无线通信基础.docx
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无线通信基础
无线通信基础
本节只要内容
（1）无线通信的基本概念；
（2）蜂窝的概念
3.1无线通信中的基本概念
Table3.1无线系统定义
术语
概念
基站
移动无线系统中的固定站台，用来和移动台进行无线通信，基站健在覆盖区域的中央或者边缘，包含无线信道和架在塔上的发射、接受天线
控制信道
用来呼叫建立、呼叫请求、呼叫初始化和其他标志及控制用途
前向信道
用来从基站向用户传送信息的无线信道
反向信道
用来从移动用户向基站传输信息的无线信道
全双工系统
同时允许双向通信的系统。
发送和接受一般使用两个不同的频道，而新的无绳电话或个人通信系统使用时分双工（TDD，同一载波不同时隙）技术
半双工系统
使用一条信道到来发送和接受，只允许单向通信的通信系统，在任一个指定事儿，用户只能发送或接受信息
单工系统
只能发送或者接受的通信系统
切换
将移动站从一个信道或基站调换到另一个信道或基站的过程
移动站
在蜂窝移动通信中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端，移动站可以是便携的手持部件，或者是安装在移动车辆上
移动交换中心
在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心，在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连接到公用交换电话网上，移动交换中心也叫移动电话交换局
寻呼
将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多基站同时广播的方式进行
漫游
移动台可以在不是最初登记的其他区域内通信
用户
使用移动通信服务而付费的使用者
收发信机
能同时发送和接受无线信号的设备
3.2蜂窝的基本概念
1897年马可尼在第一次展示无线电在英格兰海峡里行驶的船只保持连续不断的通信能力，标志着无线通信的开始。
但是无线通信由于其相关技术故障，在上世界60,70年代以前发展比较缓慢，知道贝尔实验室提出蜂窝的概念。
3.2.1背景知识介绍
早期移动通信系统设计的目标：
在至高处建立单个大功率的发射机，从而获得大的覆盖面积。
至高处目的：
尽可能保证视距传播。
数据表明：
建筑物能削弱无线信号20-30分贝。
类似的，当衰减30dB时，Pt=0.001P0
优点：
设计简单，覆盖面积大；
缺点：
频谱利用率低，浪费严重
其中Pr为实测到的功率，P0为参考功率。
当电阻值不变时，由P=E2/R得到
其中Er为电压实际测量值，E0为电压参考值。
应用实例：
70年代纽约的贝尔移动系统在1000平方英里（2*109平方米=2.6*103平方公里=3.88*106亩，苏州古城区2*104亩）内最多支持12个同时呼叫。
矛盾：
频谱资源有限、用户数量快速增加，无法满足需求
在此基础上产生蜂窝的概念。
蜂窝概念是一种系统级概念，其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每个小覆盖区只提供服务范围内的一部分覆盖，每个基站只分配可用信道的一部分，有效降低了同频干扰，尽管存在邻频干扰，但是干扰降低了。
优点：
（1）随着需求继续增长，蜂窝可以变的更小，这样，在不使用额外的频谱资源的同时，增加了额外的容量。
（2）每个用户设备都可以在使用相同蜂窝概念的地区接入网络。
3.2.2频率复用
为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或者频率规划。
蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区内的只能分配和复用。
3.2.3基站覆盖模型—蜂窝六边形
基站覆盖范围模型：
首先想到圆形，但是相邻的圆不可能没有间隙或没有重叠的覆盖整个图。
当要考虑整个区域而没有重叠或者间隙的几何形状时，只有三种选择，正方形、等边三角形、六边形。
当基站设置在中心时，必须为覆盖区内最弱信号的移动台服务（顶点）。
如果多边形中心与它的辩解上最远点之间的距离是确定的，那么六边形在三种图形中覆盖面积最大，同时六边形也最接近圆形的辐射模式，所以采用六边形的系统覆盖模型，每个六边形为一个小区。
中心激励：
基站位于六边形中心；顶点激励：
基站位于六边形三个顶点。
但是在实际生活中，覆盖区是不规则的。
而且实际施工过程中，一般不允许完全按照六边形设计，所以大多数系统都允许将基站安置的位置与理论上理想位置相差1/4小区半径的偏差。
共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇。
N叫做簇的大小，典型值为4、7、12。
当N增加时，那么每个基站覆盖面积会增加，相邻的同频基站之间的距离增加，系统容量减小；反之，当N减小时，系统容量增大。
但是N不能无限量小，因为同频干扰的大小与N成正比，若N增加，同频干扰距离表小，干扰加强。
折衷的取Ｎ。
蜂窝系统的频率复用因子为1/N。
为了找到某一特定小区的最近距离相邻同频小区，必须按照以下步骤：
（1）沿着任何一条六边形链移动i个小区；
（2）逆时针旋转60°，在移动j个小区；
其中
，N为小区数量。
练习：
一个FDD蜂窝系统，可用带宽为33MHz，使用2个25KHz的单向信道作为语音信道，计算系统为
（1）4个小区复用；
（2）7个小区复用时，求每个小区的语音信道数。
如果其中1MHz用来作为信令信道，确定在以上三个系统中，每个小区的信令信道和语音信道的均匀分配方案。
解:
总带宽=33MHz，双向信道=50KHz，则共计信道33MHz/50KHz=660个
（1）若4个小区复用，则每个小区语音信道数为660/4=165个
（2）若7个小区复用，则每个小区语音信道数为660/7=94.2个=94个
如果信令信道为1MHz，则剩余带宽为33-1=32MHz，共计信道32MHz/50kHz=640个
信令信道1MHz/50kHz=20个，20/4=5个，每个小区有5个信令信道，实际只需要一个信令信道。
（3）若4个小区复用，则每个小区语音信道数为640/4=160个，
（4）若7个小区复用，则每个小区平均语音信道数为640/7=91.43个
则需要解下列方程才可以得到语音信道数
一组解为
4个小区分配91个语音信道，3个小区分配92个语音信道，信令信道每个小区只要一个。
3.3信道分配策略
目的：
充分利用有限的频谱资源，在控制干扰在特定阈值以内的情况下，增加系统容量。
主要策略：
固定分配、动态分配、混合分配策略。
固定分配：
每个小区分配给一组预先确定好的语音信道，小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道。
优点：
简单，直观
缺点：
忽略了呼叫的非均匀性，可能导致呼损
动态分配：
语音信道不是固定地分配给各个小区，每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道，根据特定算法，分配一个频率，该频率必须服从下列条件：
这个小区没有使用该频率；而且任何为了避免同频干扰而限定的最小频率复用距离内的小区也都没有使用该频率。
优点：
可以减少阻塞的可能性，提高系统的汇接能力
缺点：
增加了MSC的负荷。
混合分配策略：
如果某小区信道都被占用，允许小区从它相邻的小区中借用信道，由移动交换中心MSC来管理这样的借用过程，并且保证一个信道的借用，不会中断或干扰接触小区的任何一个正在进行的呼叫。
3.4切换策略
当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，MSC自动将呼叫转移到新基站的信道上。
在很多实际操作中，切换请求优先权高于初始呼叫请求。
要求系统设计中确定一个启动切换的门限。
如果该门限太高，那会导致不必要的切换，增加MSC的负担，如果该门限太低，可能导致信号太低直接掉线。
在决定切换的时候，很重要的一点要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬间衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站。
基站需要监视信号变化情况。
在第一代模拟蜂窝系统中，能量检测是由基站完成的，由MSC管理的，需要基站中的备用接收机来监视无线信号强度指标，实时传给MSC。
在第二代数字TDMA中，是否切换的决定由移动台辅助完成的。
当一个相邻小区的基站中接收到的信号能量比当前基站高出一定电平时，或者维持一段时间，就准备切换。
驻留时间：
呼叫在一个小区内没有经过切换的通话时间。
切换需要注意的问题：
在实际蜂窝系统中，当移动速度变化范围比较大时，系统将会遇到很多问题。
解决方案：
通过使用不同高度的天线和不同强度的功率，在一个站点上设置“大的”和“小的”覆盖区，这种技术叫做伞状小区方法，用来为高速移动的客户提供大面积覆盖，为低俗客户提高小面积的覆盖。
3.5干扰和系统容量
干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。
干扰分为三种同频干扰、邻频干扰和非蜂窝系统干扰。
前两者为主要干扰。
3.5.1同频干扰
在同一覆盖区内，具有相同频率的小区之间产生的干扰叫做同频干扰。
同频干扰不能通过增加发射机功率提高信噪比的方式解决，因为随着发射功率的增加，干扰强度也会增加。
为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小距离。
若每个小区大小差不多，基站发射功率相同，定义同频复用比例Q，对于六边形小区
其中D为两个发射机之间的距离，N为小区数。
Q值越小，则系统容量越大；Q值越大，同频干扰越小。
若设i0为同频干扰小区数，则监视前向信道的移动接受台的信噪比可以表示为
其中Ii是第i个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率。
在距离发射天线d处接收到的平均信号功率可以表示为
其中P0为参考点的距离，该点与发射天线有较小距离，n为衰减系数。
若仅考虑第一层干扰小区，且所有干扰基站与预设基站间是等距的，则信噪比可以近似的表示为
其中i0为相邻小区数量。
对于美国的AMPS蜂窝系统，使用ＦＭ和30KHz,主观测试表明，S/I大于或等于18dB就可以提供足够好的语音业务。
假设路径衰减指数为4，根据2.9，簇大小必须大于6.49.
3.5.2邻频干扰
来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰，
造成原因：
主要是由接受滤波器的不理想滤波造成的，使得相邻频率的信号泄露到了传输带宽内引起的。
导致后果：
若相邻信道的用户在离用户接收机很近的范围内发射，而接收机是想接收使用预设信道的基站信号，则同频干扰变得很严重，这个叫做远近效应。
所谓远近效应，就是指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台功率相同，则距离基站近的移动台将对另一移动台信号产生严重的干扰。
解决方法：
通过精确的滤波和信道分配来解决。
3.6汇接（trunking）和服务等级
汇接：
允许大量的用户在一个小区内共享相对数量较小的信道，即从可用信道库中给每个用户按需分配信道。
汇接理论是19世界一个丹麦数学家爱尔兰（Erlang）提出的，他主要研究大量的用户怎么由有限的服务能力为他们服务，现在以他的名字作为话务量的单位。
定义为单位小时内的呼叫小时，或者单位分钟内的呼叫分钟。
话务量强度是表征信道利用率的一个指标，是一个无量纲的值，表示为A。
整个系统的话务量叫做负载，以Erlang为单位。
服务等级（GradeofService,GOS）是用来测量在系统最忙的时间用户进入系统的能力。
GOS通常定义为呼叫阻塞概率，或者是呼叫延迟时间大于特定排队时间的概率。
Table3.1trunking理论中的基本术语定义
基本术语
定义
建立时间
给正请求的用户分配一个汇接（trunking）无线信道所需的时间
阻塞呼叫
由于拥塞无法在请求时间完成的呼叫，又叫损失呼叫
保持时间
通话的平均保持时间，表示为H，以秒为单位
请求速率
单位时间内的平均呼叫请求次数，表示为λ/秒
每个用户的话务量等于保持时间和请求速率的乘机。
即
对于一个有Ｕ个用户和不确定信道数目的系统，总的话务量为
在一个有C个信道的系统中，若话务量平均分配，则每个信道的话务量强度为
说明：
系统提供的话务量不是系统所能承载的话务量，只是提供给系统的话务量。
当提供的话务量超过了系统的最大容量时，所承载的话务量因为系统容量受限制（信道数量首先）而受限。
最大能承载的话务量决定于信道总数，表示为C，以Erlang为单位。
若某个系统的GOS为2%，则意味着小区分配的信道在最繁忙的时间，由于信道被占用，100个呼叫中有2个被阻塞。
常见的trunking系统有2种，一种是不对呼叫请求进行排队，对于每个呼叫请求用户，假设没有建立时间，如果有空闲信道则立即进入，没有空闲信道，则呼叫阻塞，被拒绝进入而释放掉。
这种方式叫做阻塞呼叫清除。
在这种情况下，阻塞概率为
其中C为信道数，A是提供的总话务量。
阻塞概率可以通过查ErlangB表得到。
例题1：
在一个阻塞清除系统中，阻塞概率为0.5%，当trunking信道数量分别为1,5,10,20的时候，能支持多少用户。
假设每个用户产生的话务量为0.1Erlang。
解：
当信道为1时，能支持1个
当信道为5时，能支持11个
当信道为10时，能支持39个
当信道为20时，能支持111个
例题2：
在一个200万人口的市区，在一个区域内有三个相互竞争的阻塞清除系统（A、B、C）提供蜂窝服务。
系统A中有19个信道的小区399个，系统B中有57个信道的小区98个，系统C中有100个信道的小区49个。
若阻塞概率为2%，每个用户平均每个小时打2个电话，每个电话的通话长度为3分钟，求系统所能支持的用户数。
假设每个系统都是以最大工作量运行，求每个系统的市场占有百分比。
ErlangB表
0.1%
0.5%
1%
2%
11
3.651
4.610
5.160
5.842
19
8.724
10.33
11.23
12.33
49
31.69
35.11
37.00
39.32
57
38.29
42.11
44.22
46.82
95
70.85
76.33
79.37
83.13
98
73.48
79.07
82.18
86.04
100
75.24
80.91
84.06
87.97
例题3：
某个城市面积为1300平方英里，由一个使用7小区复用的蜂窝系统覆盖。
每个小区的半径为4英里，该城市共有40MHz的频谱，使用带宽为60KHz的双向信道。
假设ErlangB系统的GOS为2%，如果每个用户提供的话务量为0.03Erlang，计算
（1）服务区内的小区数；
（2）每个小区的信道数；（3）每个小区的话务量强度；（4）系统所承载的最大话务量；（5）所能服务的用户总数；（6）每个信道的移动台数；（7）理论上系统一次能服务的最大用户数。
解：
（1）一个蜂窝的面积是
（2）
（3）当信道数为95，GOS=0.02时，每个小区的话务量强度为83.13Erlang.
（4）
（5）
个
（6）
移动台/信道
（7）
第二种trunking系统，用一个队列来保存阻塞呼叫。
如果不能立即获得一个信道，呼叫请求就一直延迟到有信道空闲为止。
该类型叫做阻塞呼叫延迟，它的GOS定义为
若没有信道，则呼叫被延迟t苗的概率GOS为
根据上式可以画出ErlangC表。
排队系统中所有呼叫的延迟D为
例题1：
一个4小区系统中小区半径为1.287km,整个系统内共有60个信道，如果每个用户的负载Au为0.029Erlang,λ=1次/小时，计算呼叫延迟概率（GOS）为5%的ErlangC系统：
（1）该系统每平方公里可支持多少用户；
（2）一个被延迟的呼叫等待10s以上的概率
（3）一个呼叫延迟10秒以上的概率。
解：
已知小区半径为1.387km，则每个小区的覆盖面积为
每个簇4个小区，共用60个信道，则每个小区C=60/4=15个信道
（1）当C=15，GOS=5%时，话务量强度（A）为9Erlang,
用户数=9/0.029=310个
每平方公里的用户数为310/4.998=62个
（2）已知λ=1，保持时间H=Au/λ=0.029小时=104.4秒
（3）已知
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