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1、现代无线与移动通信系统第二章李少谦电子科技大学第二章移动通信组网与系统设计一、移动通信网性能指标 话音质量和信噪比要求n 话音传输质量以接收机输出端音频频带内的信噪比S/N或载噪比C/N来表示，业务种类不同，要求不同（公网高，专网低）。n 移动数据传输常用误码率，一般只有10-4左右，常用纠错等方法提高。n 误码率一般用Eb/No（归一化信噪比）作为常数来计算，Eb/No为折合到接收机输入端的比特能量Eb与噪声的单边功率谱密度No之比值。2012/4/54 话音质量和信噪比要求话音质量的评定往往采用主观评定的办法，CCITT将评分质量分为五级级别 评定类别人的印象标准5优几乎无噪声和失真，细节
2、清晰可辨4良有可感觉的轻微噪声和失真3中有令人烦恼的噪声和失真2差有令人非常烦恼的噪声和严重失真1劣语言几乎不可懂2012/4/55 话音质量和信噪比要求n 公网一般要求4级，专网3级n 对于不同的移动业务，各国对S/N或C/N的规定不一样。n 中国：模拟通信，移动用户与固定市话、长话用户通话时，要求S/N为大于29dB或C/N为17dB，相当于4级话音。n 美国AMPS网要求C/N大于18dB，日本要求20dB，2012/4/56 服务等级（GOS）n 服务等级用呼损率B表示n B：在一个正常运行的系统中，忙时呼叫被阻塞的概率，单位为Erlang。n 服务等级决定于系统中同时发出的呼叫数、总
3、话务量、信道数量、系统设计等n 呼损率包括无线信道呼损和中继电路呼损。n 我国规定：无线信道B0.05，在话务密度高的地区B0.02，中继电路B应更低。2012/4/57呼叫中断概率n 在一个小时内建立的Q次呼叫中，若N次丢失，则呼叫中断概率为N/Q，呼叫中断概率跟系统设计、严重干扰、越区切换等有关。2012/4/58 通信概率n 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。n 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。n 我国公网规定：城市通信概率90%，农村通信概率50%n 专网则要求较高，如铁路通信
4、要求通信概率(在3级话音质量下)95%，。 ，2012/4/59二、移动通信组网1、大区制移动通信网n 早期的移动通信网一般是大区制n 主要特点： 基站天线很高：几十米至几百米 基站发射功率大：50200W 覆盖半径：3050公里n 优点：网络结构简单、成本低n 缺点：容量小，一般用户几十至几百个，一般用于专网1、大区制移动通信网 （续）n 提高覆盖半径是大区制需解决的问题n 决定覆盖半径的因素为： 地球的曲率 地形影响 多径反射 移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下行差可达612dB） 1、大区制移动通信网 （续）n 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基站接
5、收用定向天线（可有810dB增益） 提高基站接收灵敏度 同频转发2、小区制网构成方式n 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 优点：提高频率利用率，组网灵活n 缺点：网络复杂小区制组网的核心问题n 频分多址小区制组网的核心问题是频率复用。n 码分多址小区制组网的核心问题是干扰抑制。（第四章） 同频干扰与同频复用比n 频率复用：小区内基站的工作频率，由于电波传播损耗产生的隔离度，可以在相隔一定距离后的另一小区重复使用。n 研究同频干扰和同频小
6、区间的距离是频率复用的依据。n 同频小区间的距离取决于能容的同频干扰。同频干扰又取决于话音质量要求的载噪比（C/N）或C/I。 同频干扰与同频复用比同频小区图示：DA MSBRn D：同频基站间的距离为同频复用距离n R：小区半径 同频干扰与同频复用比n 定义：Q=D/R为同频复用比n 同频复用比告诉我们： Q复用次数越多，系统容量越大； Q 复用次数越少，话音质量好，干扰小。n Q的选取主要考虑C/I比，C/I取决于同频干扰射频防卫度，射频防卫度是满足接收质量要求时的射频信号与干扰信号之比（射频防卫度，一般定为话音4级时为17dB、3级时为12dB）。 同频干扰与同频复用比D - R 在蜂房
7、系统中：C / I = 40lgR C / I = 40lg(Q -1) （dB）I：主要取决于同频干扰。 同频干扰与同频复用比n 推导：DSDID = DI + DS R = DS 同频干扰与同频复用比C = PT - LS （传输损耗）dBwI = PT - LIdBwC / I = LI - LS= 40 lg(DID - DS/ DS) = 40 lgDS= 40 lg(Q -1) 条状服务区n 可采用多个频率复用，二频复用，三频，四频n 复用时需确定重叠区：重叠区太大，越区干扰大，重叠区小，弱电场区可能多。 条状服务区双频复用时，C/I 为：4R - R - 2a 3R - 2a C
8、 / I = 40 lg= 40 lgdBRRn 频组复用时，C/I 为：C / I = 40 lg(2n -1)R - nadBR 面状服务区与蜂窝结构n 实际的面状小区的覆盖，基站天线全向辐射时为一个圆，实际为不规则，有重叠区。n 为了理论分析和设计方便，用全覆盖的形状代表，可用全六边形、四面形、三角形，面积最大、最直接的为六边形。 面状服务区与蜂窝结构n 一个蜂窝系统构成的基本条件： 基本图案能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。 相邻单元中，同频道的小区间距离相等，且为最大。 面状服务区与蜂窝结构n 簇：共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇，若系统中簇复制得越多，则系统容量越大，频率的利
9、用率越高。n 因数N叫做簇的大小，典型值3、4、7、9、 12 、 面状服务区与蜂窝结构n N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。n N越小，则意味着一个系统中可有更多的簇，频率利用率高，有更多的容量。n N的选取原则：从提高频率利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，N应取最小值最好。 面状服务区与蜂窝结构满足小区条件的簇的形状和 N 是有限的N = a 2 + ab + b2a、b 为簇之间的二维距离，a、b 为正整数，不能同时为零。N347912131619a10102102b12232343 面状服务区与蜂窝结构n 找某一小区的相距最近的同频相邻小区按下步进行：沿着任意
10、一条六边形链移动a个小区，并时钟旋转60再移动b个小区 面状服务区与蜂窝结构同频小区的距离为 D = 3N R，R 为小区辐射半径。同频复用比 Q = DR = 3N因此有相对应的关系N347912Q33.54.65.26.0D3R3.5R4.6R5.2R6R 蜂窝系统的同频干扰n 全向天线时的同频干扰 蜂窝系统的同频干扰C=CmII Kk =1m：干扰源的总数Ik ：相互独立的第 k 个干扰源对移动接收机的干扰功率 蜂窝系统的同频干扰可设各小区干扰功率一样：C=R -n=1Im-nmDK-nDKk =1k =1R 蜂窝系统的同频干扰简化：只考虑第一层的干扰，小区一样大，DK = DC1 D
11、n1n1n=Q=3NIm R mmn 一般取n=4（城市环境） 蜂窝系统的同频干扰例：N=7 的小区C / I = 16 (3N )4 = 73.5 = 18.7dB 17dB 蜂窝系统的同频干扰最坏结果计算：将最短干扰距离定为平均数DK = D - RCI = m1 (Q -1)n例：N=7C= 28 = 14.47dBI邻频干扰n 相邻频率的信号干扰产生的原因： 发射信号的杂散、谐波 接收机滤波问题 解决办法：采用信道分配不相邻的方法。3、提高系统容量的方法 小区分裂n 小区分裂是频率复用外，提高蜂窝网容量及频谱效率的又一重要概念n 小区分裂是解决网中用户的增加，解决网中用户密度的不同的有
12、效方法n 小区分裂为：在原小区的基础上增加新基站，如常用1：4方案，新小区半径是原小区的一半 划分扇区n 利用定向天线来改变同频干扰，从而可选较小簇，一般用120扇区三、移动通信信道设计1、系统信道分配策略(小区间信道分配)n 固定信道分配：每小区频率固定n 动态信道分配：按需分配n 固定与动态相结合：借用信道分配2、多信道共用技术与信道设计（1）小区内多信道共用的概念n 独立信道方式：用户在指定信道上工作，信道利用率不充分。n 多信道共用：任何一个小区内的移动用户可选取小区内空闲信道，所有信道对用户共用。n 多信道共用提高了小区内信道利用率。n（2）信道的自动选择方法n 多信道技术的主要问题
13、是怎样自动选择信道n 传统方法（人工选择老式电话机）n 自动选择方法：n 专用呼叫信道方式n 循环定位方式 专用呼叫信道方式n 在给定的多个共用信道中，选择一个信道专门作为呼叫信道，以完成建立通信联系的信道分配，而其余信道作为话务信道。n 适合：大系统、多信道、蜂窝移动通信系统采用此方式，一个小区内有几十个信道、一次呼叫在几百毫秒。 循环定位方式n 基站在空闲信道中可选择一个空闲信道，作为临时的呼叫信道，在此信道上基站发出呼叫信号在给定的多个共用信道中，没有专门指定的话务信道和呼叫信道，具体哪一个信道临时作为呼叫信道使用由基站控制，每个信道都有机会临时担当呼叫信道。n 优点：信道利用率高，全部
14、信道可通话，适用于中小容量的系统n 缺点：处理时间长，有呼叫冲突现象。 （3）系统信道数的设计n 在移动通信怎样设计信道的数量，满足通信的服务质量，满足用户的需求，是设计中的一个重要问题。n 服务等级GOS，用呼损率B表示。B = A - AA= l - l0ll ：单位时间内平均呼叫次数（一般 1 小时）H：每次通话平均占用信道时间l 0 ：单位时间内呼叫成功的次数A：流入话务量，表示话务量强度，话务占用的时间单位：Erlang（Evl）1Evl（1 个呼叫/小时，占用 1 小时）A = lHA ：完成话务量A =l0 HB = A - AA= l - l0l （3）系统信道数的设计n 用户
15、越满意，但B太小.如B=0，则需很多信道来满足B的要求，或意味着允许的用户数少，公网中一般取B=0.05n 在一个系统中，满足一定用户数U，选择合理的N个信道，达到B要求的服务质量是信道设计的要点。 （3）系统信道数的设计n 在多信道共用中，存在两种中继方式：n 不对呼叫请求进行排队阻塞呼叫清除，如果有空闲信道则立即进入，如果已没有空闲信道，则呼叫阻塞，拒绝进入。n 对呼叫请求进行排队n 根据排队论可得到在第一种中继方式下 服务等级B的公式为：A NB = Pr(阻塞) =N!NkAk =0 k!N：信道数，A提供的总话务量。根据上式可得到：B、A、N的三者关系。上式一般计算成表方便使用。同时
16、又根据用户数U、每用户的话务量，可得A与用户数的关系，一般在工程设计时，将每用户的话务量考虑为忙时话务量计算。每用户忙时话务量a = CTK 36001 = CkHC：用户每天平均呼叫的次数T：每次呼叫平均占用信道的时间（秒/次）K：集中系数，忙时话务量对全日（24小时）话务量的比，一般选10%15%例：C=3 次/天，T=120 秒/次，K=10%则 a=0.01Erl/用户（专网 a=0.06，中国 a 将大于 0.1）用 a 代替An则：U = aA ，总用户数m = U / N，每信道用户数例：B=0.05a=0.01若有 N=5U=？N=5查表 A=2.218U =2.218= 22
17、10.01若：U=700 个用户，N=？A=0.01700=7，查表计算为：N=11h = A = A(1 - B)信道利用率：NNn 信道利用率表示在单位时间内，信道占用的话务量时间之比(常用%表示) ，越大表示每信道越忙，空闲的时间越短，利用率越高。结论： 当 N 一定， B , A , h ,U ，信道利用率越高，但服务质量越低，一般公网与其它系统 B 选 5%20%，专网可 B选 2%。 采用信道共用技术，可提高信道利用率。 N , h ，但N30h提高的速度越来越少，如： ， 提高不明显，共用不宜太多。系统信信道数的设计总结：选定 B，正确选定 a，采用信信道共用，根据 B 和 a
18、确定U N四、移动通信越区切换越区切换（1） 什么叫越区切换n 越区切换：当前正在通信的移动台与基站之间的链路转移到另一个基站的过程。越区切换的种类n 越区切换从技术上可分硬切换和软切换： 硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接。例如GSM系统。 软切换：指既维持旧的连接，又同时建立新的连接。例如CDMA系统。越区切换的种类n 越区切换从小区的性质上可分： 同一交换中心基站之间的越区切换 同一BSC之间的切换 不同BSC之间的切换 不同交换中心之间基站的越区切换， 微小区与宏小区之间的切换 同基站内不同扇区的切换， 不同运营商之间的切换。切换的研究包括三个方面：n 1. 越区切换的准则，也就是
19、何时需要进行越区切换n 2. 越区切换如何控制，也就是系统完成切换的实施过程n 3. 越区切换时的信道分配。切换策略的目标：n 切换次数和中断次数最小n 无明显干扰的快速通话转接n 对新呼叫阻塞的影响最小主要性能指标包括：n 越区切换的失败概率n 因越区失败而使通信中断的概率n 越区切换的速率n 越区切换引起的中断的时间间隔与时延（2）越区切换的准则n 决定何时需要进行越区切换，基站 1基站 2基站 1 的信号强度基站 2 的信号强度Th1通常根据移动台处接收的平均信号强度，或信Th2Th3h噪比、信干比、误比特率等参数。ABCD移动台相对信号强度准则：n 在任何时间都选择具有最强接收信号基站
20、 1基站 2基站 1 的信号强度基站 2 的信号强度Th1 的基站，如A处。n 缺点：在原基站信号强度仍满足要求Th2Th3h的情况下，会引发太多不必要的越区切换，特别在衰落信道下。ABCD移动台具有门限规定的相对信号 强度准则：仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱基站 1基站 2基站 1 的信号强度基站 2 的信号强度Th1（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可能进行切换。门Th2Th3h限Th2，B点切换。此法选门限为关键，门限低，如 Th3 ，会引越较大的越区时延，此时链路质量差，可能会导致信号中断。ABCD移动台具有滞后余量的相对信号 强度准则n 仅允许移动用户基
21、站 1基站 2基站 1 的信号强度基站 2 的信号强度在新基站的信号Th1h强度比原基站信Th2Th3号强很多（即大于滞后余量）的情况下切换。AB CDn C 点， h 为滞后移动台余量。具有滞后余量和门限规定 的相对信号强度准则：n 将上述二准则结合。基站 1基站 2基站 1 的信号强度基站 2 的信号强度n上述各准则中信号强Th1h度的测量需注意：，Th2Th3由于信号有衰落，需取窗口，对一段信号求平均值，窗口的宽AB CD度越大，平均后方差移动台越小，但时延越大，时延越大，掉话可能性越大。（3）越区切换控制n 过程控制主要有三种： 移动台控制的越区切换 网络控制的越区切换 移动台辅助的越
22、区切换 移动台控制的越区切换n 移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量，当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。n 小系统常采用，在大系统中容易引起切换冲突。 网络控制的越区切换n 基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。n 缺点：若MS失去联系，将造成信号中断。n 第一代模拟系统采用此方法n 切换时间长，可达10S。 移动台辅助的越区切换n 网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。n 第二代系统G
23、SM，CDMA都采用此方法。n 特点：时间快，切换过程1s2s ，信号中断1s。 (4)越区切换时的信道分配n 越区切换时的信道分配涉及切换优先问题。n 系统处理切换请求时常采用越区切换请求优先于初始呼叫请求。优先切换的方法n A. 保留小区中所有信道中的一小部份，专门服务切换请求。缺点：信道利用率降低n B. 对切换请求进行排队。 微小区高速移动切换的问题n 在微小区，高速移动用户仅有很少时间就需切换，对系统压力太大，n 一种宏小区与微小区相结合的伞状小区结构，切换时采用宏小区信道可解决上述问题。切换过程BS切换命令切换完成BS两个 MSC基本切换切换命令(8中断切换请求进行切换无线信道确认切换请求切换请求指认切换完成（11）MSC-APSTN 建立AB 建立联系 响应位置登记VLR-BMSC-B