1無線通信原理與應用BTS總體方案設計報告AbisA接口MSBSSOMC-R操作維護中心BSC基站控制器MSC移動交換中心BTS基站收發信機BTS基站收發信機BTS基站收發信機MSMSUm數字移動通信

2002年10月2第2章蜂窩系統設計的基礎2.1無線通信基礎知識2.2蜂窩移動通信的基本技術2.3蜂窩通信中的干擾與信道配置2.4蜂窩通信系統的容量與服務等級32.1無線通信基礎知識

2.1.1無線通信的頻譜環境

長波 30－300KHz 10-1km 中波 0.3-1.5MHz 1000-200m短波 1.5-30MHz 100-10m超短波:米波 30-300MHz 10-1m微波：分米波 0.3－3GHz 100-10cm

厘米波 3-30GHz 10-1cm

毫米波 30-300GHz 10-1mm

亞毫米波 300-3000GHz 1-0.1mm光波：紅外光 3103-3105GHz 100-1m

可見光 3105-3106GHz 0.8-0.4m

42.1.1無線通信的頻譜環境

傳播方式52.1無線通信基礎知識

2.1.1無線通信的頻譜環境在陸地移動通信中,電波頻率越低，繞射性能越強，電波頻率越高，反射性能越強。

62.1.2工作方式

移動通信按工作方式及頻率使用方式分，可分為：單工（同頻、異頻單工）、雙工（同頻、異頻雙工）和半雙工通信。

72.1.2工作方式一、單工通信1、單工通信概念：所謂單工通信是指通信雙方的電臺交替地進行收信和發信，某一方收發信不能同時進行。82.1.2工作方式2、單工通信分類

根據收發頻率的異同，又可分為同頻單工（收發采用相同的頻率）和異頻單工（收發采用兩個不同的頻率，兩個頻率相隔一個較大的間隔：150MHz頻段為5.7MHz，450MHz頻段為10MHz，900MHz頻段為45MHz）兩類。92.1.2工作方式3、單工通信工作原理：102.1.2工作方式4、單工通信的特點：優點：設備簡單（收發合用部分電路或部件）、省電、成本低。缺點：由于使用PTT（Push-To-Talk）按講開關，使用不方便（不習慣）5、單工通信應用：特殊訓練的場合，如部隊、警察、調度等通話相對少而簡練的場合。

112.1.2工作方式二、雙工通信（也稱全雙工通信）1、雙工通信概念：所謂雙工通信是指通信雙方可同時進行信息傳輸（而不需交替地進行收信和發信，某一方收發信機能同時工作）的工作方式，區別于后面的半雙工通信，這種方式也稱為全雙工通信。122.1.2工作方式2、雙工通信分類：雙工通信可分為頻分雙工（FDD：收發采用兩個不同的頻率，間隔同前，也稱異頻雙工）和時分雙工（TDD：收發采用一個的頻率，也稱為同頻雙工，家用無繩電話中多為此種方式）兩類。132.1.2工作方式3、雙工通信工作原理：142.1.2工作方式4、雙工通信的特點：優點：使用方便（同普通電話一樣）缺點：設備較復雜、耗電大（特別對移動環境下以電池作為電源的移動臺則更不利）—改進做法：移動臺采用單工方式，基地臺采用雙工方式，即所謂的半雙工通信。

152.1.3調制方式分類

調制方式、種類的表示符號，對于調制種類的符號表示要反映調制形式的全貌和所需帶寬。不同的調制種類由四部分構成：

最前面的數字表示這種調制種類所占用的帶寬（單位為kHz）；第二部分為一個字母，說明主載波的調制形式；第三部分為一個數字，說明信息傳輸種類；第四部分為一個字母，表明輔助特性。

162.1.3調制方式分類

調制種類的符號表調制種類的符號表172.2

蜂窩移動通信的基本技術調制種類的符號表大區制移動通信的構成2.2.1大區制移動通信系統及其局限性

基地臺市話移動臺移動臺大區制的缺陷：

覆蓋范圍有限

系統容量受限

系統設備受限18第一個移動電話服務誕生于1946年

用于無線電調度，如急救、警察、出租車等

基本特點是發射功率大、基站覆蓋區域大

蜂窩概念

有限的頻率資源和不斷增加的用戶之間的矛盾，七十年代貝爾實驗室提出了蜂窩覆蓋的概念，隨后得以發展并商用化

固態技術的成熟

手持機面向公眾，如BB機、對講機等

模擬蜂窩電話獲得成功

AMPS，TACS，……2.2.2蜂窩概念的形成192.2.3小區制移動通信系統構成及其特點小區制蜂窩移動通信的構成BSBSBSBSBSBSBSMSC市話局20

小區制移動通信系統特點

利用小區覆蓋，頻率重用提高系統容量系統需要進行頻率規劃，克服同頻干擾

系統需要進行過境切換，保證通話連續系統需要進行用戶管理，保證漫游實現212.2.4蜂窩通信的基本原理一、小區、區群與頻率重用

小區形狀的確定

小區的實際覆蓋想象的覆蓋理想的覆蓋實際的覆蓋22

無線區群構成

區群內每個小區使用不同的頻率

區群的形狀能夠無縫覆蓋整個區域

區群間同頻小區的距離保持相等

無線區群的幾種形狀N=3N=4N=723

無線區群N的數目

N=i2+ij+j2其中，i與j是正整數，（i>=0,j>=0,i+j>0）

ij同頻小區之間距離D小區半徑r同頻復用因子Q＝D／r24

無線區群N的數目

N=i2+ij+j225二、信道總數與頻率重用6754321675432167543216754321675432167543216754321蜂窩通信的基本原理26

頻率重用與同信道干擾6754321675432167543216754321675432167543216754321全向天線中心激勵的同信道干擾1111111276754321675432167543216754321675432167543216754321定向天線頂點激勵的同信道干擾1111111

頻率重用與同信道干擾28三、小區分裂

分裂前小區結構675432167543216754321675432167543216754321675432167543216754321分裂后小區結構29

四、

過境切換

BSBSBSBSBSBSBSMSC:掃描接收、判定位置、準備信道、切換信道市話局302.3信道分配策略

1、固定分配（2）分區分組配置法原則

＊盡量減小占用的總頻段，以提高頻段的利用率；＊同一區群內不能使用相同的信道，以避免同頻干擾；＊小區內采用無三階互調的相容信道組，以避免互調干擾。

312.3信道分配策略

1、固定分配（1）分區分組配置法舉例設給定的頻段以等間隔劃分為信道，按順序分別標明各信道的號碼為：1，2，3，…。若每個區群有7個小區，每個小區需6個信道，按上述原則進行分配，可得到：第一組1、5、14、20、34、36

第二組2、9、13、18、21、31

第三組3、8、19、25、33、40

第四組4、12、16、22、37、39

第五組6、10、27、30、32、41

第六組7、11、24、26、29、35

第七組

15、17、25、28、38、42322.3信道分配策略

1、固定分配（1）分區分組配置法特點避免三階互調；但未考慮同一信道組中的頻率間隔，可能會出現較大的鄰道干擾。每組信道數增加時，頻譜利用率降低。332.3信道分配策略

（1）分區分組配置法無三階互調信道組校驗方法

在一個信道組內，若任意兩個信道序號的差值均不相等，則該信道組是無三階互調的信道組。342.3信道分配策略

1、固定分配（2）等頻距配置法

1．方法按等頻率間隔來配置信道的，只要頻距選得足夠大，就可以有效地避免鄰道干擾。這樣的頻率配置可能正好滿足產生互調的頻率關系，但正因為頻距大，干擾易于被接收機輸入濾波器濾除而不易作用到非線性器件，這也就避免了互調的產生。。352.3信道分配策略

1、固定分配（2）等頻距配置法

舉例

等頻距配置時可根據群內的小區數N來確定同一信道組內各信道之間的頻率間隔，例如，第一組用（l，1＋N，l＋2N，l＋3N，…），第二組用（2，2＋N，2＋2N，2＋3N，…）等。例如N=7，則信道的配置為：

第一組1、8、15、22、29、…

第二組2、9、16、23、30、…

第三組3、10、17、24、31、…

第四組4、11、18、25、32、…

第五組5、12、19、26、33、…

第六組6、13、20、27、34、…

第七組7、14、21、28、35、…36若按N=7，采用頂點激勵

372.3信道分配策略

2、動態分配法（1）引入原因以上講的信道配置方法都是將某一組信道固定配置給某一基站，這只能適應移動臺業務分布相對固定的情況。事實上，移動臺業務的地理分布是經常會發生變化的，如早上從住宅區向商業區移動，傍晚又反向移動，發生交通事故或集會時又向某處集中。此時，某一個小區業務量增大，原來配置的信道可能不夠用了；而相鄰小區業務量小，原來配置的信道可能有空閑；小區之間的信道又無法相互調劑，因此頻率的利用率不高。這就是固定配置信道的缺陷。

382.3信道分配策略

2、動態分配法（2）方法為了進一步提高頻率利用率，使信道的配置能隨移動通信業務量地理分布的變化而變化，有兩種辦法；

＊動態配置法——隨業務量的變化重新配置全部信道；如能理想地實現，頻率利用率可提高20％一50％，但要及時算出新的配置方案，且能避免各類干擾，電臺及天線共用器等裝備也要能適應，這是十分困難的。

＊柔性配置法——準備若干個信道，需要時提供給某個小區使用。控制比較簡單，只要預留部分信道使各基站都能共用，可應付局部業務量變化的情況，是一種比較實用的方法。

392.4切換策略

定義:切換是移動臺與基站間的通信鏈路從當前基站轉移到另一個基站的過程。又稱為自動鏈路轉移ALT（AutomaticLinkTransfer）。切換的目的：保證當前通話中的MS越出小區當前蜂窩小區時，現有通話不中斷；另外，當通話中的MS改變小區時能明顯避開強干擾時，且MS優選小區擁塞時，MS切換到臨近小區。

402.4切換策略

為了適應這些要求，系統設計者必須要指定一個起動切換的最恰當的信號強度。一旦將某個特定的信號強度指定為基站接收機中可接受的話音質量的最小可用信號:Pr最小可用電平=-90dBm到～100dBm．Pr切換>Pr最小可用電平

Δ＝Pr切換-Pr最小可用電平切換過程中要掌握移動臺的速度412.4切換策略

圖2.3說明切換的情況422.4切換策略

圖2.3說明切換的情況432.4切換策略

越區切換的準則（參數控制） 在決定何時需要進行越區切換時,通常是根據移動臺處接收的平均信號強度。也可以根據移動臺處的信噪比（或信干比）、誤比特率等參數來確定。

1）相對信號強度準則：在任何時候都選擇具有最強接收信號的基站。這種準則的缺點是：在原基站的信號強度仍滿足要求的情況下，會引發太多不必要的越區切換。442.4切換策略

2）具有門限規定的相對信號強度準則：僅允許移動用戶在當前基站的信號足夠弱（低于某一門限），且新的基站強于本基站的信號情況下，才可以進行越區切換。門限選擇很重要。如果太高，則與準則1相同，若太低，則可能會因鏈路質量較差而導致通信中斷。

3）具有滯后余量的相對信號強度準則：僅允許移動用戶在新的基站的信號強度比原基站信號強度強很多（即大于滯后余量）的情況下才進行越區切換。可以防止“乒乓效應”。452.4切換策略

4)具有門限規定和滯后余量的相對信號強度準則：具有滯后余量和門限規定的相對信號強度準則：僅允許移動用戶在當前基站的信號強度低于規定門限并且新基站的信號強度高于當前基站一個給定滯后余量時進行越區切換。

462.4切換策略

切換控制（過程控制）在第一代模擬蜂窩系統中，信號能量的檢測是由基站來完成、由MSC來管理.

基站設置一備用的定位接收機（由MSC控制）來完成，用來監視相鄰基站中的有切換可能的MS的信號能量，MSC根據每個基站的定位接收機的數據來決定是否切換，47

2.4切換策略

BSBSBSBSBSBSBSMSC:掃描接收、判定位置、準備信道、切換信道市話局482.4切換策略

移動臺輔助MAHO：IS-95和GSM

在第二代的TDMA數字移動通信系統中，切換是由MS來輔助完成的。MS檢測周圍基站的下行信號能量，并且將這些檢測數據連續的回送到當前為它服務的基站。當從一個相鄰小區的基站中接收到的信號能量比當前基站的高出一定電平時，或維持一段時間時，就準備切換。這種方式在切換頻繁的微蜂窩環境下特別實用。

492.4.1優先切換使切換具有優先權的一種辦法叫做信道監視方法，即保留小區中所有可用信道的一小部分。專門為那些可能要切換到該小區的通話所發出的切換請求服務。缺點改進502.4.2實際切換中需要注意的事項切換與移動速度切換與系統容量覆蓋方式的改進512.4.2實際切換中需要注意的事項切換與移動速度切換與系統容量覆蓋方式的改進什么是“小區拖尾”切換的處理方式1)

硬切換新的連接建立前，先中斷舊的連接2)

軟切換維持舊的連接，又同時建立新的連接，并利用新舊連接的分集合并來改善通信質量，當與新基站建立可靠連接之后再中斷舊連接。

522.5

干擾和系統容量

干擾是蜂窩系統性能的主要限制因素。干擾是增加系統容量的瓶頸。干擾源包括同一小區的其他MS、相鄰簇的相同頻率的基站、非蜂窩干擾。分為：同頻干擾、鄰頻干擾。特點：難以控制，原因是隨機的多徑。

532.5干擾和系統容量

干擾是蜂窩無線系統性能的主要限制因素。干擾是增加容量的一個重要瓶頸，而是常常導致掉話。蜂窩系統兩種主要的干擾是：同頻干擾和鄰頻干擾。542.5.1同頻干擾和系統容量

頻率復用意味著在一個給定的覆蓋區域內，存在著許多使用同一組頻率的小區。這些小區稱為同頻小區。這些小區之間的信號干擾叫做同頻干擾。同頻干擾不能簡單的通過增大發射機的發射功率來克服。這是因為增大發射率會增大對相鄰同頻小區的干擾。解決辦法：通過系統設計，增大同頻小區間的距離552.5.1同頻干擾和系統容量

若如果每個小區的大小都差不多，基站也都發射相同的功率，則同頻干擾比例與發射功率無關，而變為小區半徑(月)和相距最近的同頻小區的中心之間距離(D)的函數。增加D／r(R)及的值，相對于小區的覆蓋距離，同頻小區間的空間隔離就會增加，從而來自同頻小區的射頻能量減小而使干擾減小。參數Q

同頻復用比例，56

同頻干擾和系統容量

N=i2+ij+j2其中，i與j是正整數，（i>=0,j>=0,i+j>0）

ij同頻小區之間距離D小區半徑r同頻復用因子Q＝D／r57

同頻干擾和系統容量

581、2個同頻小區之間的干擾591、2個同頻小區之間的干擾[S/I]為dB602、多個同頻小區之間的干擾612、多個同頻小區之間的干擾

對移動通信信道的測量表明，在任一信道接收的平均信號能量隨基站發射機和MS間的距離的冪指數下降。在距離發射天線d處接收到的平均信號功率Pr可以由下式來估算:Pr=P0(d/d0)-n指數在市區一般為2到4之間。設基站發射功率相同，整個覆蓋區的衰減指數相同。

622、多個同頻小區之間的干擾632、多個同頻小區之間的干擾642.5.2鄰頻干擾

鄰頻干擾：來自所使用信號頻率的相鄰頻率的信號干擾。l

由于接收濾波器不理想，使得相鄰頻率的信號泄漏到了傳輸帶寬內而引起的。l

發信機在相鄰頻道內的邊頻分量。例如FM信號的頻譜是很寬的。理論上說，調頻信號含有無窮多個邊頻分量，當其中某些邊頻分量落入鄰道接收機的通帶內，就會造成鄰道干擾。652.5.2鄰頻干擾

遠近效應：基站附近的發射機（MS或非蜂窩系統的發射裝置）對遠距離MS的通信信道的鄰頻干擾。如圖所示。

K信道K+1信道662.5.2鄰頻干擾

克服鄰頻干擾的措施：1）提高濾波器的選擇性2）提高發信機的頻率穩定度和準確度，以及降低頻譜擴散度3）對移動臺進行功率控制4）基站天線附近設置場強吸收裝置，使遠區場強不受影響5)改進信道分配策略，使小區的信道間隔盡可能的大。

672.5.3功率控制

在實際的蜂窩系統中，每個MS的發射功率是受控于服務基站的，這是為了保證每個MS的發射功率最小，以保持反向鏈路的良好質量。功率控制不僅有助于延長MS的電池壽命，而且可以顯著地減小系統中反向信道的S/I。以后我們將認識到，FDMA和TDMA的系統容量是帶寬受限的，而CDMA是干擾受限的，因此，功率控制對于CDMA系統來說更為重要。

68功率控制技術前向功率控制前向功率控制的作用減小對相鄰小區移動用戶的干擾小區呼吸功能的實現前向功率控制的實現前向功率控制隨移動臺功率調整而變化前向功率控制隨小區業務量實時調整為了滿足每個業務信道前向功率控制的需要，考慮[+6dB，-6dB]的調整范圍，最小的調節步長為0.125dB69反向功率控制反向開環功率控制控制移動臺起呼時功率移動臺以導頻功率為參考依據反向閉環功率控制目的：使各個移動臺發送的功率正好滿足解調要求。實現途徑：在話音解碼時計算誤幀率，由基帶處理插入功率控制比特702.6中繼和服務等級

1中繼的基本概念什么是中繼？是信號轉接？是群線？是信道共用？2什么是話務量？用什么來衡量？3中繼理論中的基本概念建立時間：給正在請求的用戶分配一個無線信道所需要的時間阻塞呼叫：由于擁塞而遭受拒絕的呼叫保持時間：通話平均保持時間（H以秒為單位）話務量強度：信道的平均占用率Erlang為單位（A）負載：整個系統的話務量強度服務等級GOS：阻塞率請求速率：單位時間內平均的呼叫次數，表示為

/秒。

712.6中繼和服務等級

每個用戶提交的話務量強度等于呼叫請求速率乘以保持時間。也就是，每個用戶產生的話務量強度表示為：Au=

H（忙時話務量）對于一個有U個用戶和不確定數目的信道的系統，總共的話務量A為：A=UAu

在一個有C個信道

的中繼系統中，如果話務量是在信道中平分的話，則每個信道的話務量強度Ac為：Ac=UAu/C

722.6中繼和服務等級

提供的話務量并不是中繼系統所承載的話務量，只是提供給系統的話務量。最大可能承載的話務量決定于信道總數，表示為C，以Erlang為單位。4中繼系統有兩種：(1)塞呼叫清除系統：對每一個請求服務的用戶，有空閑信道則進入，無則被拒絕。->ErlangB公式(2)阻塞呼叫延遲：如果不能立即獲得一個信道，呼叫請求一直延遲到有信道空閑為止。用一個隊列來保存阻塞呼叫。它的GOS定義為呼叫在隊列中等待了一定時間后被阻塞的概率。

732.6中繼和服務等級

表2.4ElangB系統的容量742.6中繼和服務等級

1中繼的基本概念什么是中繼？是信號轉接？是群線？是信道共用？2什么是話務量？用什么來衡量？3中繼理論中的基本概念建立時間：給正在請求的用戶分配一個無線信道所需要的時間阻塞呼叫：由于擁塞而遭受拒絕的呼叫保持時間：通話平均保持時間（H以秒為單位）話務量強度：信道的平均占用率Erlang為單位（A）負載：整個系統的話務量強度服務等級GOS：阻塞率請求速率：單位時間內平均的呼叫次數，表示為

/秒。

752.6中繼和服務等級

每個用戶提交的話務量強度等于呼叫請求速率乘以保持時間。也就是，每個用戶產生的話務量強度表示為：Au=

H（忙時話務量）對于一個有U個用戶和不確定數目的信道的系統，總共的話務量A為：A=UAu

在一個有C個信道

的中繼系統中，如果話務量是在信道中平分的話，則每個信道的話務量強度Ac為：Ac=UAu/C

762.6中繼和服務等級

提供的話務量并不是中繼系統所承載的話務量，只是提供給系統的話務量。最大可能承載的話務量決定于信道總數，表示為C，以Erlang為單位。4中繼系統有兩種：(1)塞呼叫清除系統：對每一個請求服務的用戶，有空閑信道則進入，無則被拒絕。->ErlangB公式(2)阻塞呼叫延遲：如果不能立即獲得一個信道，呼叫請求一直延遲到有信道空閑為止。用一個隊列來保存阻塞呼叫。它的GOS定義為呼叫在隊列中等待了一定時間后被阻塞的概率。

772.6中繼和服務等級

表2.4ElangB系統的容量78ElangB系統的容量圖79ElangC系統的容量圖802.7提高蜂窩系統容量

隨著移動服務需求的提高，分配給每個小區的信道數最終變得難以支持所要達到的用戶數，需要蜂窩設計技術來給單位覆蓋區域提供更多的信道。在實際中，采用小區分裂、裂向和覆蓋區域逼近等技術來增大蜂窩系統的容量。812.7提高蜂窩系統容量

2.7.1

小區分裂思想：將小區劃分為更小的小區，稱為微小區。各微小區相應地降低天線高度和減小發射功率。小區數的增加，將增加覆蓋區域內的簇數目，提高了信道的復用次數，從而提高系統容量。822.7提高蜂窩系統容量

2.7.1

小區分裂

分裂前小區結構67543216754321675432167543216754321675432167543216754321分裂后小區結構832.7提高蜂窩系統容量

2.7.1

小區分裂

842.7提高蜂窩系統容量

2.7.1

小區分裂新小區的發射功率可以通過檢查在新的和舊的小區邊界接收到的功率Pr,并令它們相等來得到。

Pr[舊小區邊界上]

Pt1R-n Pr[新的小區邊界上]

Pt2R-n N為衰減指數，設為4

則Pt2=Pt1/16

852.7.1

小區分裂

實際應用中情況:1、不是所有的小區同時分裂。

2、小區分裂要注意到切換問題。

3、小區分裂后的同頻道干擾。

862.7提高蜂窩系統容量

2.7.2

劃分扇區

劃分扇區的優越性同頻干擾減小的程度取決于扇區數目。通常采用3扇區或6扇區技術。

123456123872.7提高蜂窩系統容量

2.7.2

劃分扇區

假設為7小