【现代通信原理】8 蜂窝系统

重点

蜂窝、区群的概念；蜂窝系统的组网方式、大区制小区制、中心
同道、邻道干扰
形状、为什么选择六边形
复用；同频干扰 -> 区群；小区分裂
区群：扩大系统容量；相互邻接的概念；频率复用因子。乘积关系，系统容量扩大
小区数条件的公式 N=i2+ij+j2N=i^2+ij+j^2N=i2+ij+j2
区群的复制；系统容量的确定。考察大题：系统容量c，确定系统容量；基于区群尺寸N，计算总信道数。
区群尺寸与系统容量的关系，基于同频干扰
小区规划。确定最近的同信道相邻小区的规则：利用i, j与时针旋转
同道、邻道干扰
小区改善的三种方法：扇区划分、裂项方法、新微小区

文章目录

【现代通信原理】8 蜂窝系统
- 8.1 概述
- - 大区制
- 8.2 蜂窝
- - 蜂窝的概念
  - 切换（过区切换、越区切换）
- 8.3 区群
- - 频率复用扩大系统容量
  - 确定最近的同信道相邻小区的规则
  - 六边形小区的几何结构
  - 频率复用比
- 8.4 同信道与相邻信道干扰
- - 8.4.1 同信道干扰
  - 8.4.2 邻信道干扰
  - 8.4.3 蜂窝小区容量的改善
  - - 小区分裂
    - 扇区划分
    - 新微小区
- 参考
- - 作业

8.1 概述

移动通信组网的概念
若干个用户如何有效地构成一个系统，使得系统内的用户可以在无线电波的覆盖区域内的任何地方相互通信。

组网方法

大区制：集群系统；
小区制：蜂窝系统（GSM、IS-95）；
无中心移动通信系统：如Ad hoc网络。

大区制

在一个地区，只用一个基台来覆盖全地区（单工或双工、单信道或多信道），这种组网方式都称为大区制。

特点：

覆盖范围：30-50km，发射功率50-200W，天线很高（>30m）
网络结构简单，频道数目少，无需无线交换，直接与PSTN连接

局限性：

信号传输损耗大，覆盖范围有限
服务的用户容量有限
服务性能较差
频谱利用率低

大区制的覆盖范围问题

（1）静区

由于高山或障碍物的影响而使覆盖区内的某一部分信号太弱，以致移动台无法正常工作。这一区域称为静区（空洞）。

为了解决静区或在某一方向扩展覆盖区，需中继台将信号转发。

（2）上下行功率不平衡

解决办法：提高基站接收机的灵敏度、分集接收、提高基站天线的增益、基站全向发射和定向接收

大区制中的干扰问题

互调干扰
- 当有两个以上不同频率作用于一个非线性电路时，不同频率互相调制将产生新频率；新频率正好落于某信道并被该信道的接收机所接收，即构成对该接收机的干扰。
邻频干扰
- 发射机由于带外辐射而造成对相邻信道接收机的干扰
同频干扰
其他的外界干扰和噪声

其中同频干扰，邻频干扰和互调干扰的影响最大，且无法根除。

8.2 蜂窝

现代移动通信系统的重大突破：蜂窝

蜂窝的概念

信道复用（频率复用）

降低同频干扰

小区的形状

所以用正六边形的小区最好

蜂窝的特点

频率复用，提高系统容量。
降低信号功率。
移动交换中心 MSC：集交换、控制、管理于一身，协调组织用户鉴权、信道分配、基站间切换。基站只提供信道（大区制的基站集交换和控制于一身）。

蜂窝的挑战

移动性管理。定位，切换，漫游等。
系统容量。
干扰。

切换（过区切换、越区切换）

切换是指将当前正在通信的移动台的通信链路从当前基站转移到另一基站的过程。（也称为ALT——自动链路转换）

关键问题：

切换的准则
- 硬切换：新链路建立后中断旧链路。
- 软切换：新旧链路同时保持，直到新链路可靠工作，再断开旧的链路。
- 相对强度准则（准则Ⅰ）：选择最强信号的基站链路。
- 具有门限规定的相对强度准则（准则Ⅱ）：当前基站信号足够弱（门限），且新基站的信号强度优于本基站。
- 具有滞后余量的相对强度准则（准则Ⅲ）：新基站的信号强度比当前基站高出某一门限（滞后余量）。
- 具有滞后余量和门限规定的相对强度准则（准则Ⅳ）：新基站的信号强度比当前基站高出某一门限（滞后余量），且当前基站信号足够弱（门限）。
过区切换的策略
- 移动台控制的过区切换：无绳电话（DECT）等
- 网络控制的过区切换：模拟网（TACS）等
- 移动台辅助控制的过区切换：IS-95、GSM 等
切换时的信道分配：分配方法不同，服务的质量不同
- 与呼叫请求相同的方法分配；
- 保留部分信道专门用于过区切换；
- 对切换请求进行排队。

漫游

离开归属 MSC，确认为漫游用户。
漫游用户同样在本地基站访问控制信道。
两地联合审查漫游有效性

8.3 区群

频率复用扩大系统容量

区群（小区簇）：相互邻接且使用不同频道的所有小区。

这些小区共同使用了系统提供的所有频道资源。区群中的每个小区只使用了部分频率资源，但区群则包含了全部的频率资源。

采用相同频率段的小区称为同信道（频道）小区。同信道小区之间的干扰称为同信道干扰（同频干扰）。

什么是“相互邻接”？区群中任意正六边形小区都至少与区群中另外两个小区存在公共边。

区群内的小区数：N

频率复用因子为 NNN

频率复用因子表示一个频率复用簇（Reuse Cluster）当中的频点的数量。这里对频率复用因子的解释与参考文献的那个不同

正交信道组：将全部可用资源 KKK 个信道分成 NNN 个正交信道组（区群内的小区数），每组JJJ个信道。

K=JNK = J N K=JN

基本条件

若干六边形小区组成一区群；
相邻区群应保证同频小区之间的最小距离相等。

要满足以上两个条件，区群内的小区数应满足：

N=i2+ij+j2N=i^2+ij+j^2N=i2+ij+j2, (iii，jjj为任意非负整数）
N＝1，3，4，7，9，12，13，16，19，21，…N ＝1，3，4，7，9，12，13，16，19，21，…N＝1，3，4，7，9，12，13，16，19，21，…

N：多少个正六边形组成能密铺的图案

同频小区的概念

在蜂窝系统设计和规划时，位于不同区群内且采用相同频道组的小区称作同频小区。

同频复用距离：DDD

要想对采用相同频率工作而引起的干扰进行有效的控制，同频小区的分布应当存在规律性。具体就是在整个系统范围内，同频小区之间的最小距离（同频复用距离）为常数。

区群复制次数： MMM

为覆盖指定的地理区域，需要将区群进行复制。
小区面积给定，区群越小，为了覆盖相同的区域，则复制次数 MMM 越多。

系统容量： CCC 采用频率复用后的整个蜂窝系统的信道总数）

C=MK=MJNC = MK = MJN C=MK=MJN

NNN 越小，一个区群覆盖的面积越小，复制次数 MMM 越大，则 CCC 越大；同频干扰越严重。

确定最近的同信道相邻小区的规则

从当前小区开始，沿任意一条边的垂直方向数iii个小区；
顺（逆）时针方向旋转60°，再数jjj个小区。则该小区为当前小区的一个相邻同频道小区；
每个小区有6个相邻同频道小区。

六边形小区的几何结构

相邻小区之间的中心距离：3R\sqrt{3}R3R

相邻同频道小区的距离：3NR\sqrt{3N}R3NR

全对称区群的第 kkk 层的同信道小区连接而成的六边形半径为 kDkDkD，DDD：为两个最近的同信道小区之间的距离

频率复用比

频率复用比 qqq 定义为： q=D/Rq=D/Rq=D/R

同频复用距离:小区半径

频率复用会导致同信道小区的出现，所以 qqq 也称为同信道复用比。

率复用比与区群尺寸（或频率复用因子）NNN 之间的关系为：

q=3Nq=\sqrt{3N} q=3N

qqq 随着NNN的增大而增大。

qqq（或NNN）的取值，应权衡信道容量和同信道干扰两方面的问题。

频率复用比与区群尺寸:

频率复用方案 (i,j)	区群尺寸 N	频率复用比 q
(1,1)	3	3.00
(2,0)	4	3.46
(2,1)	7	4.58
(3,0)	9	5.20
(2,2)	12	6.00

总结：

从提高容量的角度出发，我们希望N越小（q也越小，即每个小区分配的信道数更多）越好；

从减小干扰的角度出发，我们希望N越大（q也越大，即同频小区分布越稀疏）越好。

所以，蜂窝系统要在控制干扰水平的前提下，尽可能地采用小的区群。

8.4 同信道与相邻信道干扰

干扰的主要类型：

移动台面临：
- 所属基站发给其它移动台的信号（特别是相邻频道的信号）
- 相邻同频道小区的同频道信号
- 基站产生的三阶互调信号
基站面临：
- 本小区移动台的相互影响（特别是远近效应和邻道干扰）
- 其它小区的同频道干扰
此外，汽车干扰等外界干扰信号和噪声的影响。
其中，同频干扰和邻频干扰是主要干扰。

8.4.1 同信道干扰

频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区称为同频小区，这些小区之间的干扰称为同频干扰。
同频干扰不能通过加大信噪比来克服。显然简单地增大发射机的发射功率会增大对相邻同频小区的干扰。
为了减少同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小距离，为传播提供充分的间隔。

最坏情况：位于小区边缘

移动接收机信干比：

SI=(3N)κ6=qk6\frac{S}{I} =\frac{(\sqrt{3 N})^{\kappa}}{6} = \frac{q^k}{6} IS=6(3N)κ=6qk

8.4.2 邻信道干扰

定义：来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰
产生原因：接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。
恶果：产生远近效应
解决方法：通过精确的滤波和信道分配而减到最小。

具体方案：不给每个小区分配在频谱上连续的信道，而是使在给定小区内分配的信道有最大的频率间隔。

许多分配方案可以使一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，N为区群的大小。

邻频干扰

来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰。邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。

降低邻频干扰的措施

使用精确的滤波器；
合适的信道分配使其减小；
使小区中的信道间隔尽可能的大；
避免在相邻小区使用邻频信道来阻止次要的邻频干扰；
选用合适的频率复用比例。

8.4.3 蜂窝小区容量的改善

小区分裂

小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小小区的方法，分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率.

假设每个小区都按半径的一半来分裂，如图所示。为了用这些更小的小区来覆盖整个服务区域，将需要大约为原来小区数目4倍的小区。

分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率.
整个服务区基站数目增加。

扇区划分

蜂窝系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向。

采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用

120度裂向如何减小同频小区干扰

扇区划分（裂向）减少同频干扰

以N=7小区的复用结构为例：

全向天线：6个干扰源；
120度定向天线：2个或3个干扰源；
60度定向天线：1个干扰源

扇区划分提高系统容量

扇区划分提高系统容量的方法是保持小区半径R不变，而寻找办法来减小D/R比值。
在扇区划分的方法中，容量的提高是通过降低同频干扰，从而减小区群中的小区数量N，相应提高频率复用来实现的。
但需要在不降低发射功率的前提下减小相互干扰。
采用裂向方法会降低中继效率。

新微小区

基于7小区复用的微小区概念，如图所示。在这个方案中，每3个(或者更多)区域站点(在图中以Tx/Rx表示)与一个单独的基站相连，并且共享同样的无线设备。各微小区用同轴电缆、光导纤维或微波链路与基站连接。多个微小区和一个基站组成一个小区。

新微小区优点

当移动台在小区内从一个微小区运动到另一个微小区时，它使用同样的信道。移动台在小区内的微小区之间运动时不需要MSC进行切换。
以这种方式，某一信道只是当移动台在微小区内时使用，因此，基站辐射被限制在局部，同频干扰减小了。
小区既可以保证覆盖半径，又能够减小蜂窝系统的同频干扰，同频干扰的减小提高了信号质量，也增大了系统容量。
没有裂向引起的中继效率的下降。

新微小区增加容量

参考

作业

例1：一个蜂窝系统中有1001个用于处理通信业务的可用信道，设小区的面积为6km2，整个系统的面积为2100km2。

N=7，计算系统容量；
N=4，覆盖整个区域，需要将该区群覆盖多少次？计算系统容量；
减小区群大小N能增大系统容量吗？解释原因。

例2：某蜂窝系统的总带宽为30MHz，采用两个25kHz的信道组成全双工话音和控制信道，系统采用9小区复用方式，并将总带宽中的1MHz分给控制信道。

计算总的可用信道数；
确定控制信道数；
确定每个小区中的话音信道数；

例3：在某系统中，接收机要求的信干比门限为 $ S/I >= 18dB$， κ＝4κ＝4κ＝4，求最小区群尺寸应为多少？

上式是一个非常有价值的公式，可用于确定适当的频率复用因子和相邻的同频小区间适当的间隔。但实际分配时比理论上更加困难。

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