第4章移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4.1概述4.2頻率復(fù)用技術(shù)和系統(tǒng)容量4.3移動(dòng)性管理4.4蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

4.1概述

在通信領(lǐng)域中，人類(lèi)有一個(gè)夢(mèng)想，那就是實(shí)現(xiàn)無(wú)論任

何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何方式的信息

交流，即個(gè)人通信。這就是人類(lèi)在通信領(lǐng)域的最高目標(biāo)。

近年來(lái)飛速發(fā)展的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)正在使這一夢(mèng)想逐漸

變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。4.1.1移動(dòng)通信的概念及特點(diǎn)

移動(dòng)通信與固定點(diǎn)間通信相比，具有下列特點(diǎn)：

(1)移動(dòng)通信的傳輸信道必須使用無(wú)線(xiàn)電波傳播。

(2)電波傳播特性復(fù)雜。

(3)干擾多而復(fù)雜。

(4)組網(wǎng)方式多樣靈活。

(5)對(duì)用戶(hù)終端設(shè)備的要求更為苛刻。

(6)用戶(hù)量大而頻率有限。4.1.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本組成

移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1-5所示。典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)通常由移動(dòng)臺(tái)(MS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)構(gòu)成。移動(dòng)交換中心(MSC)是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的核心。4.1.3移動(dòng)通信的分類(lèi)

移動(dòng)通信的分類(lèi)方法多種多樣，按使用的對(duì)象可分為民用通信和軍用通信；按使用環(huán)境可分為陸地通信、海上通信、空中通信；按多址方式分為頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址等；按覆蓋范圍可分為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和局域網(wǎng)等；按業(yè)務(wù)類(lèi)型可分為電話(huà)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、多媒體網(wǎng)；按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、同頻雙工、異頻雙工和半雙工；按服務(wù)范圍可分為專(zhuān)用網(wǎng)和公用網(wǎng)；按信號(hào)形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。

4.2頻率復(fù)用技術(shù)和系統(tǒng)容量

4.2.1頻率復(fù)用技術(shù)

1.區(qū)域劃分

1)小容量的大區(qū)制

大區(qū)制是指一個(gè)基站覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)，如圖4-1所示。圖4-1大區(qū)制移動(dòng)通信示意圖

2)大容量的小區(qū)制

小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率復(fù)用和覆蓋有兩種：帶狀服務(wù)覆蓋區(qū)和面狀服務(wù)覆蓋區(qū)。

小區(qū)制就是把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分為若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)內(nèi)移動(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)和控制，同時(shí)還要在幾個(gè)小區(qū)之間設(shè)置移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心，做到統(tǒng)一控制各小區(qū)之間用戶(hù)的通信接續(xù)，以及移動(dòng)用戶(hù)與市話(huà)用戶(hù)的聯(lián)系。小區(qū)制的示意圖如圖4-2所示。圖4-2小區(qū)制移動(dòng)通信示意圖

(1)帶狀網(wǎng)。帶狀網(wǎng)主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸等條帶形的業(yè)務(wù)區(qū)域，如圖4-3所示。圖4-3帶狀網(wǎng)示意圖設(shè)n頻制帶狀網(wǎng)的頻率復(fù)用示意圖如圖4-4所示。每一個(gè)小區(qū)的半徑為r，相鄰小區(qū)的交疊寬度為a，第n+1區(qū)與

第1區(qū)為同頻道小區(qū)。據(jù)此可算出信號(hào)傳輸距離dS和同頻

干擾傳輸距離dI之比。若認(rèn)為傳輸損耗近似與傳輸距離的

四次方成正比(可參考第2章的雙線(xiàn)傳播模型)，則在最不利的情況下可得到相應(yīng)的同頻干擾，如表4-1所示。圖4-4n頻制帶狀網(wǎng)的頻率復(fù)用示意圖

(2)蜂窩網(wǎng)。在平面區(qū)域內(nèi)劃分小區(qū)，通常組成蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)。在帶狀網(wǎng)中，小區(qū)呈線(xiàn)狀排列，區(qū)群的組成和同頻道小區(qū)距離的計(jì)算都比較簡(jiǎn)單，而在平面分布的蜂窩網(wǎng)中，這是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。在平面分布的面狀網(wǎng)中，小區(qū)分布形成密集排列，根據(jù)所覆蓋的面積不同會(huì)形成多種形式的小區(qū)的疊加。

全向天線(xiàn)輻射的覆蓋區(qū)是一個(gè)圓形。為了不留空隙地覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)平面，一個(gè)個(gè)圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實(shí)際上每個(gè)輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)多邊形。根據(jù)交疊情況不同，有效覆蓋區(qū)可為正三角形、正方形或正六邊形，如圖4-5所示。圖4-5不同多邊形的小區(qū)形狀各類(lèi)蜂窩小區(qū)的特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

①宏蜂窩。

②微蜂窩。

③微微蜂窩。

2.區(qū)群及頻率復(fù)用

1)區(qū)群

區(qū)群(cluster)是指使用不同頻率組的一組小區(qū)。在區(qū)群之間可進(jìn)行頻率復(fù)用。

為了保證同信道小區(qū)之間有足夠遠(yuǎn)的距離，以確保同頻干擾滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，相鄰近的若干小區(qū)都不能使用相同的信道。這些不同信道的小區(qū)就組成了一個(gè)區(qū)群，只有不同區(qū)群的小區(qū)才能進(jìn)行頻率復(fù)用。

區(qū)群中的小區(qū)組成應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是區(qū)群之間要鄰接，且無(wú)縫隙、無(wú)重疊地進(jìn)行覆蓋；二是鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個(gè)相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。滿(mǎn)足上述條件的區(qū)群形狀和區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)不是任意的。可以證明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足下式：

(4-2-1)

式中，i、j為正整數(shù)(且不能同時(shí)為零)。由此可算出N的可能取值有1、3、4、7、9、12、13、16、19…。相應(yīng)的區(qū)

群形狀舉例如圖4-6所示。圖4-6區(qū)群形狀舉例示意圖

2)同頻小區(qū)及頻率復(fù)用

第一代蜂窩系統(tǒng)采用頻分多址技術(shù)，小區(qū)半徑是2～

20km。只要小區(qū)離得足夠遠(yuǎn)并且信號(hào)之間不相互影響，

相同的頻率或信道就可以再用。圖4-7中，由7個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)區(qū)群，再由若干區(qū)群覆蓋一個(gè)服務(wù)區(qū)。圖4-7頻率復(fù)用的說(shuō)明及同頻小區(qū)的確定示意圖

3.信道分配

1)固定信道分配方式

固定信道分配方式將所有信道分成n組，每個(gè)小區(qū)固定使用其中的一組，并且要考慮到每組中的信道不會(huì)形成明顯的干擾。固定信道分配方式主要有分區(qū)分組配置法(不產(chǎn)生三階互調(diào)干擾)和等頻距配置法(要求n值足夠大)兩種。

(1)分區(qū)分組配置法。該法的原則如下：

①盡量減小占用的總頻段，以提高頻段的利用率。

②同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道，以避免同頻干擾。

③小區(qū)內(nèi)采用無(wú)三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)干擾。例如，按順序?qū)π诺肋M(jìn)行編號(hào)，在其中選取編號(hào)為①、③、④、的信道為一個(gè)信道組時(shí)，利用差值陣列法討論以下判定是否為無(wú)三階互調(diào)信道組。差值陣列法是：將選取的編號(hào)進(jìn)行相減運(yùn)算，所得到的差值形成一個(gè)陣列。

(2)等頻距配置法。

該法按等頻率間隔對(duì)信道進(jìn)行配置，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(mǎn)足產(chǎn)生互調(diào)的頻率關(guān)系，但正因?yàn)轭l距大，干擾易于被接收機(jī)輸入濾波器濾除而不易作用到非線(xiàn)性器件，這也就避免了互調(diào)干擾的產(chǎn)生。

2)動(dòng)態(tài)信道分配方式

固定信道配置方式只能適應(yīng)移動(dòng)臺(tái)業(yè)務(wù)分布相對(duì)固定的情況。

動(dòng)態(tài)信道分配方式又可分為動(dòng)態(tài)配置法和柔性配置法兩種。

4.2.2干擾和系統(tǒng)容量

1.同頻干擾

1)同頻干擾的定義

同頻干擾是指兩個(gè)相同頻率的不同信號(hào)產(chǎn)生的干擾。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用頻率復(fù)用技術(shù)，這樣同頻小區(qū)之間就會(huì)存在同頻干擾。若同頻小區(qū)間的距離很近，則產(chǎn)生的同頻干擾可能會(huì)很?chē)?yán)重。

2)影響同頻再用距離的因素

影響同頻再用距離的因素如下：

(1)調(diào)制方式。

(2)電波傳播特性。(一般按雙線(xiàn)模型分析，傳播損耗為

(3)小區(qū)半徑。

(4)工作方式，如采用同頻單工、異頻雙工等方式對(duì)同頻再用也會(huì)起一定影響。

(5)可靠通信概率。

3)同頻再用距離與小區(qū)半徑之間的關(guān)系

假設(shè)基站A和B使用相同的頻道，移動(dòng)臺(tái)M正在接收基站A發(fā)射的信號(hào)，由于基站天線(xiàn)高度大于移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度，因此當(dāng)移動(dòng)臺(tái)M處于小區(qū)的邊沿時(shí)，它從基站A收到的信號(hào)最弱，這時(shí)最易于受到基站B發(fā)射的同頻道干擾。假如這時(shí)輸入到移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的有用信號(hào)與同頻道干擾之比等于射頻防護(hù)比，則此時(shí)A、B兩基站之間的距離即為同頻再用距離，記做D。由圖4-8可見(jiàn)：

(4-2-2)圖4-8同頻再用距離通常，定義同頻再用系數(shù)為

同頻再用系數(shù)有時(shí)也叫做同頻復(fù)用因子。由式(4-2-2)可得同頻再用系數(shù)為

(4-2-3)在此基礎(chǔ)上，根據(jù)雙線(xiàn)模型傳播損耗公式，以dB為單位可表示為

(4-2-4)

設(shè)干擾信號(hào)和有用信號(hào)的傳播損耗中值分別用LI和LS表示，分別以DI和DS取代式(4-2-4)中的d可得到

(4-2-5)

(4-2-6)所以傳播損耗之差為

(4-2-7)設(shè)A基站和B基站的發(fā)射功率均為PT，則移動(dòng)臺(tái)M接收機(jī)的輸入信號(hào)功率和共頻道干擾功率分別為由式(4-2-2)可以得到，滿(mǎn)足信噪比時(shí)同頻再用距離D與小區(qū)半徑r0之間的關(guān)系為

(4-2-12)

其中，D/r0(同頻再用距離/小區(qū)半徑)稱(chēng)為同頻復(fù)用因子。

例4-1

若某系統(tǒng)的射頻防護(hù)比為8dB，小區(qū)半徑為r0，求同頻再用距離。

解：根據(jù)式(4-2-11)可求得

則同頻再用距離D=DI+r0=2.6r0。若考慮到快衰落及慢衰落，射頻防護(hù)比［S/I］將大于

8dB。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，按無(wú)線(xiàn)小區(qū)內(nèi)可靠通信概率為90%考慮，［S/I］約需25dB，這樣可得

4)區(qū)群中滿(mǎn)足同頻干擾條件下小區(qū)數(shù)的確定

設(shè)小區(qū)的輻射半徑(即正六邊形外接圓的半徑)為r，可得同信道小區(qū)中心之間的距離dg為

(4-2-13)

忽略背景噪聲，只考慮同頻干擾，移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)收到NI個(gè)小區(qū)的同道干擾，其信噪比為

(4-2-14)滿(mǎn)足射頻防護(hù)比時(shí)最小安全距離D為

(4-2-15)

要求dg≥D，則可得到

(4-2-16)

結(jié)論：給定［S/I］時(shí)就能確定區(qū)群中小區(qū)的數(shù)目。

例4-2

對(duì)于一個(gè)蜂窩網(wǎng)，當(dāng)要求射頻防護(hù)比［S/I］=18dB時(shí)，求區(qū)群中小區(qū)數(shù)目N的最小值。

解：依據(jù)公式(4-2-16)可得

整理得

再依據(jù)公式(4-2-1)可得N最小可以取7。

5)多個(gè)干擾源時(shí)的同頻干擾

如前所述，蜂窩系統(tǒng)中有許多小區(qū)共用相同的頻段，共用相同頻段的小區(qū)之間的物理距離至少應(yīng)為同頻再用距離。盡管我們對(duì)功率電平進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，以使同頻信道之間不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但是由于這些小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度不為0，所以還是會(huì)有一些干擾存在。在一個(gè)區(qū)群大小為7的蜂窩系統(tǒng)中，在以頻率復(fù)用距離為半徑的圓周上，將會(huì)有6個(gè)同頻小區(qū)，如圖4-9所示。圖4-9同頻小區(qū)的多源干擾

2.蜂窩系統(tǒng)的擴(kuò)容

1)小區(qū)分裂

小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小小區(qū)的方法，每個(gè)小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)地降低天線(xiàn)高度和減小發(fā)射機(jī)功率，因而能提高系統(tǒng)容量。這樣通過(guò)設(shè)定比原小區(qū)半徑更小的新小區(qū)和在原有小區(qū)間安置這些小區(qū)(叫做微小區(qū))，小區(qū)分裂提高了信道的復(fù)用次數(shù)，增加了單位面積內(nèi)的信道數(shù)目，從而增加了系統(tǒng)容量。

假設(shè)每個(gè)小區(qū)都按原半徑的一半來(lái)分裂，如圖4-10

所示。圖4-10小區(qū)分裂示意圖

2)裂向

通過(guò)使用定向天線(xiàn)來(lái)代替全向天線(xiàn)可以減小蜂窩系統(tǒng)中的同頻干擾。由于每個(gè)定向天線(xiàn)輻射只指向特定的扇區(qū)，所以每個(gè)小區(qū)將只接收同頻小區(qū)中一部分小區(qū)的干擾，從而減小了同頻干擾，提高了系統(tǒng)容量，這種技術(shù)稱(chēng)為裂向。使用裂向技術(shù)時(shí)，同頻干擾減小的程度取決于使用扇區(qū)的數(shù)目。通常一個(gè)小區(qū)劃分為3個(gè)120°的扇區(qū)或6

個(gè)60°的扇區(qū)。圖4-11(a)為采用全向輻射天線(xiàn)的小區(qū)，圖4-11(b)為采用120°定向天線(xiàn)的小區(qū)。圖4-11全向天線(xiàn)基站小區(qū)和定向天線(xiàn)基站小區(qū)

3)微小區(qū)

微小區(qū)是將三個(gè)或多個(gè)區(qū)域站點(diǎn)(發(fā)射機(jī)/接收機(jī))與一個(gè)單獨(dú)的基站相連，并且共享同樣的無(wú)線(xiàn)設(shè)備。各微小區(qū)之間用電纜、光纖或者微波方式與基站建立連接。多個(gè)微小區(qū)與一個(gè)基站組成一個(gè)小區(qū)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，由信號(hào)最強(qiáng)的微小區(qū)來(lái)服務(wù)。

4.3移動(dòng)性管理

與固定通信相比，移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)是用戶(hù)具有可移動(dòng)性。網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶(hù)移動(dòng)過(guò)程的管理稱(chēng)為移動(dòng)性管理。4.3.1位置管理

1.位置登記

蜂窩網(wǎng)的覆蓋區(qū)域分為若干個(gè)位置區(qū)LA，每個(gè)LA與一個(gè)MSC相連并有一個(gè)位置區(qū)識(shí)別碼LAI。MS從一個(gè)位置區(qū)移到另一個(gè)位置區(qū)時(shí)，必須在對(duì)應(yīng)LA的VLR中進(jìn)行登記。也就是說(shuō)，一旦MS發(fā)現(xiàn)其存儲(chǔ)器中的位置識(shí)別碼LAI與接收到的LAI發(fā)生了變化，便執(zhí)行登記。

2.位置更新

1)基于時(shí)間的位置更新方式

2)基于運(yùn)動(dòng)的位置更新方式

3)基于距離的位置更新方式

3.位置更新的不同情況

1)兩個(gè)小區(qū)同屬一個(gè)位置區(qū)時(shí)的移動(dòng)臺(tái)位置更新

2)同一個(gè)MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)兩個(gè)小區(qū)間的位置更新

當(dāng)在同一個(gè)MSC/VLR的不同位置區(qū)之間發(fā)生位置更新時(shí)，如圖4-12中的小區(qū)2和小區(qū)3，這兩個(gè)小區(qū)屬于同一個(gè)MSC/VLR管理的業(yè)務(wù)區(qū)，但不屬于同一位置區(qū)。圖4-12所屬M(fèi)SC/VLR與小區(qū)之間的關(guān)系

3)不同MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)兩個(gè)小區(qū)間的位置更新

當(dāng)MS從小區(qū)3移向小區(qū)5時(shí)，BTS5通過(guò)新的BSC把位置區(qū)信息傳到新的MSC/VLR。這就是不同MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)間的位置更新。

圖4-13表示了在不同MSC業(yè)務(wù)區(qū)之間的位置更新過(guò)程。圖4-13位置更新的網(wǎng)絡(luò)方案4.3.2切換控制

1.定義

切換是指移動(dòng)臺(tái)在通信過(guò)程中從一個(gè)BS覆蓋區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)BS覆蓋區(qū)，或者由于外界干擾造成通話(huà)質(zhì)量下降時(shí)，將原有信道轉(zhuǎn)接到一條新的空閑信道，以保持與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)連接的過(guò)程。切換應(yīng)盡可能少出現(xiàn)，切換過(guò)程中應(yīng)盡量保證移動(dòng)用戶(hù)的通信質(zhì)量，使移動(dòng)用戶(hù)基本感覺(jué)不到。切換需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)切換次數(shù)最小，這樣可以使通信中斷的概率降到最小，使各小區(qū)間的業(yè)務(wù)負(fù)荷達(dá)到平衡。

(2)通過(guò)正確選擇目標(biāo)小區(qū)和提高切換執(zhí)行效率，以減小切換時(shí)延，平衡各小區(qū)間的業(yè)務(wù)負(fù)荷。

(3)在遇到干擾時(shí)能夠保持可接受的通信質(zhì)量，在惡劣的無(wú)線(xiàn)傳輸條件下能恢復(fù)并支持通信，避免MS與網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路發(fā)生中斷。

(4)優(yōu)化頻率資源的使用效率。

(5)減小MS的功率消耗和全局干擾電平。

2.切換的分類(lèi)

1)按照切換目的分類(lèi)

2)按照通信鏈路的建立方式分類(lèi)

(1)硬切換。

(2)軟切換。

(3)TD-SCDMA系統(tǒng)的接力切換。

3)按照切換涉及的網(wǎng)元分類(lèi)

(1)小區(qū)內(nèi)切換。

(2)同一BSC內(nèi)切換。

(3)同一MSC不同BSC之間切換。

(4)不同MSC間切換。

(5)網(wǎng)絡(luò)間切換。

3.越區(qū)切換準(zhǔn)則

(1)相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則(準(zhǔn)則1)

(2)具有門(mén)限規(guī)定的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則(準(zhǔn)則2)

(3)具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則(準(zhǔn)則3)

(4)具有滯后余量和門(mén)限規(guī)定的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則(準(zhǔn)則4)圖4-14越區(qū)切換示意圖

4.切換的基本過(guò)程

在各種蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于基站天線(xiàn)的輻射方向、建筑物、樹(shù)木、山川和其他地形特征等原因，基站的覆蓋區(qū)域是不規(guī)則的，相鄰基站覆蓋區(qū)域會(huì)有較多重疊部分。覆蓋重疊是必需的，因?yàn)榍袚Q過(guò)程只能是移動(dòng)終端在重疊區(qū)域內(nèi)才進(jìn)行的。

切換可以分為無(wú)線(xiàn)測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)判決和系統(tǒng)執(zhí)行三個(gè)階段，如圖4-15所示。圖4-15切換的三個(gè)階段

5.切換控制方式

1)移動(dòng)臺(tái)控制的越區(qū)切換(MCHO)

2)網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換(NCHO)

3)移動(dòng)臺(tái)輔助的越區(qū)切換(MAHO)

6.蜂窩網(wǎng)絡(luò)中幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題的考慮

在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，特別是在城市中心地帶或城市商業(yè)區(qū)，這些區(qū)域是移動(dòng)臺(tái)比較集中的地方，而且不同用戶(hù)在通話(huà)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度往往具有很大的差別。當(dāng)處于同一地區(qū)的不同移動(dòng)臺(tái)其移動(dòng)速度變化范圍較大時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)遇到許多問(wèn)題。

圖4-16舉出了一個(gè)傘狀宏小區(qū)和微小區(qū)同點(diǎn)設(shè)置的例子。圖4-16傘狀小區(qū)設(shè)置4.4蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在所有的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、工程實(shí)施和運(yùn)營(yíng)的難度都是最大的。4.4.1蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的主要內(nèi)容

1.業(yè)務(wù)區(qū)域的基本特點(diǎn)分析

一個(gè)具體蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃首先要對(duì)需要提供服務(wù)區(qū)域的自然環(huán)境與人文特點(diǎn)進(jìn)行分析，分析內(nèi)容主要包括自然環(huán)境條件、所分配的無(wú)線(xiàn)頻譜所處的頻段、用戶(hù)特點(diǎn)等。自然環(huán)境條件包括地形地物特點(diǎn)、電波傳播特性等。用戶(hù)特點(diǎn)包括用戶(hù)類(lèi)型、用戶(hù)密度、用戶(hù)移動(dòng)性統(tǒng)計(jì)行為等。

2.蜂窩網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)

把握了業(yè)務(wù)區(qū)域的基本特點(diǎn)，就基本上掌握了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的資源和商業(yè)要求。在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)要考慮整個(gè)系統(tǒng)的覆蓋范圍、小區(qū)半徑、基站站址設(shè)置、頻率復(fù)用方案、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃等。4.4.2蜂窩無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程如圖4-17所示。圖4-17蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程4.4.3蜂窩系統(tǒng)業(yè)務(wù)量描述與業(yè)務(wù)量估計(jì)

一定區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量分布和覆蓋要求是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的依據(jù)之一。因此估計(jì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量是蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。每個(gè)用戶(hù)提供的業(yè)務(wù)量等于單位時(shí)間內(nèi)的平均呼叫次數(shù)乘以呼叫的平均保持時(shí)間。如果每個(gè)用戶(hù)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量、呼叫平均保持時(shí)間、單位時(shí)間內(nèi)的平均呼叫次數(shù)分別用

Au、H和λ表示，則

Au=λH

(4-4-1)

對(duì)于一個(gè)有U個(gè)用戶(hù)的系統(tǒng)，流入系統(tǒng)的總話(huà)務(wù)量A為

A=AuU

(4-4-2)如果這個(gè)蜂窩系統(tǒng)的信道數(shù)為C，并假設(shè)業(yè)務(wù)量是在信道之間平均分配的，則每個(gè)信道平均應(yīng)承擔(dān)的業(yè)務(wù)量Ac為

(4-4-3)對(duì)于采用阻塞呼叫清除處理方式的蜂窩系統(tǒng)，呼叫阻塞概率用愛(ài)爾蘭B公式計(jì)算：

(4-4-4)

愛(ài)爾蘭B公式也表征了阻塞呼叫清除系統(tǒng)的GoS。對(duì)于采用阻塞呼叫延遲處理方式的蜂窩系統(tǒng)，阻塞呼叫被延遲的概率用愛(ài)爾蘭C公式計(jì)算:

(4-4-5)

例4-3

假設(shè)一個(gè)人口為1500的縣級(jí)城市，預(yù)計(jì)在未

來(lái)5年中每年新增人口1000，預(yù)測(cè)蜂窩電話(huà)普及率為5%。在每天的商業(yè)及文化活動(dòng)高峰期，外部進(jìn)入該城市的人數(shù)可能高達(dá)5000，來(lái)訪(fǎng)人群中使用蜂窩電話(huà)的人數(shù)估計(jì)占8%，未來(lái)5年內(nèi)，預(yù)計(jì)來(lái)訪(fǎng)人數(shù)年增長(zhǎng)率為20%。該城市

主要道路的交通汽車(chē)流量為500輛/小時(shí)，其中10%的汽車(chē)

使用蜂窩電話(huà)，并假設(shè)這個(gè)數(shù)值在5年內(nèi)保持恒定。假設(shè)

移動(dòng)電話(huà)普及率的年增長(zhǎng)率為2%，根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算5年內(nèi)各年的業(yè)務(wù)量。解：根據(jù)上面給出的不同人群提供的業(yè)務(wù)量范圍，5年內(nèi)各年的業(yè)務(wù)量分別計(jì)算如下：

第一年業(yè)務(wù)量：1500×5%×0.02+5000×8%×0.1+500

×10%×0.2=51.5Erl

第二年業(yè)務(wù)量：2500×7%×0.02+5000×1.2×10%

×0.1+500×12%×0.2=75.5Erl

第三年業(yè)務(wù)量：3500×9%×0.02+5000×1.22×12%

×0.1+500×14%×0.2=106.7Erl

第四年業(yè)務(wù)量：4500×11%×0.02+5000×1.23×14%

×0.1+500×16%×0.2=146.86Erl

第五年業(yè)務(wù)量：5500×13%×0.02+5000×1.24×16%

×0.1+500×18%×0.2=198.188Erl4.4.4蜂窩無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最重要的是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基站布局的設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括：

(1)根據(jù)總的可用頻帶寬度決定頻率復(fù)用方式。

(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量。

(3)確定基站的理論位置。

(4)估算網(wǎng)絡(luò)容量。

(5)假定基站的有關(guān)參數(shù)(網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、發(fā)射功率、天線(xiàn)類(lèi)型、掛高、方向、下傾角等)。

1.基站站址設(shè)計(jì)

基站站址設(shè)計(jì)一般需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)站址應(yīng)盡量以滿(mǎn)足合理的小區(qū)結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，利用電子地圖和紙件地圖(最好帶有地物、地勢(shì)信息)綜合分析，在選取基站站址的過(guò)程中要求有備用站址。

(2)在不影響基站布局的情況下，盡量選擇現(xiàn)有的電信樓、郵電局作為站址，使其機(jī)房、電源、天線(xiàn)塔等設(shè)施得以充分利用。

(3)將天線(xiàn)的主瓣方向指向高話(huà)務(wù)密度區(qū)，可以加強(qiáng)該地區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，從而提高通話(huà)質(zhì)量；將天線(xiàn)的主瓣方向偏離同頻小區(qū)，可以有效地控制干擾。

(4)城市市區(qū)或郊區(qū)的海拔很高的山峰(與市區(qū)海拔高度相差200～300m以上)一般不作為站址，這一方面是為防止出現(xiàn)同頻干擾，同時(shí)也避免在本覆蓋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)弱信號(hào)區(qū)，另一方面也是為了減少工程建設(shè)的難度，方便維護(hù)。

(5)新建基站應(yīng)建在交通方便、市電可用、環(huán)境安全及少占良田的地方。避免在大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)、雷達(dá)站或其他干擾源附近建設(shè)基站。干擾場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)超過(guò)基站設(shè)備對(duì)無(wú)用輻射的屏蔽指標(biāo)。

(6)站址設(shè)計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)離樹(shù)林處，以避開(kāi)接收信號(hào)的衰落。

(7)設(shè)計(jì)的站址必須保證與基站控制器之間傳輸鏈路的良好連接。

(8)在山區(qū)、岸比較陡或密集的湖泊區(qū)、丘陵城市及有高層金屬建筑的環(huán)境中選擇站址時(shí)，要注意時(shí)間色散影響，將基站站址選擇在離反射物盡可能近的地方，或當(dāng)基站選在離反射物較遠(yuǎn)的位置時(shí)，將定向天線(xiàn)背向反射物。這樣可以減小強(qiáng)反射物對(duì)基站覆蓋范圍的影響。

2.基站工程參數(shù)設(shè)計(jì)

1)天線(xiàn)安裝環(huán)境

將定向天線(xiàn)安裝在墻面上，天線(xiàn)的傳送方向最好垂直于墻面，如果必須調(diào)整其方向角，則天線(xiàn)傳送方向與墻面的夾角要求大于75°。這時(shí)候，只要天線(xiàn)的前后比大于20dB，其反方向由墻面反射的信號(hào)對(duì)輻射方向的信號(hào)影響就極小，如圖4-18所示。圖4-18天線(xiàn)安裝時(shí)與墻面的夾角為獲得最理想的覆蓋范圍，天線(xiàn)周?chē)鷥艨找鬄?0～100m。對(duì)900MHz的GSM來(lái)說(shuō)，在此距離的第一菲涅爾區(qū)半徑約為5m，這意味著基站天線(xiàn)底部要高出周?chē)h(huán)境5m。巧妙利用周?chē)ㄖ锏母叨瓤梢缘玫轿覀兿胍幕靖采w范圍。天線(xiàn)周?chē)鷥艨找笕鐖D4-19所示。圖4-19天線(xiàn)凈空要求

2)GSM系統(tǒng)中天線(xiàn)隔離度

垂直排列布置時(shí)：

水平排列布置時(shí)：

GSM900和GSM1800兩種系統(tǒng)的天線(xiàn)架設(shè)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

(1)采用定向天線(xiàn)時(shí)，同一系統(tǒng)內(nèi)，同扇區(qū)兩天線(xiàn)水平隔離間距≥4m，不同扇區(qū)兩天線(xiàn)水平間距≥0.5m；兩系統(tǒng)間，同扇區(qū)兩天線(xiàn)同方向時(shí)，天線(xiàn)水平隔離間距≥1m，天線(xiàn)垂直隔離間距≥0.5m，天線(xiàn)底部距樓頂圍墻≥0.5m，天線(xiàn)下沿和天線(xiàn)面向方向上樓頂?shù)倪B線(xiàn)與水平方向的夾角>150°，兩天線(xiàn)支架連線(xiàn)與天線(xiàn)方向的夾角應(yīng)在表4-5所示的范圍內(nèi)。

(2)采用全向天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)水平間距≥10m，或天線(xiàn)垂直間距≥0.5m，天線(xiàn)下沿距樓頂圍墻≥0.5m。

3)GSM、CDMA基站天線(xiàn)隔離度

分析CDMA與GSM系統(tǒng)之間的干擾，需要根據(jù)兩種系統(tǒng)工作頻率的關(guān)系及發(fā)射、接收特性來(lái)具體研究其干擾情況。兩種系統(tǒng)之間的干擾主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：雜散干擾、阻塞干擾和互調(diào)干擾。

目前，CDMA2000-1X和GSM900的頻段如表4-6所示。由于兩個(gè)系統(tǒng)之間的間隔太近，因此極易造成相互干擾，其中主要是CDMA2000-1X的發(fā)射會(huì)干擾GSM900的接收。CDMA帶外泄漏信號(hào)落在GSM接收機(jī)信道內(nèi)，提高了GSM接收機(jī)的噪聲電平，使GSM上行鏈路性能變差，從而減小了單基站的覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變差。如果兩個(gè)基站之間沒(méi)有足夠的隔離或者干擾基站的發(fā)送濾波器沒(méi)有提供足夠的帶外衰減，那么落入被干擾基站接收機(jī)帶寬內(nèi)的信號(hào)就可能很強(qiáng)，并導(dǎo)致接收機(jī)噪聲門(mén)限增加。系統(tǒng)性能降低的程度依賴(lài)于干擾信號(hào)強(qiáng)度，而這又是由干擾基站發(fā)送單元的性能、被干擾基站接收單元的性能、頻帶間隔、天線(xiàn)間距等因素決定的。圖4-20是一個(gè)干擾模型示意圖。圖4-20干擾模型示意圖從圖4-20可以看出，從干擾源基站的功放輸出的信號(hào)首先被發(fā)送濾波器濾波，然后因兩個(gè)基站間有一定的隔離而得到相應(yīng)的衰減，最后被被干擾基站的接收機(jī)所接收。到達(dá)被干擾基站的天線(xiàn)端的雜散干擾功率可以表示為

(4-4-6)利用式(4-4-6)可求得干擾基站天線(xiàn)與被干擾基站天線(xiàn)之間應(yīng)具有的最小隔離度。

這里考慮最壞的情況，即CDMA系統(tǒng)的最高端對(duì)GSM系統(tǒng)最低端頻率的干擾，則有

(4-4-7)

GSM基站的接收靈敏度是-104dBm，載干比要求是9dB，根據(jù)移動(dòng)通信設(shè)計(jì)的慣例，為了保證靈敏度惡化不超過(guò)0.5dB，雜散干擾應(yīng)低于噪聲基底10dB，則允許的最大雜散干擾，即Ib的最大值為這就要求其他系統(tǒng)落在GSM接收機(jī)的雜散或互調(diào)干擾要小于此值，這樣才不會(huì)對(duì)GSM系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。因此可以得到

(4-4-8)

也就是說(shuō)，不管CDMA天線(xiàn)和GSM900天線(xiàn)是否共站址，它們之間都要保證有57dBm的隔離。

4)天線(xiàn)安裝間距

分集技術(shù)是對(duì)抗衰落最為有效的措施之一。圖4-21定向天線(xiàn)空間分集距離示意圖

3.鏈路預(yù)算

1) 鏈路預(yù)算模型

圖4-22所示為鏈路預(yù)算模型。圖4-22鏈路預(yù)算模型

(1)無(wú)塔放情況。

無(wú)塔放時(shí)以機(jī)柜頂雙工器輸入口為靈敏度參考點(diǎn)。對(duì)下行信號(hào)鏈路，假設(shè)基站發(fā)射機(jī)輸出功率為Poutb，合路器損耗為L(zhǎng)cb，饋線(xiàn)損耗為L(zhǎng)bf，基站天線(xiàn)增益為Gab，空間傳輸損耗為L(zhǎng)d，移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)增益為Gam，移動(dòng)臺(tái)接收電平為Pinm，衰落余量為Mf，移動(dòng)臺(tái)側(cè)噪聲惡化量為Pmn，則有

(4-4-9)

對(duì)上行信號(hào)鏈路，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)輸出功率為Poutm，基站分集接收增益為Gdb，基站接收電平為Pinb，基站側(cè)噪聲惡化量為Pbn，根據(jù)互易定理，天線(xiàn)收發(fā)增益相同，則有

(4-4-10)

一般地，Pmn≈Pbn，整理得到

(4-4-11)

(2)有塔放情況。

有塔放時(shí)以塔放輸入口為靈敏度參考點(diǎn)，不需要考慮上行鏈路的饋線(xiàn)損耗因素，這時(shí)式(4-4-11)可以演變?yōu)?/p>

(4-4-12)

2)基站靈敏度測(cè)試點(diǎn)

(1)靈敏度定義。

(2)有塔放時(shí)靈敏度測(cè)試點(diǎn)。

(3)無(wú)塔放時(shí)靈敏度測(cè)試點(diǎn)。圖4-23有塔放時(shí)基站靈敏度的測(cè)試圖4-24無(wú)塔放時(shí)基站靈敏度的測(cè)試

4.無(wú)線(xiàn)小區(qū)覆蓋范圍設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程規(guī)劃中，決定基站有效覆蓋范圍的因素有：基站有效發(fā)射功率、使用的工作頻段(900MHz與1800MHz)、天線(xiàn)的類(lèi)型和位置、功率預(yù)算情況、無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境以及覆蓋指標(biāo)要求。下面結(jié)合蜂窩通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求(由表4-9給出)，并通過(guò)實(shí)例從理論上給出各種覆蓋要求下的基站覆蓋范圍。假設(shè)：

(1)GSM900系統(tǒng)和GSM1800系統(tǒng)的基站天線(xiàn)高度都為30m。

(2)GSM900系統(tǒng)中2W(33dBm)移動(dòng)臺(tái)的靈敏度為-102dBm，GSM1800系統(tǒng)中1W(30dBm)移動(dòng)臺(tái)的靈

敏度為-100dBm。

(3)移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度為1.5m，增益為0dB。

(4)GSM900使用合路分路器CDU時(shí)，靈敏度為-110dBm，GSM1800靈敏度為-108dBm。

(5)合路分路器CDU插損為5.5dB，簡(jiǎn)單合路單元SCU插損為6.8dB。

(6)65度定向天線(xiàn)增益為13dBd(GSM900)、

16dBd(GSM1800)。

(7)饋線(xiàn)長(zhǎng)50m，4.03dBm/100m(900MHz)，

5.87dB/100m(1800MHz)。

(8)選用Okumura傳播模型。

(9)中等城市環(huán)境。計(jì)算結(jié)果如下：

(1)GSM900系統(tǒng)在市區(qū)室外覆蓋半徑。手機(jī)最小接

收電平Pmr=-90dBm。覆蓋半徑應(yīng)以基站TRX的最大發(fā)射功率來(lái)計(jì)算。GSM900TRX的最大發(fā)射功率Pbt=40W

(46dBm)。

基