无线通信与网络10-蜂窝式无线网络

目录
• 10.1 蜂窝式网络的原理
– 10.1.1 蜂窝网 – 10.1.2 蜂窝系统的运行 – 10.1.3 移动无线电的传播效果 – 10.1.4 越区切换 – 10.1.5 功率控制 – 10.1.6 流量工程
10.1.5 功率控制
• 基站和手机功率，大/小更好? • 功率大：
– 保证接收信号质量。
• 功率小：
– 减少同频干扰
– 降低对身体辐射 – 节约电池能量
• 在电梯里功率级别？
• 功率控制的两种策略
• 开环功率控制(无反馈)
• 基站发送一个导频信号给接收机。
开环 基站发送 手机调节
• 接收机决策，根据导频信号强度，调节功率。 • 假定：正向和反向信道相关性强。
闭环 手机汇报 基站调节
• 优点：反应速度快，如当接收机从建筑物后面移出时，
– 用户挂机时，MTSO 释放两基站的信道。
• 掉话
– 由于干扰或存在信号弱点，基站无法维持通话 所需信号强度，通话关闭。
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• 10.1 蜂窝式网络的原理
– 10.1.1 蜂窝网 – 10.1.2 蜂窝系统的运行 – 10.1.3 移动无线电的传播效果 – 10.1.4 越区切换 – 10.1.5 功率控制 – 10.1.6 流量工程
• 大城市，校正因子：
A(hr ) 8.29[lg(1.54hr )]2 1.1(dB), 对于fc 300MHz A(hr ) 3.2[lg(11.75hr )]2 4.97(dB), 对于fc 300MHz
10.1.3 移动无线电的传播效果
LdB 69.55 26.16lg f c 13.82lg ht A(hr ) (44.9 6.55lg ht )lg d
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移动用户单元
10.1.2 蜂窝系统的运行
• 基站 (BS, Base station)
– 射频模块(RRU)。 – 基带单元(BBU) 。
华为DBS3900 分布式基站 2015.4，价格6000元 /Ni9j4
2013年，全球通信设备厂商排名
• 综合排名，评判维度
– LdB = 69.55 + 26.16*lg 900-13.82*lg 408.95+(44.9 - 6.55*lg 40)*lg 10=150.14(dB)如考给公式目录源自• 10.1 蜂窝式网络的原理
– 10.1.1 蜂窝网 – 10.1.2 蜂窝系统的运行 – 10.1.3 移动无线电的传播效果 – 10.1.4 越区切换 – 10.1.5 功率控制 – 10.1.6 流量工程
– 阈值是Th1 或Th2？
– L3点
– 阙值是Th3 ？
– L4点
• • • • •
**********华丽的分割线********** **********华丽的分割线********** **********华丽的分割线********** **********华丽的分割线********** **********华丽的分割线**********
• 爱立信40%
• 华为20% • 中兴12.6%（此处是2009年数据）
10.1.2 蜂窝式系统的运行
• 一次典型呼叫的六个步骤
– 1，信道设备初始化 – 2，移动设备发起呼叫 – 3，寻呼：MTSO寻找被叫 – 4，接收呼叫 – 5，保持呼叫 – 6，越区切换
10.1.2 蜂窝式系统的运行
• 1，移动设备初始化
• 降低发射功率和天线高度。
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增加容量
• 3、分割蜂窝区：扇区化
• 把一个全向360°的六边形小区分成 • 3个120°扇形 或 6个60 ° 扇形 – 每个扇区中的基站，使用定向天线发射。 – 实际扇区未必是标准的几何形状。
48X32=1536 1536/336=4.57倍
六边形面积 半径是a
10.1 蜂窝式网络的原理
• 10.1.1 蜂窝网
– 技术浪潮：计算机互联网移动互联网
– 近年来，通信方面的最为革命性的进步。
– 第一代(1G)：模拟移动电话——摩托罗拉；
– 第二代(2G) 、第三代(3G) ：数字，今天的主流； – 第四代(4G) ：最新的发展。 – 蜂窝技术是许多技术的基础 • 移动电话，无线Web ，地理位置服务，移动支付
– 不同环境下，路径损耗的经验公式。 – 经验公式：由大量实验得到，没有完整的理论推导。
• 城市环境，路径损耗为
LdB 69.55 26.16lg f c 13.82lg ht A(hr ) (44.9 6.55lg ht )lg d
– – – – – fc ：载波频率，单位为MHz，为150MHz-1500MHz。 ht：基站天线高度，单位为m，为30m-300m。 hr：移动设备天线高度，单位为m，为1m-10m。 d：天线间距离，单位为km，为l km～20km 。 A(hr)：移动天线高度的校正因子。
• 最终采用何种图形，要考虑以下几个因素：
相邻小区的中心间隔——大or小？ 单位小区的面积——大or小？ 圆形天线，覆盖的重叠区面积——大or小？
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蜂窝小区形状
在小区半径R 和发射功率相同的情况下，正六边形 具有以下优异特征：
覆盖同样面积，所需小区个数最少，即基站数量最少；
小区的中心间距最大，各基站间的干扰最小； 最接近于圆的辐射模式，各个基站重叠区面积最小。
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• 10.1 蜂窝式网络的原理
– 10.1.1 蜂窝网 – 10.1.2 蜂窝系统的运行 – 10.1.3 移动无线电的传播效果 – 10.1.4 越区切换 – 10.1.5 功率控制 – 10.1.6 流量工程
10.1.2 蜂窝式系统的运行
移动用户单元
• 移动电话交换局(MTSO)
– 为多个基站提供服务。 – 连到公共电话网。 – 分配信道，越区切换，计费。
• 6，越区切换
① 如果在连接过程中，移动 设备越出蜂窝区，进入另一个蜂窝区的范围， ② 新基站分配一条信道给移动设备。 ③ 系统自动完成更改，不需切断呼叫。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
蜂窝网的其他功能
• 呼叫阻塞
– 移动设备呼叫阶段，如果基站所有信道都忙，
反复尝试失败后，将忙音返回用户。
• 结束呼叫
• 4，接收呼叫(建立连接)
① 被叫设备向基站做出响应。 ② 基站将响应送往MTSO。 ③ MTSO在主叫和被叫基站间建立一条链路。 ④ 两个基站在蜂窝区分别选择一个可用信道。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
• 5，保持呼叫 (通话)
① 两个移动设备通过各自的 基站，同MTSO交换话音或数字信号。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
10.1.4 越区切换
• 越区切换：
– 当移动设备从一个蜂窝移到另一个时，从原基站 分配给另一个基站。
• 何时越区切换？决策的主要参数：
– 移动设备信号强度，一段时间的平均值/瞬时值？
• 越区切换策略
• 1，相对信号强度 • 当B的信号强度第一次 超过A时，切换。L1点 • 可能带来乒乓效应
• 2，带阈值的相对信号强度
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频率复用
D
10
频率复用
N=4
N=7
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频率复用
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增加容量
• 人口密集地区，频道不够用？
• 1、增加新信道：系统固定后，难以增加； • 2、频率借用：从邻近蜂窝区借用闲置频率； • 3、蜂窝区分割：
• 将繁忙的蜂窝，分割为更小区域。 • 原始蜂窝区约为6.5-13km。
• 分割的最小值是1.5km。
蜂窝为什么六边形？ 1943年，匈牙利数 学家陶斯证明，在 所有正多边形中， 达到同样面积，正 六边形周长最小。 最节省建筑材料。
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频率复用
• 蜂窝的频率复用
– 增加容量：电波传播损耗，产生自然隔离，频
率可以在相隔一定距离的另一小区重复使用。
– 如右图所示
• 相同颜色(数字)小区
什么 色
• 使用相同频率
– 无线网络产品、有线接入网设备、核心网设备与软件、 传输网（光链路、路由、运营级以太网、微波）设备、 安全设备与软件、来自通信运营商的服务外包。
数据来源Infonetics
华为
爱立信
思科
诺基亚西门子
阿朗
中兴
全球无线设备市场的份额
• 2015年4月15日，诺基亚以166亿美元收
购阿尔卡特-朗讯，合并后份额35%
可以迅速降低功率。
• 闭环功率控制(有反馈)
• 移动设备汇报信号质量，基站决策。 • 基站命令：移动设备和基站，调整发射功率。
• 切换条件：当前基站信号低于阈值，并且另 一个基站的信号是两者中较强的时。
• 阈值Th1：L1点，过高，与相对信号强度相同。 • 阈值Th2： L2点，恰当。 • 阙值Th3： L4点，过低，移动设备会移至更远，降低 了通信质量，并可能导致呼叫中断。
如果基站从B向A
移动时，阈值Th2
切换点在哪里？
10.1.1 蜂窝网
– 在蜂窝网之前
• 高功率无线电话，卫星电话——容量低。
– 蜂窝技术，增加容量
• 区域分成多个蜂窝。 • 每个蜂窝分配不同频段，以避免干扰或串音。 • 相互间距离足够远的蜂窝，可以使用相同频段。
• 缺点：需要基础设施——基站。
伪装的基站
蜂窝小区形状
• 小区的形状有3种选择
三角形， 正方形，正六角形。
① 移动设备开机。
② 扫描系统的控制信道。
③ 选择最强的信道，即”最近”的基站。
④ 移动设备通过基站和MTSO握手。
⑤ MTSO确认用户的位置(提供位置服务)。
⑥ 如果移动设备进入新蜂窝区，则连接新的基站。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
• 2，移动设备发起呼叫
① 通过正向信道(基站用户)的
校验信息，移动设备先确认数据信道是空闲的。
– 可以有多少颜色？
频率复用
• N种颜色（重用因子）
• 频率总数K，每个蜂窝区有K/N个频率
• N必须符合 N = i2 + ij +j2
• i 、j 为正整数，不能同时为零 N 3 i j 1 1 4 0 2 7 1 2 9 0 3 12 13 16 19 21 25 2 2 1 3 0 4 2 3 1 4 0 5
② 移动设备发起呼叫。
③ 在反向信道(用户基站)上发射信号。
④ 发送被叫设备的号码至基站。
⑤ 基站将请求送至MTSO。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
• 3，寻呼(广播找人)
① MTSO根据被叫设备号码， 将寻呼消息发送给某些基站。 ② 这些基站在它的信道上发射寻呼信号。 ③ 寻找被叫设备。
10.1.2 蜂窝式系统的运行
10.1.3 移动无线电的传播效果
• 影响通话质量的因素 • 信号强度
– 手机与基站间距离的函数。 – 必须够大，足以正确接收。 – 不能太大，产生同频干扰。 – 噪声：汽车点火、笔记本、各种电子设备。
• 衰退（5.4 节讨论）
10.1.3 移动无线电的传播效果
• 设定蜂窝区大小的准则——Hata模型
消除乒乓效应
• 3，带滞后的相对信号强度
– 切换条件：只有新基站B比当前基站A的信号强， – 且差值SB-SA>H时，即SB-H>SA ，才切换。 – 此时，切换发生在？ – L3点 – 也消除乒乓效应
• 4，带阈值加滞后的相对信号强度：
– 切换条件：
– (I)当前基站的信号低于阈值
– (2)目的基站比当前基站，信号强度差大于H
第10 章 蜂窝式无线网络
《无线通信与网络》(第2版) 作者 斯托林斯 何军等 译
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• 10.1 蜂窝式网络的原理
– 10.1.1 蜂窝网 – 10.1.2 蜂窝系统的运行 – 10.1.3 移动无线电的传播效果 – 10.1.4 越区切换 – 10.1.5 功率控制 – 10.1.6 流量工程
中小城市因子 A(hr ) (1.1lg f c 0.7)hr (1.56lg f c 0.8)(dB)
• 例10.2：根据下面条件，计算中等城市损耗
– 设fc=900MHz，ht=40 m, hr=5m，且d=l0 km。
– 答：中等城市路径损耗
– A(hr)= (1.1*lg900-0.7)*5-(1.56*lg900-0.8)=8.95dB
10.1.3 移动无线电的传播效果
• Hata模型：在不同类型城市
LdB 69.55 26.16lg f c 13.82lg ht A(hr ) (44.9 6.55lg ht )lg d
• 中小城市，校正因子：
A(hr ) (1.1lg f c 0.7)hr (1.56lg f c 0.8)(dB)