中科大无线自组织网络期末作业.docx-资料库

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蜂窝式网络概述摘要: 文章首先详细介绍了蜂窝式网络的原理，紧接着介绍了蜂窝技术引发的移动通信技术发展的三个阶段，然后介绍了蜂窝式网络在无线定位技术中的一些具体应用。  关键词: 蜂窝式网络；无线通信蜂窝网络理论是由美国贝尔实验室提出。这一概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。这一组网理论为移动通信技术的发展、新一代功能设备的产生奠定了基础。 1 蜂窝式网络的原理蜂窝式无线电是一种为增加移动无线电话服务的可用容量而开发的技术。在蜂窝式无线电介入之前，仅有高功率发送器/接收器能提供移动无线电电话服务。在 80km 的有效半径内，一个典型的系统可以支持大约 25 个信道。增加系统容量的方式是使用较短半径的低功率系统和大量的发送器/接收器。我们首先来观察蜂窝系统的组织。 1.1 蜂窝式网络组织蜂窝式网络的核心是使用多个功率为100W或更小的低功率发送器。因为这样的发送器覆盖范围小，所以一个区域可以被划分成多个蜂窝区，每个蜂窝区由自己的天线提供服务。每个蜂窝区被分配一个频段，由一个基站提供服务，该基站由发射器、接收器、控制单元组成。邻近的蜂窝被分配给不同频率，以避免干扰或串音，但是，互相间距离足够远的蜂窝区可以使用相同频段。第一个要做的设计决策是蜂窝区覆盖区域的形状。蜂窝通常使用正六边形来表示。顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整(无重叠)地覆盖某一区域可能的几何形状有:正方形、等边三角形和正六边形三种形状。为什么是正六边形而不是其它图形。一般我们希望当一个蜂窝区的某移动用户移至蜂窝区边界时，如果所有邻接天线都是等距的，那最好，这就简化了判断何时将用户切换到邻接天线和选择哪个天线的任务，而一个六角形模型恰好提供了等距天线(如图一所示)，这正是蜂窝通常使用正六边形的主要原因。

图一六角形模型 (1)频率重用在一个蜂窝系统中，每个蜂窝区都有一个基地收发器。为了既允许用一给定的频率在蜂窝区内通信，同时又限制该频率的功率以避免其从蜂窝区透射到邻接的蜂窝区，发射功率被小心的控制着(在某种程度上，这在高度变动的移动通信环境中是可能的)。其目的是在其它附近蜂窝区能使用相同的频率，这样就可以允许多个并发的交谈都使用这一频率。通常每个蜂窝区依据其所预计的通信量被分配10-50 个频率。当然，核心的问题是确定为了使两个使用相同频率的蜂窝区不互相干扰而需在两蜂窝区之间加入几个蜂窝区。这样就可以采用不同的频率重用模型。 (2)增加的容量当越来越多的客户使用系统时，通信量将达到堵塞，这样就没有足够的频率分配给一个蜂窝区以处理它的呼叫。可采用一下方法来增加容量:  增加新信道：通常，在一个地区建好一个系统后，并非所有的信道都得到使用，系统的增长和扩展可通过有序增加新信道的方式实现。  频率借用：最简单的情况是拥挤的蜂窝区可以从邻近蜂窝区获取频率，频率也能被动态分配给蜂窝区。  蜂窝区扇形化:通过蜂窝区扇形化，一个蜂窝区可被分为大量锲形扇形，一个蜂窝区一般可分为 3-6 个扇形，其中每个扇形有自己的一套信道。每个扇形被分配到蜂窝区信道的分割子集，每个扇形中基站的定向天线被用于聚焦。 1.2 蜂窝式系统的运行

图二显示了蜂窝系统的主要成分。每个蜂窝区大致的中心点有一个基站。为了在分配给该蜂窝区的信道上通信，基站包括了一根天线、一个控制器和大量的收发器。控制器用于处理移动单元和网络其余部分间的呼叫过程。在任意时刻，可能有大量活跃的、在一个蜂窝区内移动、与基站联络的移动用户单元。每个基站连到一个移动电话交换局(mobile telecommunication switching office, MTSO)，每个 MTSO 为多个基站提供服务。MTSO 连接到移动设备间的呼叫。MTSO 也连接到公共电话或电信网络，且能够连接公用网的固定用户和蜂窝式网络的移动用户。MTSO 为每个呼叫分配话音信道，并根据计费信息监控呼叫。图二蜂窝式系统的运行蜂窝式系统的使用是全自动的，用户方面除了拨打和回应呼叫外，不需要做其它动作。在移动单元和基站间存在两种类型的信道：控制信道和通信信道。控制信道用于交换信息，这些信息与建立和维持呼叫相关，也与一个移动设备和最近的基站间建立联系相关。通信信道在用户间传递话音或连接数据。 1.3 移动无线电的传播效果移动无线电通信带来了有线通信或固定无线通信所没有的复杂度。为了设计蜂窝式布局，通信工程师必须考虑到这些不同的传播效果、基站、移动设备所要求的最大发射功率、移动设备天线的典型高度和基站天线的可取高度。这些因素将决定单个蜂窝区的大小。可是，传播效果是动态且难以预测的。所能作的最好方法是建立一个基于经验数据的模型，并在给定环境中应用该模型以开发有关蜂窝区大小的准则。最广泛使用的模型之一由 Okumura 等人[1]开发，接着由 Hara[2]细化。该模型最初是由一个对东京地区的详细分析，并生成城市环境中的路径损耗信息，Hata 的模型是一个考虑到不同环境和条件的经验公式。 1.4 功率控制

大量的设计事务要求在一个蜂窝式系统中包括一个动态的功率控制能力，如有效通信受到的功率与背景噪音相比必须足够大，同时，为了减少同信道干扰，降低对健康的担保和保留电池能量，要求使移动设备的发射功率最小化。功率控制主要有两类，开环功率控制与闭环功率控制。开环功率控制单独依赖于移动设备，它没有来自基站的反馈；闭环功率控制调整反向信道(移动设备至基站) 中基于该反向信道性能计量值的信号强度，基站做功率调整决策，并在控制信道上向移动设备传送功率调整命令，闭环功率控制也用于在前向信道上调整功率，这种情况下，移动设备向基站提供关于接收质量的信息，然后基站调整发射频率。 2 移动通信技术的发展 2.1 第一代模拟系统最初的蜂窝电话网络提供模拟通信信道，这些网络现在被称为第一代系统。由 AT&T 开发的高级移动电话服务(Advanced Mobile Phone Service, AMPS)是其中的代表之一。由于对于大部分主要的市场，信道数目显得不足，因此 AMPS 在频谱分配上采用频率重用的策略。在工作方式上，每个使用 AMPS 的蜂窝电话在只读内存中包括了一个数值分配模块(numeric assignment module, NAM)。NAM 包含由服务提供商所分配的电话序列号。当电话打开时，它将它的序列号和电话号码发射给MTSO；MTSO 维持的一个关于已被告知的被盗移动设备的信息数据库，并使用序列号封锁被盗设备。MTSO 将电话号码用于计费，如果电话在一个远方城市使用，服务仍然计费到用户的本地服务提供商。每个 AMPS 服务包括21个全双工的 30kHz 控制信道，他们由21个从用户到基站的反向控制信道和21个基站到用户的前向信道组成。这些信道使用频移键控 (Frequency Shift Keying, FSK)发射数字数据。在两信道中，数据以帧发射。 2.2 第二代CDMA系统码分多址(CDMA)是一个基于扩频的复用技术。蜂窝式系统的 CDMA 可用以下方式来描述。每个蜂窝区被分配一个被分为两部分的频率带宽；一半用于反向通信(移动设备到基站)，另一半用于前向通信(基站到移动设备)。对于全双工通信，一个移动设备使用反向和前向两信道。用直接序列扩频(DS-SS)的形式进行传输，它使用一芯片码来增加传输的数据速度，这导致信号带宽的增加。通过为多个用户分配正交芯片码可提供多路访问，于是接收器能从多个传输中恢复单个传输单元。蜂窝式网络由许多优点，如频率分集、多路阻抗、保密等，同时也有一些缺点，如自我干扰、远近问题、软切换等。

2.3 第三代系统第三代(3G)无线通信的目标是为支持话音、多媒体、数据和视频提供相当高速的无线通信。ITU 2000 年的国际移动通信系统首先定义了对第三代功能的看法：话音质量比得上公共交换电话网；在大区域高速移动的车辆中，用户可获得 144Kb/s 的数据速率；对称和不对称的数据传输速率；支持多种类型的移动设备等等。在 3G 系统中占主导地位的技术是 CDMA。虽然已有三种不同的 CDMA 模式被采纳，但是他们共享一些通用的设计事项。如带宽(所有 3G 系统的一个重要设计目标就是将信道使用量限制在 5MHz)、芯片速率、多速率等等。 3 蜂窝式网络在无线定位中的应用蜂窝技术是移动电话、个人通信系统、无线因特网、无线 Web 应用技术以及其它更多技术的基础技术。随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。利用移动蜂窝网络对移动节点定位的方法主要有三类: 3.1 基于电波场强的定位技术电波场强定位技术主要依据电波场强与传播距离的平方成反比，因此通过检测接收到的信号强度，再根据发射信号的初始值和电场信号衰落模型就可以计算出移动发送节点到信号接受基站的距离。根据三个或三个以上的基站所计算出来的距离值和参与定位基站的物理坐标就可以计算出移动节点的物理坐标。这种技术简单易行，但是精度有一定局限性，多用于精度要求不高的场合。其精度的局限性主要由于受到天线的安装可能倾斜、基站的扇形特征、无线电系统的变化以及物理环境、车辆等诸多因素的影响，很难建立精确反映服务范围内无线电波的传播模型造成的。 3.2 基于电波到达入射角(AOA)的定位技术 AOA 技术的实现主要依赖与阵列天线的使用。无线电波从移动节点发出到达基站时，利用基站上安装的阵列天线能够检测出无线电波的入射角，这样就构成了从基站到移动节点的径向连线(测位线)，通过计算出两个或两个以上的基站测位线的交点就能获得移动节点的目标。这种方法不会产生定位的模糊性，精度较高，但是 AOA 技术要求每个基站都需要安装阵列天线，大大增加了网络建设费用。AOA 技术的优点在于仅需要两个基站参与定位就能实现移动节点的定位功能。但是，当移动节点离定位基站较远时，基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较大误差。 3.3 基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA) 电波到达时间或到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。电波到达时间定位技术通过测量目标移动节点发出的无线电波信号直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以计算出目标移动节点与基站之间的距离，即移动节点位于以基站为圆心的传播距离为半径的圆上，根据至

少三个基站的圆的交点，就能定位移动节点的位置。但是，这种技术要求基站知道移动节点发送信号的时间，并且要求基站与移动节点由非常精确的时钟与时钟同步技术。为了克服 TOA 技术的这一缺点，提出了基于到达时间差的定位技术。TDOA 技术它是通过测量移动节点的信号到达两个基站的时间差来实现移动节点的定位的，这就大大降低了时间同步的要求。TDOA 技术中移动节点位于以两个基站为焦点的双曲线上，通过建立至少三个双曲线方差，求解即可获得移动节点的物理坐标。 References:  [1] "Field strength and its variability in vhf and uhf land-mobile radio service."Review of the Electrical Communication Laboratory 1968.  [2] Hata, Masaharu. "Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services." IEEE Transactions on Vehicular Technology 29.3(1980):317-325. 附中文参考文献:  [1] William Stallings 著, 何军译. 无线通信与网络[M]. 清华大学出版社. 2004.6.1  [2] Jon W. Mark, Weihua Zhuang 著, 李锵, 郭继昌等译. 无线通信与网络[M]. 电子工业出版社. 2004.6.1

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