CDMA无线个人通信.ppt

CDMACDMA无线个人通信无线个人通信( (一一 ) ) * * 南京邮电大学通信与信息工程学院南京邮电大学通信与信息工程学院 邵世祥邵世祥 2 CDMA无线个人通信 p个人通信概述 p无线多址接入技术 p无线传播与移动信道 p蜂窝通信原理 pCDMA通信原理及其性能分析 pCDMA无线个人通信关键技术 p第三代移动通信技术 3 p定义 个人通信是指任何人在任何时间和任何地点都可以接入通 信网，并通过通信网用任何信息媒体及时地与任何人进行通信。 p两个概念 狭义的个人通信：指数字无绳电话，如PHS，DECT； 广义的个人通信：指各种无线接入的通信业务。 个人通信业务(Personal Communication Service，PCS) 个人通信的提出促进了无线接入多址技术的研究，产生了 FDMA、TDMA和CDMA等各种多址技术。 CDMA无线个人通信是基于CDMA无线多址技术的个人通 信 个人通信概述 4 p个人通信系统是由多种系统综合而成,各种通信系统各司 其职,为用户提供综合业务,如图为个人通信系统网络模型 个人通信概述 5 p实现通信个人化的必须解决的问题 用户接入的物理手段、个人通信号码和用户接入标准 p用户接入的物理手段 个人通信用户是移动的，可能处于移动状态或者迁移状 态。因此，为了满足个人通信的要求，用户接入通信网应采 用无线接入方式。 无线接入(wireless Access)可以在移动用户与固定入口之 间建立匹配的接口，称为空中接口(Air Interface)。空中接口由 两部分构成，它的固定部分一般称为基站，构成通信网的入 口，它的移动部分一般称为手机，由用户个人携带使用。 个人通信概述 6 p无线接入方式 不同的频谱分配决定于空中传播特性和频谱的使用情况。 现在移动通信应用800900MHz，无绳通信应用12GHz等频段 ，3G系统在2G频段。 采用不同的复用方式。当前有三种基本方式：FDMA、 TDMA和CDMA。还可以采用复合的复用方式，例如时分与频分 结合，码分与频分结合,时分与码分等,这是当前考虑优选的方式 。 空分多址SDMA利用自适应天线阵运用空间分集机制提高 系统容量和性能。 采用不同的发送功率，空中接口的工作范围就不同。根据 空中接口的工作范围大小，构成了所谓大区制、小区制和微小区 制，在室内还构成立体的微区制。 个人通信概述 7 p无线接入方式 采用无线接入解决个人移动性问题带来了移动管理问 题。 在用户呼叫前，它必须先由核心网络确认用户身份特 征，需要进行鉴权。 当用户从一个通信网入口转移到另一个入口时，通信 网必须自动登记这个变化，并修改其数据库以便呼叫时能进 行确认或跟踪呼叫。 个人通信概述 8 p个人通信号码(PCN) 实现个人通信，必须建立个人通信号码，即赋予用户个人一 个特定的通信号码，犹如身份证号码； 常用的固定电话号码习惯意义是赋予通信终端一个号码。这种 号码与用户个人没有直接联系，不管谁都可以利用它打电话。被叫 也只是相应的终端而不涉及用户个人。 这种号码只能解决终端之间的接通而不构成用户之间的直接接 通。呼叫只达到电话机而不达到个人。 个人通信号码可以克服上述困难。由于通信网只确认个人通信 号码，用户不管在那里打电话，都可以把电话费记在自己的名下。 在接收电话时也一样，不管用户在那里都可以通过个人通信号码呼 叫他。当然，这种功能需要通信网的智能化来支持。 个人通信概述 9 p用户接入标准 个人通信中，用户间建立通信的步骤。 用户接入通信网。这个过程包括：用户向通信网入 口的基站请求呼叫信道，建立起手机与通信网的连接电路，网 络对手机进行移动性管理。 用户向通信网输入被叫个人通信号码，网络进行选 路把呼叫路由到被叫端入口基站。 如基站有空闲电路，基站广播对方用户的个人通信 号码，并测试对方手机的忙闲状态。 在对方手机处于空闲备用状态时，予机振铃，使用 户打开手机，手机进入使用状态。 双方用户可以通信。 通信完毕，有一方挂机，则整个路由的各部分释放 ，再次处于空闲状态，以便其它呼叫占用。 个人通信概述 10 p用户接入标准 用户在传送信息信号之前，必须有按一定规则建立路由的 过程，即需要有一个规程以便与通信网信令沟通。这就是所谓规 约或协议，也称标准。没有这些标准，各层次之间无法对话，路 由无法建立，通信就无法进行。 各种个人移动通信系统有其不同的标准。 p通信个人化的含义 通信面向个人，建立个人通信号码，以便主叫时进行确认 和被叫时进行跟踪之用； 无线接入方式，解决个人移动性与通信网固定性的矛盾； 智能网的机制，以进行个人移动性管理和处置，不断登记 用户移动记录并修改数据库。 个人通信概述 11 p结构 从个人通信网结构考虑，个人通信网可以分三层，即智能层、 运送层和接入层。 层间的信息沟通依靠数据网或信令网。 个人通信网 智能能层 数据网 运送层 接入层 l 业务与网络配置 l 业务与网络控制 l 交换 l 传输 l 有线接入 l 无线接入 12 p智能层 包括个人数据库、移动管理和业务控制节点。 用于定义业务，存取用户信息数据、管理位置登记和跟踪 交换。它还有自诊断和自恢复功能。 p运送层 实质上由公众网或综合业务数字网提供。它完成信令、交 换和传输功能。 p接入网 包括有线接入和无线接入，提供用户进网以获得通信服务 的功能。接入层需完成各种用户终端的接入和处理各种不同信 息媒体。 个人通信网结构 13 p移动通信系统 第一代移动通信系统 (AMPS,TACS) 第二代移动通信系统(GSM,IS-95 CDMA) 第三代移动通信系统(WCDMA,cdma2000,TD-SCDMA) LTE, LTE-Advance p数字无绳电话系统 PHS,DECT,CT1,CT2 p宽带无线接入系统 电子电气工程师协会（IEEE）的802.15（无线个域网， WPAN）、 802.11（无线局域网，WLAN）、 802.16a/e（无线 固定接入，FWA）和802.20（宽带无线接入，WBMA） ; 802.15 的WPAN包括蓝牙（Bluetooth）技术和超宽带（ UWB）； 802.11标准的WLAN也称为WiFi； 802.16标准的FWA也称为WiMAX 。 无线个人通信系统 14 p第一代移动通信系统 采用频分多址（FDMA），模拟系统 代表系统：美国的AMPS、欧洲的TACS 主要缺点 频谱利用率低采用 FDMA所致 业务种类有限采用模 拟方式所致 无数据业务采用模 拟方式所致 保密性差采用模拟方式所 致 设备成本高、体积、重量大采用模拟方式所 致 移动通信标准 15 p第二代移动通信系统（2G） 时分多址（TDMA）或窄带码分多址（CDMA），数字系统 代表系统：美国的IS95A（CDMA）、欧洲的GSM（TDMA ）、日本的JDC 对第一代移动通信系统缺点的改善 频谱利用率提高提高了2倍（GSM）或10倍（CDMA ） 业务种类增加提供了较丰富的电信业务 窄带数据业务提供了低速数据业务（最 大64Kbit/s） 保密性较好具有良好的保密性能 减小了设备成本设备（尤其是终端设备）成本大大 降低 体积、重量也大大减少 移动通信概述 16 p第三代移动通信系统（3G）：IMT2000 采用宽带码分多址（CDMA），实现移动宽带多媒体通 信 IMT2000：2000年，在2000M频段实现2000K的数据通 信 3G对数据通信速率的要求 IMT2000推荐的3种制式： WCDMA（欧洲） CDMA2000（美国） TDSCDMA（中国） TDSCDMA：中国的第一个国际通信标准 移动通信概述 17 移动通信系统的发展 AMPS TACS NMT 其它 GSM CDMA IS95 TDMA IS-136 PDC 第一代 80年代 模拟 第二代 90年代 数字 第三代 IMT-2000 UMTS WCDMA CDMA 2000 需求驱动需求驱动 模 拟 技 术 数 字 技 术 语 音 业 务 宽 带 业 务 TD- SCDMA 18 LTE移动通信系统 qLTE与4G概念 LTE(Long Term Evolution,长期演进) 3G的演进; 2004年11月3GPP多伦多会议启动LTE项目。 LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进 并增强了3G的空中接入技术; 采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准; 4G：IMT-Advance或LTE-A 19 p在20MHz频谱带宽提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰 值速率； p改善小区边缘用户的性能； p提高小区容量； p降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控 制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻 留状态到激活状态的迁移时间小于100ms； p支持100Km半径的小区覆盖； p能够为350Km/h高速移动用户提供100kbps的接入服务； p支持成对或非成对频谱，可灵活配置1.4 MHz到20MHz多 种带宽。 LTE主要性能目标 20 LTE关键技术 p频谱灵活 支持更多的频段 灵活的带宽 灵活的双工方式（ TDD/FDD） p先进的天线解决方案 分集技术 MIMO技术 Beamforming技术 p新的无线接入技术 OFDMA SC-FDMA 21 移动通信系统的发展 22 WLAN标准 pWLAN概念 WLAN标准主要包括802.11b、802.11a和802.11g等； 802.11b采用2.4GHz频段，可支持11Mbps的共享接入速率； 802.11a采用5GHz频段，速率高达54Mbps，采用OFDM（正 交频分复用）技术，无障碍的接入距离只有30-50米； 802.11g是一种混合标准，既能适应802.11b标准，又符合 802.11a标准，比802.11b速率快5倍，并和802.11b兼容。 WLAN的推广和认证工作主要由产业标准组织WiFi（ Wireless Fidelity，无线保真）联盟完成，所以WLAN技术常 称之为WiFi。 23 3G与WiFi比较 3GWiFi 标准3GPP，3GPP2，ITUIEEE 802.11 多址方式CDMA/FDD、TDDOKK，OFDM 频带2GHz，许可证2.4GHz，不要许可证 最高速率2Mbps54Mbps 业务话音与数据数据与话音 覆盖宏蜂窝微蜂窝 移动性静止、步行、车载静止、步行 频谱 利用率(bps/Hz) 10Mbit/s的接入速率。 29 3G与WiMAX技术的比较 3GWiMAX 标准3GPP，3GPP2，ITUIEEE 802.16a 多址方式CDMA/FDD、TDDOFDM/FDD、TDD 频带2GHz，许可证2-11GHz，部分不要许可证 最高速率2Mbps70Mbps 无线载频FDD(5MHz)、TDD(1.6MHz)FDD(1.5-20MHz) 业务话音与数据数据与话音、视频图 像 覆盖宏蜂窝微蜂窝 移动性静止、步行、车载静止、步行 QoS4类固定带宽，承诺带宽 ，尽力带 宽 频谱利用率(bps/Hz) Bc 频率选择性信道 Bw Bw 时，发生非选择性衰落或平坦衰落，此时信号的所有 频谱分量都以类似方式受到信道衰落影响。 平坦衰落不引入信道引起的码间干扰(ISI)失真，但由于信号衰落 时信噪比(SNR)下降，性能仍会下降。 为了避免信道引起的ISI失真，必须要求信道为平坦衰落，即要 求： Tb 为码元的持续时间，1/ Tb 取作信号的带宽； 信道相干带宽决定了接收机中没有均衡器的传输速率的上限 。 相干带宽 106 q结论 相干带宽是两信号仍然强相关时的最大频率之差。 相干带宽与迟延扩展成反比，迟延扩展越小，相干带宽越大； 如果信号的发射带宽大于相干带宽，信号将经受频率选择性衰落 ，如图示。如果相干带宽和发射带宽一样大，那么整个接收频谱 部将观察到衰落。 如果信号的发射带宽小于相干带宽的话，则属于平坦衰落信道。 相干带宽可用作RAKE接收机或均衡接收机分集的测量。相干带 宽越小意味着分集重数越多。可以利用最大迟延扩展计算信道中 能用于RAKE接收机的可分解的路径存在多少条。 相干带宽 107 q例子 在时间色散的例子中，时延扩展 = 1.37s，相干带宽为： 由于Bc 大于 30 kHz, AMPS 系统可以在没有均衡器的情况下进行 工作。然而, GSM 一个载频的信号带宽为 200 kHz ，超过了相干 带宽Bc。 因此，GSM必须要采用均衡器才能正常工作。 相干带宽 108 q概念 时延扩展与相干带宽是描述本地信道时间色散特性的两个参数。但 是它们并未提供描述信道时变特性的信息。 信道的时变特性是由移动台与基站间的相对运动造成的，或是由信 道路径中物体的运动引起的。 小尺度范围内信道的时变特性可以通过多普勒扩展和相干时间的两 个参数来描述； 相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色 散的时变特性。 相干时间是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的 幅度相关性。 如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号 可能就会发生改变，导致接收机信号失真。 相干时间 109 q相干时间定义 相干时间 tc 定义为多普勒扩展的倒数，即： 上式给出了瑞利（Rayleign）衰落型可能急剧起伏的时间间隔。 若时间相关函数定义为大于0.5时，相干时间近似为： 上式的定义相对比较严格。 现代移动通信中，相干时间常定义为上两式的几何平均，即： 相干时间 110 q相干时间对信号传输的影响 如果数据速率1Tb 大于衰落速率1 Tc，称信道为慢衰落信道 。 如果比特时间Tb 大于相干时间Tc ，或数据速率1Tb 小于衰落 速率1 Tc ，称信道为快衰落信道。 Tb fd 慢衰落信道 Tb Tc 或 Bw fd 非频率选择性信道 为了避免由快衰落引起的信号失真，必须保证数据速率1Tb 超过信道衰落速率1 Tc ，使得信道显示慢衰落。 相干时间 111 q结论 多普勒频移 fd 决定了数据速率的下限，当使用超过下限的数 据速率时可以不遭受快衰落失真。 为了较好地减轻快衰落影响，要求Tb Tc，否则会明显限 制系统的性能。 多普勒扩展通过相干时间影响的系统的比特差错率性能，这 种影响无法不能通过简单地增加信干比(SI)来克服。 为了避免快衰落失真和多普勒影响引起的差错率，数据速率 必须超过衰落速率一定倍数，确切的倍数取决于信号调制、 接收机设计和所有求的比特差错率。 相干时间 112 q例子： 以60mph速度行驶的汽车，其载频为900M Hz，相干时间 对信号速率的要求： 按严格定义的相干时间计算值为可得Tc 的保守值为2.22ms 。如果采用数字发送系统，只要符号速率1Tb 大于1Tc =454bps，信道不会导致失真(也可能由信道冲激响应所决 定的多径时延引起失真)。 采用数字系统常用的公式，为避免由频率色散引起的失真 ，需要， Tc =6.67ms，且符号速率1Tb 必须超过150bit s。 相干时间对信号传输的影响 113 CDMA无线个人通信 p个人通信概述 p无线多址接入技术 p无线传播与移动信道 p蜂窝通信原理 pCDMA通信原理及其性能分析 pCDMA无线个人通信关键技术 p第三代移动通信技术 114 蜂窝通信原理 p蜂窝移动通信组网结构 p蜂窝通信的话务量 p蜂窝组网理论与无线区群 p蜂窝小区激励方式 p小区分裂 p蜂窝系统的同频干扰分析 p蜂窝网频率分配方法 115 移动通信组网结构 p大区制移动通信网 p小区制移动通信网 116 大区制移动通信网 q大区制结构： 大区制移动通信通常是指在城市中央设置一个基站，通过大功 率的发射，尽可能地增大基站覆盖范同，解决大区域的移动通 信业务。 为了增大基站覆盖区半径，基站天线架设得很高，达几十米至 百余米；发射功率很大，一般为50200W，实际覆盖半径达 3050Km。 大区制方式的优点是网路结构简单、成本低，一般借助市话交 换局设备，将基站的收发信设备与市话交换局连接起米，借助 于很高的天线，为一个大的服务区提供移动通信业务。 117 大区制移动通信网 q移动台与基站的位置 大区制移动台发射功率大小是决定系统覆盖区大小的重要因素。 上、下行传输增益差可达(612)dB或更大，使平坦地区上、下 行传输距离差大于一倍。 118 覆盖区域 大区制移动通信网 q解决上、下行传输增益差的技术手段 设置分集接收台； 基站采用全向天线发射和定向天线接收，可以获得(810)dB 的接收增益： 基站选用分集接收的天线配置方案； 提高基站接收机灵敏度； 在大的覆盖范围内，用同频转发器扫除盲区。 119 小区制移动通信网 p小区制构成 小区制划分方式是根据用户数的增多、业务量的增大而需 要很多频道来满足通信业务的需求； 从频率重复使用的观点出发，将整个服务区划分成若干个 半径为2km20km的小区域，每个小区域中设置小功率基 站，发射功率一般为5w20w。 无线小区又可继续划小为宏区、微区和微微区。 p小区制的特点 提高频率利用率 具有组网的灵活性 网路构成复杂 120 条状服务区及其频率复用 121 载干比C/I确定同频距离 移动台移动时接收到基站有用信号中值电平C与相距基站距离 R-成反比： （：电波传播损耗指数，蜂窝环境=4） 在同频干扰距离DI上接收到的干扰信号中值电平I为： 移动台处在覆盖区边缘R 122 n频组同频干扰的分析 123 小区同频复用距离的确定 D/R864 C/I（dB）30.72516 所需频率组432 A，K同频基站之间应 隔的小区数 321 124 面状服务区 q小区形状采用的规则结构 随着业务量的增长，系统要增加新的小区和频道。如果选用不规则 小区图形，则会因同频干扰而无法再用频率，从而不能有效地使用 频谱。 重新由一个区分配到另一个小区，还会导致设备利用不经济。 在系统的发展阶段，系统每次都要在工程上投入大量精力来重新调 整传输，交换以及控制资源。采用规则小区图形可避免这些麻烦事 。 125 采用正六边形规则结构组网的原因 q六边形布局所需的小区数比较少，因而只需少量的发 射机基站； q六边形小区布局所需的花费比正方形和三角形少。 q结论：正六边形组网是最经济的组网方式。 126 蜂窝通信话务量 p概念 蜂窝移动通信系统，因无线资源的限制，大量的移动用 户只能在小区内共享数量相对较少的信道，每个用户只 是在呼叫时才占用信道，一旦通信结束就立即释放信道 。当所有信道都被占用，呼叫就要发生阻塞。 蜂窝系统容量依赖于许多不同因素，主要包括有 话音和或数据的可用信道数 系统的用户服务等级 话务理论试图估算小区中所需要的信道数。估算取决于 所选择的系统和所假设的用户行为。 127 蜂窝通信话务量 p话务量 话务量是表征用户在使用网络通信时的频繁程度、 通话的时间长短等。在满足一定服务质量指标条件 下，话务量越大，需要的通信设备就越多。 话务量定义：系统忙时的平均话务量。 -忙时定义为一天中出现最大平均流入话务量强度的60分钟 连续时间。 -流入话务量强度是无量纲量，为了纪念话务理论的奠基人 丹麦数学家爱尔兰（A.K.Erlang），将话务量强度的单位定 名为“爱尔兰”。1 E（爱尔兰）表示一个信道在考察时间内 完全被占用的话务量强度。 128 蜂窝通信话务量 p服务等级（GoS） GoS用于度量系统忙时用户进入系统的能力，表 示为呼叫提供服务的可能性或者等待提供服务的 时间； GoS通常定义为呼叫阻塞的概率，表示为： B =（忙时呼叫数 - 忙时完成的呼叫数）/ 忙时呼叫数 呼损是按时间计算的GoS，表示为 E = 忙时阻塞的时间 / 忙时时间 。 阻塞率是呼叫阻塞的概率。 阻塞呼叫是因无线资源缺乏而没被满足的试呼。 129 蜂窝通信话务量 p通信阻塞概率的原因 当一用户付费使用网络的时候，期望总是有可用 的服务，运营商必须安装足够的设备，保证达到 低的呼叫阻塞概率。若阻塞率较高的话，投资费 用就少，但服务质量也就下降。 阻塞率参数一般选择在能满足忙时最高用户数的 水平上。如果在忙时呼叫都没有一点被阻塞的话 ，那么在其它时间，就会有大量的可用资源浪费 ，这就是为什么允许有呼叫阻塞概率的理由。 130 蜂窝通信话务量 q爱尔兰B公式（呼损公式） 爱尔兰B公式提供了由于拥塞或“所有中继忙”引起的呼叫阻塞的 概率（或称为呼损率） A 是信道的流入话务量（强度）， nc 是服务信道数，i 是呼叫数。 爱尔兰B公式假设条件 没有排队 用户数比可用话务信道数多得多 没有专用（保留）话务信道 泊松分布（随机）话务量 被阻塞的呼叫立即放弃呼叫尝试 131 蜂窝通信话务量 q爱尔兰B表 爱尔兰呼损公式决定了呼叫阻塞的概率，在交换工程中已得到广泛应 用。 为了工程计算方便，爱尔兰呼损公式的计算值列成表，即爱尔兰 B 表 。 爱尔兰 B 表说明了话务信道数、GoS和所提供的话务量之间的关系。 q爱尔兰B表确定话务量 假设一个小区有两个载频，那么典型地话务信道为28-2 =14个； 假设可接受的 GoS 为 2%，则查爱尔兰B表可知，被提供的话务量是 A = 8.2003 E 。 132 蜂窝通信话务量 p小区可支持的用户数 研究表明在忙时每用户平均话务量典型地是15-30 mE（这可以相当于例如一个呼叫每小时持续54- 72秒）； 把一个小区可以提供的话务量Acell = 8.20 E 除以 每用户话务量Asub ，此处Asub = 0.025 E，得到 一个小区可支持的用户数为8.20/0.025=328用户。 133 信道利用率 q概念 假设某小区所服务用户的话务量估计为33E。忙时的GoS不超过 2%。考虑上面要求，查爱尔兰B表，找出该小区需要43个信道； 假设现在用5个小区来覆盖同样的区域，处理同样数量的话务量 即33E，可接受的GoS仍然是2%。总的话务量在这5个小区中分配 ； n .007.008.009.01.02.03.05.1.2.4 43 30.73431.06931.37431.65633.75835.25337.56542.01149.85169.342 小 区话务量(%)话务量(E)信道数信道利用率(%) A4013.202162 B258.251554 C154.951049 D103.30840 E103.30840 10033.0062 134 信道利用率 q信道集中效应 上例可见，话务量分布在几个小区上将比所有话务量集中在一个小区上 需要更多信道（62/43）。 信道集中表明在同样的话务量和GoS条件下，采用一个较大小区使用较 多信道比在几个较小的小区中各使用较少信道的效率高。 信道利用率定义： -每个信道在单位时间间隔内被占用的时间，也就是每个信道完成的 话务量，即 =（1-GoS）A / n q容量与信道利用率的折衷 对于43个信道（如在先前单个小区例子中），信道利用率为： (1- 0.02)33.758/43 = 33.083/43 = 77%，表明每信道近似77%的时间被使用； 通过把小区分裂成更小的小区，可提供更多的话务信道，但信道利用率 降低。 容量和干扰问题总是将阻止我们采用信道利用率最高的方案，在实际网 络中的解决方法必须在效率（也就是费用）和质量之间进行折衷。 135 蜂窝组网理论与无线区群 X = (u2-u1)cos30Y = (v2-v1) + (u2-u1)sin30 136 六边形蜂窝小区的几何特性 D = (u2-u1)2(cos30)2 + (v2-v1) + (u2-u1)sin30 21/2 =(u2-u1)2(cos30)2+(v2-v1)2+2(v2-v1)(u2-u1)sin30 +(u2-u1)2(sin30)21/2 = (u2-u1)2 + (v2-v1) 2 + (v2-v1) (u2-u1) 1/2 假设(u1，v1) = (0，0)，或坐标系统的原点位于六边形小 区的中心，(u2，v2) 限于整数值 (i，j)，则上式可表示为： D = i2 + j2 + ij 1/2 137 相邻小区间距离 138 无线区群的组成 由若干个正六边形组成的区域图 样称为区群或簇(Cluster)。 构成单元无线区群的基本条件： 1.这一基本图样应能彼此邻接且无 空隙地覆盖整个面积； 2. 相邻单元中，同频道的小区间距 离相等，且为最大 满足上述条件的簇的形状和簇 内小区数N是有限的,并且N应 该满足下式： N =（i2 + j2 + ij） 139 无线区群的结构图形 140 N=7和N=3的小区配置示例 141 蜂窝结构 142 蜂窝结构 q外层蜂窝面积与外层蜂窝半径成正比 S大 = KD2 = K 3R2（i2 + j2 + ij） S小 = KR2 S大 / S小 = 3 （i2 + j2 + ij） ）= D2/R2 q蜂窝面积与蜂窝区域内包含的蜂窝小区数成正比 S大 = k(3N)，大六边形包含的总小区数等于N + 6（1/3N） =3N； S小 = k S大 / S小 = 3N q无线区群内的小区数及其与同频复用比的关系 3N = 3（i2 + j2 + ij） D2/R2 = 3N （同频道复用比） 143 同频道复用比q对蜂窝的影响 p系统的可承载业务容量 减小q值，就减小了每族的小区数； RF频道总数不变，则可增加每小区的频道 数，从而也增加了系统业务容量。 p系统可承受的同频干扰 减小q值会增加同频干扰；增加q值，则反之 。 q值增加减小了同频干扰，也减小了蜂窝系 统的业务容量。 144 同频复用比与频率复用模式 145 蜂窝体系组成的基本规则 p低功率发射机和小覆盖区域或蜂窝 p频率复用 p通过蜂窝分裂以提高容量 p切换和中央控制 146 n小区形状 规则六边形蜂窝 小区 所需小区 、基站数少。 布局所需 投资花费少。 实际覆盖形状 覆盖区边 缘不规则 小区结构 n分层小区结构 蜂窝网分为两层以上小 区 顶层小区：覆盖 面积最大 底层小区：覆盖 面积最小 频率规划 各层的频率规划 独立 上下各层使用不 同的频率 切换要求 层间电平或载干 比切换 快速移动的切换 147 蜂窝小区的激励方式 148 7小区中心激励与21小区顶点激励 149 三叶草形21个无线小区模型 150 小区分裂 小区的不均匀覆盖 151 小区分裂 原基站上分裂（阶段 0 ） 考虑到覆盖，利用最大可能的小区尺寸。 152 小区分裂 原基站上分裂（阶段 1 ） p每个站引入3个小区，利用原始站站址，从 原始站上给 3个新小区馈电。这代表小区 1 3 的分裂。现在站址数仍然不变，但是小 区数是阶段 0 的三倍。在分裂以后，每单 位面积容量大 3 倍，小区面积小 3 倍。 153 分裂后全向天线改为定向天线。 小区分裂 154 小区分裂 p原基站上分裂（阶段 2 ） p在阶段1的基础上，小区又进行 1 4 的分裂。分 裂以后，每单位面积容量又大4倍，小区面积小4 倍。在1 4小区分裂中不需要改变天线方向。 155 采用1：4的小区分裂方案，基站间距离减为原来的一半, 基站覆盖面积变为原来的四分之一，各新小区之间的频 率复用关系和原区之间的关系是相同的，即每个原区与 每个新区均可使用相同的频道，结果在原区范围内可使 用的频道数便增为原来的4倍。倘若在此基础上分裂n次, 那末原区中可容纳的业务量为： Tn = 4n T0 基站发送功率将减小为: Pr = P0 -12n (dBW) 小区分裂 156 蜂窝系统的同频干扰 全向基站的同频干扰 157 蜂窝系统的同频干扰 小区1相邻的6个同频干扰小区 158 如果同信道小区第一层的k个小区与服务小区同时工作，则服务小区既 收到本区移动台发射的有用信号，又收到同信道小区移动台的干扰信号。 假设同信道小区第二层带来的干扰可以忽略，且所有小区都采用全向天线 。 受干扰移动台接收机接收的载波干扰比（CIR）可表示如下： 式中： S m 是小区移动台接收的有用信号功率， I k 是第k小区产生的同 信道干扰功率。 在小区制系统中，主要是干扰起主要作用，可以忽略热噪声的影 响。在六边形蜂窝系统中，第一层有6个同频干扰小区，即NI = 6。同频干 扰绝大多数来自第一层。第二层及更高层的干扰仅占总干扰的百分之一， 因而可不予考虑。上式 可表示为 蜂窝系统的同频干扰 159 在实际移动环境条件下，移动台接收中心服务区的信号Sm与服务 区电波传播途径距离R成比例，即： 式中，2 5 为传播损耗斜率， 与地形环境相关。 同样，移动台接收同信道干扰区的干扰信号Ik与干扰电波传播途径 距离Dk成比例，可表示为： 因此有： 设所有小区的大小大致相同，各个同信道小区的移动台到中心服务小区 的距离基本相等D = D k，且各小区发射的功率相同，则移动台收到的总 干扰为： 蜂窝系统的同频干扰 160 假设系统要求的载干比要求为18 dB（63.1），对于采用 FM的模拟蜂窝系统，根据主观测试，通常要求S/I比等于或大 于18dB。18dB的C/I比是模拟蜂窝移动接收机满足语音质量所 需的公认值，取 = 4： 由于 因此： 说明C/I比为18 dB时要求采用7小区再用模式。根据 q = D/R，选择了小区半径后可确定D值。 蜂窝系统的同频干扰 161 例子：有一蜂窝系统，总共分配了395个话音信道频率。若话务分布均匀 ，平均呼叫占用时长为120秒，系统忙时呼叫阻塞率为2%，试计算：（1）每 小时每站的呼叫次数；（2）频率再用系数等于4，7和12时的平均C/I比。 假设系统采用全向小区，第一层有6个干扰源并且路径损耗斜率为每 10倍40 dB（ = 4）。 解：再用系数N = 4，每基站的话音信道数 = 395/4 = 99，。99个信道 ，2%的阻塞率，查爱尔兰B表，可得话务负荷为87爱尔兰。提供的话务量负 荷为（1-0.02） 87 = 85.26 爱尔兰。 可计算得到平均C/I比为： 蜂窝系统的同频干扰 162 小区再用系数与平均C/I比和呼叫容量关系： 蜂窝系统的同频干扰 N q 每小区 话音信道 每小区每小时 呼叫次数 平均C/I dB 43.599255814.0 74.656137618.7 126.03373923.3 由表中结果明显可见，再用系数从N = 4 增加到N = 12， 平均C/I比则从14 dB增加到23.3 dB（即66.4%的改善）。但小 区的呼叫容量从每小时的2558次降至739次（即减少了72%） 。 163 最坏情况下的全向蜂窝系统设计 已证明对采用7小区再用模式的干扰 情况取q = 4.6足以满足话音质量要求。现 在我们重新审视7小区再用模式，考虑最坏 情况，即MS位于小区边缘，接收本小区的 信号达到最弱，受第一层所有干扰小区的 干扰影响最严重。6个干扰小区的干扰距离 如图所示。 取 = 4和D/R = q， 164 最坏情况下的全向蜂窝系统设计 若按保守估计，可以用最短距离（D-R）作为最坏情况，则上式代 替为： 在现实情况中，由于基站位置设置的不理想以及起伏不定的地形结构， C/I比常常要小于17.3 dB。它可能为14 dB或者更低。这样一种条件在高话 务量地区就会出现。所以蜂窝系统应围绕最坏情况下的C/I行设计。此时 q=4.6的同信道干扰缩小因子是不够的。 考察7小区再用模式时的最恶劣情形，我们可得出这样的结论，即在全向 小区系统，已不能采用q = 4.6的同频干扰减小系数。此时，N = 9或N = 12 的小区再用模式为最佳选择。 165 使用定向天线减小同频道干扰 在话务量增大时，应有效地使用频谱。我们应当避免增加频率再用模式中 的小区数N。随着N的增加，分配给一个小区的频道数就会变得更少，因而 也减小了频率再用模式的效率。 我们换之以在一组小区内增加N值，使用定向天线方式减小同频干扰。这种 方式是将每个小区分成3个或6个扇区，同时在BS设置3根或6根定向天线。每 个扇区分配一组频道。我们立即可看到同频道干扰下降。 166 N=7小区模式的定向天线减小同频道干扰 3扇区情况 考察移动台位于图中M点最坏情况时 。该位置移动台受下面阴影扇区的干扰 大于上面阴影扇区的干扰。这是因为该 移动接收机此时接收本小区的信号最弱 ，而受干扰小区1、2的干扰非常严重。 对于3扇区情况，由于在移动无线电环 境中小区定向天线的主后瓣比至少为10 dB或更高，干扰只在一个方向有效。可 以计算产生干扰的定向天线扇区中最坏 情况下的同信道干扰。 167 N=7小区模式的定向天线减小同频道干扰 3扇区情况 由于采用了定向天线，干扰小区数从6个减为2个。当MS在位置M时，C/I 出现最坏情况。此时MS与两个干扰小区的天线分别相距D和（D + 0.7R）。 最坏情况下的C/I比可精确计算如下（q = 4.6） ： 可见采用120天线的基站扇区在最为恶劣的情况下为MS服务的C/I值超 过了18 dB。因此使用定向天线有助于减小同频道干扰。实用中，在高话务量 情况下，由于不规则地形结构和基站位置设置不理想，实际的C/I值可能降低 6 dB。导致的18.5 dB仍足以满足要求。 168 N=7小区模式的定向天线减小同频道干扰 6扇区情况 6扇区就是利用6根60波束宽度的定向 天线将小区分成6个扇区，此时只出现一 个干扰源。最恶劣情况下的S/I比（如图 ）为： 取q = 4.6，可得C/I = 789（29 dB） ，进一步降低了同频道干扰。考虑实际 使用，减去6 dB，余下的23 dB仍足于满 足系统的质量要求。在高话务量情况下 ，60扇区结构可用来减小同频道干扰。 然而，采用6扇区结构会降低频道集中效 率。 169 N=4小区模式的定向天线减小同频道干扰 N= 4小区再用模式的3扇区情况如图 所示。干扰也减少到两个。对于N=4， 。因此最坏情况下 的C/I计算如下： q 120扇区站（N=4）的最坏情况 考虑实际因素减去6dB，还剩下14dB ，可满足GSM要求，但不能满足模拟 系统18dB的要求。 170 蜂窝设计示例 q 例1：图示为位于繁忙都市地区7小区蜂窝系统承受的爱尔兰话务量。 假设系统系统总共有395个可用频道。每个用户生成的话务量为 0.03爱尔兰，平均呼叫占用时长为120秒，系统覆盖面积1200平方公里 ，小区设计的业务质量等级GOS为2%，试计算： （1） 每小区所需的频道数； （2） 系统服务的用户数； （3） 每信道平均用户数； （4） 系统支持的呼叫次数； （5） 每平方公里的用户密度； （6） 每平方公里的呼叫密度； （7） 小区半径（公里）； （8） 频道再用系数。 171 蜂窝设计示例 q解： 小区号 话务 量（爱尔兰） 每小区用户数 每小区呼叫次数 所需频道数 130.81026.792440 266.72223.3200178 348.61620.0145859 433.21106.799643 538.21273.3114648 637.81260.0113448 732.61086.797842 总计287.99597.08637358 172 蜂窝设计示例 q 每信道的平均用户数 = 9597 / 358 =26.8 q 每平方公里的爱尔兰话务量 = 287.9 / 1200 = 0.24 q 用户密度 = 9597 / 1200 = 8.0个用户 / 公里2 q 呼叫密度 = 8637 / 1200 = 7.2次呼叫 / 公里2 q 每小区的面积 = 1200 / 7 =171.4 公里2 q 六角形小区面积Ahex = 2.6R2 = 171.4 公里2 q 小区半径，R = 8.12 公里2 由于总共有395个话音频道，频道再用系数为 358 / 395 = 0.906 173 降低同频干扰的措施 p定向天线覆盖 p同频复用距离和频率分配方案的最佳化 p天线高度和功率控制在一些特定环境 的调整 p天线俯仰角的调整 p调整天线方位角 174 蜂窝网频率分配方法 p频率分配的基本含义 频道分组：根据移动网的需要将全部频道分成若干组 ； 频道指配：以固定或动态的分配方法指配给蜂窝网的用户 。 p频道分组的原则 根据国家规定选择双工方式、载频中心频率值、频道间隔 、收发间隔等协调频率计划； 确定无互调干扰或尽量减小互调干扰的分组方法； 考虑有效利用频率、减小基站天线高度和发射功率,在满足 业务质量的射频防卫度的前提条件下，尽量减小同频复用 距离，从而确定频道分组组数。 175 p频道指配原则 在同一频道组中不能有相邻序号的频道，避免多频道 系统的邻频道干扰； 相邻序号的频道不能指配于相邻小区或相邻扇区； 应根据移动通信设备抗邻道干扰能力来设定相邻频道 的最小频率和空间间隔； 由规定的射频防护度建立频率复用的频道指配图案； 频率计划、远期规划、新归网和重叠网频率指配的协 调一致。 蜂窝网频率分配方法 176 固定频道分配 q固定频道分配问题 频道组数 ； 每组的频道数 ； 频道的频率指配 。 q固定频道分配方法有两种 分区分组分配法 采用无三阶互调干扰频道组，频道资源不能完全被被实际应用 ； 等频距分配法 按频道之间的频距相等的原则进行频道分组 ； 大容量蜂窝网广泛使用的频率分配方法。 177 固定频道分配 p等频距分配法的特点 按频率间隔来分配频道，既可以100%地利用频率资源， 又能有效地避免频道组中的邻道干扰； 同频干扰的防护由蜂窝系统簇的构成和网络结构作为计 算依据和质量保证。 频道组中频道间隔足够大，接收机中频滤波器有较强的 带外抑制能力，可将互调干扰影响减小到很小的程度。 在相邻无线区不使用邻频道的频道组，有效降低邻频道 干扰。 178 固定频道分配 p等频距分配方法 频道分组应根据簇内小区数N和基站覆盖情况来决定 总的频道组数。 当N=4，基站120定向覆盖，一个正六边形基站覆盖区中的 频道组数Q=3，总的频道组数为NQ=12。NQ也就是频道组 中相邻频道序号的间隔。 必须考虑近端对远端比干扰的抑制，确定波道间隔。 179 CDMA无线个人通信 p个人通信概述 p无线多址接入技术 p无线传播与移动信道 p蜂窝通信原理 pCDMA通信原理及其性能分析 pCDMA无线个人通信关键技术 p第三代移动通信技术 180 qCDMA (码分多址) Code Division Multiple Access 利用不同的编码序列识别不同用户，即使用不 同的信号波形区分不同的用户 qCDMA的基础 扩频通信技术 多址技术 CDMA基本原理 181 q扩频通信技术 扩频通信的基本概念 扩频通信的理论基础 数字信号扩频原理 扩频的实现方法 CDMA基本原理 182 q扩频通信 SS: Spread Spectrum，指扩展频谱的通信 q扩频通信定义 扩频通信技术是一种信息传输方式； 发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所 传信息必须的带宽 收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢 复所传信息数据。 扩频通信的基本概念 183 q发送信息的频谱被展宽 发送的信息通过扩频，将信号能量扩展到很宽的频带上，使 扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达l001000， 属于宽带 通信； q扩频方法：扩频码序列调制 数字脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽。如果很窄的脉冲序 列被所传信息调制， 则可产生很宽频带的信号； 该窄脉冲序列称为扩频信号，即扩频码序列； q接收端相关解调解扩 接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信 号进行相关解扩，恢复所传信息。 扩频通信定义的三个概念 184 q问题的提出： 在传统的通信系统中， 我们总是想方设法使信号所 占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率 。那么为什么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢? 扩频通信理论基础 q问题的回答： 为了通信的安全可靠，提高抗干扰能力和系统容量。 扩频通信的理论基础为信息论和抗干扰理论； 利用扩频实现码分多址方式。在传统的TDMA和 FDMA之外又提供了一种新的多址方式。 185 q香农(Shanon)公式 扩频通信是以信息论香农公式的理论发展起来的一种 通信方式； 香农公式： C = Bw log2 (1+ S/N) = 1.44 Bw ln (1+ S/N) C为信道容量， 单位为b/s；Bw为传输的信号频带宽 度，单位为Hz；S为信号平均功率， N为噪声平均功率； 香农公式反映的重要结论： 频带B和信噪比可以互换； 增加信号的频带宽度， 可在较低的信噪比的条件下 以任意小的差错概率来传输信息； 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的 方法可以换取信噪比上的好处。 扩频通信理论基础 186 q信息传输差错概率的公式 Pe f（Eb / N0） Pe是信号能量E与噪声功率谱密度N0之比的函数 信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号 带宽与信息带宽之比二者乘积的函数 再次说明看出信噪比和带宽是可以互换的。 同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处。 扩频通信理论基础 187 q数字信号的波形与频谱 幅度为+1，持续时间为Tb的数字矩形脉冲R(t) 经 Fourier变换后的频谱为是sinx/x类型的函数 数字信号扩频原理 第1零点位于1/Tb，表示该信号的能量集中在第1零点内 。它所占的频带宽度与Tb的大小相关，当脉冲越宽，其频谱 带宽越窄。 188 幅度为+1和-1，持续时间为Tb的周期性脉冲R(t) ，其频谱包络的形状与单矩形脉冲完全一样; 第1零点处的频率正好为该周期性脉冲的传输速 率1/Tb 数字信号扩频原理 189 q 扩展周期性脉冲的频谱方法 将频谱的1/Tb第1零点向无限远推，即增大1/Tb的值 ； 减小数字脉冲的持续时间，缩小Tb的值。 减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1/Tb，扩 展了信号的频谱。 数字信号扩频原理 190 数字信号扩频过程 高速数字码序C（t）对用户低速信息数据调制 低速信息数据的脉冲持续时间为Tb，其时间长度 是TC的N倍。 Tb = N TC 高速码序C（t）乘上信息数据d（t），最后得到 的信号y（t）