北大无线通信课件：第二章 无线通信模型

1、 2.1 频率再使用 （Frequency Reuse） 早期的移动通讯设计思想是用安装在高塔天线大功率发射的方法尽可能地覆盖大的通讯面积。这种方法确实可以实现大面积覆盖，但是它排除了频率再使用的可能性。例如：70年代Bell 在纽约的移动通信系统虽可覆盖上千平方英里的范围，但仅能提供12个通信业务信道。 频率再使用概念的引入使得解决上述问题有了突破性进展，由此诞生了一个利用有限频段覆盖无限大面积的通讯方案。1 小区 蜂窝系统是由很多基站组成的。系统分配给每个基站一定的频宽，或称之为一定的信道数。 该基站覆盖的区域称之为小区。 2 Frequency Reuse 原理 相邻小区使用不同信道，从

2、而防止相互干扰。通过限制小区的覆盖面积，使得同信道组可以在不同地方重复使用。 设计和分配蜂窝（Cellular）系统基站频率叫做频率再使用（Frequency Reuse）。 3 六边形设计 图2-1标出了一种小区为等边六边形Frequency Reuse 的设计方案。标有相同字母的小区使用相同的信道。原则上讲除六边形外， 矩形和等边三角形的小区方案也具有无限扩展性，因而可以采纳到Frequency Reuse 的设计方案中。但是，它们的覆盖效率都不如六边形高。 因此，到目前为止最适合的小区方案是六边形。 4 图2-1. 六边形小区示意图 5 中心激励与边缘激励（Center-Excited

3、Cell， Edge-Excited Cell） 在六边形设计中，BS可以设计在六边形的中心（称为：Center-Excited Cell）或设计在三线交点处（称为：Edge-Excited Cell）。通常，在Center-Excited cell中使用全向天线，而在Edge-excited cell中则使用扇形天线。在实际应用中， 由于环境的复杂性，小区的形状并非严格的六边形。因此，它的设计必须参考实际测量结果。 大多数小区允许其辐射半径的相对偏差为1/4。 6Frequency Reuse 设计 在Cellular系统中，每个小区有k个信道，由N个小区组成一个簇（Cluster）。在这个

4、cluster 中共有S个不同信道，即：S = kN (2-1) 如果这个Cluster 被重复使用了M 次，总共的信道个数为：C = MkN = MS (2-2) 7 从 (2-2) 中可以看出，整个系统容量正比于复用次数M。N表示Cluster大小，它的取值一般为：4，7 或 12。如果保持容量C不变，减小N 则须使M值增大。这种作法相当于在保持系统通信容量不变的前提下，减少使用不同信道的小区个数。因此，这些信道的重复用次数必须增加，即：Frequency Reuse 效率增加。定义Frequency Reuse 因子为 1/N。8 用下列公式可以在六边形小区Cluster中找到Co-ch

5、annel 小区：N = （2-3） 其中 i和 j 分别为沿小区的一个链路跨越 i 个小区, 再逆时针旋转跨越 j 个小区 （如图 2-2 所示）。 9 图2-2 同信道小区分布图 102.2信道设计策略 (Channel Assignment Strategies) 固定分配策略 每一小区事先分配了一定数量的信道。任何从呼叫到通讯建立都必须建立在本小区有空闲信道的基础之上。否则，呼叫将被拒绝。动态分配策略 在本小区无空闲信道的情况下，通过MSC到相邻近小区中借用一个信道使通讯得以建立。 缺点：这就增大了MSC的处理负担。 1123切换 当移动站在不中断通讯的情况下从一小区穿进另一小区时，M

6、SC自动地将这个通讯业务切换到第二小区的一个信道上的过程称之为切换。 这个过程不仅包括识别一个新的BS过程。而且还包括把语音信道和控制信令信道同时切换到另一个BS上的过程。12 为防止不必要的切换和切换掉机，切换信号门限是经过仔细策划而设置的。首先，切换必须在信号衰落到原BS可容忍的最小接收值 以前（通常为 -90dB -100dB）。设切换门限为 ，则 （2-4） 是设计切换门限的重要参量。 13 若 值太小，可能导致在切换过程尚未完成时的掉机。特别是对快速移动的用户这个问题尤为严重。若 值太大，系统可能进行不必要的切换。 图2-3示意了典型的切换过程。上面提到的功率值 和 应是在一段时间内

7、的平均值。因为，从用户到BS的信号由于电磁波的相干效应会经历瞬时的衰落（大约 20dB 30dB）。14 图2-3. 切换门限设计图 15 在第一代模拟Cellular 系统中，信号的强度是由BS检测并由MSC监视的。BS通过检测所有语音信道判断移动站相对自己的位置。此外，每一BS还有另一个接收机检测相邻BS中的移动站的信号。这个接收机称为定位器。定位器是由MSC控制监视那些可能需要切换的MS发出的信号。基于本BS语音信道和相邻BS定位器检测的结果，MSC决定是否需要切换。16 第二代数字TDMA通讯系统中，切换是以MS辅助决定的。每个MS检测周围BS发出的信号，并不断向本BS汇报。当它发现从

8、某个BS来的信号强度超出本BS信号一定量时，切换立即开始。这种切换方式的切换速度大大高于第一代通讯系统，而且MSC也可以从该项繁重的任务中解放出来。 应该指出, 不同系统在接受和处理切换的策略可能很不相同的。它们主要体现在切换优先权的设置上。 17 24 干扰 (Interference) （1）本小区其他用户， （2） 临近小区用户 （3）系统干扰 从本质上讲， 系统干扰可分为co- channel干扰和adjacent channel干扰。 18241 Co-Channel 干扰 co-channel 小区 由于Cellular系统中采用了Frequency reuse技术，在一个给定的足

9、够大的地区上并存着数个使用相同信道的小区。这些小区称之为 co-channel 小区。这些小区间的干扰称为 Co-channel 干扰。 19 一般地讲，co-channel 干扰强度是小区半径R和co-channel 小区间距D的函数。增加D/R值， 即增大co-channel小区的间距与小区覆盖半径的比值，它相当于增大co-channel小区的RF的隔离度。 定义Q为Frequency Reuse比为：Q = D/R(2-5)20 对六边形小区，R定义为六边形的中心到小区最远的距离。于是有 Q = (2-6) 式中Q值越小Co-channel 干扰越大，而此时小区系统容量越大（因为clus

10、ter 尺度越小）。 相反，大的Q值可以减小co-channel 干扰但却而减小区系统容量。因此，不难看出减小Co-channel 干扰是以减小容量为代价的。 21 信号与co-channel干扰的强度比值可以这样计 算。 设：MS的接收信号强度与co-channel干扰强度比为 S/I, co-channel小区的个数为 。于是就有 S/I = (2-6) 其中 S 为BS给用户的信号强度。 22 应用信号衰落的公式 （-） 其中 是距离信号源为 点测量出的功率值， 是距离信号源为d点的功率预测值。23假定：所有路径的co-channel的BS发射功率相同， 且路径损耗相同，则（-）式可写为

11、： 在单层干扰和所有co-channel 小区具有相同的距离的条件下，信躁比可由cluster 尺度表示： S/I = （-） S/I = 上式表示了S/I与系统总容量的关系。（-）242.4.2. 相邻信道的干扰 （Adjacent Channel Interference）来自相邻频率段上的干扰叫相邻信道干扰。这种干扰是由于接收机滤波器阻带泄露造成的。 当移动通讯中接收机远离BS而邻近一个相邻信道的发射机时，相邻信道的干扰问题尤为严重。 25 减小相邻信道干扰的方法除了应用高质量滤波器外，精心设计小区的频率分配也是解决问题的一条途径。为此，在一个cluster中应选择在同一小区内使用的频率

12、间隔尽可能的大。 另外，功率控制是降低干扰的一个有效方法。使每个手机发射最小的必要功率可以大大降低相邻信道干扰。在实际系统中手机的发射功率是由BS控制的。26 2.5系统的容量：中继和服务质量 (System Capacity：Trunking and Grade of Service) 对系统容量的估计是建立在中继理论（Trunking Theory）上的。该理论是由Erlang 在19世纪末建立的。 27 Trunking概念的应用使得较少信道可服务于大量用户的通信业务。Cellular 系统是依赖它的Trunking系统提供给每个用户通话服务的。在Trunking 系统，空闲信道被放置在

13、闲置信道组中。当用户呼叫时，系统随机地从闲置信道组中分配出一个信道供用户使用。而闲置信道组中的信道数减少一个。用户通话结束，信道将被放回闲置信道组。如果用户呼叫时，闲置信道组中无闲置信道，则呼叫被拒绝。28 中继系统根据用户呼叫的统计特性使系统容纳较多的用户，通讯公司也正是应用中继理论来确定一个服务区内应分配给多少信道的。 中继系统按照呼叫处理方式分为两种：一种是当呼叫被拒后，这次呼叫不被记忆，该用户的再喊叫视为一个新的喊叫。这种系统称为： B系统。另一种系统称为C系统，它记忆用户的喊叫并利用排队理论处理用户再呼叫。 29 一般来讲，设计一个Trunking系统需要考虑很多因素，如：夜间用户使

14、用系统的概率小，而周五下午5点钟左右系统的使用率极高等。 在这里仅介绍一种简单的B系统模型。 对中继系统服务的主要指标是指在一定服务等级下的系统容量。其中：服务等级用呼损率描述，即：如果用户在100次呼叫中有两次被拒绝，则呼损率为：2%。容量Erlang则由信道的负载密度决定，一个Erlang 表示占满一个信道的负载密度：1小时/小时，或 1分钟/一分钟。 30 在Trunking 系统中， 每个用户对信道的负载密度贡献定义为： 呼叫频度乘以用户每次通话的平均时间： （2-10） 式中： 和H分别代表呼叫频度和平均每次通话时间。如果系统服务区内有U个用户，则他们对信道总共的负载密度贡献为： A

15、=U(2-11) 若系统有C个信道， 则每个信道负载密度为： (2-12) 31 系统可承受的负载密度叫做系统容量，它是由系统处理呼叫方式和允许呼损率决定。由统计关系可以导出 B系统中容量和呼损率的关系为： （2-12） 式中： 代表呼叫被拒绝的概率，A是（2-11）中定义的系统容量，C为中继信道数。表2-1该出了（2-12）的数值解。 32信 道 数量 C 容量 呼损率0.01 0.005 0.002 0.001 2 54 10202440701000.153 0.869 1.36 4.46 12.0 15.3 29.0 56.1 84.1 0.105 0.701 1.13 3.96 11.

16、1 14.2 27.3 53.7 80.9 0.065 0.535 0.900 3.43 10.1 13.0 25.7 51.0 77.4 0.046 0.439 0.762 3.090 9.41 12.2 24.5 49.2 75.2 B系统的Erlange容量 33 例题：设一个蜂窝系统属于B系统，它由W = 98个小区组成，每个小区有40个信道。如果每个用户平均每小时用2次电话，每次3分钟，设定呼损率为0.2%，则该系统可以支持多少个用户。 如果呼损率为0.1%, 则可支持多少用户。34 解： 每个用户对负载密度的贡献为： = （2/60）3 = 0.1 Erlangs 若C=40和GOS=