蜂窝系统工作原理讲解.ppt

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1、2.4 蜂窝系统工作原理,2.4.1 什么是蜂窝2.4.2 频率复用2.4.3 多址方式,学习目标,理解并掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、顶点激励、移动通信系统的组成、多址技术等概念。了解蜂窝系统的工作原理。了解各种多址技术的特征和优缺点。,2.4.1 什么是蜂窝,为了提高移动通信系统的容量，就要根据无线电波的时间、空间、频率的三维占用性，从这3个角度上想办法，常用的提高系统容量的方法包括多址技术、蜂窝技术、有效编码技术等。,什么是蜂窝呢？移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线覆盖服务的，基站的覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。,早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大

2、功率的发射机，采用高架线把信号发射到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。其缺点为：同时能提供给用户使用的信道数极为有限，满足不了移动通信业务迅速增长的需要。移动台与基站间的通信距离是有限的。基站功率与手机信号功率不匹配。,为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统的容量，可采用多个基站来覆盖给定的服务区，每个基站的覆盖区称为一个小区，这就是蜂窝制移动通信系统，也叫小区制移动通信通信系统。,其基本的实现原理是将需要服务的大服务区分成若干蜂窝状小区（基站区），在每个基站区中心，（或相互隔开的顶角）设一无线基站，基站区半径为1.515km。为了减小对频率资源的需求和提高频谱利用率，需将相同的频率在相隔一定距离

3、的小区中重复使用，只需使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小即可。,蜂窝制移动通信系统容量大并解决了大区制通信系统所固有的缺点，并大大提高率频率利用率，具有组网的灵活性等众多优势。蜂窝制通信系统中设备的增多也使系统的构成具有复杂性，如各小区的基站间要进行信息交换，需要有交换设备，且各基站至交换局都需要有一定的中继线，这将使建网成本和复杂性增加等。,根据服务区域类型的不同，可划分为带状服务区和面状服务区。1带状服务区 对于公路、铁路、海岸等的覆盖可采用带状服务区又称带状网，如图2-23所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，使每个小区是扁圆形。带状网进行频率复

4、用可采用双频制，也可用多频制。,图2-23 带状服务区的覆盖,若以不同频点的两个小区组成一个区群，不同区群可使用相同的频率，就是双频制；若以采用不同频点的3个小区组成一个区群，称为三频制。从造价和频率资源的利用率而言，当然双频制最好，但从抗同道干扰的角度而言，双频制最差，还应考虑多频制。,2面状服务区（1）小区的形状 可以实现一个平面的覆盖。按交叠区的中心线所围成的面积形状看，区域的形状可分为正三角形、正方形和正六角形三种，分别称它们为正三角形区域、正四边形区域和正六边形区域。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。,图2-24 小区的形状,由正三角形，正

5、四边形、正六边形覆盖一个平面时，各区域之同的中心距离、半个区域面积、交叠部分面积以及交叠区宽度如下表2-4所示。,表2-4 三种形状小区的比较,由表2-4可见，在服务区面积一定的情况下，正六边形相邻区域的中心间隔最大，且覆盖面积一定时，需要最少小区个数，也就是需要较少的发射站。因此，正六边形小区覆盖相对于四边形和三角形费用少。正六边形构成的网络形同蜂窝，所以把小区制移动通信网称为蜂窝网。,（2）区群的组成 单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：,（式2-43）,式中N为构成单位无线区

6、群的正六边形的数目，简称区群数。a和b不能同时为零。,按照以上条件，可确定N有如下数值，相应的区群形状如图2-33所示:,（3）中心激励和顶点激励 根据基站的位置不同，可有两种激励方式：如图2-26所示，一种是基站位于正六边形的中心，称为中心激励方式；另一种是基站位于每个正六边形的三个相隔的顶点上，称为“顶点激励”方式。,图2-26 两种激励方式示意图,对于前者，基站使用全向天线形成圆形覆盖区；对于后者，每个基站使用三个120扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖。从经济效益上看，前者投资较少，可是同信道重用比不能选得很小，否则同道干扰较多，但由于采用了定向天线，对位于天线主瓣之外的区域同道干扰很小，

7、接收时对主瓣之外的干扰衰耗很，即所接收的同频干扰功率下降，因此允许以较小的信道重用比工作。,（4）盲点与热点 在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微小区域“盲点”与“热点”。盲点：指由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低略；热点：指由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。对于以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等方法加以解决。,直放站（Repeater）的设置,直放站：也叫中继站，属于同频放大设备，它在无线电传输过程中起到信号增强的作用，如图2-27所示。,图2-27 直放站原理图

8、,直放站在下行链路中，由施主天线从宿主基站提取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波信号经功放放大以后，再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号以同样的工作方式由上行放大链处理后发射到相应基站，从而达到基站与移动台的信号传递。,分裂小区,事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。因此，在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如下图2-28所示。,图2-28 小区的分裂,另外，当一个特定小区的话务量增加时，小区可以被分裂为更小的小区，通过小区数的增加来增加

9、信道的再用数，从而增加用户容量。上述蜂窝状的小区制是目前大容量公共移动通信网的主要覆盖方式。从原理上讲，设置直放站与分裂小区这两种办法也不能无限制地使用，直放站实质是一个宽带放大器，设置不合理或设置得过多，都极易造成对周围信号的干扰；小区分裂实质就是使宏基站变密的方法来增加系统的容量，但当小区面积小到一定程度时，由于干扰和基站接入等问题，也使得这种办法难以再进行。,（5）蜂窝的种类,宏蜂窝小区传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每个小区的覆盖半径大多为125km。由于覆盖半径大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上，天线也做得很高。微蜂窝小区微蜂窝小区是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的，其覆盖

10、半径为30300m，发射功率小，一般在1W以下，基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方。,2.4.2 频率复用,1 什么是频率复用？蜂窝系统的基本出发点是频率复用，也称为频分复用（FDM），就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道）以进行信号的传输。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立保护隔离带。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作。,2 频率复用距离的计算 频率复用距离的计算取决于许多因素，如频率分组数、衰落和屏蔽对频率复用的影响、同道干扰的概率等等。（1）D与R的关系 使用同一组频率

11、的小区称为同频小区，它们之间产生的干扰叫同频干扰。一个区群中的小区数愈少，则相邻区群的地理位置愈靠近，同频干扰愈强。设两个地区彼此相距D时，不会产生明显的同道干扰，则称D称为复用空间保护距离。,设小区的半径为R，则称D/R为共道干扰抑制因子。根据蜂窝系统的几何关系，设区群数为k，则有：,（式2-44）,对于7/21复用方式（即7个基站，21个小区使用21组频率），则复用保护距离D为：,（式2-47）,同理，对4/12复用方式，D=6R；对3/9复用方式，D5.2R。,可见，区群内小区数k越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰性能就越好，但区群内小区数k也不是越大越好，k大了以后，反而每个小区

12、内分得的频点数少了，致使小区的容量下降。,（式2-44）,式中k是由(C/I)s所确定，可推出：,（式2-45）,所以,（式2-46）,（2）载波干扰比C/I 在上式2-44中谈到k是由（C/I）s所确定，而系统的载波干扰比C/I又是由系统所选用的调制方式和带宽来确定的。,例如，当蜂窝网络每个区群共有7个小区，基站收发信机采用全向天线，只考虑到第一频道组的共道小区的干扰，如图2-29所示：,图2-29 蜂窝网络共道小区分布,此时的载波干扰比C/I计算如下：,（式2-48）,式中，Ii为第i频道组的共道干扰电平，共有6个，n为环境躁声功率，可忽略。考虑到电波传播损耗为4次幂规律，则接收到的信号功

13、率和干扰功率分别为：,（式2-49）,（式2-50）,式中，A为常数。考虑到上述情况，而且Di都相同，则有：,（式2-51）,规定系统的载干比门限为(C/I)s，只要满足：,（式2-52）,就可以保证通信质量。,GSM系统中，对载干比的要求是：同频载干比：C/I9dB；工程中加3dB余量，即 C/I12dB邻频载干比：C/I9dB；工程中加3dB余量，即C/I6dB,（3）考虑衰落和屏蔽情况下的频率复用距离计算,衰落和屏蔽情况下的频率复用距离可分为三种情况加以考虑，一是只考虑衰落，二是只考虑屏蔽，三是同时考虑衰落和屏蔽。这时我们需要先考察同频干扰概率：,同频干扰保护比B 定义在接收机输出端有用

14、信号达到规定质量的情况下，在接收机输入端测得的有用射频信号和无用射频信号之比的最小值，通常用dB表示。,同频干扰概率 实际上，由于非理想的基站位置和地形的起伏特点，移动台在移动时，接收到的信号要受瑞利快衰落和高斯慢衰落的影响。不论是信号还是干扰，到达移动台时，其场强瞬时值和中值都是随机变量。即使移动台处于静止态，由于存在各种扰动，包括周围移动体的运动，其场强瞬时值和中值依然是随机变量。由此可见，接收机输入端 值不是静止的，而是一个随机变量。只有在时，才没有干扰产生。同频干扰是以一定的概率出现的。,根据CCIR740-2报告，1979年法国提出在多径衰落服从瑞利分布，阴影衰落服从高斯分布时，同频

15、干扰概率为：式中，为积分变量，为信号和干扰的标准偏差，。,图5-3 同频干扰概率,结论：在郊区和较低层建筑的市区，衰落相对于干扰概率影响很大，而在高建筑较多的城市，则主要由屏蔽引起的。,（4）考虑通信概率的频率复用距离计算,通信概率是指移动用户在给定服务区域进行成功通话（达到规定通话质量）的概率，它包括位置概率和时间概率。移动通信由于受地形的影响和无线信号传播裒落影响，不可能达到覆盖范围的100。我国公网规定：城市通信概率90%，农村通信概率50%,区域覆盖概率指在覆盖区域内，接收信号强度大于接收门限的位置占总区域面积的百分比。边远覆盖概率指在覆盖区边缘上，接收信号强度大于接收门限的时间百分比

16、。,假定90%的覆盖区有75%的边缘覆盖率，并假定载频信号和一个干扰信号都服从对数正态衰落，并且不相关。它们的标准偏差都为6dB，则合成偏差为，为了保证载干比大于18dB，且在边缘地区通信概率大于75%，相应的衰落储备应大于0.68.4dB=5dB。考虑到干扰源可能会多于一个，需在增加4dB的储备。在最坏的条件下，所需的在最坏的条件下，所需的DR比应能保证CI的比值大于18+5+4=27dB。,在进行链路预算时，需要根据阴影衰落标准差和边缘覆盖概率要求，计算所需的阴影衰落余量。通常假设阴影衰落服从零均值的正态分布，衰落大小由标准偏差 度量，则阴影衰落余量 的计算公式为：(dB)=NORMSIN

17、V(边缘覆盖概率)式中，NORMSINV（x）函数为标准正态分布累积函数的逆函数。80.68=5.4dB,在最坏的条件下，所需的DR比应能保证CI的比值大于27dB。由于传播特性与距离的4次方成正比，假定是光滑地球平面，则路径传播衰减为：,（式2-55）,（式2-56）,则,（式2-57）,由此可见满足同频干扰比27dB条件下，选N=12即可满足要求。实际工程中，同频复用距离的大小还取决于许多的因素，包括业务量、基站的位置、周围的电磁环境等等，CDMA系统中还要考虑软切换增益等等，它的大小需要进行综合性、系统性的计算。,2.4.3 多址方式,什么是多址接入技术？多址技术的基本原理与有线通心中的

18、信号复用技术相同，实质上都属于信号正交划分，与设计技术。不同点是信号复用技术目的在于区分多路，常在中频或基带中实现；而多址技术目的是区分多个动态地址，必须在射频段实现。,实现多址连接的理论基础是信号分割技术，在发送端通过恰当的信号设计使信号按某种相互正交或准正交，以实现各站信号的差异性，接收端有信号识别能力，能从混合信号中分离选择出相应的信号。,无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写为：,式中，c(t)是码型函数，s(f,t)为时间t和频率f的函数。按照这些参量的分割，即可以实现的多址连接有频分多址技术（FDMA）、时分多址技术（TDMA）、码分多址技术(CDMA)、空分多址(SD

19、MA)。,（1）频分多址技术（FDMA）,频分多址（FDMA）又称频分复用，是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带，即将载波带宽划分为多个不同频带的子信道，在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号，这样每个子信道可以单独并行地传送一路信号。,在单纯的系统中，通常采用的方式来实现双工通信，即接收频率和发送频率是不同的。所以，为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔必须大于一定的数值，因此在中，收发频段是分开的。另外，在移动通信系统中，移动台与移动台之间是不能直接通信的，而必须经过基站中转，如图所示。,图2-30 FDMA系统

20、的工作示意图,从图2-30中还可以看出，两个移动台间通信通过基站的中转，需占两个上行子频段和两个下行子频段，加上收发间的保护频带，因此FDMA系统的频率资源利用率低；FDMA的基站必须要设置N套调制解调器，设备比较复杂；FDMA信道大于通常需要的特定数字压缩信道，对于通信过程FDMA信道也是浪费的。,（2）时分多址技术（TDMA）,时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进 行正交分割，形成许多互不重叠的时隙，即在一个宽带的载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的）。每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，在每一帧内依次排列，互不干扰。在接收端再利用时间

21、的正交性，通过时间选择(选通门)从混合信号中选出相应的信号。,TDMA的基本工作原理如下：系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号；为了保证不同传播时延情况下，各移动台到达基站的信号不会重叠，通常在帧结构中有保护间隔比特，在此保护间隔内不传送信号；这样在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号（TDM信号）中把发给它的信号区分出来。,在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上，但在TDD方式中，上、下

22、行帧都在相同的频率下，如图2-31所示，在每一个子频带上又分为若干个子时隙，每个用户只占用子时隙进行通话。,图2-31 TDMA系统的工作示意图,在TDMA系统中，每帧中的时隙结构（或称为突发脉 冲）的设计通常要考虑3个主要的因素：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。解决以上3个问题的主要方法是：一在每个时隙中专门划出部分比特用于控制盒信令信息的传输；二是在时隙中插入自适应均衡器和训练序列，并在上行链路的每个时隙中留出一定的保护间隔；三是在时隙中有专门的同步序列。,采用TDMA带来的优点是抗干扰能力增强，频率利用率有所提高，系统容量增大，基站复杂性减小。TDMA用不同

23、的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。由于TDMA的诸多优点，所以在第二代移动通信系统（如）中广泛采用了TDMA技术。,（3）码分多址技术(CDMA),码分多址系统采用一组彼此正交(或准正交)的 伪随机噪声(PN)序列用作为扩频序列码对传输信 号进行扩频调制在接收端用相应的PN码通过相关处理解扩来实现多用户共享频率资源的功能。该技术将每一来话编码，并在接收端进行解码，使大量用户能够共享同一无线电频率。,码分多址(CDMA)有两种主要形式：直扩码分(DS-CDMA)与跳频码分（FH-CDMA），前者多用于民用，后者多用于军事。码分多址通信系统中各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间优势任意的

24、，所以各用户的发射信号在时间上、频率上都可能相互重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其匹配的接收机通过相关检测才可能接收。,图2-32是码分多址收发系统示意图，基本工作原理如下：在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉（称之为相关检测）。,图2-32 码分多址收发系统示意图,图2-32中，d1dN分别是N个用户的信息

25、数据，其对应的地址码分别为W1WN信息数据与各自对应的地址码相乘后的波形S1S4，在接收端，当系统处于同步状态和忽略噪声时，在接收机中解调输出R端的波形是S1S4的叠加，如果欲接收某用户的信息数据，本地产生的地址码应与该用户的地址码相同。并且用此地址码与解调输出R端的波形相乘，再送入积分电路，然后经过采样判决电路得到相应的信息数据。,图2-33码分多址原理波形示意图,码分多址移动通信要求：一是要有足够多的自相关性和互相关性良好的地址码，这是“码分”的基础；二是在码分多址通信系统中的各接收端，必须产生与发送端码型和相位均一致的地址码（简称本地码），这是“码分”最主要的环节；,三：是由于码分多址通

26、信系统的特点，即网内所有用户使用同一频率，各个用户可以同时发送或接收信号，这样在接收机的输入信号干扰将远小于1，这是传统的调制解调方式无能为力的。为了把各用户之间的相互干扰降到最低程度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，码分系统必须与扩展频谱技术相结合，使在信道传输的信号所占频带极大展宽，为接收端分离信号完成实质性的准备。,以上所述的三种多址方式比较：,图2-34 三种多址技术的对比,FDMA多址方式是一种基本的多址方式，它靠不同的子频带来区分用户，其技术成熟、应用广泛。但是，单纯的FDMA方式存在频率利用率低、基站收发信机数量大、互调干扰严重等问题。TDMA多址方式靠不同的子时隙来区分用户

27、，它将时间划分成周期性的帧，每一帧分成若干时隙，这样一个载频就含有多个信道，从而一个载频可供多个用户工作，基站的收发设备数量减少，其互调干扰也就大大减小。CDMA多址方式靠不同的正交码型来区分用户，它是在同频、同时条件下，各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。,因此，FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C/I)1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其他系统有非常重要的优势：系统容量大、系统容量配置灵活、通话质量好等。正是由于CDMA技术的多种优势，CDMA成了实现第三代移动通信的关键。,