2014 移动通信_第五章 蜂窝组网技术

重叠区太大，越区干扰大
f1 A
a
f2 B

重叠区小，弱电场区可能多。
a
f1 A f2 B
簇（区群）：
共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区
群）
频率复用： 将可用频道分N组，区群内的每个小区使用不
同的频率组，而相邻区群重复使用相同的频率 组分配模式
同频小区： 同频小区: 使用同一组频率的小区 同频干扰：同频小区之间的信号干扰叫做同频
例：蜂窝小区N=7的模式，设n=4，问其载干比? 解
1 C/I 6

3N

4
73.5 18.7 dB
如果，N=4时，
C ( 3 N )4 24 13.8(dB ) I 6
一般模拟通信系统要求C/I>18dB 数字通信系统要求C/I在7~10dB
33
例,蜂窝移动通信系统，若使载干比C/I（假 设路径传输损耗因子n为4，并且只考虑第一 层同频干扰）大于13dB，请问区群大小N应 该为多少？ 13 C 解： 13dB 1010 19.95
i j
1 1
0 2 4
1 2 7
0 3
2 2
1 3
0 4
2 3
1 4
0 5
3 3
2 4
N 3
9 12 13 16 19 21 25 27 28
5.2 频率复用和蜂窝小区
簇间同频小区位置
的确定
沿着任意一条六 边形边的垂线方 向移动i个小区 ，并逆时针方向 旋转60°，再移 动j个小区。
A
A j D j i A A
BS
MS BS
MS
MS
BS
(a)
BS接收
(b)
MS接收
两种同频干扰的影响
1) 设所有BS发射功率相同，同频复用距离 为D，小区半径为R，干扰台离MS的距离 分别为Dk(k=1,2…m)
BS BS
D5 D4 D3
2) 有效信号：
BS
R C P T d0
m
n
Dk I P T 3)无效信号： d k 1 0
5.5 蜂窝移动通信系统的容量分析
5.6 CDMA系统中的功率控制
5.7 切换、位置更新
5.1移动通信网的基本概念
移动通信网络组成 空中网络
多址接入 频率复用和蜂窝小区 多信道共用
切换和位置更新
地面网络
各基站相互连接
基站与固定网络的连接
主要内容
5.1移动通信网的基本概念 5.2 频率复用和蜂窝小区 5.3 多址接入技术 5.4 码分多址关键技术
m
n
Q 1 / m
n
D D-R
BS
以此C/I值为依据
进行系统设计， 即使是在业务繁 忙时也能有好的 系统性能
BS
MS
BS
D
D-R
BS
BS
最坏情况下的同频干扰
某中心激励的蜂窝通信系统，假设各基站发 射功率相同，发射小区半径R = 1km，同时 受到相邻2个同频小区的干扰，其干扰距离 分别为D1 = 3km，D2 = 2km (路径损耗因子 为4)，试求其同频干扰比 ？
B A B D B D C D
N=4, i=0, j=2
3. 确定相邻区群的位置
5.2 频率复用和蜂窝小区
同频小区之间的距离D
H
H为小区中心到边的距离
R
H R cos(30 ) R 3 / 2
0
A
相邻j个小区的中心距离
J 2 jH
A
J
同频小区之间的距离D
I 2iH J 2 jH
解 决 上 行 信 号 问 题 的 办
法：
设置分集接收台
基站发射用全向天线，接收
用定向天线
Rd 大区制设置分集接收台示 意图
MS1 MS2
Rd Rd
BS
提高基站接收灵敏度
5.2 频率复用和蜂窝小区
2. 大容量小区制
将服务区划分成许多小面积覆盖区域，
用一个小功率的发射机来服务一个小面 积覆盖区。 基本小区有：（R：小区半径） 超小区：R ＞20km（农村） 宏小区：R ＝1～20km（人口稠密地区） 微小区：R ＝0.1～1km（城市繁华区） 微微小区：R ＜0.1km（办公室、家庭）
N越小，则意味着一个系统中可有更多的
区群，频谱利用率高，有更多的容量。
从提高频谱利用率的角度，在保持满意的
通信质量的前提下，N应取最小值为好。
5.2 频率复用和蜂窝小区
N, D, C/I及频谱利用率间关系图

频率利用率低 D↑ 2 0l
o
h t

N↑
同频干扰小
构成簇的基本条件：
基本图案（簇）能彼此邻接且无空隙
地覆盖整个面积。
相邻单元（簇）中，同频道的小区间
距离相等，且为最大。
区群的大小： N
满足上述两个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 i ij j
2
2
i 和j分别为相邻同频小区之间的二维距离（相邻 小区数），都为正整数，不能同时为零
C I

3N m

n
I
( 3 N )4 19.95 6
N 3.65
同时N应满足区群构成条件，即N可为4, 7, 9……，所以区群大小N至少为4时，才能满 足系统的载干比要求
设蜂窝移动系统共有S个不同的双向信道
其簇的大小为N 簇内每个小区分配有K个信道 小区间信道分配各不相同 C A 簇在系统中复制M次 B 则 可用无线信道的总数
N=4,i=0,j=2
N=7,i=1,j=2
常见正六边形区群的图案
5.2 频率复用和蜂窝小区
思考：画一个N = 4的蜂窝系统结构，要求至少包括 3个区群，将簇中小区所用频率组用A,B,C,D标识。 1. N=4对应的2维坐标： i=0, j=2 2. N=4的基本区群形状：
B A C D A C A C
3NR
2
D 3N R
5.2 频率复用和蜂窝小区

一定要用寻找相邻同频小区的方法确定相邻 区群的位置才能保证同频小区间距离最大：
D

3N R
以N=4, i=0, j=2为例，思考
B A C D B A C D
D 2 3 R 3.5 R
B
A D C D
B A C
D=3R
错误
正确
5.2 频率复用和蜂窝小区
若干扰基站与移动台的距离相等， D=Dk，则移动台的载干比可近似表示为
C I R n
D
k 1 k
m
n
R n mD n
则
C ( D / R) I m
n

3N m

n
, m典型为6
5.2 频率复用和蜂窝小区 C 3N 同频复用比 Q : , m典型为6 I m 与区群的大小有关

补充：系统频谱的分配(以FDD系统 为例)
上行链路工作频段
下行链路工作频段
fi
Baidu Nhomakorabeafp
fq
fj
频率
下行链路工作频段
按频道间隔进行信道划分 1 信道分组 1 4 频率组A N个频率组分给一个区 群，相邻区群重复使用 2 3 4
S
2 5
频率组B
3 7
频率组C
A B C B C A
N=3
5.2 频率复用和蜂窝小区
A
A
A
A
图 2.3 确定同频小区的方法
5.2 频率复用和蜂窝小区
利用寻找同频小区的方法确定簇 例如： N=3, i=1, j=1
C A
A
B
B
C A B A C
B C
A B C A
A
B
C A B C
5.2 频率复用和蜂窝小区
A
B A D C A C D E G F B
B
C
N=3,i=1,j=1
每个小区的可用信道数
K S / N 280 / 4 70
则总的可用信道数C MNK 7 4 70 28 70 1960
同频复用比 Q Q 3N 3.46
5.2 频率复用和蜂窝小区
结论： N越大，则意味着同频小区间距离越远，
同频干扰越小，容量越小。
BS
MS2
MS3 大区制移动通信网
小容量的大区制
提高覆盖半径是大区制需解决的问题 决定覆盖半径的因素：
地球的曲率限制了传输的极限范围 地形环境影响，信号传播可能产生盲区 多径反射限制了传输距离
移动台发射功率小，上行信号传输距离
有限（上下行传输增益差可达6～12dB）
小容量的大区制
n
BS
4)全向小区系统C/I ：
D2
MS
R
BS
D6
D
D1
BS
R C P T d I 0
n

k 1
m
Dk P T d 0
m
n
BS
R n
n D K k 1
m
DK 1 R k 1
n
5.2 频率复用和蜂窝小区
2 0l
o
h t


N↓
频率利用率高 D↓
2 0l
o
同频干扰大
2 0l
o
基站发射机位置
中心激励：
基站位于小区中心，有时
会有辐射阴影。
顶点激励：
在顶点上设置基站，并采
用三个互成120°的定向天 线，以避免辐射阴影
中心激励 顶点激励
蜂窝小区的系统容量及改善
系统容量主要受限于同频干扰
C / I Q D/ R N
提高系统容量的目的：
提高单位面积内可用的信道数。
5.5 蜂窝移动通信系统的容量分析
5.6 CDMA系统中的功率控制
5.7 切换、位置更新
5.2 频率复用和蜂窝小区
移动通信网的区域覆盖方式分为两类 1. 小容量的大区制 2. 大容量的小区制 MS
1
1. 小容量大区制 一个基站覆盖整个服务区 天线架设高 发射功率大 频谱效率低，小容量的通信网 控制方式简单、设备成本低
2 2 2
120
D I J 2IJ cos120
2
0
I IJ J
2
5.2 频率复用和蜂窝小区
由于R是小区的半径，有
I 3iR
带入有
2 2
J 3 jR
2
D ( 3iR) +( 3iR)( 3 jR) ( 3 jR) 3R (i ij j )
2 2 2
n
D 3N R Q 3N R R
N越小, N越大,
Q的值越小,C/I越小； Q的值越大, C/I越大
可以提高传播质量，因为同频干扰小
最坏情况下全向天线系统C/I的计算
• 将最短干扰距离 • D D R 带入计算：
K
BS BS
D+R R D+R
C 1 I
DK R k 1
干扰（也叫同道干扰）
采用六边形的原因
全向天线的覆盖区是圆形 一般来说，小区形状应该是规则结构：圆形（全 向天线），三角形，正方形，六边形 蜂窝的由来：对于同 样大小的服务区域，采 用正六边形构成小区所 需的小区数最少，无重 r 叠区，故所需的频率组 数也最少，最经济。仅 有理论分析和设计意义。 实际小区：不规则形
移动通信
第五章 蜂窝组网技术
杨 霖 通信抗干扰技术国家级重点实验室
主要内容
5.1移动通信网的基本概念 5.2 频率复用和蜂窝小区 5.3 多址接入技术 5.4 码分多址关键技术
5.5 蜂窝移动通信系统的容量分析
5.6 CDMA系统中的功率控制
5.7 切换、位置更新
主要内容
5.1移动通信网的基本概念 5.2 频率复用和蜂窝小区 5.3 多址接入技术 5.4 码分多址关键技术
全向小区系统C/I 的计算
如图，同频小区围
绕着某一小区可分 为多层。
1 1 1 1 第三层 1 1 1 1 1 1 1 1 第二层
1
来自第一层的同频
干扰最强。
分析时，可只考虑
第一层同频干扰。
第一层
同频小区分布
全向小区系统C/I的计算
MS BS
MS
MS MS
R D
BS
BS
BS MS BS

3N

4
18.7(dB)
每个小区的可用信道数
K S / N 280 / 7 40
则总的可用信道数
C MNK 4 7 40 28 40 1120
同频复用比 Q
Q 3N 4.58
N=4时

C ( 3 N )4 13.8(dB) I 6
大容量的小区制
优点：提高频率利用率，组网灵活 缺点：网络构成复杂
小区制移动通信系统分两种
带状服务覆盖区
面状服务覆盖区
带状服务覆盖区
可采用多个频率组复用
f1
A
•频率复用(区群) •同频小区
f2
B
f2
B
f1
A
f2
B
f1
A
双频组
f1
A
f2
B
f3
C
f1
A
f2
B
f3
C
三频组
大容量的小区制
组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比 重叠区
S=KN 信道的总数C(容量) C=MKN=MS
C A B C A B A C B
N=3, K=S/N
M=3, C=MS
例，系统总的可用信道数S=280，相同区域内，用N=7
的区群需要复制4次，而用N=4的区群需要复制7次，求
二者能提供的信道总数，C/I,Q分别是多少
N=7时

1 C/I 6