（通信与信息系统专业论文）无线传播模型在移动通信蜂窝网络小区规划中的研究与应用.pdf

查! ! 苎兰翌主堂苎丝圭 塑墨 无线传播模型在移动通信蜂窝网络小区规划中的研究 s 随胃 摘要 随着移动通信的发展，网络的规划和优化受到了前所未有的重视，建立合遁 的无线传播模型是进行网络规划和优化的先决条件。本文就目前在实践中行之确 效的传播模型进行了介绍，给出其理论依据和计算公式，并且对传播模型在小区 上觅划中的应用进行了探讨。 本文对移动通信发展历程及常用的移动通信系统进行了简介，讲述了移动通 信蜂窝网络小区觌划所涉及的基本概念和理论，包括移动通信蜂窝网络的基本结 构和小区规划的基础知识。文章详细说明了各种无线传播模型，别3 d 传播模型 k n i f ee d g e 进行了研究，分别对单峰( s i n g l ek n i f ee d g e ) 及多峰( m u l t i p l ek n i f - e e d g e ) 模型进行了说明。在此基础上，本文提出了传播模型在小区规划中的覆盖 分析、干扰分析、兼容矩阵和频率规划三个方面的应用。在覆盖分析和干扰分析 方。面，文章提出了以高斯分布模型代替传统的门限值同时提出以分配概率代替 传统的最优服务概念，给出了分配概率的计算方法。据此，文章提出了根据小区 、日j 的干扰分析得出的兼容矩阵的计算公式，研究了兼容矩阵在频率规划中的应用。 最后，应用以上方法完成了移动通信蜂窝网络小区规划软件，实现了基站分布、 频率规划、导频规划、覆盖分析、干扰分析的功能，对其中覆盖分析模块、干扰 分析模块、频率规划中的兼容矩阵模块进行了重点说明，列举了软件运行的效果 图。从效果图可以看出，通过运用合适的传播模型，采用文中提出的方法进行频 率舰划，能够使干扰概率小于o 2 ，覆盖分析和干扰分析结果准确，取得了良好 的效果。 关键字：移动通信；小区规划：传播模型：覆盖分析；干扰分析；兼容矩阵 圭! ! 垄兰翌主兰苎丝查 垒堕里堕 p r o p a g a t i o nm o d e l i nc e l lp l a n n i n go fm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nm a r k e t ，t h ec o m p e t i t i o no ft h i s m a r k e ti sm o r ea n dm o r es e v e r i t y ，s on e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o ni sp a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt o ，c r e a t ep r o b a b l yr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e li st h ef i r s tt h i n g s h o u l db ed o n ei ni t p e o p l eh o m ea n da b r o a dh a v ed o n em a n yw o r k si ni t ，a n dg o tg r e a t a c h i e v e m e n t s t h eh i s t o r yo fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ea r t i c l ef i r s t a n dt h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e me o m r o o nu s e di sm e m i o n e di nt h es a a s a et i m e t h e nt h eb a s i cm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n i n gc o n c e p t sa n di t sr e l a t e d t h e o r i e sa r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h em o b i l en e t w o r kt o p o l o g ya r c h i t e c t u r ea n dt h e b a s i ck n o w l e d g eo fc e l lp l a n n i n g a n dr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e l sa r ee x p l a i n e d d e t a i l e d ，a n d3 dm o d e l sk n i f ee d g ei st h ee m p h a s e si na l l o ft h e s em o d e l s ，i n c l u d i n g s i n g l ek n i f ee d g ea n ds i m p l em u l t i p l ek n i f ee d g em o d e l s r a d i ow a v ep r o p a g a t i o n m o d e l sa p p l i e di nc e l lp l a n n i n gi n c l u d ec o v e r a g ea n a l y z e ，i n t e r f e r e n c ea n a l y z e ， c o m p a t i b i l i t ym a t r i xa n dc h a n n e la s s i g n m e n t f o rc o v e r a g ea n a l y z ea n di n t e r f e r e n c e a n a l y z e ，t h i sa r t i c l ef i n di t c a nu s eg a u s s i a n ( n o r m a l ) p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o nt o r e p l a c ec l a s s i cp a r t i c u l a rv a l u e ，i ti sm o r ea c c o r d i n gt ot h er e a l i t y a n di tf i n d st h eu s eo f a s s i g n m e n tp r o b a b i l i t y d e p e n do nt h e s em e t h o d s ，t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ne v e r yt w o b a s es t a t i o n s ( o rc e l l s ) a l s oc a l lb eg o t ，s ow ec a nc o m p u t ec o m p a t i b i l i t ym a t r i x t h e 、 a yt oa p p l yt h ec o m p a t i b i l i t ym a t r i xi nc e l lp l a n n i n ga n dc h a n n e la s s i g n m e n ti s a l s o m e n t i o n e d a tl a s to u rs o f t w a r ei si n t r o d u c e d ，a n dp a r t i c u l a r l ye x p l a i nt h er e a l i z a t i o no f c o v e r a g ea n a l y z e ，i n t e r f e r e n c ea n a l y z ea n dc o m p a t i b i l i t ym a t r i x ，a n da d dt h ep r o c e s s f i g u r e ，d a t as t r u c t u r ea n dr e s u l tf i g u r ei nt h ea r t i c l e i nt h e s eo p t i o n s ，w ec a n s e et h a tt h e u s a g eo fr a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e l si se f f e c t i v e t h ei n t e r f e r e n c ep r o b a b i l i t yo f f r e q u e n c ya s s i g n m e n ti sb e l o wo 2 t h er e s u l to fc o v e r a g ea n di n t e r f e r e n c ea n a l y z ei s c o r r e c t k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；c e l lp l a n ；r a d i ow a v ep r o p a g a t i o nm o d e l ； c o v e r a g ea n a l y z e ；i n t e r f e r e n c ea n a l y z e ；c o m p a t i b i l i t ym a t r i x 【i i 东北太擘硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作r 明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 坞戋 目 期： o s 、2 js 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不周意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 所谓移动通信，就是通信的一方或双方是在移动中实现通信的。随着社会的 发展，技术的进步，人们对于通信的要求越来越高要求能够在任何时候、任 何地方和任何人都能进行及时地沟通联系，进行交流。因此，目前，移动通信是 发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一。2 0 0 4 年是我国加入世贸组织的第 三个年头，无论是政策，还是加入时的承诺，还是国内电信市场的成熟度以及投 资者的资金准备，都促使外资女q 速进入了中国的电信市场。竞争的加剧，使得通 信网络运营商们更加注重提赢服务质量，降低运营成本，因此，以较低的成本建 设和维护一个服务质量得到保证的网络将成为各运营商在市场竞争中取得优势和 得以生存的重要因素。 从现在的情况来看，我国的电信市场发展的空闻依然巨大，特别是移动用户 不断增长，这必然推动着移动通信网络的建设速度越来越快。2 0 0 2 年以来由于世 界经济增长明显放缓，全球电信业出现了前所未有的低迷，但我国移动通信仍以令 入瞩目的速度获得发展。2 0 0 2 年我国移动交换机容量薪增5 2 0 4 万户( 含c d m a ) ， 达到2 7 1 亿户。移动用户新增6 1 3 9 4 万户，总数达到2 0 6 6 1 6 万户，年产值约为 2 0 0 0 亿元人民币，移动电话普及率达到1 6 ，1 9 。与此同时，移动网络也不断的以 城市为中心向周围延伸辐射，并且城市内部的移动网络也在不断的扩容改造。同 时，不管是国际还是国内的电信市场，都开始或者准备开始实施从第二代移动通 信网络到第三代移动通信网络的过渡。在这种情况下，移动通信网络的规划和建 设的需求极为迫切。 在国外，移动通信网络规划的研究受到了广大设备制造商和学者的重视，在 这个领域的研究从算法到软件方面的成果也层出不穷，现在运用比较多的软件有： l u c e n t 公司的c f a 软件，e r i c s s o n 公司的e e t 软件，s a f c o 公司的w i z a r d 软件和p l a n n e t 等大型规划软件。反观国内，由于移动通信的发展起步比较晚， 大多采用了国外成熟的技术和设备，自主产权的技术和设备很少。在以往的移动 东北大学硕士学位论文第一章绪论 网络建设初期，由于没有比较合适的规划工具，通常是由规划人员和工程师依靠 经验来完成基站的设置、频率的分配以及干扰的分析。因此，网络建设的初期规 翅常常是盲目和不可靠的，不仅趣划周期长，而且通常不能够得到最优的结果， 升级性及可维护性差，造成网络建设成本的增加并使以后网络的运行和维护更加 网难l j 。 因此，开发出一种能够有效应用于实际工程的移动网络规划系统就具有非常 重要的意义。东北大学和锦州联通公司历时数年，终于取得了一定的研究成果， 并且在此基础上开发出了套移动通信网络智能规划系统，其中，自动基站布置 问题根据实际工程需要，将移动网络建设的各种成本因素( 如基站设备成本、基 站地面建设成本、频率成本等) 和服务质量因素( 如区域的面积覆盖率，业务覆 盖率等) 予以综合考虑，应用多目标优化算法来求解。信道规划方面采用了基于 遗传算法的固定信道分配方法，效果出色。另夕 ，还研究了覆盖分析、干扰分析 和第三代移动通信系统中的导频规划问题，取得了一定的成果。本文中对无线传 播模型的研究是这个课题中的个重要方面。 1 2 移动通信的发展 移动通信系统的发展经历了模拟到数字的发展过程。从最早的无线电系统， 到即将到来的3 g 时代，到含苞待放的4 ( 3 技术，移动通信技术发生了根本性的变 化。总体上看，移动通信可以大体划分为四代，即第一代移动通信( 模拟移动通 信) ，第二代移动通信( 数字移动通信) ，第三代移动通信系统( 宽带移动通信) 和第 四代移动通信( 多媒体移动通信) 。每一代的技术都是基于前一种技术的基础之上， 而每一种技术上的突破都是为了获得更好的通信质量和更多的功能和服务。 1 ，2 1 早期的移动无线电话 在1 9 4 6 年，美国圣路易市采用了世界上第一个公用汽车电话通信网，这是世 界上出现的第一个公众移动电话服务。到1 9 6 4 年，出现了现代汽车电话系统，如 美国的i m t s ( i m p r o v e dm o b i l et e l e p h o n es e r v i c e ) ，当时服务覆盖了美国的2 5 个 主要的城市。该系统工作于1 5 0 m h z - - - - - 4 5 0 m h z ，采用了多频道共用和动态分配 频道的方式，使一组频道能为众多用户共用。在组网方式上采用了大区制，每个 垒苎查! 堡主兰堡堕墨簦二主竺堕 网络建设初期，由于没有比较合适的规划工具，通常是由规划人员和工程师依靠 经验米完成基站的设置、频率的分配以及干扰的分析。因此，网络建设的初期规 划常常是盲日和不可靠的，不仅规划周期长，而且通常不能够得到最优的结果， 升级性及可维护性差，造成网络建设成本的增加并使以后网络的运行和维护更加 网难 。 因此，开发出一种能够有效应用于实际工程的移动网络规划系统就具有非常 重要的意义。东北大学和锦州联通公司历时数年，终于取得了定的研究成果， 并且在此基础上开发出了一套移动通信网络智能规划系统。其中，自动基站机置 问题根据实际工程需要，将移动网络建设的各种成本因素( 如基站设备成本、基 站地面建设成本、频率成本等) 和服务质量因素( 如区域的面积覆盖率，业务覆 盖率等) 予以综合考虑，应用多目标优化算法来求解。信道规划方面采用了基于 遗传算法的固定信道分配方法，效果出色。另外，还研究了覆盖分析、干扰分析 和第三代移动通信系统中的导频规划问题，取得了一定的成果。本文中对无线传 播模型的研究是这个课题中的一个重要方面。 1 _ 2 移动通信的发展 移动通信系统的发展经历了模拟到数字的旋展过程。从最早的无线电系统， 到即将到来的3 g 时代，到古苞待放的4 g 技术，移动通信技术发生了根本性的变 化。总体上看，移动通信可以大体划分为四代，即第一代移动通信( 模拟移动通 信) ，第二代移动通信( 数字移动通信) 第三代移动通信系统( 宽带移动通信1 和第 四代移动通信( 多媒体移动通信) 。每一代的技术都是基于前一种技术的基础之上， 面每一种技术上的突破都是为了获得更好的通信质量和更多的功能和服务。 1 2 1 早期的移动无线电话 在1 9 4 6 年，美国圣路易市采用了世界上第一个公用汽车电话通信刚，这是世 界上出现的第一个公众移动电话服务。到1 9 6 4 年，出现了现代汽车电话系统，如 美国的i m t s ( i m p r o v e dm o b i l et e l e p h o n es e r v i c e ) ，当时服务覆盖了美国的2 5 个 主要的城市。该系统工作于1 5 0 m h z 一4 5 0 m h z ，采用了多频道共用和动态分配 频道的方式，使一组频道能为众多用户共用。在组喇方式上采用了大区制，每个 频道的方式，使一组频道能为众多用户共用。在组喇方式上采用了大区制，每个 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系统使用一个大功率的发射机和发射塔，覆盖半径大约为5 0 公里，在服务区内可 根据情况增加若干外围接收台，以解决上行信号弱豹问题。由于当时的滤波器不 完善，因此使用了半双工的通信方式，每路话音占用1 2 0 k h z 的带宽2 1 。 1 2 2 第一代移动通信系统 6 0 年代，a t & t 的贝尔实验室和其他的通信公司一起发展了一种全新的蜂窝 无线电话技术。它的基本概念是把整个覆盖范围划分成小的单元，每个单元复用 频带的一部分以提高频带的利用率，其代价是更多的系统结构开销，而获得了更 大的系统容量和频谱利用率。八十年代，美国第一个模拟蜂窝电话系统a m p s ( 高 级移动电话业务) 在美国建成。与此同时其他的一些模拟蜂窝电话系统也在世界 各地相继出现，如t a c s ，c - n e t 以及n t t ( 北欧移动电话) 等。这些不同制式的 主要区别在于所使用的频段，信道间隔以及调制参数上，各系统之间不能互通。 但在当时的情况下各个系统依然能够提供较好的容量和通信质量。 第一代蜂窝移动网的结构如图1 。1 所示。 图1 1 第一代蜂窝移动网的结构图 f i g 1 1a r c h i t e c t u r eo f t h ef i r s tg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统是在8 0 年代开发的，第一批系统于9 0 年代初投入商用。 数字蜂窝系统在许多方面都优于模拟系统。最引人之处是由于能更有效地利用无 线频谱，提高频带利用率。另外，数字传输不仅可以传输语音，而且可以传输数 据信息，支持短消息业务和e m a i l 。同时数字技术也提高了语音和数据传输的保 密性。 第二代移动通信技术的主要制式有g s m ( 全球移动通信系统) ，c d m a i s 9 5 ， p d c ( 个人数字蜂窝) ，d c s t 8 0 0 ( i 8 g 频谱上的g s m ) ，t d m a i s 1 3 6 ( 最初被 称为d a m p s ) 。 g s m 是最早投入商用的数字蜂窝网络。该标准最早由欧洲提出，e t s i 一直负 责g s m 的标准化工作。它是由网络交换子系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 、操 作子系统( o s s ) 和移动台( m s ) 四大部分组成。 c d m a ( i s 一9 5 ) 是一种通过使用全部无线频带来提高容量的数字通信技术， 每一个呼叫都面对一个独有的代码。目前该标准主要应用于北美和韩国。 p d c ( 个人数字蜂窝) 系统，在1 9 9 4 年才推出，而且仅限于在日本使用。该 标准最初称为j d c ( 日本数字蜂窝) 。 1 2 4 第三代移动通信系统 由于第一代和第二代移动通信系统都没有统一的国际标准，当前运行的移动 蜂窝网络有许多是不相兼容的。8 0 年代后期，i t u 提出要建立一种在世界范围内 具有一致频谱和无线接口标准的新一代移动通信系统。i t u 将该系统的标准定义为 m t 2 0 0 0 。虽然，i m t 一2 0 0 0 仍然是一个蜂窝式网络，但它的目的是将各种不同的 服务覆盖区宏小区、微小区和微微小区地面蜂窝系统、无线接入系统以及卫 星通信系统都综合在一起，从而能够实现真正的全球漫游和全球服务1 3 1 。 同时i m t 一2 0 0 0 将为多种业务的融合和分配提供一个平台，无论他们是移动业 务还是固定业务，语音业务还是数据业务，电信服务还是计算机应用服务。在i t u 的建议里，主要提供的业务有： ( 1 ) 语音业务：典型的对称业务，上、下行链路的信息速率都是1 6 k b i t s ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 属于电路交换。 ( 2 ) 短消息：数据速率为1 4 k b i t s ，属于分组交换。 ( 3 ) 交换数据：属于电路交换业务。上、下行数据速率都是6 4 k b i t s 。 ( 4 ) 非对称多媒体业务：分为中速和高速两种，中速上行6 4k b i t s ，下行 3 8 4k b i t s ；高速上行1 2 8k b i t s ，下行2 mb i t s 。 ( 5 ) 交互式多媒体业务：上下行数据流量相等。用于音频，视频应用传输， 电路交换，1 2 8k b i t s 。 i m t 一2 0 0 0 的主要含义为，工作在2 0 0 0 m h z 频段上，能够承载的数据传输速率 在2 m b i t s 。 1 9 9 9 年，在芬兰首都赫尔辛基通过了“第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 无 线接口技术规范”建议- - i m t r s p c 。该规范建议将无线接入技术分为c d m a 和 d m a 两大类。最主要的三类规范建议为w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 其中t d s c d m a 是中国提出的并被采用的第一个i t u 标准【4 】。 3 g 系统给人们展示了一个美好的通信前景，但仍然面临很多的技术难题，这 些难题有些是蜂窝系统固有的，有些是3 g 系统所特有的。第一个障碍就是多径衰 落，这是所有无线系统都存在的。第二个障碍是远近效应问题，由于3 g 中采用码 分多址技术，各移动台发出的信号在时域和频域都相互重叠，所以这种相互干扰 更加严重。第三个障碍是多址干扰。采用码分多址，是通过不同的伪随机码的证 交性来区分不同的信道，但由于这种正交性的不完备，各信道之间的干扰不能够 完全消除。因而c d m a 系统是干扰受限系统，本小区和邻近小区用户的干扰决定 系统的容量和性能。另外，从资源利用的角度来看3 g 要兼容一代和二代系统。为 了解决这些主要问题，很多的关键技术在3 g 中得到了应用，有的还在进一步的研 究之中。就目前的研究状况而言，关键的技术主要有：( 1 ) 多载波调制技术：( 2 ) 多址技术；( 3 ) 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) ；( 4 ) 智能天线：( 5 ) 功率控制； ( 6 ) 多用户检测；( 7 ) 切换技术等。 尽管众多的研究集中于3 g 技术的成熟和商用上，广大运营商不得不面对的另 个问题是如何从现有的2 g 网络向3 g 网络平滑过度。这过程里有很多需要考 虑的因素。一是成本，二是技术的成熟和可靠性，三是操作的灵活性。总体来说， 由2 g 网络向3 g 网络过度的途径主要如图】，2 所示： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l s - 9 5 a 语音1 4 i k t d m a 语音 g s m 语音9 6 k l s - 9 5 b 语音6 4 k c d m a 2 0 0 01 x _ 艰 秆音1 5 3 3 0 7 k h e d o e 3 0 一】5 。鼬搭 i 蔓卜一 图1 ，2 扶2 g 向3 g 的演进方式图 f i g u r el ，2d e v e l o pf r o m2 gt o3 g 就我国的具体情况来说，中国移动已采用g s m g p r s u m t s ( w c d m a ) 的路线。中国联通也已经初步建立c d m a 网络，必然会走c d m ai s 9 5 c d m a 2 0 0 01 x 一吨v d o ( d v ) 一c d m a 2 0 0 03 x 的路线。除了上述两家移动运营商，国 家信息产业部在将来还要继续发放移动牌照。从趋势上，新的移动牌照中我国的 t d s c d m a 标准将占有一席之地。 可以预见未来的中国的3 g 服务将是多个标准共存的状态。 1 2 5 第四代移动通信系统 当3 g 试验如火如荼的时候，4 g 技术已经问世。目前包括中国在内的多个国家 及实验室，如：a t t 实验室，都正在研究4 g 技术。在2 0 0 3 年1 1 月2 0 日由中国 科技部等部门和欧盟委员会信息社会总司联合举办的“未来移动通信国际论坛暨 中国一欧盟b e y o n d3 g 研讨会”上，中国第三代移动通信系统研究开发项目总体 组组长尤肖虎称：中国在第三代移动通信系统刚刚进入实施阶段时，国家8 6 3 计 划就启动面向第四代的移动通信计划。中国希望在一项新技术发展的初期，就介 入研究和开发，以能够真正获得核心的知识产权，对国际标准化组织做出贡献。 第四代移动通信将以几项突破性技术为基础，如一些光纤产品公司用来提高 瞬络主干带宽的技术。4 g 无线频率的使用将比2 g 和3 g 有效得多。按照最乐观的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 情况估计，这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更多的 事情，而且速度相当快。下载速率有可能达到5 m b p s 到1 0 m b p s 。除了高速信息传 输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术 以及终端问通信技术等。此外，3 g 主要是以c d m a 为核心技术，4 g 则以正交多任 务分频技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i - p l e x e r ；o f d m ) 最受瞩目。 第四代移动通信系统开发成功后，使用手机便能够同世界上的任何地方进行 电视电话等图像和声音的通信。4 g 移动电话不仅音质清晰，而且能进行高清晰度 的图像传输，用途将十分广泛。第四代移动通信的特点将主要有以下几个： ( 1 ) 以移动数据为主。 ( 2 ) 传输速率比现在高1 0 0 0 倍，达到1 0 0 兆。 ( 3 ) 发射功率比现在降低1 0 l o o 倍，能解决电磁干扰问题。 ( 4 ) 支持手机互助功能，采用可穿戴无线电。 ( 5 ) 支持更丰富的移动业务，包括商清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业 务等，使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务l 5 1 。 过去的移动通信技术全球不统一，比如第二代有g s m 、c d m a ，而第三代技术有 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 等。不同标准对用户使用造成一定不便。未来第四 代移动通信要求实现全球统一的标准，真正实现一部手机在全球的任何地点都能 实现通信。因此，广泛充分的国际合作是实现这一目标的前提。 1 3 常用移动通信系统 1 3 ，i 无线电寻呼系统 无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是一个袖 珍式接收机，俗称b b 机或者b p 机。在无线电寻呼系统中，通过寻呼控制中心和 p s t n 相连接。市话用户要呼叫某一个无线电寻呼系统用户时，可拨寻呼中心的专 用号码，寻呼中心的话务员记录所要寻找的用户号码和代传信息，并自动地在无 线信道上发出呼叫；这时，被呼用户的接收机就会发出“b 一阻一”的叫声，并在 液晶屏上显示出住户用户的电话号码和简要信息。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 公用移动电话通信系统 公用移动电话通信系统是最典型的移动通信系统，也是应用最广泛、用户数 量最多的。通常我们使用的蜂窝式移动通信系统就是属于公用移动电话通信系统 的一种，其介绍及系统结构在2 1 中会有详细说明。 1 3 3 无绳电话系统 无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式，也可以说是有线电话网的 无线延伸。简单的无绳电话机就是把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座 机与有线电话网连接，手机与座机之间通过无线电连接，这样就允许携带手机的 用户可以在一定范围内的自由活动中进行通话。随着通信技术的发展，无绳电话 也向着网络化的方向发展，比如在用户密集地区设置基站，基站与有线电话网连 接，并由若干个频道为用户所共用。无绳电话的手机、座机所发射的功率均在1 0 m w 以下，无线覆盖半径约在1 0 0 m 左右。 1 3 4 集群移动通信系统 集群通信系统属于调度性专用通信网，广泛应用于公共汽车、出租车、大型 工矿企业、车站、码头和机场等地的指挥和生产调度。所谓“集群”，一是将各用 户部门所需的基站及控制设备，统一建站，统一肝利，各部门只需建立各自的调 度台和配置相应的车台和手机；二是采取动态分配空闲频道的办法实现多频道共 用，从而充分利用频率资源及信道设备。集群系统采用半双工通信方式，基站的 转发器为双工，移动用户为异频单工，系统具有多种呼叫类型，并可以和公用电 话网( p s l n ) 互连，以供移动用户和有线用户建立通信。 除了上述几种典型的移动通信系统之外，近年来还出现了无中心控制移动通 信系统和分组无线电通信系统也引起了广泛关注。 1 4 无线传播模型在小区规划中的应用 移动通信网络的规划是包含众多领域的系统工程，在2 0 0 2 年，中国通信学会 圭苎垄兰堡主兰堡垒查箜二主竺丝 将移动网络的规划问题列入我国移动通信领域的四大难题之一。特别是蜂窝式移 动网络被采用以后，网络规划问题更加复杂化。而小区规划一直是蜂窝网络规划 的重点和难点，它包括从电磁波的传播特性到设备成本的控制，不仅需要深入了 解各种移动网络的运行规范，同时也要考虑运营商的需求【6 j 【7 j 【8 j 。由于地形及其他 因素的影响，必须充分考虑场强覆盖的需求。因此，对于无线信号的传播模型的 深入理解是取得优化的系统规划设计方案的基础，而传播模型的确定也是移动通 信系统规划中的难点之一。一个传播模型的建立和完善，是在大量的实验、测量、 统计的基础上才能实现的。在世界范围内各国学者、公司及研究机构展丌了大量 的研究工作以期能够对特定频率范围、根据不同的地理和环境信息准确地预测出 接收到的信号功率和路损。科学和技术研究欧洲协会甚至专门成立了一个工作委 员会来负责此类的研究。目前为止，已经总结出多种适用于各自特定环境、在实 践中行之有效的传播模型。但是，这些传播模型又都或多或少的存在缺陷，因此， 可咀预见，在这个方面的研究还将继续下去。 1 5 论文结构 本文共分为六个部分。第一章是绪论。第二章是移动通信蜂窝网络小区规划， 介绍了移动通信蜂窝网络的基本结构和小区规划的基础知识。第三章是无线传播 模型，介绍了各种无线传播模型，包括自由空间传播模型、地面反射模型、室内 传播模型、奥村模型、哈塔模型、李模型，并重点介绍了3 d 传播模型k n i f ee d g e 。 第四章是传播模型在小区规划中的应用，总共列举了三个方面的应用，分别是覆 盖分析、干扰分析、兼容矩阵和频率规划。第五章介绍了移动通信蜂窝网络小区 规划软件的设计与实现，介绍了软件的总体结构，并详细阐述了覆盖分析、干扰 分析、兼容矩阵和频率规划实现的流程图和数据结构，同时列举了软件运行的效 果图。第六章是结论，对全文内容提出总结，同时对未来的发展提出了展望。 东北大学硕士学位论文第二章移动蜂窝网络小区规划 第二章移动蜂窝网络小区规划 2 1 移动通信蜂窝网络的基本结构 2 1 1g s m 系统拓扑结构 g s m 系统主要组成部分可分为移动台( m s ) 、基站子系统( b s s ) 、网络交换子 系统( n s s ) 和操作子系统( o s s ) 。g s m 系统的一般结构如图 2 1 所示。基站予 系统( b s s ) 由基站收发信机( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成。网络交换子系统( n s s ) 由移动业务交换中心( m s c ) 、操作维护中心( o m c ) 、原籍位置寄存器( h l r ) 、访 问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 和设备标志寄存器( e i r ) 等组成。g s m 系 统的最后组成部分是移动终端，与其它无线通信系统一样，移动终端的作用是通 过空中接口为用户提供通信。n s s 可以并入到p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e d h o n e n e t w o r k ) 中。b s s 管理网络覆盖，网络覆盖的区域可大至一个国家。而漫游的管 理则是通过确定好本地区的范围( 一般包括数个小区) 来进行的，即当本地区登记 的移动台处于本地区以外时，就要进行漫游。 圈 图21 g s m 系统的一般结构 f i g u r e2 1 g e n e r a ls t r u c t u r eo f g s m s y s t e m 基站子系统( b s s ) 是g s m 系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相 接，进行无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，b s s 和n s s 中的m s c 相 东北大学硕士学位论文第二章移动蜂窝网络小区规划 连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统 ( b s s ) 主要由基站收发信机( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成。b t s 控制着信号发射 和信道管理。b s c 主要负责b s s 中的交换功能，荠负责通过m s c 与n s s 相连。 b s c 支持无线信道的分配和释放以及切换管理。 基站管理位于其服务区内移动台的呼叫，它通过b s c 和m s c 连接。基站包 括带有生码器和解码器的发射接收设备：调制解调器、天线杆和天线。发射接收 设备的数量取决于服务区内的业务密度。基站支持物理层面的功能( 如调制、解调、 均衡等) ，收集用于呼叫和网络管理的信道测量参数，并把这些参数报发给b s c 。 网络交换子系统( n s s ) 对g s m 移动用户之间的通信和移动用户与其它通信 网之问的通信起着管理作用。其主要功能包括：交换、移动性管理和安全性管理 等。n s s 由很多功能实体构成，它们之间的信令传输都符合c c i t t 信令系统的n o 7 信令协议。下面分别讨论各功能实体的主要功能。 ( 1 ) 移动业务交换中心( m s c ) 。移动业务交换中心( m s c ) 是网络的核心，它提 供交抉功能并面向下列功能实体：操作维护中心( 0 m c ) 、原籍位置寄存器( h l r ) 、 访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 和设备标志寄存器( e i r ) 和固定网( 公用 电话网、综合业务数字网等) 。从而把移动用户和固定网用户、移动用户之间互相 连接起来。 移动业务交换中心可以从三种数据库( 即原籍位置寄存器、访问位置寄存器和 鉴权中心) 获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据。作为网络的 核心，m s c 还支持位置登记和更新、过区切换和漫游服务等项功能。 对于容量比较大的通信网，一个网络子系统可包括若干个m s c 、v l r 和h l r 。 为了建立固定网用户与g s m 移动用户之间的呼叫，固定用户呼叫首先被接到入口 移动交换中心，称为g m s c ，由它负责获取移动用户的位置信息，且把呼叫转接 到可向该移动用户提供即时服务的m s c ，该m s c 称为被访m s c ( v m s c ) 。 ( 2 ) 原籍位置寄存器( h l 鼬。原籍位置寄存器可以看作g s m 系统的中央数据 库，存储该h l r 管辖区的所有移动用户的有关数据。其中，静态数据有移动用户 码、访问能力、用户类别和补充业务等。此外，h l r 还暂存移动用户漫游时的有 关动态信息数据。 ( 3 ) 访问位置寄存器( v l r ) 。访问位置寄存器存储进入其控制区域内来访移动 东北大学硕士学位论文第= 章移动蜂窝网络小区规划 用户的有关数据。这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的， 一旦移动用户离开该v l r 的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被消 除。因此，v l r 可看作是一个动态用户数据库。实际情况下，v l r 的功能总是在 每个m s c 中综合实现的。 ( 4 ) 鉴权中心( a u c ) 。g s m 系统采取了特别的通信安全措施，包括对移动用 户的鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。因此，鉴权中心存 储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信的安全。 ( 5 ) 设备标志寄存器( e i r ) 。设备标志寄存器存储着移动设备的国际移动设备 标识码( i m e i ) ，通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动 设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，或是由于技术故障或误操作而危 机网络运行的m s 设备，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 ( 6 ) 操作维护中心( o m c ) 。操作维护中心负责对全网进彳亍监控与操作。例如。 系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计 费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的收集、分析与显示等。 操作子系统( 0 s s ) 是相对独立的对g s i 4 系统提供管理和服务的功能单元，它 主要包括网络管理中心( n d e ) 、安全性管理中心( s e m c ) 、集中计费管理的数据后 处理系统( d p p s ) 、用户识别卡个人化管理中心( p c s ) 等。操作子系统( 0 s s ) 的 功能分为3 个部分：移动用户管理、移动设备管理及网络操作与控制。移动用户 管理是对s i m 卡的数据进行管理；移动设备管理是通过对e i r 控制实现的；网络 操作和控制是通过对网络交换子系统的0 d c 来完成的。 2 1 2 信道类型 g s m 系统要传输不同类型的信息，按逻辑功能而言，可分为业务信息和控制 信息。因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。g s m 系统的 信道分类如下。 ( 1 ) 业务信道。业务信道t c h 主要传输数字话音或数据，其次还有少量的随 路控制信令。业务信道有全速率业务信道( t c h f ) 和半速率业务信道( t c h h ) 之 分。半速率业务信道所用时隙是全速率业务信道所用时隙的一半。 东北大学硕士学位论文第二章移动蜂窝网络小区规划 ( 曲话音业务信道。载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道 ( t c h f s ) 和半速率话音业务信道( t c i 刑s ) ，两者的总速率分别为2 2 8 k b s 和 “。4 k b s 。 ( b ) 数据业务信道。在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和信道编 码，用户可使用下列各种不同的数据业务： 9 6 k b s ，全速率数据业务信道( t c h f 9 6 ) 4 8 k b s ，全速率数据业务信道( t c h f 4 8 ) 4 8 k b s ，半速率数据业务信道( t c h h 4 8 ) 2 4 k b s ，全速率数据业务信道( t c h f f 2 4 ) 2 4 k b s ，半速率数据业务信道( t c h h 2 4 ) ( 2 ) 控制信道。控制信道( c c h ) 用于传送信令和同步信号。它主要有三种：广 播信道( b c h ) 、公共控制信道( c c c h ) 和专用控锘4 信道( d c c h ) 。 ( a ) 广播信道( b c h ) 。广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用 于基站向移动台广播公用的信息。传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需 要的有关信息。其中又可分为以下三类。 频率校正信道( f c c h ) ：传输供移动台校正其工作频率的信息。 同步信道( s c h ) ：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息。 广播控制信道( b c c h ) ：传输系统公用控制信息。 ( b ) 公共控制信道( c c c h ) 。c c c h 是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段 传输链路连接所需要的控制信令。其中又分为以下三类。 寻呼信道( p c h ) ：传输基站寻呼移动台的信息。 随机接入信道( r a c h ) ：这是一个上行信道，用于移动台随机提出的入网申 请，即请求分配一个独立专用控制信道( s d c c h ) 。 准许接入信道( a g c h ) ：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请 做出应答，即分配一个独立专