關于蜂窩系統工作原理2.4.1什么是蜂窩什么是蜂窩呢？移動通信系統是采用一個叫基站的設備來提供無線覆蓋服務的，基站的覆蓋范圍有大有小，我們把基站的覆蓋范圍稱之為蜂窩。早期的移動通信系統是在其覆蓋區域中心設置大功率的發射機，采用高架天線把信號發射到整個覆蓋地區（半徑可達幾十公里）。第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天為了在服務區實現無縫覆蓋并提高系統的容量，可采用多個基站來覆蓋給定的服務區，每個基站的覆蓋區稱為一個小區。根據服務區域類型的不同，可劃分為帶狀服務區和面狀服務區。第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1．帶狀服務區對于公路、鐵路、海岸等的覆蓋可采用帶狀服務區又稱帶狀網，如圖2-23所示。基站天線若用全向輻射，覆蓋區形狀是圓形的。帶狀網宜采用有向天線，使每個小區是扁圓形。帶狀網進行頻率復用可采用雙頻制，也可用多頻制。第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

圖2-23帶狀服務區的覆蓋

第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2．面狀服務區（1）小區的形狀可以實現一個平面的覆蓋。按交疊區的中心線所圍成的面積形狀看，區域的形狀可分為正三角形、正方形和正六角形三種，分別稱它們為正三角形區域、正四邊形區域和正六邊形區域。可以證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個平面區域，可取的形狀只有這三種，如圖2-24所示。第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-24小區的形狀第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天由正三角形，正四邊形、正六邊形覆蓋一個平面時，各區域之同的中心距離、半個區域面積、交疊部分面積以及交疊區寬度如下表2-4所示。表2-4三種形狀小區的比較第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（2）區群的組成單位無線區群的構成應滿足以下兩個條件：一是單位無線區群之間彼此鄰接；二是相鄰單位無線區群的同頻小區中心間隔距離是一樣的。滿足以上兩個條件的關系式如下：（式2-43）式中N為構成單位無線區群的正六邊形的數目，簡稱區群數。a和b不能同時為零。按照以第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天上條件，可確定N有如下數值，相應的區群形狀如圖2-25所示。圖2-25區群的組成第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（3）中心激勵和頂點激勵根據基站的位置不同，可有兩種激勵方式：如圖2-26所示，一種是基站位于正六邊形的中心，稱為中心激勵方式；另一種是基站位于每個正六邊形的三個相隔的頂點上，稱為“頂點激勵”方式。對于前者，基站使用全向天線形成圓形覆蓋區；對于后者，每個基站使用三個120o扇形覆蓋的定向天線實現共同覆蓋。從經濟效益上看，前者投資較少，可是同信道重用比不能選得很小，否則同道第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天干擾嚴重；后者雖然好像每個小區的基站投資由上表可見，在服務區面積一定的情況下，正六邊形相鄰區域的中心間隔最大，即覆蓋面積一定時，需要最少的小區個數，也就是需要較少的發射站。因此，正六角形小區覆蓋相對于四邊形和三角形費用少。正六邊形構成的網絡形同蜂窩，所以把小區制移動通信網稱為蜂窩網。需要注意的是，交疊區寬度和區域的切換方式與控制方式有關。第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-26兩種激勵方式示意圖第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（4）盲點與熱點在實際的宏蜂窩內，通常存在著兩種特殊的微小區域——“盲點”與“熱點”。盲點是指由于網絡漏覆蓋或電波在傳播過程中遇到障礙物而造成陰影區域等原因，使得該區域的信號強度極弱，通信質量嚴重低略；熱點是指由于客觀存在商業中心或交通要道等業務繁忙區域，造成空間業務負荷的不均勻分布。對于以上兩“點”問題，往往通過設置直放站、分裂小區等方法加以解決。第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天直放站也叫中繼站，屬于同頻放大設備，它在無線電傳輸過程中起到信號增強的作用，如圖2-27所示。直放站在下行鏈路中，由施主天線從宿主基站提取信號，通過帶通濾波器對帶通外的信號進行極好的隔離，將濾波信號經功放放大以后，再次發射到待覆蓋區域。在上行鏈接路徑中，覆蓋區域內的移動臺的信號以同樣的工作方式由上行放大鏈處理后發射到相應基站，從而達到基站與移動臺間的信號傳遞。引入直放站有許多好處，如填補移動通信盲區以實現連續覆蓋、室內室外分開覆蓋以有利于網絡優化、吸收室內話務量等等，但直放站的使用也會帶來新問題，如時延、多徑、電路噪聲、直放站的自激等等。直放站（Repeater）的設置第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-27直放站原理圖第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天分裂小區在整個服務區中每個區的大小可以是相同的，但這只能適應用戶密度均勻的情況。事實上服務區內的用戶密度是不均勻的，例如城市中心商業區的用戶密度最高，居民區的用戶密度也高，而市郊區的用戶密度較低。因此，在用戶密度高的市中心區可使小區的面積小一些，在用戶密度低的市郊區可使小區的面積大一些，如下圖2-28所示。第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-28小區的分裂第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（5）蜂窩的種類宏蜂窩小區微蜂窩小區其它蜂窩小區第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天小區按照半徑大小一般分為衛星小區、宏小區、微小區、微微小區等幾類，具體見下表2-5。表2-5小區的分類第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2.4.2頻率復用

1．什么頻率復用蜂窩系統的基本出發點是頻率復用，也稱為頻分復用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing），就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道）以進行信號的傳輸。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立保護隔離帶。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作。第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天通常，不同區群的兩個小區只要相互之間的空間距離大于某一數值，就可使用相同的頻道，而不會產生顯著的同道干擾，這是利用了電波的傳播損耗以實現頻率再用。頻率復用的優勢是可以極大地提高頻譜效率，但劣勢是如果系統設計得不好將產生嚴重的干擾，這種干擾稱為同信道干擾。第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2．頻率復用距離的計算頻率復用距離的計算取決于許多因素，如頻率分組數、衰落和屏蔽對頻率復用的影響、同道干擾的概率等等。（1）D與R的關系使用同一組頻率的小區稱為共道小區，它們間產生的干擾叫共道干擾。一個區群中的小區數愈少，則相鄰區群的地理位置愈靠近，共道干擾就會愈強。設兩個地區彼此相距D第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天時，不會產生明顯的同道干擾，則稱D稱為復用空間保護距離。設小區的半徑為R，則稱D/R為共道干擾抑制因子。根據蜂窩系統的幾何關系，設區群數為k，則有：（式2-44）式中k是由（C/I）s所確定，可推出：

（式2-45）第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天所以（式2-46）對于7/21復用方式（即7個基站，21個小區使用21組頻率），則復用保護距離D為（式2-47）

同理，對4/12復用方式，D=6R；對3/9復用方式，D≈5.2R。可見，區群內小區數k越大，同信道小區的距離就越遠，抗同頻干擾的性能也就越好。但區群內小區數k也不是越大越好，k大了以后，反而每個小區內分得的第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天頻點數少了，結果致使小區的容量下降。所以，k到底取多少，還是要綜合考慮各方面的因素。（2）載波干擾比C/I在上式2-63中談到k是由（C/I）s所確定，而系統的載波干擾比C/I又是由系統所選用的調制方式和帶寬來確定的。例如，當蜂窩網絡每個區群共有7個小區，基站收發信機采用全向天線，只考慮到第一頻道組的共道小區的干擾，如圖2-29所示。第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-29蜂窩網絡共道小區分布此時的載波干擾比C/I計算如下：（式2-48）第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天式中，Ii為第i頻道組的共道干擾電平，共有6個，n為環境躁聲功率，可忽略。考慮到電波傳播損耗為4次冪規律，則接收到的信號功率和干擾功率分別為

（式2-49）

（式2-50）式中，A為常數。考慮到上述情況，而且Di都相同，則有（式2-51）第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天規定系統的載干比門限為（C/I）s，只要滿足

（式2-52）就可以保證通信質量。（3）考慮衰落和屏蔽情況下的頻率復用距離計算衰落和屏蔽情況下的頻率復用距離可分為三種情況加以考慮，一是只考慮衰落，二是只考慮屏蔽，三是同時考慮衰落和屏蔽。這時我們需要先考察同頻干擾概率：第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天通過計算我們發現，若當同頻干擾概率的標準方差σ＝6dB，干擾概率P＝10-2時，既有衰落又有屏蔽情況下較只有屏蔽情況下的同頻干擾概率增大8dB左右；當σ＝8dB，干擾概率P為10-3時，既有衰落又有屏蔽情況下較只有屏蔽情況下的同頻干擾概率增大10dB左右；當σ＝12dB，兩者差別就小多了。由此，我們可以得出結論，在郊區和較低層建筑的市區，衰落對干擾概率影響很大，而在高建筑較多的城市，則主要由屏蔽引起的。所以，在進行頻率復用距離計算時，分幾種情況進行。第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天若移動臺在某個接收點收到來自基站的有用信號包絡S1，又收到另一基站的不需要信號（干擾信號）的包絡S2，則同頻干擾概率定義為

（式2-53）式中r為射頻率保護比，r=[接收的有用信號/接收的干擾信號]最小第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（4）考慮通信概率的頻率復用距離計算根據同頻干擾容限的條件下，去找出最小所需的D／R比的計算方法如下：假定90％的覆蓋區有75%的邊緣覆蓋率，并假定載頻信號和一個干擾信號都服從對數正態衰落，并且不相關。它們的標淮偏差都為6dB，則合成偏差為×6＝8.4dB。為了保證載干比大于18dB（D／I＞18dB），且在邊緣地區通信概率大于75％，相應的衰落儲備應大于0.6×8.4dB＝5dB。考慮到干擾源可能會多于一個，需再增加4dB的儲備。在最壞的條件第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天下，所需的D／R比應能保證C／I的比值大于27dB。由于傳播特性與距離的4次方成正比，假定是光滑地球平面，則路徑傳播衰減為：

（式2-54）式中，Ll-干擾的傳播衰減；Lc-信號的傳播衰減。

（式2-55）第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天則

（式2-56）

（式2-57）由此可見滿足同頻干擾比27dB條件下，選N=12即可滿足要求。實際工程中，同頻復用距離的大小還取決于許多的因素，包括業務量、基站的位置、周圍的電磁環境等等，CDMA系統中還要考慮軟切換增益等等，它的大小需要進行綜合性、系統性的計算。第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2.4.3多址方式頻分多址技術（FDMA）時分多址技術（TDMA）碼分多址技術(CDMA)

第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1頻分多址技術（FDMA）移動通信的頻率資源十分緊缺，不可能為每個移動臺預留一個信道，因此只能事先為每個基站配置好一組信道，供該基站所覆蓋的小區內的所有移動臺共用。這就是信道共用問題。頻分復用技術下，多個用戶可以共享一個物理通信信道。第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天頻分復用（FDM）又稱頻分多址，是發送端對所發信號的頻率參量進行正交分割，形成許多互不重疊的頻帶，即將載波帶寬劃分為多個不同頻帶的子信道，在接收端利用頻率的正交性，通過頻率選擇(濾波)，從混合信號中選出相應的信號，這樣每個子信道可以單獨并行地傳送一路信號。在單純的FDMA系統中，通常采用頻分雙工（FDD）的方式來實現雙工通信，即接收頻率F和發送頻率f是不同的。所以，為了使得同一部電臺的收發之間不產生干擾，收發頻率間隔│f-F│必須大于一定的數值，因此在FDMA系統中，收發頻段是分開的。另外，在移動通信系統中，移動臺與移動臺之間是不能直接通信的，而必須經過基站中轉，如下圖2-30所示。再有，所有信道都可以作為單信號被擴大、控制，并轉換為頻帶傳送至目的地，所以FDMA技術主要優點在于經濟實用。第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-30FDMA系統的工作示意圖

第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天從圖2-30中還可以看出，兩個移動臺間通信通過基站的中轉，需占兩個上行子頻段和兩個下行子頻段，加上收發間的保護頻帶，因此FDMA系統的頻率資源利用率低；還有FDMA的基站必須要設置N套調制解調器，設備比較復雜；且FDMA信道大于通常需要的特定數字壓縮信道，對于通信過程FDMA信道也是浪費的。盡管存在著一些缺陷，但在整個通信領域，FDMA還是最經典的多址技術，已應用于許多通信系統中。另外，目前TDMA和CDMA都可以結合FDMA共同作用，也就是說，特定頻帶可以獨立用于其它頻帶的TDMA或CDMA信號。第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2時分多址技術（TDMA）時分多址是發送端對所發送信號的時間參量進行正交分割，形成許多互不重疊的時隙，即在一個寬帶的載波上，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶，在每一幀內依次排列，互不干擾。在接收端再利用時間的正交性，通過時間選擇（選通門）從混合信號中選出相應的信號。近年來，TDMA有較多的應用，如GSM、MMDS、LMDS等系統中都主要使用了TDMA技術。在TDMA系統中，總的帶寬約等于各個用戶信號帶寬的總和，在這一點上，TDMA與FDMA是相似的。第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

TDMA的基本工作原理如下：

系統根據一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內只能按指定的時隙向基站發射信號；為了保證不同傳播時延情況下，各移動臺到達基站的信號不會重疊，通常在幀結構中有保護間隔比特，在此保護間隔內不傳送信號；這樣在滿足定時和同步的條件下，基站可以在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不干擾。

第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天前面說到，在FDD方式中，上行鏈路和下行鏈路的幀分別在不同的頻率上，但在TDD方式中，上下行幀都在相同的頻率上，如圖2-31所示。在每一個子頻帶上又分了若干個子時隙，每個用戶只占用子時隙進行通話。顯然，TDMA使得頻率資源的利用率得到了很大的提高，即相同頻率資源下可容納比FDMA多幾倍的用戶數。但同時TDMA系統要注意通信中的同步和定時問題，否則會因為時隙的錯位和混亂而導致接收端移動臺無法正常接收信息。第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-31

TDMA系統的工作示意圖

第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

在TDMA系統中，每幀中的時隙結構（或稱為突發脈沖）的設計通常要考慮三個主要的因素：一是控制和信令信息的傳輸；二是信道多徑的影響；三是系統的同步。解決以上三個問題的主要方法是：一在每個時隙中專門劃出部分比特用于控制和信令信息的傳輸；二是在時隙中插入自適應均衡器所需的訓練序列，并在上行鏈路的每個時隙中留出一定的保護間隔；三是在時隙中有專用的同步序列。第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3碼分多址技術(CDMA)

碼分多址系統采用一組彼此正交(或準正交)的偽隨機噪聲(PN)序列用作為擴頻序列碼對傳輸信號進行擴頻調制，在接收端用相應的PN碼通過相關處理解擴來實現多用戶共享頻率資源的功能。該技術將每一來話編碼，并在接收端進行解碼，使大量用戶能夠共享同一無線電頻率。碼分多址(CDMA)有兩種主要形式：直擴碼分(DS-CDMA)與跳頻碼分（FH-CDMA），前者多用于民用，后者多用于軍事。

第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

碼分多址通信系統中各用戶發射的信號共同使用整個頻帶，發射時間又是任意的，所以各用戶的發射信號在時間上、頻率上都可能相互重疊。因此，采用傳統的濾波器或選通門是不能分離信號的，對某用戶發送的信號，只有與其相匹配的接收機通過相關檢測才可能正確接收。移動用戶之間的信息傳輸也是由基站進行轉發和控制的。第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

為了實現雙工通信，正向傳輸(由基站到移動臺)和反向傳輸(由移動臺至基站)各使用一個載波頻率，即頻分雙工。無論正向傳輸或反向傳輸，除傳輸業務信息外，還必須傳送相應的控制信息。為了傳送不同的信息，需要設置不同的信道。第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天基本工作原理如下：

在碼分多址通信系統中，利用自相關性很強而互相關值為0或很小的周期性碼序列作為地址碼，與用戶信息數據相乘（或模2加），經過相應的信道傳輸后，在接收端以本地產生的已知地址碼為參考，根據相關性的差異對接收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼一致的信號選出，把不一致的信號除掉（稱之為相關檢測）。

第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

例如，圖2-32中d1-dN分別是N個用戶的信息數據，其對應的地址碼分別為W1-WN，為了簡明起見，假定系統有4個用戶（即N=4），各自的地址碼為：（式2-59）第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天與（式2-59）和（式2-60）相應的波形如圖2-32。假設在某一時刻用戶信息數據分別為：，，，（式2-60）第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

圖2-32碼分多址收發系統示意圖

第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖2-33碼分多址原理波形示意圖

第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

與各自對應的地址碼相乘后的波形S1-S4如圖2-33所示。在接收端，當系統處于同步狀態和忽略噪聲時，在接收機中解調輸出R端的波形是S1-S4的疊加，如果欲接收某一用戶（例如用戶2）的信息數據，本地產生的地址碼應與該用戶的地址碼相同（Wk=W2）。

第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天并且用此地址碼與解調輸出R端的波形相乘，再送入積分電路，然后經過采樣判決電路得到相應的信息數據。如果本地產生的地址碼與用戶2的地址碼相同（即Wk=W2），經過相乘、積分電路后，產生的波形J1-J4如圖2-33所示，即：（式2-61），，，第54頁,共61頁，2024年2月25日，星期天也就是在采樣、判決電路前的信號是：0+、（-1）、+0、+0。此時，雖然解調輸出R端的波形是S1-S4的疊加，但是，因為要接收的是用戶2的信息數據，本地產生地址碼與用戶2的地址碼相同，經過相關檢測后，用戶1、3、4所發射的信號加到采樣、判決電路前的信號是0，對信號的采樣、判決沒有影響。采樣、判決電路的輸出信號是r2={-1}，是用戶2所發送的信息數據。

第55頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（式2-62），，，如果要接收用戶3的信息數據，本地產生的地址碼應與該用戶3的地址碼相同（W