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第五章移動通信工程設計ppt
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    • 第五章移動通信工程設計ppt

    PPT摘要

    這是一個關于第五章移動通信工程設計ppt,主要介紹了多址技術、組網技術、話務量與呼損率、設計方程、通信概率等內容。

    第五章 移動通信工程設計
    本章解決的問題(一)
    1.眾多移動用戶如何接入網絡? 給定頻率資源,如何共享?采用什么多址技術,使得有限的資源能傳輸更大容量的信息?
    —— 多址技術
    本章解決的問題(二)
    2. 由于傳播損耗的存在,基站和移動臺之間的通信距離總是有限的。為使用戶在某服務區內的任一點都能接入網絡,需在該服務區內設多少基站?另,對給定的頻率資源,如何在這些基站之間進行分配以滿足用戶容量的要求?
                                            —— 組網技術
    本章解決的問題(三)
    3 . 在設計一個基站覆蓋區時, 必須掌握一個基本原則和考慮三個相互制約的要素,設法使上行(移動臺到基地站)和下行(基地站到移動臺)信道的系統余量相等, 從而保證上、 下行的通信距離、 語音質量和通信概率大體相同。
    —— 設計方程
     本章解決的問題(四)
    4. 通信概率與服務范圍、話音質量一起表征一個移動通信系統性能優劣的最重要指標。它是指MS在無線覆蓋區邊緣能進行滿意通話的成功概率,包括位置概率和時間概率,起主導作用的是位置概率。
                                      —— 通信概率
    5.1  多址接入技術
    1)移動通信系統中,基站的多路工作和移動臺的單路工作形成了   
         移動通信的一大特點。
     基站以怎樣的信號傳輸方式發送信號,使各移動臺能從中識別放送給本移動臺的信號?(下行)
    基站如何識別來自不同移動臺的信號?(上行)
      2)眾多用戶如何從空間、時間、頻率等多個方向有效利用給定頻  
           譜資源?
         多址接入技術是移動通信網體制的范疇,占據著越來越重要的地位。關系到系統容量性能、小區的構成、頻譜利用率以及系統復雜性。
    5.1  多址接入技術
    基本概念
          實現不同地點、不同用戶接入移動通信網絡的方式.
    多址接入與信道關系
         多址技術與信道有對應關系,本質上來說就是尋找互不相關、相互正交的特征的信道賦予各移動臺的信號。
    分類:
    頻分多址(FDMA): 頻道劃分,頻帶獨享,時間共享;
    時分多址(TDMA): 時隙劃分,時隙獨占,頻率共享;
    碼分地址(CDMA): 碼型劃分,時隙、頻率共享;
    空分地址(SDMA): 空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享。
    5.1.1  頻分多址(FDMA)(一)
    FDMA:是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(或稱信道)供不同的用戶使用。
    基本概念:頻道劃分,頻帶獨享,時間共享。
    用戶地址:頻道號,每個用戶占用一個頻道。
    5.1.1  頻分多址(FDMA)(二)
    5.1.1  FDMA的特點(三)
    單路單載波傳輸:每個頻道只傳輸一路業務信息,載波間隔必須滿足業務信息傳輸帶寬的要求;
    信號連續傳輸:在分配好話音信道后,基站和移動臺同時連續不斷的發送和接收。
    需要周密的頻率規劃,是一個頻道受限和干擾受限的系統;
    實現簡單,無需自適應均衡;
    基站需要多部不同載波收發信道設備同時工作,易產生信道間的互調干擾。
    頻率利用率低,容量小。
    5.1.2  時分多址(TDMA)(一)
    時分多址:時隙劃分,時隙獨享,頻率共享。 
    把時間分割成周期性的幀, 每一幀再分割成若干個時隙。
     頻分雙工(FDD)方式:上行鏈路和下行鏈路的幀分別在不同的頻率上。時分雙工(TDD):上下行幀都在相同的頻率上。
    5.1.2  時分多址(TDMA)(二)
    基本概念:基于時間分割信道;
    用戶地址:時隙
    引入的概念:時隙、幀、復幀、Burst等
    特點:
    以頻率復用為基礎的蜂窩結構,小區內以時隙分離用戶;
    每個時隙傳輸一路數字信號,時隙的動態分配依靠軟件;
    系統需要嚴格的系統定時同步,但對功率控制不嚴;
    系統是時隙受限和干擾受限;
    TDD模式下,上下行信道信息可以共享;
    5.1.2  時分多址(TDMA) (三)
    TDMA系統突發定時關系
    移動性導致各移動臺到基站的距離不同,因此發送信號的時延也不相同,導致基站接收信號的相互交疊、干擾;
    解決辦法:用戶提前發送;
    重要問題:系統定時、保護時間和定時提前量。
    系統定時:
    全網同步,切換;
    位/時隙/幀/復幀同步;
    定時保護時間:
    Guard Periods;
    根據基站覆蓋小區的半徑                                 和電波傳播時延確定;
    5.1.2  時分多址(TDMA) (四)
    5.1.3  擴頻通信技術基礎
    擴展頻譜通信是將待傳送的信息數據被偽隨機編碼(擴頻序列:Spread Sequence)調制,實現頻譜擴展后再傳輸;接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理,恢復數據。
    優點:抗干擾、抗噪音、 抗多徑、具有保密性、功率譜密度低、具有隱蔽性和低的截獲概率;可多址復用和任意選址、 高精確測量等。
    5.1.3    擴頻通信定義
    擴頻通信技術是一種信息傳輸方式,其信號所占帶寬遠大于所傳信息必需的最小帶寬;頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調制的方法來實現的,與所傳信息數據無關;在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據;
    信號的頻譜被展寬了;
    采用擴頻碼序列調制的方式來展寬信號頻譜;
    在接收端用相關解調來接擴;
    5.1.3 擴頻通信理論基礎
    擴頻通信的可行性:是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來。信息論中關于信息容量的仙農公式為:      
                 C = WLog2(1+P/N)
     式中:C--信道容量(用傳輸速度度量)  W--信號頻帶寬度    
           P--信號功率                    N--白噪聲功率
    說明,在給定的傳輸速率C不變的條件下,頻帶寬度W和信噪比P/N是可以互換的。即可以通過增加頻帶寬度的方法,在較低的信噪比P/N(S/N)情況下,傳輸信息。擴展頻譜換取信噪比要求的降低,正是擴頻通信的重要特點,并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎。
    5.1.3 擴頻通信主要性能指標(一)
    處理增益G也稱擴頻增益(Spread Gain)
        它定義為頻譜擴展前的信息帶寬ΔF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比:    G=W/ΔF
         處理增益G反映了擴頻通信系統信噪比的改善程度。
    抗干擾容限:指擴頻通信系統能在多大干擾環境下正常工作的能力:
                    Mj=G-[(S/N)out +Ls]
         其中:Mj-抗干擾容限, G-處理增益, (S/N)out信息數據被正確解調而要求的信噪比, Ls接收系統的工作損耗。
    5.1.3 擴頻通信主要性能指標(二)
    例如:一個擴頻系統的處理增益為35dB,要求誤碼率小于10-5的信息數據解調的最小的輸出信噪比(S/N)out=10dB,系統損耗Ls=3dB,則干擾容限Mj=35-(10+3)=22dB;
    說明:該系統能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率電平高22dB的范圍內正常工作,也就是該系統能夠在接收輸入信噪比大于或等于-22dB的環境下正常工作。
    5.1.3 擴頻通信 一般工作原理(一)
    5.1.3 擴頻通信 一般工作原理(二)
    5.1.3 直接序列擴頻CDMA系統(一)
    直接序列擴頻就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發端去擴展信號的頻譜。而在收端,用相同的擴頻碼序列去進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。
    5.1.3 直接序列擴頻CDMA系統(二)
    為了擴展信號的頻譜,可以采用窄的脈沖序列去進行調制某一載波,得到一個很寬的雙邊帶的直擴信號。采用的脈沖越窄,擴展的頻譜越寬;
    如果信號的總能量不變,則頻譜的展寬,使各頻譜成分的幅度下降,換句話說,信號的功率譜密度降低。
    5.1.3 直接序列擴頻CDMA系統(三)
    5.1.3 擴頻通信的碼速與增益(四)
    輸入:二進制數據簡單速率Rs=1/Ts
    PN碼碼片chip速率Rc=1/Tc(Rs的整數倍)
    處理增益Gp=Rc/Rs=Tb/Tc
    5.1.3  直接序列擴頻系統的特點(五)
    頻譜的擴展是直接由高碼率的擴頻碼序列進行調制而得.
    擴頻碼序列多采用偽隨機碼,也稱偽噪聲(PN)碼序列.
    擴頻調制方式多采用BPSK或QPSK等幅調制.
    接收端多采用產生本地偽隨機碼序列對接收信號進行相關解擴,或采用匹配濾波器來解擴信號.
    擴頻和解擴的偽隨機碼序列應嚴格的同步,碼的搜索和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機碼的優良的相關特性在延遲鎖定環中實現.
    6. 一般需要窄帶通濾波器來排除干擾,以實現其抗干擾能力的提高.
    5.1.3   擴頻通信強抗干擾性(一)   
    在目前商用的通信系統中,擴頻通信是唯一能夠工作于負信噪比條件下的通信方式。對于寬帶干擾和脈沖干擾在擴頻設備中如何被抑制的物理過程加以說明.
    5.1.3   擴頻通信強抗干擾性(二)
    5.1.3 擴頻通信系統的擴頻與解擴
    擴頻與解擴
    5.1.3    一個例子
    例:在CDMA系統中的某個小區中,系統為用戶1分配的擴頻碼為
        -1,1,-1,1,用戶1的話音信號數據為1,-1,-1,1,-1,-1,速率為13kbps,則在發射機端,該話音數據經過擴頻后(每個語音信號比特與擴頻碼進行乘)速率為13*4=52kchips的擴頻信號:
        -11-11  1-11-1  1-11-1  -11-11  1-11-1  1-11-1
    在接收機端,用同樣的擴頻碼-11-11進行解擴(對擴頻信號做逐碼片相乘,然后每四個碼片求和): 4 -4 -4 4 -4 -4
    如用戶2的的擴頻碼-1-111對用戶1的接收信號進行解擴處理,得到的是:0 0 0 0 0 0
    5.1.3    跳頻系統(一)
    跳頻( FH-Frequency Hopping):用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控,就說,用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制,使載波頻率不斷地跳變,所以稱跳頻。
    5.1.3  跳頻系統(二)
    基于PN碼序列,窄帶信號在不同的載波頻率上跳變。
    5.1.3   跳頻圖案(三)
    為了不讓敵方知道我們通信使用的頻率,需要經常改變載波頻率,即:“打一槍換一個地方”似地對載波頻率進行跳變,跳頻通信中載波頻率改變的規律,叫作跳頻圖案。通常我們希望頻率跳變的規律不被敵方識破,所以需要隨機地改變以至于無規律才好。但若真的無規律可循的話,通信的雙方也將失去聯系而不能建立通信。因此,常采用偽隨機改變的同頻圖案
    5.1.3  跳頻圖案(四)
    快跳頻圖案:在一個時間段內傳送一個碼位(比特)的信息。通常稱此時間段叫跳頻的駐留時間,稱頻率段為信道帶寬。
    慢跳頻圖案:在一個跳頻駐留時間內傳送多個碼位比特的信息。
    5.1.3  跳頻系統性能指標(五)
    跳頻帶寬:跳頻帶寬的大小與抗部分頻帶的干擾能力有關。
    跳頻頻率數目:跳頻頻率的數目與抗單頻干擾及多頻干擾的
                              能力有關。
    跳頻的速率:指每秒鐘頻率跳變的次數, 與抗跟蹤式干擾的
                            能力有關
    跳頻碼的長度(周期):決定跳頻圖案延續時間的長短, 這
                           個指標與抗截獲(破譯)的能力有關。
    跳頻系統的處理增益:
                            Gp=N(可供選擇的頻率數目);
    5.1.3  頻率跳變的優點(六)
    跳頻圖案的偽隨機性和跳頻圖案的密鑰量使跳頻系統具有保密性。
    由于載波頻率是跳變的, 具有抗單頻及部分帶寬干擾的能力,因此其抗干擾能力是很強的。
    利用載波頻率的快速跳變和具有頻率分集的作用, 可使系統具有抗多徑衰落的能力。
    跳頻圖案的正交性可構成跳頻碼分多址系統, 共享頻譜資源, 并具有承受過載的能力。
    跳頻系統無明顯的無近效應.
    5.1.3  常見的跳頻應用(七)
    藍牙、無線個人網絡;
    接口的開放性(ISM 頻帶),功率小于100毫瓦;
    1600hops/s, 幾米范圍;
    基于IEEE802.11無線局域網定義;
    推薦用于無線本地環路;
    GSM規范部分的慢速跳頻,小區隨機化同頻干擾;
    5.1.3  地址碼的選擇(一)
    m序列
    Gold序列
    Walsh序列
    5.1.3  地址碼的功能(二)
    擴展頻譜;
    區分不同用戶;
    抗多址干擾、抗多徑衰落;
    信息數據的隱蔽和保密;
    捕獲和同步;
    5.2.3  理想地址/擴頻碼的特性(一)
    尖銳的自相關特性;
    處處為零的互相關特性;
    有足夠多的多址碼碼組;
    不同碼元素數平衡相等;
    盡可能大的復雜度;
    具有近似噪聲的頻譜,即近似連續譜且均勻分布;
    5.1.3   理想地址/擴頻碼的特性(二)
    自相關特性和互相關特性:
    5.1.3   理想地址/擴頻碼的特性 (三)
    理論上講,只有純隨機序列作為地址碼和擴頻碼才是最理想,但不可現實;
    在信息傳輸中各種信號之間的差別性能越大越好.這樣任意兩個信號不容易發生混淆,也就是說,相互之間不易發生干擾,不會誤判.理想的傳輸信息的信號形式應是類似噪聲的隨機信號,因為取任何時間上不同的兩段噪聲來比較都不會完全相似.用它們代表兩種信號,其差別性就最大.
    偽隨機序列(Pseudo Noise Codes):近似的隨機序列,具有周期性,常見有m序列,Gold序列.
    5.1.3   m序列偽隨機碼(七)
    m序列是最長移位寄存器序列的簡稱.
    m序列是由帶線性反饋的多級移位寄存器或其它延遲元件產生的周期最長的一種碼序列。
    m序列是一種偽隨機序列,具有與隨機噪聲類似的尖銳自相關特性,它容易產生,規律性強,有許多優良特性,最早獲得應用。
    在二進制移位寄存器發生器中,若n為級數,則所能產生的最長度的碼序列為2n-1位.
    5.1.3   m序列偽隨機碼(八)
    m序列的發生器是由移位寄存器、反饋抽頭及模2加法器組成。
    5.1.3   m序列的性質
    m序列一個周期內“1”和“0”的碼元數大致相等(“1”比“0”只多一個)。
    m序列中連續為“1”或“0”的那些元素稱為游程。在一個游程中元素的個數稱為游程長度。一般來說,m序列中長度為k的游程數占游程總數的1/2k
    m序列和其移位后的序列逐位模2加,所得的序列還是m序列,只是相位不同。
    m序列發生器中的移位寄存器的各種狀態,除全0外,其他狀態在一個周期內只出現一次。
    5.1.3  m序列的性質(九)
    m序列的自相關函數由下公式計算(p=2n-1):
    m序列發生器中,并不是任何抽頭組合都能產生m序列;
    總結:m序列的自相關性很好,但互相關性不好并為多值,好的m序列數目很少.
    5.1.3   m序列的自相關性
    5.1.3   m序列的互相關性 (十)
    m序列的互相關性是指相同周期P = 2n − 1兩個不同的m序列{an}、{bn}一致的程度。其互相關值越接近于0,說明這兩個m序列差別越大,即互相關性越弱;反之,說明這兩個m序列差別較小,即互相關性較強。當m序列用作CDMA系統的地址碼時,必須選擇互相關值很小的m序列組,以避免用戶之間的相互干擾,減小多址干擾(MAI)。
    5.1.3  Gold序列
    Gold序列:R . Gold于1967年提出的一種基于m序列優選對的碼序列,由優選對的兩個m序列逐位模2加得到.
    如有兩個m序列,他們的互相關函數的絕對值有界,且滿足以下條件:
    稱這為一對m序列為優選對.
    5.1.3 Gold序列發生器
    5.1.3   Gold序列的特性
     Gold序列具有三值自相關特性,其旁辯的極大值滿足上式表示的優選對的條件。具有與m序列類似的自相關和互相關特性。
    兩個m序列優選對不同移位相加產生的新序列都是Gold序列。因為總共有2n-1個不同的相對位移,加上原來的兩個m序列本身,所以,兩個m序列移位寄存器可以產生2n+1個Gold序列。Gold序列的序列數比m序列數多得多。
    有優良的自相關和互相關特性,構造簡單,產生的序列較多,因而獲得了廣泛的應用.
    5.1.3  Gold序列與m序列的比較
    5.1.3  Walsh碼(一)
    5.1.3   正交Walsh函數碼(二)
    利用Walsh碼矩陣的遞推關系,可得到64×64陣列的Walsh序列。
    因為是正交碼,可供碼分的信道數等于正交碼長,即64個;并采用64位的正交Walsh碼來用做反向信道的編碼調制,這是利用了Walsh序列的良好的互相關特性。
    5.1.3   正交Walsh碼的特性(三)
    在同步時,Walsh碼是完全正交碼:自相關函數為1,互相關函數為0.
    在非同步的情況下,Walsh碼的自相關特性和互相關特性很差.
    Walsh碼序列的功率譜分布彼此不均勻,所以通常不能單獨承擔擴頻任務,采用與Gold序列結合.
    5.1.3   碼分多址(CDMA)
     碼分多址(CDMA) :碼型劃分,時隙、頻率共享。
    5.1.3   碼分多址(CDMA) (二)
    基于擴頻通信技術一種多址方式;
    每個用戶具有特定的地址碼(相當于擴頻技術中的PN碼),利用地址碼相互之間的正交性(或準正交性)完成信道分離的任務.
    通過功率控制使信號能量被限制在達到最低性能要求所保持的信號中,實現多址通信;
    CDMA在頻率、時間、空間上重疊。
    優點:系統容量大,抗干擾、抗多徑能力高。
    5.1.3   碼分多址(CDMA) (三)
    基本概念:基于碼型結構分割信道,頻率時間共享。
    特點:
    每個基站只有一個射頻系統;
    小區內以CDMA建立連接;
    每個碼傳輸一路數字信號;
    各用戶共享頻率和時間;
    是一個多址干擾受限的系統;
    需要相當嚴格的功率控制;
    需要定時同步;
    具有軟容量;
    具有軟切換的能力;
    語音激活技術可擴大系統容量;
    抗衰落、抗多徑能力強;
    5.1.4   空分多址(SDMA)
    5.1    三種多址方式的比較
    5.1  三種多址方式系統容量的比較(一)
    FDMA多址方式的系統容量:
       以模擬TACS系統為例子:
      系統總頻段帶寬:1.25MHz;
      頻率間隔:25kHz;
      信道總數:1.25MHz/25kHz=50;
      簇內小區數:N=7;
      系統容量: m=50/7=7.1信道/小區。
    5.1  三種多址方式系統容量的比較(二)
    TDMA多址方式的系統容量:
       以數字GSM系統為例子:
            系統總頻段帶寬:1.25MHz;
            頻率間隔:200kHz;
           每載頻時隙數:8;
           信道總數:1.25MHz/200kHz×8=50;
           簇內小區數:N=4;
           系統容量: m=50/4=12.5信道/小區。
    5.1  三種多址方式系統容量的比較 (三)
    CDMA地址方式的系統容量:
          由于CDMA系統是一個干擾受限的,頻率復用因子可以為1,對其系統容量的分析更為復雜,我們將簡單進行推導。
    CDMA的載波干擾比(C/I) :
      C/I=(Eb*Rb)/(N0*Bw)=(Eb/N0)*(Bs/Bw)=(Eb/N0)*(1/Gp)
        N0為干擾(包括噪聲)的功率譜密度,Eb為每比特信號能量,Eb/N0類似于歸一化信噪比,取決于系統對誤比特率或語音質量要求。
    5.1  三種多址方式系統容量的比較 (四)
    在單小區時,考慮上行鏈路的容量,理想的功率控制(即在上行鏈路對所有的移動臺的發射功率進行控制,使到達基站接收機的信號功率均相同),則基站接收機的載干比:
                      C/I=Pr/(M-1)Pr=1/(M-1)
    Pr為基站接收到的每一個移動臺的信號功率,M為同時工作的移動臺數。則一個小區內最大的用戶數為:
                 m=1+(Bw  /Rs)/(Eb/N0)
    5.1  三種多址方式系統容量的比較 (五)
    CDMA多址方式的系統容量:
        以數字IS-95系統為例:
    頻道帶寬:1.25MHz;
    聲碼器速率:8kbps
    要求Eb/N0:7dB
    則:C/I=0.032
    系統容量:m=32.25 信道/小區
    5.1  三種多址方式系統容量的比較(六)
    在CDMA系統中,影響容量的因素:
    考慮熱噪聲的影響
    考慮話音激活技術的影響-- 提高系統容量
    考慮劃分扇區的影響-- 提高系統容量
    考慮臨近小區干擾的影響
    結果:理論計算:CDMA系統容量比GSM增加10-12倍之間,實際情況:一般是增加7-8倍之間。
    5.2   組網技術
    區域覆蓋:為使服務區達到無縫覆蓋,提高系統的容量,需要采用多個基站來覆蓋給定的服務區。(每個基站的覆蓋區稱為一個小區。)
    頻率復用:理論上講,可以給每個小區分配不同的頻率,但這樣需要大量的頻率資源,且頻譜利用率低。為減少對頻率資源的需求和提高頻譜利用率,需將相同的頻率在相隔一定距離的小區中重復利用,只要使用相同頻率的小區(同頻小區)之間干擾足夠小即可。
    5.2.1   服務區分類---帶狀服務區
    指用戶服務區域狹長。如:狹長城市、鐵路、公路、沿海、水運航道等,是最簡單的小區制移動通信網分布。
    帶狀網宜采用定向天線,使每個小區呈扁圓形。
    5.2.1   服務區分類---條狀服務區
    頻率復用:為整個系統中的所有基站選擇和分配信道組的設計過程;
    為避免同頻干擾常用二組頻或多組頻復用;采用不同頻道組的兩個小區組成一個區群--二頻組、三頻組、四頻組;
    5.2.1   服務區分類---條狀服務區
    5.2.1   條狀服務區的同頻干擾
    小區半徑為r,交迭區寬度為a, 根據載干比的推導,在小區邊緣:則僅考慮同頻干擾的載干比(C/I,dB)與組頻數n的關系如下:
    如何確定小區:
       如何根據射頻防衛度,來確定采用何種的頻率復用方式?
    5.2.1   服務區分類-- 面狀服務區(一)
    陸地移動通信大部分是寬闊的面狀區域。工程中依據用戶數、話務量、頻道數等對服務區進行劃分 ;
    指蜂窩服務區不呈條狀而是一個廣闊的平面。在平面區域內劃分小區,通常組成蜂窩式網絡,平面分布的蜂窩式服務區最為普遍且比較復雜。
    5.2.1   服務區分類-- 面狀服務區(二)
    取決于傳播條件和BS天線的方向性。若區內地形地物相同,則BS采用水平全向天線,覆蓋區形狀大體是圓形。當多個小區彼此鄰接覆蓋整個服務區時,用園的內接正多邊形近似代替圓比較實際和方便。
    可以證明,只能是正三角形、正方形和正六邊形。其中,正六邊形中心間隔最大,覆蓋面積最大,布滿整個服務區所需個數最少,而且便于分裂。因此面狀服務區以正六邊形為基本單元蜂窩狀排列而成。
    5.2.1  小區形狀
    5.2.2 區群結構 (一)
    區群的概念:實際組網時,是以區群為單位進行的。一個區群由若干個小區彼此鄰接而成,每個小區使用一組頻道。
    共同使用全部可用頻率的N個小區叫一個區群;
    只有不同區群的小區才能進行信道再用。若系統中區群復制得越多,則系統容量越大,頻率利用率越高。
    構成區群的基本條件:
    1.基本區群圖案能彼此鄰接且無縫隙地覆蓋整個面積.
    2.相鄰單元中,同頻道的小區間距離相等,且為最大.
    5.2.2 區群結構(二)
    對于N組頻(N個小區)的區群 ,滿足上述條件的區群形狀和區群內的小區數N不是任意的。可以證明N應滿足下式:
                     N = a2+ab+b2                 
              a,b分別為相鄰同頻小區之間的二維距離(相鄰小區數),都為正整數,不能同時為0。椐此算出N頻組區群對應的a、b值如下表:
    5.2.2 區群結構(三)
    5.2.2 區群結構(四)
    5.2.2 面狀服務區的同頻干擾抑制(二)
    兩種同頻干擾:
           采用同一頻點的兩個信道會相互產生可懂的干擾, 稱為同頻干擾。可懂干擾更容易干擾注意力而且引起失密。 因此, 解決同頻干擾是組網的一個重要問題。
    1.MS接收到的同頻干擾;
    2.BS接收到的同頻干擾;
       如果中心小區MS的C/I與BS的C/I相同,稱為平衡系統。
    5.2.2面狀服務區的同頻干擾(三)
    全向小區系統的C/I計算:
    1.平衡系統C/I比計算;
    2.最壞情況下C/I比計算;
    平衡系統C/I推導:
    5.2.2面狀服務區的同頻干擾(四)
    該接收機接收到的同信道干擾I是它所在小區周圍的各個
     同頻點小區基站的干擾之和。 由于來自各小區的干擾與頻率復用距離Dγ成反比:
    5.2.2 面狀服務區的同頻干擾(五)
    5.2.2面狀服務區的同頻干擾(六)
    例子:
    模擬蜂窩系統(比如AMPS):
    數字蜂窩系統(比如GSM):
    5.2.2 面狀服務區的同頻干擾(七)
    假設被干擾的MS處于中心小區的邊緣,則同樣可求出最壞情況下的C/I。
       最壞結果的計算:
            將最短干擾距離定為:Dk=D-R 則:
    例如:N=7,C/I= 28 = 14.47 dB
    5.2.3   小區頻道配置(一)
    根據同頻干擾的計算,我們可以得到需要的頻率復用因子,但如何分配一個小區內的頻道?
    解決如何把頻段內的頻道分配給各個小區,是網絡規劃的一個重要部分。
    固定頻道分配:
          1.分區分組分配法;     2.等頻距分配法;
    動態信道分配
     5.2.3   小區信道配置
    動態信道分配法:
           每個無線區使用的信道數是不固定的,當某個時刻業務量大時,使用的信道數就多,否則就少,以增大系統的容量和改善質量.
    優點:
    比固定信道分配的利用率高20%-50%
    在簡單的移動通信網中:無繩電話、集群調度系統中使用,在蜂窩移動通信系統中很少使用。
    原因:系統需要實時收集和處理大量的數據,控制復雜,成本高。
      5.2.4  提高系統容量的方法 
    小區的分裂:在有限的頻譜內,縮小同頻復用距離;
           將擁塞的小區分成更小的小區,以提高信道的復用次數,滿足話務量增長的需要。
    劃分扇區:
          依靠基站定向天線來減少同頻干擾以提高系統容量。
     通常將一個小區分成3個120度的扇區或是6個60度的扇區。
    5.2.4  激勵方式
     5.2.4  小區分裂(一)
    小區分裂是頻率復用以外,提高蜂窩系統容量及頻譜利用率的又一個重要概念。
    小區分裂是解決網中用戶增加,解決網中用戶密度的不同的有效方法。
    5.2.4  小區分裂 (二)
    選擇小區分裂擴容應遵循以下原則:
    (1)盡量利用原來的BS位置,少增新BS ,確保已建基站可  
         繼續使用;
    (2)應保持頻率復用方式的規則性與重復性;
    (3)盡量減少或避免過渡區/重疊區;
    (4)確保今后可繼續進行小區分裂。
    方法:
    全向小區分裂為全向小區:1:4
    全向小區分裂為全向及定向小區:1:7
    全向小區分裂為定向小區:1×3×4,1×6×3;
    5.2.4  小區分裂(三)
    1:4分裂法:
          在原頂點激勵的基礎上展開,在兩個原基站連線的中心點上加設新的基站.
    5.2.4 劃分扇區
    利用定向天線來改變同頻干擾,從而可得到較小區群,一般用120度扇區或60度扇區.
    5.2.4 多信道共用技術
    問題:如何實現多信道的共用技術?在一個無線小區內的n個信道,為該區內的m個用戶所共用,則當k(k < n)個信道被占用時,其他需要通話的用戶可以選擇剩下的任一空閑信道通話。
    移動通信的頻率資源十分緊缺,不可能為每一個移動臺預留一個信道,只可能為每個基站配置好一組信道, 供該基站所覆蓋的區域(稱為小區)內的所有移動臺共用。這就是多信道共用問題。
    5.2.4 多信道共用技術
    信道指移動通信中為信令或話音傳輸提供的無線通路。在FDMA多址下為頻道,在TDMA方式下為時隙,在CDMA多址方式下為碼道。
    移動通信頻率的有效利用:
    無線信道的有效利用:包括信道的地區復用(利用空間間隔來實現有效的利用,頻率復用);多信道共用(利用時間間隔來實現有效利用)
    頻譜的有效利用:壓縮信道間隔(語音壓縮),數字調制技術。
    5.2.4 多信道共用的基本概念
    在移動通信網的一個無線區內假設有n個信道,m個用戶,使用有兩種方式:
    獨立信道方式:
          對區域內的每個用戶分別指定一個信道,不同信道內的用戶不能互換信道,信道利用率不充分;
    多信道共用方式:
       所有小區內用戶可以共享若干小區信道。 這與有線用戶共享中繼線的概念相似,目的是為了提高小區內信道利用率。
    5.2.4 多信道自動選擇方式
    多信道共用的自動選擇:
          當某一用戶需要通信而發出呼叫時,怎樣從這n個信道中選取一個空閑信道。
    傳統方法:  人工選擇--老式話機;
    信道的自動選擇方式:四種方式
    1: 專用呼叫信道;        2:循環定位方式;
    3:循環不定位方式;      4: 循環分散定位方式;
    5.2.4 專用呼叫信道方式(一)
    在給定的多個共用信道中, 設置專門的呼叫信道,專用于處理用戶的呼叫, 向用戶發出選呼,指定通信用的語音信道等,其余信道作為話務信道。
    該信道有兩個作用:一是處理呼叫;二是指配話音信道。
    5.2.4 專用呼叫信道方式特點(二)
    對于專用信道呼叫方式,為了減小同搶概率,要求專用呼叫信道處理一次呼叫過程所需的時間很短,一般為幾百毫秒甚至更短,這樣一個信道就可以處理成百上千個呼叫。
    適用場合:采用數字信令的大容量通信系統。對于信道數目小于12的小容量移動通信系統不適合。目前的蜂窩電話系統就采用這種方式。
    5.2.4 循環定位方式
    定義:不設置專門的呼叫信道,由BS臨時指定一個空閑信道作為呼叫信道,并在這個信道上發空閑信號,移動臺通過信道掃描,停該呼叫信道上,一旦有尋呼成功,該信道就成為一個業務信道,基站再另選空閑信道作為臨時呼叫信道發空閑信號,空閑的移動臺自動轉到新的臨時信道上守侯(定位)。
    特點:呼叫信道是臨時的,不斷變化的,呼叫信道一旦轉為通話信道,BS要重新確定某空閑信道為臨時呼叫信道,發空閑信號。而移動臺收不到空閑信道就不斷進行信道掃描。
    優點:選擇呼叫與通話可在同一信道上,信道利用率高,接續快,全部信道可通話,適用于中小容量的系統。
    缺點:同搶概率大,有呼叫沖突現象。
    5.2.4 循環不定位方式
    定義:基站在所有的空閑信道上都發出空閑標志信號,網內未通話的移動臺自動掃描信道,隨機停靠在就近的空閑信道上(不定位)。當基站呼叫移動臺時,選擇一個空閑信道發時間足夠長的召集信號(其他空閑信道停發空閑信號),而后發選呼信號,網內移動臺收不到空閑信號就要重新進入掃描狀態,一旦掃到召集信號就在該信道上等候被呼,一旦呼叫成功,被呼移動臺就在該信道上接入服務,其他移動臺進入信道掃描狀態。
    不通話的移動臺始終處于循環掃描狀態,基站下行需要發長信號定位移動臺建立通信。
    特點:在循環定位方式的基礎上為減小同搶概率的一種改進方式,但移動臺被呼的接續時間比較長;另外,系統中的所有信道都處于工作狀態,這種多信道常發狀態會引起嚴重的互調干擾。
    適用場合:信道數目少的系統。
    5.2.4 循環分散定位方式
    定義:基站在全部不通話的空閑信道上發空閑信號,網內移動臺分散停靠在各個空閑信道上。移動臺主呼是在各自停靠的空閑信道上進行;而基站呼叫移動臺時,其呼叫信號在所有的空閑信道上發出,并等待應答信號。
    特點:此方式解決了循環不定位方式移動臺被呼時接續時間長,接續快,效率高,同搶概率小。但當移動臺被呼時,基站在所有的空閑信道上都發送選呼信號,互調干擾嚴重。
    適用場合:小容量系統。
    5.3  話務量與呼損率
     多信道共用中的問題?
    究竟n個信道能為多少用戶提供服務呢?
    共用信道之后必然會遇到所有信道被占用,而新的呼叫不能接通的情況,但發生這種情況的概率有多大呢?
    多信道共用技術與移動網的呼損率、呼叫中斷概率、系統容量有密切的關系;
    在移動通信中,怎樣設計信道的數量、滿足通信的服務質量、滿足用戶的需求是設計中的一個重要問題。
    服務等級GOS,用呼損率B表示。
     5.3  話務量與呼損率(二)
    1. 話務量與呼損率的定義?
    流入話務量A:
          λ單位時間平均發生的呼叫次數;S每次呼叫平均占用信道時間。A為無量綱的量,單位為“愛爾蘭”(Erlang)。
    完成話務量A0:設單位時間內成功呼叫的次數為λ0(λ0<λ),就可算出:
     呼損率B:表示損失話務量占流入話務量的比率即為呼叫損失的比率:
     5.3  話務量與呼損率(三)
    1愛爾蘭的概念:A(愛爾蘭) = S(小時/次)·λ(次/小時),1愛爾蘭就表示平均每小時內用戶要求通話的時間為1小時。?
    例如,全通信網平均每小時發生20次呼叫,
       即λ = 20(次/小時)??
       平均每次呼叫的通話時間為3分鐘,則話務量A:
     5.3  呼損率B與服務等級
    顯然,呼損率B越小,成功呼叫的概率就越大,用戶就越滿意。因此,呼損率B也稱為通信網的服務等級(或業務等級)。例如,某通信網絡的服務等級為0.05 (即B=0.05),表示在全部呼叫中未被接通的概率為5%.但是,對于一個通信網來說,要想使呼叫損失小,只有讓流入話務量小,即容納的用戶少些,這又是所不希望的.可見呼損率與流入話務量是一對矛盾,要折中處理。
     5.3  話務量與呼損率(四)
    為什么需要設計系統信道數?
         用戶越滿意,但B太小,例如B=0,則需要很大信道來滿足B的要求,信道利用率低;反之減少信道數,則意味著允許的用戶數少,或者B不能滿足系統要求.公網中一般B=0.05.
    問題的描述:
           在一個系統中,滿足一定用戶數U,選擇合理的N個信道,達到B要求的服務等級質量是信道設計的要點.
     5.3  話務量與呼損率(五)
    3. 呼損率的計算:
           對于多信道共用的移動通信網,根據話務理論,愛爾蘭呼損率B與共用信道n、數流入話務量A的定量關系:
     5.3  話務量與呼損率(六)
     5.3  話務量與呼損率(七)
    用戶忙時的話務量與用戶數 :
         根據用戶數、每戶的話務量可得A與用戶的關系,一般在工程設計時,將每戶的話務量考慮為忙時話務量;
     5.3  話務量與呼損率(八)
     例如,C=3(次/天),T=120(秒/次),k=10%,則用上式可算得a=0.01(愛爾蘭/用戶)。國外資料表明,公用移動通信網可按a=0.01設計,專業移動通信網可按a=0.05設計。由于電話使用的習慣不同,國內的用戶忙時話務量一般會超過上述數據不少,建議公用移動通信網按a=0.02~0.03設計,專業移動通信網按a=0.08設計。則每信道用戶數m:
     5.3  話務量與呼損率( 九)
     5.3  話務量與呼損率(十)
    呼損率不同情況下,信道的利用率也是不同的。信道利用率η可用每小時每信道的完成話務量來計算,即
    5.3  系統信道的利用率(十一)
     5.3  系統信道的利用率(十二)
    結論:
    當N一定,B↑時,A↑,η↑,m↑,信道利用率越高,但服務質量越低,一般公網與其它系統選5%-20%,專網B可以選2%;
    采用信道共用技術,可以提高信道利用率。n↑,η↑,但提高的速度越來越少,如:n>30,η提高不明顯,同一基站的共用信道不宜太多。daoci
    5.4 通信概率
    通信概率是指MS在無線覆蓋區邊緣能進行滿意通話的成功概率,包括位置概率和時間概率。慢衰落是影響通信概率的重要因素,隨位置和時間變化服從正態分布,且接收中值電平隨位置的變化遠大于隨時間的變化,因此起主導作用的是位置概率。
    與服務范圍、話音質量一起表征一個移動通信系統性能優劣的最重要指標。
    5.4 通信概率與語音質量的關系
    我國移動公網覆蓋邊緣通信概率≧90%,郊區適當降低≧50%,語音質量4級 。
    專用網語音質量較低3級,但通信概率反而更高,覆蓋區域和時間均≧90%。
    故通信概率與語音質量指標密切相關,如果一個指標提高,在其它保持不變時,另一指標必然降低,這在系統設計時須認真考慮。
    5.4 .1   BS覆蓋區邊緣的通信概率
    設MS在以BS為中心的無線區邊緣行駛一周時的接收中值電平x是一隨機變量,服從正態分布,均值為ma,標準偏差為  ,則概率密度函數為
    5.4.1 、BS覆蓋區邊緣的通信概率
    設Pmin為計入多徑和環境噪聲所引起的惡化量d之后的接收機門限(最低保護輸入電平),則邊緣                                 的通信概率為
    式中                               為概率積分,又稱誤差函數,查概率積分表獲得。
    5.4 .1  概率密度與通信概率圖
    5.4 .1 位置分布和隨時間分布的標準偏差表
    5.4 .1 應用舉例
    例1 某無線覆蓋區域邊緣的通信概率為50%,需發信機輸出功率為10dBW,若要求覆蓋區邊緣處通信概率(位置概率)增加到90%時,系統余量多大?發信機的輸出功率增加多少?
    解:
    5.4 .1 應用舉例
    例2.某150MHz移動通信系統的△h=100m,在利用現有設備參數及其相應條件下,其通信概率為50%,這時的中值路徑損耗為153.5dB,現要求通信概率增加到90%,而無線設備參數不變,這時的通信距離可達多遠?
    解:根據已知條件,只有在通信距離縮短后,才能使接收機輸入要求的最低保護電平Pmin提高1.28   (據例1),從而通信概率由原50%提高到90%,實際上就是需將中值路徑損耗減少1.28    (dB),即:
          Lm = 153.5 - 1.28 = 153.5-1.28*10 = 140.7dB
        據此,按OM模型計算可得D≈17km
    5.4 .1  無線覆蓋區與半徑示意
    5.4 .1  通信概率與系統余量的關系
     5.4.2   MS和MS通信時的通信概率
    前面討論的都是基地站與移動臺之間的電波傳播,下面將討論移動臺和移動臺之間通信時的通信概率。根據統計理論可知,如果移動—移動與固定—移動所處的傳播環境相同(包括地形、 地物、 環境噪聲), 那么在移動—移動傳播情況下, 接收信號場強中值隨位置的變化應為兩個固定—移動接收信號中值電平的概率分布之和, 即服從兩個正態分布和的分布規律。
    假定在這種傳播條件下,兩個分布具有相同的最大值,則移動—移動傳播的位置標準偏差σ′L是固定—移動傳播時的位置標準偏差σL的   倍,即                   
    同時考慮位置變化和時間變化通信的聯合概率:
    此時的標準偏差是位置分布標準偏差和時間分布標準偏差引起的,可按下式計算
    5.5   設計方程
    移動無線電路的設計原則及設計三要素:
         在設計一個基站覆蓋區時,必須掌握一個基本原則和考慮三個相互制約的要素。
    設計原則:設法使上行(移動臺到基地站)和下行(基地站到移動臺)信道的系統余量相等, 從而保證上、 下行的通信距離、 語音質量和通信概率大體相同。
    系統余量:指對于一定通信距離,系統增益減去系統損耗的剩余量,系統余量為0,業務區通信概率為50%;余量﹥0,通信概率﹥50%;
    5.5.1  設計三要素
    三個要素是:
    覆蓋區半徑;
    要求的語音質量標準;公用移動電話系統要求4級,專用系統為3級;
    通信概率(通信可靠性),即移動臺在業務區范圍內的任何位置上或在邊緣地區希望滿意通信的成功概率。
          除上述三要素外,還應當考慮傳播環境、地形、 地物特征,使用頻段以及可利用的系統參數等因素。
    系統設計方程是進行移動無線電路的系統設計的主要手段,表達了系統余量、系統增益、系統損耗三者之間的定量關系,三要素由設計方程來權衡決定,形式如下:
                  SM=SG-SL          (1)
                  SG=PT+Gt+Gr-Pmin?  (2)
                  SL=LA+K+Lt+Lr     (3)
          SM為系統余量(dB), SG為系統增益(dB), SL為系統損耗(dB)。
    5.5.2  系統余量方程
    系統余量方程:
    若:
    5.5.2 系統增益方程
    系統增益方程:
    其中
    5.5.2 系統損耗方程
    系統損耗方程:
    其中
    由設計方程式可得
                SM=SG-SL= PT+Gt+Gr-Pmin-LA-K-Lt-Lr
         當系統余量SM=0dB空間傳輸的容許衰減值為
               LA=PT+Gt+Gr-K-Lt-Lr- Pmin
          當基地站和手持機的發射功率和最低保護接收電平確定之后, 上、 下行線路的傳輸方程如下:
               Ld= PbT+Gbt+Gmr-Lbt-Lmr-P(m)min       (1)
              Lu=PmT+Gmt+Gbr-Lmt-Lbr-P(b)min       (2)
    上下行電路的平衡問題提出:
    通常基站、手機發射功率分別為P上=40W,P下=1W左右,假定上下行中值路徑損耗基本相同,則上行到達基站的接收電平比下行到達手機的接收電平要小12-14dB;
    如基站和手機的接收靈敏度相同,則上下行的有效通信距離差別很大。
    以上均不符合設計基本原則,必須注意解決上下行電路的平衡問題。
    基地站采用單根全向天線發射、多根高增益定向天線接收。 接收機采用6副60°扇形面17dB增益的定向接收天線,并采用自動定位技術,以保持從信號最強的接收天線獲取信號,這樣可提供6~8 dB左右的增益改善量。
    提高手機發射功率。 功率增加一倍,提高3dB的系統增益,但受電池容量、體積等限制。
     結論:根據網絡實際,有選擇綜合應用上述措施,則完全可以實現上下系統余量相等的設計。
     5.5.4  設計舉例
    系統設計的步驟:
    無線頻道數確定;
    基站結構確定;
    系統損耗SL;
    系統余量SM;
    系統增益SG;
    Pt、Gt、Gr、Pr確定;
    設備選型、選參數;
     5.5.4 設計舉例
     例 某移動電話系統,工作頻率為450 MHz。基地站天線高度70 m,移動臺天線高度為1.5m,市區工作,傳播路徑為準平滑地形,通信距離20 km。要求語音質量為3級, 業務區邊緣的通信概率為50%,且基地站天線增益為10 dB, 移動臺天線增益為1.5 dB,發信端的附加損耗為4.5 dB, 收信端的附加損耗為0.5 dB,移動臺接收機靈敏度為0.7μV。 移動臺移動范圍在低噪聲區內。求所需基地站發射機的輸出功率。
     5.5.4 設計舉例
    解:1 系統損耗:(1)路徑衰耗中值:根據公式計算,La= 155dB,                    
           (2)收、發信端附加衰耗: Lt=4.5(dB),Lr=0.5(dB),
         總的系統衰耗:SL=La+Lt+Lr=161dB。
       2.系統余量: P=50%,      故:  SM=0;
       3.系統增益:  SG= SL+SM = 161 (dB) ,
       4.發射機輸出功率:
           接收機靈敏度對應的輸入功率:Pr = A-10lgR-126
                       =-3-10lg50-126=-146(dBW)
          動態條件下的惡化量查有關曲線: d = 5 (dB)
          最低保護功率電平: Pmin = Pr+d = -146+5 = -141(dBW)
       所以基站發射機輸出功率:Pr = SG-Gt-Gr+Pmin
                           = 161-10-1.5+(-141)= 8.5(dBW) ≈ 7W
     5.5.4  設計舉例
    例:某大城市郊區公用移動電話系統中的一個基地站覆蓋區,要求覆蓋半徑為30 km,覆蓋區邊緣的通信概率為50%,語音質量為4級。傳播環境為準平滑郊區低噪聲區,已知工作頻率為450 MHz,系統設備參數如下:
        基地站發信設備參數:
               天線增益  Gt=8 dB,                       附加損耗Lt=6 dB
               發射機輸出功率   PT =25W
          移動臺設備參數:
              天線高度    hm= 3 m                       天線增益   Gr=2 dB
              饋線損耗   Lr=0.5 dB          接收機靈敏度   SV= 0.7 μV?
           問基地站發射天線應架設多高?
     5.5.4  設計舉例
    解:1.接收機輸入端要求的最低保護功率電平:  Pmin = Pr+d.            
        其中惡化量d查相關曲線:   d= 10 dB
                 Pr = -3 - 10lg50 – 126 = -146dBW
                Pmin = Pr+d =-136(dBW),
    2.系統增益: SG = Pt+Gt+Gr-Pmin = 14+8+2-(-136) = 160(dBW)
    3.系統衰耗中值:   SL = La+Lt+Lr = La+6.5
    4.路徑衰耗:   SM=0 ;    SG=SL;
       故:   La = SL-6.5 = SG-6.5 = 160-6.5 = 153.5(dB)
    5.確定基站發射天線高度h:
          根據OM模型,當f = 450 MHz,d= 30km,覆蓋區為準平滑郊區,路徑衰耗中值為153.5 dB時,對應的基站天線高度為h = 50m.
     

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    《第五章移動通信工程設計ppt》是由用戶NoSongToSing于2016-09-18上傳,屬于高校大學PPT。
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