第3章 小区基本概念和信道分配

第三章 蜂窝组网技术
主讲人：刘劲
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主要内容
3.1 信道再用和小区导论
3.2 信干比计算，一维情况
3.3 二维小区簇和信干比
3.4 小区的信道分配
3.5 过区切换 3.6 流量控制
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3.1 信道再用和小区导论
按无线通信网的服务区域覆盖方式分类 小容量的大区制 大容量的小区制（蜂窝系统）
3
一、大区制移动通信网
结论：通过减小区群尺寸增大了系统的容量。
3. 频率复用下的小区规划
（1）构成区群要满足的两个条件 区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个 区域； 同频小区之间的距离最大。
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3. 频率复用下的小区规划
（2）小区的规划
a) 确定区群的尺寸N：
N i ij j
2
2
式中i、j为非负整数，且不能同时为零； N =1，3，4，7，9，12，13，16…… b) 确定最近的同信道相邻小区的规则： 步骤1：自某一小区A出发，沿边的垂线方 向移动i个小区; 步骤2：逆时针旋转60度后，再移动j个小 区。 32
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
2. 基本概念
把整个服务区域划分为若干个无线小区(cell)， 每个小区分别设臵一个基站，负责本区移动通信 的联络和控制。同时，有可在移动业务交换中心 MSC的统一控制下， 实现小区之间移动 用户通信的转接。
MSC
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
3. 特点
•
• •
•
R
D
1
2
3
4
1
2
3
4
1
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3.2 信干比计算，一维情况
• 当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：
R n SIR ( D R) n ( D R) n • 在3小区再用中，D=6R；4小区再用中，D=8R。
再用因子 3小区 4小区
SIR(dB) n=3 n=4 19.6 27 23 32
采用正六边形作为小区的形状时，系统的整体 构架类似于蜂窝，故称为“蜂窝网”。
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一、小区的形状
注意：由于地形和用户密度的不同，实际的覆 盖区域事实上是不规则的，但采用不规则形状的 蜂窝结构效率低，因此，对蜂窝结构和性能的研 究都是基于规则拓扑的，即使它们仅具有概念上 的意义。而拓扑结构对构建实际的规划提供了很 有价值的信息和设计准则。
• 结论 (1) n
干扰 SIR (2) 再用因子 干扰 SIR
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3.2 信干比计算，一维情况
• 当仅仅考虑干扰的第1层时，P点的信干比为：
R n SIR ( D R) n ( D R) n • 考虑次邻近P点的两个干扰小区，则，信干比为：
SIR 1 D D 2D 2D n n n ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) n R R R R
•
基站：小功率发射机（5~20W） 小区半径：1~20km，甚至几百米 频率复用 系统容量可继续扩大 特点：系统复杂、容量大
MSC
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
4. 优点 • 提高了频率利用率； • 基站功率减小，从而使相互间的干扰减少； • 无线小区的大小可根据实际用户数的多少灵 活确定，具有组网的灵活性； • 解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛 盾。 ——最大的优点
例：一个蜂窝系统中有1001个用于处理通信业务的 可用信道，设小区的面积为6平方公里，整个系统的 面积为2100平方公里。 （a）如果区群尺寸为7，计算系统容量； （b）如果区群尺寸为4，要覆盖整个蜂窝区域，需 将该区域覆盖多少次？ （c）如果区群尺寸为4，计算系统容量。
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解：已知：可用信道总数K=1001 小区面积=6km2 总的覆盖面积=2100km2 （a）N=7 每小区的可用信道数J=K/N=1001/7=143信道/小区 一个区群覆盖的面积=7*6=42km2 区群需复制M=2100/42=50次， 故，C=MJN=50*143*7=50050个信道 （b）N=4 一个区群覆Biblioteka Baidu的面积=4*6=24km2 区群需复制M=2100/24=87.5=87 （c）N=4 每个小区的信道数目J=K/N=1001/4=250信道/小区 故，C=MJN=87*250*4=87000个信道
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4.六边形小区的几何结构
R：半径（中心到顶点的距离）
3 R ：中心到边的垂线 2
R
R
R
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4.六边形小区的几何结构
（1）区群中同频小区的距离
i 3r
j 3r 1 D 2 (i 3R) 2 ( j 3R) 2 2i 3R j 3R ( ) 2 ( 3R) 2 (i 2 ij j 2 )
1.基本概念
在一个服务区域（如一个城市）内只有一个 基站 (Base Station，BS)，并由它负责移动通信 的联络和控制。
R R
BS
R
R
4
一、大区制移动通信网
2. 特点
•
•
• •
基站：高架天线（数十米~数百米） 大功率发射机（几十~几百瓦，200W左右） 移动台：几十~几百部、 天线低、 R R 发射功率小 覆盖半径：几十公里 BS 问题：上行信号差
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三、频率复用与同频干扰
2. 一维小区
• 若分成3组，每组277个信道； • 此时，小区总数不变，仍为N，则总共有277N个信道可以 使用。
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三、频率复用与同频干扰
2. 一维小区 4小区复用——208N
3小区复用——277N 2小区复用——…
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三、频率复用与同频干扰
1. 小区制要解决的问题
•
•
•
小区的基本思想：在不同的小区重新使用频率 来增加系统的容量。 同样的频率不能在临近的小区分配，否则会造 成信道间的干扰。 使用相同频率的小区必须保持足够远，直至达 到系统能忍受的干扰水平。
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三、频率复用与同频干扰
2. 一维小区
• AMPS系统，832个信道被分成4组，每组208个信道； • 两个使用相同频率的小区之间隔着3个小区，称为4小区再 用； • 若给定小区数为N，则总共有208N个信道可以使用。
解：已知：总带宽=30MHz
信道带宽=25kHz*2=50kHz a. 总的可用信道=30MHz/50kHz=600个
b. 控制信道数=1000/50=20
c. 每个小区中的话音信道数=（600-20）/9=64 d. 由于最多只能有20个信道作为控制信道，9个小区， 可以给7个小区各分配2个控制信道和64个话音信道，给 另外2个小区各分配3个控制信道和66个话音信道。
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3
C.F. 如何取舍？
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2. 一维小区
• 抗干扰能力分析
AMPS系统：18dB D-AMPS系统：14dB GSM系统：7-12dB
信干比SIR or 载干比CIR
——在接收机端接收到的平均信号功率 与平均干扰功率之比。
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返回
- 相邻小区使用不同的频道，而相距一定距离的 小区可以使用相同的频道。
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
举例：30个双向信道
- 大区制时，只能有30个用户同时通信
- 小区制时，若分为30个小区，相邻3个小区采 用不同的频道，每个小区有10个双向频道，则服 务区可以同时为300个用户提供服务。若分为更 多的小区，则可获得更大的容量。
一个蜂窝电话系统，总带宽为30MHz，使用两个 25kHz作为双向信道，假定该系统采用9小区复用 方式，并将总带宽中的1MHz分配给控制信道。 a. 计算总的可用信道数； b. 确定控制信道数； c. 确定每个小区中的话音信道数； d. 确定各个小区中控制信道与话音信道的一种 合理分配方法。
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举例：蜂窝系统中的频道计算
不同尺寸区群的形状
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相邻同频小区位臵的确定
（i=2, j=1）
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相邻同频小区位臵的确定
2 3 1 2 2 1 2 3 1 2 1
3
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2
N=3，i=1, j=1
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相邻同频小区位臵的确定
3
1 3 1 2 3 4 4 2 1 3 2 4 3
1
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4
3
（N=4, i=2, j=0）
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举例：蜂窝系统中的频道计算
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2. 区群、频率复用与系统容量
系统的容量： C MkN MS
分析： 区群的尺寸N 同频小区间的距离 同频干扰
复制次数M
系统容量C
• N蜂窝系统的频率复用因子 • N的选择要考虑到这两方面的因素，选择一 个在可以承受的同频干扰下尽可能小的值。 END 28
2. 区群、频率复用与系统容量
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• 区群中同频小区的分布
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5. 频率复用比
频率复用比Q定义为：
D Q R
因为频率复用会导致同信道小区的出现，所以 Q也称为同信道复用比。 又： D 3N R
所以
Q 3N
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5. 频率复用比
D Q 3N R
返回
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3.3 二维小区簇和信干比 3
1 4 2 1 3
一、小区的形状
3 1 4
2 如果基站采用全向天线，其覆盖范围应该为一 2 3 1 4 个半径为 r的圆形区域 ； 3
无缝覆盖的三种内接可能：正三角形、正方形 、正六边形；
4
2
3
正六边形最接近圆形，对于同样大小的区域， 相邻小区的重叠区域最小，小区面积最大，因而 ，所需基站数最少、小区数最少。
R R
5
一、大区制移动通信网
3. 优点
•
系统简单、投资少、见效快，主要用于专网 或用于用户较少的地域。如在农村或城镇的 初期投资。 为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有 频道的频率都不能重复，因而，其频率利用 率和通信容量都受到了限制，满足不了用户 数量急剧增长的需要。
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4. 缺点
•
一、大区制移动通信网
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3.2 信干比计算，一维情况
• 信干比的计算主要由下式中的距离决定： PR 210 x /10 g (d ) PT GT GR • 忽略阴影衰落和多径衰落，假设 g(d)=kd – n； • 每个基站在小区的中央，发射同样的功率PT，则 –n,n为3或4； 距离基站d米远的平均接收功率为 P d T R n • P点的接收信干比为： SIR Pint
问题： 无线系统可容纳同时呼叫的数量始终都 要受制于分配多少频谱。 如何调整移动通信系统，使有限的无线 频率获得更大容量的通信，并覆盖大面 积的范围？
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
1. 改进的思想
将整个服务区划成许多个小的区域（小区cell）
- 每个小区设臵一个基站，每个基站的服务范围 仅限小区内；
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二、区群
1. 定义：
将小区进行空间上的划分，相邻的使用不同 频道的所有小区组合在一起就构成了区群，或称 之为簇(Cluster)，区群中包含了系统的全部频率资 源。
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区群举例
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二、区群
2. 区群、频率复用与系统容量
假设一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系 统，如果将S个信道均匀地分配给一个区群的N 个小区，每个小区都分配到k个信道（k<S）， 那么可用信道的总数可表示为S=kN。 如果区群在系统中复制了M次，则双向信道 的总数C可以作为容量的一个度量： C=M kN= MS 也就是说，系统的容量扩大了M倍。
R
D
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3.2 信干比计算，一维情况
R n • P点的接收信干比为： SIR Pint
包括所有干 扰的基站， Pint表示归一 化的干扰功 率。
• 当仅仅考虑干扰的第1层时(即最近的干扰，次近的 不考虑)，邻近P点有两个干扰基站，则相应的信 干比为： R n SIR ( D R) n ( D R) n
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二、小区制（蜂窝）移动通信网
5. 缺点
•
•
•
在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个 小区时，移动台需要经常地更换工作频道。 无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数 就越多，这样对控制交换功能的要求就越高。 基站数量增加，建网的成本相应提高。 应根据用户密度或业务量的大小确定无线小区 的半径。目前，宏小区半径一般为1~5km左右。
( 3R) 2 N
D 3N R
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4.六边形小区的几何结构
（2）同频小区的分布特点
每个小区都有6个最近的同信道小区；
同信道小区分层排列，候选小区被第k层的6k个 小区包围；
小区尺寸相同时，各层中的同信道小区都位于 由该层同信道小区连接而成的六边形边界上； 若两个最近的同信道小区之间的半径为D，则第 k层的同信道小区连接而成的六边形的半径为kD。