蜂窝通信基础

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1、第6章蜂窝通信基础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。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，

2、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

3、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，径有关，半径越大安装高度也越大。为了降低小区间的干扰，划分的方法， ）,区群内的每个小区占用不同的频率，的频带。不同区群中的相同频率的小区产生同频干扰，既共道干扰。6-16-2 3 正六角形小区的地理分布我们用 u-v 坐标来计算

4、点 C1和 C2 的距离 D，C1 和 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：v(u2,v2)C2uC1(u1,v1)图 6.1 坐标系Di 2j 2ij 1 / 2相邻小区的归于化距离为1，(I=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2Rcos300 ，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

5、， D是 NI 和 S/I 的函数，这里 NI 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。6-3第一层DR图 6.2共道小区图从图中我们可得到大区的半径D：D 23R2 (i 2j 2ij )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：Al arg ek 3R2 (i 2j 2ij )小的正六角形的面积为：Ak( R2 )smallAl arge3(i 2j 2D2ij )3NAsmallR2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Asmall1Al arg e3NAl arge3NAsma

6、ll3N3(i 2j 2 ij )6-4D 2R 23ND3NqRq 为再用比ijNq1011.731133.002174.5831136.24公式 Dq3N 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。 .4 共道干扰比对于移动接收机的 S/I 为SSIN I( I k )k1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 N6，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SR

7、6IDkk 1这里 2r 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DD kS1qI6(q)61q 6( S )I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。6-5若 S18dB,4 则Iq663.1 0.254.41N4.41236.49 718dB 的情况需采用 7 小区再用形式。基于 q=D/R 选择上式说明了对于信躁比为小区半径 R 可决定 D。 .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。DD RD

8、 RD RD RD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SRI2(DR)2D2(DR)r=4 时， D/RqS1I2(q 1)2q2(q 1)6-6对于通常的 7 小区再用模式q = 4.6,将 q=4.6 代入得S/I=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 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

9、向性天线， 每个扇区分配一组通道。这样共道干扰会减小。 .7 七小区再用模式中的方向性天线影响 .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 D0.7R; 最坏情况 S/I 比值为：SIDSIqR 44 ( D 0.7R) 414(q0.7) 4对于 q=4.6 则 S/I=285(24.5dB) 。因此使用方向天线对于减小共道干扰是很有效的。 .7.2六扇区情况0在这种情况下，小区被分为六个扇区，每个扇区60 的波束宽度的方向

10、性天线。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SR4(q 0.7) 4I(D 0.7R) 4的增多，会影响中继效率。 .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。 .9注册（登记）6-7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 MS通知服务

11、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的地理位置被注册后，网络可以给它传递呼叫。 .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。 .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

12、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 ）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：A0 dS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

13、小区面积（ km2）。每用户平均话务量0 可以表示成1000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； 1 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 1 的特性应根据大量实测数6-8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0 , 1 ,., n 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。

14、 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：NikN0k1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

15、取 0 01-0.03 Er1。其中日本及北欧取 0 01 Erl ，美国取0026 Erl ，香港统计的话务量为队 O.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 。6122 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，

16、第二是信道数目有限或者称带宽受限。 前一个条件是任何通信网所共有的，后一个是移动网特有的。固定通信网的目标是在能够为绝大多数的用户呼叫（例如 99）提供服务的前提下尽量使交换机间链路的数目减少， 以降低成本。在用户数目增加时总可以用增大交换机容量或干线容量的方法来解决。 而无线网的无线信道数目是有限的，并且在频段使用上受国家无线频率主管部门的管理。 因而，提高无线频率的使用效率对无线移动网来说是至关重要的。 从这个意义上说， 无线移动网是带宽受限网络 , 而固定网是成本受限网络。所谓业务等级 （Grade of Serve）就是通信服务的质量， 也表明了网络性能。网络承载话务的能力是和一定的业

17、务等级相联系的。 若放宽服务质量要求， 则可6-9增加话务量。反之，若要求较高的服务质量，则将使网络承载的话务量减少。关于业务等级的参数。 测量方 法等，移动网和固定网有一些是相同的， 有一些是自己网络特有的。 ITU-T E.700 建议给出了 ISDN 话务工程的框架。作为这项建议的扩展， E.750 建议对移动网话务工程给出了 GOS参数。E.750 建议所关心的是移动网和固定网之间的业务流 （用户话务和控制信号负荷）特性。涉及到这方面的业务等级参数有：1 呼叫建立时延蜂窝系统中移动台被呼建立时延是从移动交换机（ MSC）接收到最后一位拨号到向主呼方返回适当的信号音所经过的时间。 移动台

18、主呼建立时延是从移动用户激活发送键到至 MSC的话路接通且 MSC发出呼叫拨号所经过的时间。在任何公共陆地移动网 （PLMN）中，呼叫建立时延是最重要的系统性能标准之一，这项标准所规定的数值取决呼叫类型：即固定用户至移动用户（ LTM）、移动用户至移动用户（ MTM）或移动用户至 固定用户（ MTL）。确定呼叫通过 PLMN 的时延的主要因素为：移动单元产生的呼叫初始包（或叫做分组）的传输时延（包括为解决冲突而重发呼叫包）。连接 MSC和基站（ BS）控制器的地面数据链路中信号时延。 MSC中交换时延（对数字交换机来说通常很小）。由于数据通道中存在冲突，较高容量的系统将有较高的迟延。对 LTM

19、呼叫来说，若呼叫建立时延较大就意味着没有充分利用 PSTNISDN的资源。因而在讨论系统容量时，这是一个值得注意的问题。2 无线信道阻塞概率蜂窝系统的基本度量问题是确定在提供达到事先确定的阻塞率的通信服务时每个小区需要多少无线信道。 系统将信道指配给各小区。 小区对所分配的信道统一管理，让四种类型到达话务流（ LTM， MTL, MTM 和切换到达）竞争使用这组信道。一般说来， 多数蜂房系统对切换呼叫给予优惠， 或者指配其有更高优先级，或者按排队系统处理。 而对其它类型呼叫应按正常呼损系统处理。 影响无线信道阻塞性能的两个主要因素是：到达各小区话务量的大小和话务流特征；进入和离开每个小区的切换

20、呼叫的速率。3 PLMN至 PSTNISDN线路的阻塞概率除了有些 MTM呼叫外，多数蜂房系统的呼叫（可达 90%）要通过公共交换电话网（ PSTN）。连接移动网和固定网的线路的阻塞概率构成系统总的呼叫阻塞概率的一部份。要将这种概率控制在一定水平， 就应根据用户分布情况事先规划好MSC的数量和位置。4 切换不成功概率蜂窝系统的主要特点之一就是当移动台跨越小区时能不中断通话而实现小区间信道的转换，即所谓切换（Handover）。除了因越区而产生信道切换外，切换还可用于平衡小区间的话务负荷。切换不成功概率可定义为正在通话的移动台越区时因到达的小区没有可用 的空闲无线信道而使通话中断的概率。 切换不

21、成功概率是衡量系统对进行中通话的影响的一项蜂窝系统准则参数。 切换参数的GOS指标应是很严格的， 它是否满足蜂窝系统的要求依赖于切换算法的有效性和准确性。6-10补充话务量的一些概念：1话务量与呼损的定义话务量分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小决定于单位时间（ 1 小时）内发生的平均呼叫次数和每次呼叫平均占用信道时间 S。流入话务量 AS，单位为爱尔兰（ Erlang ）。对于多用户共用信道情况，必然有的呼叫成功，有的呼叫失败，呼叫失败为呼损，假定单位时间内平均呼叫次数为0（0），则完成话务量为A00 S呼损率定义为：BAA00A2呼损率、信道数与话务量的关系AnB nn!iAi0i!A 为流入话务量， n 为共有信道数， B 为呼损率。信道利用率为 A0A(1 B) 。nn由此可建立 B、n、A 和的关系表。6-11