数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 6-6-1 1数字移动通信Digital Mobile CommunicationDigital Mobile CommunicationDigital Mobile Communication数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2 2数字移动通信第3章组网技术基础数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3 3要求与重点1.掌掌握握区区域域覆覆盖盖的的基基本本概概念念和和基基本本原原理理，理理解解小小区区制区域覆盖的特点和适用范围；制区域覆盖的特点和适用范围；2.理解同频干扰和系统容量的关系式；理解同频干扰和系统容量的关系式；3.理理解解小小区区分分裂裂、划划分分扇扇区区和和微微小小区区的的原原理理，了了解解这这三三种种方方法法用用于于提提高高蜂蜂窝窝系系统统容容量量的的原原因因及及因因此此而带来的不利因素；而带来的不利因素；4.学习实际问题的解决方法学习实际问题的解决方法/ /思路。思路。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-4 4本节解决的主要问题通过本节学习，着重解决以下问题：n小区制的原理？n同频干扰与系统容量的关系？n提高系统容量的方法？数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-5 53.3小区制n背景背景寸金难买寸频率寸金难买寸频率随着移动通信业务量的增长，大区制移动通随着移动通信业务量的增长，大区制移动通信系统的容量已经不能满足需求。为了解决信系统的容量已经不能满足需求。为了解决这一问题，蜂窝技术的研究逐渐兴起，并最这一问题，蜂窝技术的研究逐渐兴起，并最终走向实用。终走向实用。n解决问题解决问题频率资源与容量需求的矛盾频率资源与容量需求的矛盾n基础基础蜂窝原理蜂窝原理数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-6 6一、蜂窝技术概述n特点特点应用了空域的同频复用技术，解决了信道数应用了空域的同频复用技术，解决了信道数少和用户数多之间的矛盾。少和用户数多之间的矛盾。ADCBGFEADCBGFEADCBGFE同频复用数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-7 7一、蜂窝技术概述n两个核心思想两个核心思想1 1）大区改小区：大区改小区：用多个小功率发射机代替单个大功率用多个小功率发射机代替单个大功率发射机，用多个小覆盖区代替一个大覆盖区；发射机，用多个小覆盖区代替一个大覆盖区；2 2）信道复用与配置：信道复用与配置：将整个系统的信道分成若干个信将整个系统的信道分成若干个信道组，每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，道组，每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，并且给相邻的基站分配不同的信道组，实现整个系并且给相邻的基站分配不同的信道组，实现整个系统覆盖区域内的可用信道复用。统覆盖区域内的可用信道复用。不同用户采用不同频率来区分！数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-8 8大区覆盖与小区覆盖大区覆盖与小区覆盖（大区覆盖与小区覆盖（a）大区覆盖（）大区覆盖（b）小区覆盖）小区覆盖大区制n基站发射功率大n覆盖区域广n频率不能复用小区制（蜂窝）小区制（蜂窝）n基站发射功率小基站发射功率小n覆盖区域小（小区）覆盖区域小（小区）n频率复用频率复用数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-9 9蜂窝系统实现及问题n系统实现系统实现将将整整个个服服务务区区分分为为若若干干个个小小区区，每每一一小小区区设设一一基基站站，负负责责与与小小区区内内所所有有移移动动台台的的无无线线通通信信。同同时时设设置置移移动动交交换换中中心心，统统一一控控制制基基站站的的协协调调工工作作，保保证证移移动动用用户户得到完善的服务。得到完善的服务。总总体体来来说说，蜂蜂窝窝技技术术通通过过整整个个覆覆盖盖区区域域内内频频率率复复用用，就实现了用固定的信道来为大量的用户服务。就实现了用固定的信道来为大量的用户服务。n引入的问题引入的问题同频干扰：同频小区同频干扰：同频小区越区切换越区切换数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信二、蜂窝系统的一些问题n小区形状n区群的概念n同频小区的距离3-3-1010数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1111（1）小区形状n目的：无缝覆盖整个平面的服务区，寻找目的：无缝覆盖整个平面的服务区，寻找合适的几何形状。合适的几何形状。n全向天线辐射的覆盖区是个圆形全向天线辐射的覆盖区是个圆形 。在考虑。在考虑交叠之后，实际上每个辐射区的交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖有效覆盖区区是一个多边形。是一个多边形。正三角形正三角形 正方形正方形 正六边形正六边形数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1212三种形状小区的比较小区形状正三角形正方形正六边形邻区距离r小区面积1.3r22r22.6r2交叠区宽度r0.59r0.27r交叠区面积数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1313小区形状的选取n在服务区面积一定的情况下，正六边形在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最小，也就盖整个服务区所需的基站数最小，也就是最经济。是最经济。n小区形状为六边形的小区制移动通信网小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。称为蜂窝网。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1414（2）区群的概念n区群（簇区群（簇）指共同使用全部可用频率的指共同使用全部可用频率的N N个小区。个小区。 n区群的特点区群的特点在一个区群内各小区使用不同的频率，不同在一个区群内各小区使用不同的频率，不同的区群可以使用相同的频率。的区群可以使用相同的频率。nn n频制频制一个区群使用的频率数为一个区群使用的频率数为n n。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1515（2）区群的概念ADCBGFEADCBGFEADCBGFE同频复用数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1616区群组成n满足两个条件满足两个条件1 1）区群之间可以邻接，且）区群之间可以邻接，且无缝隙无重叠无缝隙无重叠地覆盖。地覆盖。2 2）邻接后的区群应保证各个相邻同信道小区的距离相邻接后的区群应保证各个相邻同信道小区的距离相等等。n可以证明，区群内的小区数应满足下式可以证明，区群内的小区数应满足下式n举例举例N N的典型值为的典型值为4 4，7 7，1212。GSMGSM系统：系统：N=3N=3或或4 4 数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1717区群组成示意图 C B A C B A D A B G F C D EN3,j=1,i=1 N=4,j=2,i=0 N=7, j=2,i=1区群组成示意图数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1818（3）蜂窝网同频小区的距离n逆时针旋转逆时针旋转6060度度再移动再移动j j个小区个小区n垂直沿六边形任意边垂直沿六边形任意边移动移动i i个小区个小区i2Rj2RDRRR R, ,为正六边形内切为正六边形内切圆的半径。圆的半径。R R为正六边形外接为正六边形外接圆的半径。圆的半径。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-1919蜂窝网同频小区距离的计算n同频小区距离计算公式同频小区距离计算公式与区群的关系与区群的关系N N越大，同信道小区的距离越远，抗越大，同信道小区的距离越远，抗同道干扰的性能越强。同道干扰的性能越强。那么，是不是那么，是不是N N越大越好呢？越大越好呢？数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2020问题的引出问题的引出 系统容量与用户需求之间的矛盾是推动移动通系统容量与用户需求之间的矛盾是推动移动通信发展的主要动力之一信发展的主要动力之一 同频干扰是限制系统容量的主要因素之一同频干扰是限制系统容量的主要因素之一 实际问题：实际问题：在抑制同频干扰的基础上，如何通在抑制同频干扰的基础上，如何通过系统设计获得过系统设计获得最大的系统容量最大的系统容量3.4 提高蜂窝系统容量的方法数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-21213.4.1 同频干扰对系统容量的影响n同频干扰不能简单地通过增大发射机的发射功率来克服。同频干扰不能简单地通过增大发射机的发射功率来克服。n为什么呢？为什么呢？n为了解决这一问题，需要找到同频干扰和系统容量的关系。为了解决这一问题，需要找到同频干扰和系统容量的关系。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2222一、系统容量系统容量的定义有多种定义，如一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入话务总量等。本次课用一定频段内所能提供的信道数来表示系统容量，用符号CT来表示。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2323系统容量的定义6754321675432167543216754321675432167543216754321N的取值讨论C CT T：系统中信道总数：系统中信道总数L L：无线信道总数：无线信道总数 ：簇复制次数：簇复制次数N N：簇的大小：簇的大小N NS S：系统中小区总数：系统中小区总数数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2424系统容量与区群大小N的关系n同样小区半径，同样覆盖区域下同样小区半径，同样覆盖区域下nN N减小？减小？n同频小区间的间隔更近，区群复制次数增加，同频小区间的间隔更近，区群复制次数增加，从而使容量从而使容量C CT T增大。因此，增大。因此，N N越小越好？越小越好？nN N太小，间隔更近，但同频干扰增强，故有折衷太小，间隔更近，但同频干扰增强，故有折衷的的N N值。值。 数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2525同频干扰的定义：同频小区间的信号干扰同频干扰的定义：同频小区间的信号干扰nS/IS/I：信干比：信干比二、同频干扰的数学参数有用信号功率有用信号功率第第i i个小区的同频干扰功率个小区的同频干扰功率同频小区的总数同频小区的总数特指同频干扰特指同频干扰其他干扰忽略不计其他干扰忽略不计数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2626同频干扰的定义：同频小区间的信号干扰同频干扰的定义：同频小区间的信号干扰nQ:Q:同频复用系数同频复用系数 nQ Q刻画了频率复用程度刻画了频率复用程度D D为同频小区中心为同频小区中心点之间的距离。点之间的距离。R R为正六边形外接为正六边形外接圆的半径。圆的半径。二、同频干扰的数学参数数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2727三、同频干扰和系统容量的关系 在满足信干比要在满足信干比要求的前提下，如何求的前提下，如何通过系统设计提高通过系统设计提高系统容量系统容量数学模型数学模型数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2828三、同频干扰和系统容量的关系 1 1、Q Q与与N N的关系的关系假设假设1 1：假设每个小区的大小一样，且每个小区是：假设每个小区的大小一样，且每个小区是正六边形小区正六边形小区？675432167543216754321432141232431数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-2929三、同频干扰和系统容量的关系 n同频小区的定位同频小区的定位i2R j2RD数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3030假设假设2 2：假设每个基站的发：假设每个基站的发射功率相等，在整个覆盖区射功率相等，在整个覆盖区内平均接收信号功率随距离内平均接收信号功率随距离的幂指数下降且路径衰减指的幂指数下降且路径衰减指数相同，数相同，则则三、同频干扰和系统容量的关系 2、S/I与Q之间的关系AADsDi数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3131三、同频干扰和系统容量的关系 假设3：若仅仅考虑第一层同频干扰小区，AAAAAARDiAD化简化简i0=kDsRDiD则小区边界移动台接收信号的信干比为假设4：若近似认为所有干扰基站到移动台之间距离为D ，则数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3232三、同频干扰和系统容量的关系 系统中系统中信道总数信道总数区群复区群复制次数制次数无线信无线信道总数道总数系统中系统中小区总小区总数数簇的大小簇的大小同频复同频复用比例用比例信干比信干比第一层干扰第一层干扰小区的数目小区的数目路径衰路径衰减指数减指数数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3333三、同频干扰和系统容量的关系L L：无线信道总数：无线信道总数n n：路径衰减指数：路径衰减指数S/IS/I：系统要求的最低信干比：系统要求的最低信干比k k：第一层干扰小区的数目：第一层干扰小区的数目N NS S：系统中小区的总数：系统中小区的总数数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3434四、参数对系统容量的影响1 1、系统要求的信干比、系统要求的信干比S/IS/I对系统容量的影响对系统容量的影响N=7N=7N=4N=4675432167543216754321432141232431AMPSAMPS系统，系统，18dB18dBGSMGSM系统，系统， 9dB9dB数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3535四、参数对系统容量的影响2 2、第一层同频小区数目、第一层同频小区数目k k值的影响值的影响7777777561423裂向：保持小区半径不变，定向天线裂向：保持小区半径不变，定向天线7777777561423数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-3636四、参数对系统容量的影响3、系统中小区总数、系统中小区总数Ns的影响的影响675432167543216 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 16 67 75 54 43 32 21 1小区分裂：保持小区分裂：保持N N值不变，减小值不变，减小小区半径小区半径数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-37373.4.2 小区分裂 原理原理 将小区划分为更小的小区，称为将小区划分为更小的小区，称为微小区微小区如何实现呢？如何实现呢？ 降低天线高度和减小发射功率降低天线高度和减小发射功率 小区数增加小区数增加 - - 增加覆盖区域内的区群增加覆盖区域内的区群数目数目 提高了提高了信道的复用次数信道的复用次数 - - 实现系统容量的提高实现系统容量的提高数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-38383.4.2 小区分裂 方法方法 在原小区内分设三个发射功率更小的新基站，在原小区内分设三个发射功率更小的新基站，形成几个面积更小的正六边形小区。形成几个面积更小的正六边形小区。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-39393.4.2 小区分裂 基站基站A A被六个新的微小区基站所包围。被六个新的微小区基站所包围。 每个微小区的半径都是原来小区的一半。每个微小区的半径都是原来小区的一半。 小小区区分分裂裂只只是是按按比比例例缩缩小小簇簇的的几几何何形形状状，不不改改变原小区的信道分配策略。变原小区的信道分配策略。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-40403.4.2 小区分裂不不是是所所有有的的小小区区同同时时分分裂裂，不不同同规规模模的的小小区区将将同时存在。同时存在。本本质质：小小区区分分裂裂通通过过减减小小小小区区半半径径，使使区区群群复复制次数增大，从而提高系统容量。制次数增大，从而提高系统容量。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-41413.4.3 小区扇区化(裂向) 基本概念基本概念使用定向天线来减小同频干扰同频干扰减小的程度取决于扇区数目，7小区复用时120o裂向时从6降低为2。(a)120度裂向 (b)60度裂向2 22 24 43 35 54 41 11 13 36 66 65 51 11 12 23 32 23 3数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-42423.4.3 小区扇区化(裂向)利用裂向以后，小区内的信道就分为分散的组，每组只在某一扇区使用。优点：减小干扰，减小区群的大小N，提高系统容量。提高了信道分配的自由度。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-43433.4.3 小区扇区化(裂向) 裂向存在的不足裂向存在的不足天线增多，基站信道也要划分。天线增多，基站信道也要划分。中继效率降低中继效率降低 每个扇区的可用信道减小。每个扇区的可用信道减小。切换次数增多切换次数增多 允许允许MSMS在一个小区内切换，在一个小区内切换，不需不需MSCMSC干预。干预。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信3.4.4覆盖区域逼近方法问题的提出：利用裂向需要增加切换次数，导致系统交换和链路负荷的增加。基本思想：多个微小区和一个基站组成小区。每3个或更多的区域站点与一个单独的基站相连，并共享无线设备。中心基站由多个微小区发射机代替。当移动台在小区内时，由信号最强的微小区服务。 数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-45453.4.4覆盖区域逼近方法微小区概念微小区概念(取自取自Lee91bIEEE) 微波和光缆链路微波和光缆链路微微小小区区选选择择器器基站基站Tx/RxTx/RxTx/RxABC数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-46463.4.4覆盖区域逼近方法 特点特点移移动动用用户户在在微微小小区区之之间间移移动动，不不需需要要信信道道切切换换，不会降低中继效率。不会降低中继效率。每每个个微微小小区区的的覆覆盖盖半半径径减减小小，同同频频干干扰扰减减小小，整个系统的信干比提高。整个系统的信干比提高。保保证证覆覆盖盖半半径径，减减小小蜂蜂窝窝系系统统的的同同频频干干扰扰，克服了裂向带来的克服了裂向带来的中继效率中继效率的下降。的下降。数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-4747思考奥运鸟巢最多可以容纳奥运鸟巢最多可以容纳1010万人，我万人，我们需要把该地区信道总数扩大到多们需要把该地区信道总数扩大到多少呢？少呢？数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-4848小结n小区制的概念小区域频率复用n提高系统容量的方法同频干扰与系统容量的关系分析各参数对系统容量的影响给出提高系统容量的方法数字移动通信数字移动通信数字移动通信数字移动通信 3-3-4949作业P87：4、9