： Bc =

27、200kHz 每个频道又支持mslot = 8个时隙，所以： 等效信道带宽Bc ： Bc = Bc / mslot = 200 / 8 = 25kHz,则无线信道总数S为： S = Bt / Bc= 25103 / 25 = 1000根据系统载干比要求：系统的无线信道总数为1000个，每个小区的可用信道数为250个。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,64,CDMA蜂窝系统的容量,CDMA系统是一个干扰受限系统，其容量只受背景干扰的制约。区群大小（频率复用因子）N 可以为1。CDMA系统所需载干比(C/I)s分析：基于扩频技术,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,65,Eb：信息的比

28、特能量Rb：信息的比特速率I0 ：干扰的功率谱密度W：CDMA总频带宽度Gp ：扩频处理增益,66,单小区CDMA系统的容量,m个用户共用一个无线频道，每一用户的信号都受到其他 m - 1用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和干扰强度都相等。m为每小区同时工作的用户数，即通信容量，也是每小区的码分信道数。,67,举例,例5.7 在一个CDMA系统中，信道总频段带宽W = 1.25MHz，声码器的速率为8kbps，求出Eb/I0 = 7dB或4.5dB时的最小载干比与通信容量。解： 扩频增益Gp 为： Gp = W / Rb= 1.25106 / 8000 = 156.25,在误比特率 一定的条件下，所需的Eb/I0 越小，系统可以容纳的用户数越多。,2022年11月,第五章 蜂窝组网技术,68,69,CDMA系统容量修正,考虑话音激活技术的影响：考虑划分扇区的影响考虑邻近小区干扰的影响：典型值：,d ：话音占空比，0.35,G 为扇形分区系数三扇区时：G = 2.55,F 为信道复用效率，0.6,70,小结,频率复用和蜂窝小区蜂窝的概念簇（区群）同频复用距离与同频干扰信道分配多址接入技术 FDMA/TDMA/CDMA蜂窝移动通信系统的容量分析,第五章 蜂窝组网技术,谢 谢！,71,2022年11月,