北大无线通信课件：第二章 无线通信模型

2.1频率再使用

（FrequencyReuse）

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。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。FrequencyReuse原理相邻小区使用不同信道，从而防止相互干扰。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（FrequencyReuse）。

六边形设计

图2-1标出了一种小区为等边六边形FrequencyReuse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FrequencyReuse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。

图2-1.六边形小区示意图

中心激励与边缘激励（Center-ExcitedCell，Edge-ExcitedCell）

在六边形设计中，BS可以设计在六边形的中心（称为：Center-ExcitedCell）或设计在三线交点处（称为：Edge-ExcitedCell）。通常，在Center-Excitedcell中使用全向天线，而在Edge-excitedcell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。FrequencyReuse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)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：FrequencyReuse效率增加。定义FrequencyReuse因子为1/N。用下列公式可以在六边形小区Cluster中找到Co-channel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）。

图2-2同信道小区分布图

2.2信道设计策略(ChannelAssignmentStrategies)

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。

2．3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，MSC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。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。

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）。图2-3.切换门限设计图

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。

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。

2．4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adjacentchannel干扰。

2．4．1．Co-Channel干扰co-channel小区

由于Cellular系统中采用了Frequencyreuse技术，在一个给定的足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。

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FrequencyReuse比为： Q=D/R

(2-5)对六边形泻小区，R探定义为六稍边形的中悄心到小区泻最远的距妨离。于是默有Q=勇(2-6叠)式中Q值越小Co-c钩hann声el干扰越脑大，而畅此时小恶区系统稠容量越协大（因滨为clus垒ter尺度越小垫）。相反，大茂的Q值可以减欠小co-c伟hann雕el干扰但却箱而减小区烈系统容量牛。因此，辫不难看出职减小Co-小cha信nne槽l干扰是以枕减小容量轨为代价的歪。信号与装co-算cha察nne炊l干扰锐的强度包比值可林以这样丈计肃算。坚设：吃MS的绳接收信件号强度敌与co墨-ch蚂ann捕el干天扰强度支比为仙S/I逝,裹co-旱cha旁nne经l小区姓的个数顽为愈。虹于是就繁有S/I密=举(伴2-6)其中S摸为BS柔给用户的焰信号强度阿。应用信即号衰落通的公式（２-７奇）其中是距离华信号源蜡为疼点测扒量出的耽功率值狠，是距离信煎号源为d点的功惧率预测妻值。假定：所梦有路径的浩co-c蛮hann怜el的B除S发射功别率相同，且路径短损耗相帽同，则切（２-明６）式侵可写为到：在单层干用扰和所有肆co-c爹hann爬el小松区具有相乏同的距离蓄的条件下愿，信躁比乱可由cl薄uste茶r尺度汇表示：S/I谣=器（２侵-９）S/I计=上式表示跃了S/I闭与系统总徒容量的关调系。（２-８盛）2.4.辩2.相稻邻信道的叔干扰（葵Adja雀cent狠Cha功nnel绪Int离erfe震renc酷e）来自相邻休频率段上质的干扰叫城相邻信道劝干扰。这蜘种干扰是宵由于接收旅机滤波器距阻带泄露督造成的。当移动将通讯中常接收机拉远离BS而邻近一云个相邻信劲道的发射夜机时，相旦邻信道的裕干扰问题笑尤为严重日。减小相帝邻信道薄干扰的箱方法除鲁了应用蛾高质量逆滤波器耗外，精挥心设计尺小区的雄频率分惑配也是学解决问旬题的一选条途径肝。为此犬，在一扣个cl舰ust骂er中糟应选择台在同一魔小区内售使用的凑频率间配隔尽可狂能的大吸。另外，功伍率控制是晴降低干扰器的一个有冲效方法。缝使每个手叶机发射最静小的必要孕功率可以拔大大降低塌相邻信道戴干扰。在夺实际系统住中手机的横发射功率况是由BS新控制的。2.5偷系统的烫容量：臭中继和海服务质鼻量(旬Sys浸tem拨Ca沟pac饱ity价：Tr侧unk无ing击an维dG失rad辈eo压fS捷erv漏ice溉)对系统完容量的翼估计是诸建立在没中继理毛论（Trun霜king尼The侵ory）上的算。该理你论是由Erla孙ng在19世纪末糟建立的秃。Tru举nki疲ng概耕念的应适用使得摧较少信灯道可服各务于大妨量用户野的通信梦业务。焰Cel拢lul摊ar患系统是顿依赖它闯的Tr学unk浴ing奋系统提晌供给每验个用户笼通话服花务的。参在Tr趟unk漏ing垄系统遮，空闲歼信道被领放置在例闲置信推道组中肆。当用寒户呼叫毯时，系收统随机森地从闲向置信道泉组中分遇配出一档个信道树供用户赔使用。号而闲置现信道组璃中的信丹道数减尸少一个目。用户姨通话结妇束，信普道将被疯放回闲瓣置信道勿组。如导果用户毛呼叫时稠，闲置斯信道组培中无闲祸置信道芹，则呼图叫被拒呢绝。中继系异统根据乎用户呼才叫的统叮计特性显使系统慈容纳较宏多的用幅户，通予讯公司蚂也正是需应用中边继理论鹅来确定尖一个服杯务区内蓄应分配纪给多少鞋信道的猎。中继系统泥按照呼叫如处理方式挑分为两种掀：一种是有当呼叫被填拒后，这蛙次呼叫不愁被记忆，牵该用户的粪再喊叫视村为一个新病的喊叫。财这种系统妻称为：B系统。遣另一种腾系统称扩为C系统，泡它记忆钞用户的膀喊叫并唯利用排蛾队理论圆处理用芝户再呼逗叫。一般来右讲，设公计一个戏Tru祖nki俯ng系被统需要呢考虑很饮多因素奔，如：铲夜间用完户使用裂系统的雕概率小撞，而周撑五下午妄5点钟旷左右系剂统的使么用率极厘高等。染在并这里仅露介绍一储种简单墙的B系猎统模型半。对中继盯系统服多务的主身要指标愤是指在范一定服魔务等级缎下的系拦统容量库。其中尽：服务氧等级用撒呼损率暑描述，挡即：如肢果用户辫在100次呼叫筹中有两心次被拒沾绝，则置呼损率百为：2%。容量Erla唐ng则由信蜘道的负忧载密度放决定，突一个Erla英ng表示占荡满一个愤信道的载负载密应度：1小时/小时，或1分钟/一分钟葛。在Tru抱nkin宰g系统宁中，每周个用户对君信道的负况载密度贡食献定义为踢：呼叫含频度乘以界用户每次英通话的平聪均时间：（2-意10）式中：潜和H分别代表翻呼叫频度从和平均每覆次通话时谦间。如果津系统服务如区内有U茂个用户，萄则他们对谷信道总共顷的负载密奸度贡献为岛：A=U恋(2-齿11)若系统用有C个抢信道，疮则每崭个信道胞负载密病度为：(2-滴12)系统可巨承受的脊负载密证度叫做跟系统容疲量，它蠢是由系芹统处理阅呼叫方钟式和允吗许呼损震率决定照。由统罪计关系乘可以导滑出B芒系统中柱容量和挤呼损率扎的关系怠为：（2-哀12）式中：代表呼叫骑被拒绝的弯概率，A是（2-11）中定祥义的系投统容量田，C为中继信胞道数。表2-1该出了（2-1处2）的数值辈解。信道饥数量C容量呼损率＝0.0悼1＝0.0膜05＝0.00嚼2＝0.00鄙125410202440701000.1律530.86阿91.364.4铸612.谨015.329.网056.184.10.1疤050.7桑011.133.9611.稍114.227.353.扁780.90.06饶50.53丸50.90妖03.4310.诞113.025.751.柜077.登40.0炉460.43匙90.76峰23.09未09.4112.竹224.549.275.桨2B系统的Erla匙nge容量例题：设一个蜂贼窝系统属旨于B系统语，它由W据=9埋8个小区兔组成，每溜个小区有鞋40个信剃道。如果岂每个用户摇平均每小惊时用2次殃电话，每歉次3分钟雅，设定呼逐损率为0穷.2%，临则该系统不可以支持膜多少个用拾户。由如果呼损除率为0.涂1%,毒则可支持倘多少用户扮。解：马每个用庸户对负残载密度苹的贡献玩为：=（2锅