蜂窝的概念：系统设计基础河南大学物理与电子学院主要内容提高蜂窝系统容量背景早期移动通信系统的设计目标是通过使用安装在高塔上的、单个的大功率发射机而获得一个大面积的覆盖范围。虽然这种方式能获得很好的覆盖，但它同时也意味着在系统中不能重复使用相同的频率，因为复用频率将导致干扰。例如，70年代纽约的贝尔移动系统最多能支持1000平方英里内的12个同时呼叫。开始调整移动通信的系统结构，以使其通过有限的无线频率获得大容量的通信，同时又能覆盖大面积的范围，迫在眉睫。无线通信系统的术语定义移动无线系统中的固定站台，用户和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域的中央或边缘包含无线信道和架在塔上的发射、接收天线。基站担当的就像桥的功能，将小区中的所有用户的通话通过电话线或微波线路连到MSC(移动交换中心)。MSC协调所有基站的操作，并将整个蜂窝系统连到PSTN(电话网）上去。基站包括有几个同时处理全双工通信的发送器、接收器和支撑几个发送和接收天线)控制信道（Controlchannel）用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标志及控制用途；(3)前向信道（ForwardLinkchannel）(4)反向信道（ReverseLinkchannel）同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道(例如FDD)，而新的无绳或个人通信系统使用TDD技术；使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息；将移动站从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程；在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端。移动台可以是便携的手持部件，或是安装在移动车辆上的设备；(9).移动交换中心MSC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到公用交换电话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局；典型的MSC可容纳10万个用户，并能同时处理5000个通话，同样还提供计费和系统维护功能。在大城市里，几个MSC可以使用同一载波。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；(11).漫游只提供单向通信的通信系统(信息只被接受，不被确认的(如寻呼)系统中，都是单工系统)能同时发送和接收无线概述蜂窝概念是解决频率不足和用户容量的一个重大突破。蜂窝概念是一种系统级的概念，其思想是用许多小功率（小覆盖区）的发射机来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。蜂窝通信系统就是将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，由可在移动交换中心（MSC）的统一控制下，实现小区之间的移动用户通信的转接。每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右，甚至500m。在每个小区设立一个基站（BS）为本小区范围内的用户服务。特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐会出现新的问题：系统复杂、越区切换、漫游、位置登记、更新和管理、以及系统鉴权等。蜂窝的分类蜂窝小区的形状正六边形小区结构六边形在三种几何形状当中具有最大的中心间隔和覆盖面积，而重叠区域宽度和重叠区域的面积又最小。所以小区都采用正六边形小区结构，形成蜂窝状分布。这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。正六边形最接近于圆形的天线覆盖模式(与正方形、等边三角形比较而言)。区域覆盖带状服务区宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形。带状服务区可进行频率再利用。若采用不同信道的两个小区组成一个区群（在一个区群内各小区使用不同的频率，不同的区群可使用相同的频率)，称为双频制。从造价和频率资源的利用而言，双频制当然最好；但从抗同频道干扰而言，双频制最差，应考虑多频制（如三频制）。蜂窝覆盖形式的系统3.2频率复用（频率规划）概念：为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程。思想：为每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道用于称作小区的一个小地理范围内，给相邻小区的基站分配另一个信道组，基站天线要设计的能获得某一特定小区内期望的覆盖，这样相同的信道组就可以覆盖不同的小区，只要这些小区两两之间相隔的距离足够远，就可以使相互间的干扰水平在可接受的界限之内。图3.1说明了蜂窝频率复用的思想，在该图中标有相同字母的小区使用相同的信道组。频率复用设计是基于地图之上的，指明在哪儿使用了不同的频率信道。图3.1所示的六边形小区是概念上的，是每个基站的简化覆盖模型。图3.1蜂窝频率复用思想的图解标有相同字母的小区使用相同的频率。小区簇的外围轮廓用粗体描过，并在覆盖区域上进行复制。在本例中，簇的大小N为7，频率复用因子为1/7，因为每个小区都有可用信道总数的七分之一。当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心(中心激励小区)或者安置在六边形小区顶点之中的三个上(顶点激励小区)。通常，全向天线用于中心激励小区，而扇形天线用于顶点激励小区。实际上，一般不允许基站完全地按照六边形设计图案来安置。大多数的系统设计都允许将基站安置的位置与理论上理想的位置有1/4小区半径的偏差。顶点激励：基站设在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120度扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域。频率复用考虑一个系统共有S个可用的双向信道蜂窝系统，如果每个小区都分配K个信道，并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数为：S=KN（3.1）如果簇在系统同复制了M次，则信道的总数C可以作为容量的一个度量：C=MKN=MS（3.2）频率复用:蜂窝系统的容量从式(3.2)中可以看出，蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定服务范围内复制的次数成比例。如果簇的大小N减小而小区的数目保持不变，则需要更多的族来覆盖给定的范围，从而获得了更大的容量(更大的C值)。一个大簇意味着小区半径与同频小区间距离的比例更大。相反的，一个小簇意味着同频小区间相距的更近。N的值则表现了移动台或基站可以承受的干扰，同时保持令人满意的通信质量。从设计的观点来看，N取可能的最小值是最好的，目的是为了获得某一给定覆盖范围上的最大容量(式(3.2)中C的最大蜂窝系统的频率复用因子为1/N，因为一个族中的每个小区都只分配给系统中所有可用信道的1/N。实际工作中N尽可能的取小的数值，但N=3除外，因为N=3一般用于微小区。构成簇的簇（cluster）：共同使用全部可用频率的K个小区叫做一簇。相邻小区簇中，同频道的小区间距离相等，且距离最大。满足这些条件的簇的形状和簇内小区数的取值不是任意的。为了使相邻小区间无空隙，每个簇的小区数量N，一般满足：小区簇中的小区数量为N，N即簇的大小，典型值为4，7，12或者19； 簇的组成 簇的组成 频率复用因子 小区簇中的小区数量为N，N即簇的大小，频率复用因子即为1/N。 因为一个簇中的每个小区都只分配给系统中所有可用信道的1/N。 确定同频小区的方法 为了找到某一特定小区的相距最近的同频相邻小区，必须按以下步骤进行： (2)逆时针旋转60度再移动j个小区。确定同频小区的方法 出发，（1）先沿垂直于六边形的边的方向前进，越过 个小区，到达的小区就是与 A同频的小区。 如果i=j，那就是顺时针方向。 同频小区距离 所以，簇内小区数越多（N越大） 区之间的距离就越远，从而抗同频干扰的能力也就越强。 但是，簇内小区数越多（N越大） ，频率的 利用率就下降了。所以，在满足同频干扰值 的条件下，应尽可能取小N的值。 小区图案和频率复用例3.1 一个FDD系统，带宽为33MHz，使用两个25KHz的单向信道作为双向的话音和信令信道， 当系统为（a）4小区复用，（b）7小区复用， （c）12小区复用情况时，计算每一小区的信 道数量。如果其中已有1MHz作为信令信道使 用，确定在以上三种系统中，每小区的信令信 道和话音信道的均匀分配方案。 总带宽=33MHz 信道带宽=25KHz*2单向信道 信令信道占用1MHz频谱意味着信令占用了660个可用信道中的1000/50=20个信道。 要均匀地分配信令和话音信道，只需简单地， 在任何可能的地方，给每个小区分配相同数目 的信道。在这里，660个信道必须在簇中均匀 地分配。 实际上，只有640个信道需要分配，因为信令信道是独立的给每一个小区分配一个的。 N=4时，每个小区可以有5个信令信道和160个话音信道。然而，在实际当中，每个小区只需一个信令信道(信令

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