移动通信移动通信组网原理.ppt

第三章移动通信组网原理 3 1多信道共用技术3 1 1话务量与呼损率话务量话务量 是度量通信系统业务量或繁忙程度的指标 是指单位时间内 1小时 进行的平均电话交换量 话务量分为流入话务量和完成话务量 若话务量A表示 则A S 2 88 S 每次呼叫平均占用信道的时间 单位为 小时 次 每小时的平均呼叫次数 流入话务量 单位为 次 小时 话务量A是无两纲的量 命名为 爱尔兰 简称Erl 如果一个小时内不断地占用一个信道 则其呼叫话务量为1爱尔兰 是一个信道具有的最大话务量 设在100个信道上 平均每小时有2100次呼叫 平均每次呼叫时间为2分钟 则这些信道上的呼叫话务量为2 呼损率设完成话务量用A0表示 则A0 0S 2 89 0 单位时间内呼叫成功的次数 则呼损率B为呼损率也称通信网的服务等级 呼损率越小 成功呼叫的概率越大 服务等级越高 但是 呼损率和流入话务量是相互矛盾的 也即服务等级和信道利用率是矛盾的 使呼损率变小 只有让流入的话务量小 要折中处理 如果呼叫有以下性质 每次呼叫相互独立 互不相关 呼叫具有随机性 每次呼叫在时间上都有相同的概率 并假定移动通信系统的信道数为n 则呼损率可用爱尔兰呼损公式计算该式就是电话工程中的爱尔兰公式 信道的利用率 每小时每信道的完成话务量 利用率 提高可以使呼损率B加大 利用率的提高要与呼损率综合考虑 呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系如书P128表5 2 由表可见 B一定的条件下 随n的增大 A不断增加 随n的加大而增长 n6时 A随n接近线性规律增长 n 8之后 增长很慢 因此同一基站的共用信道数不宜过多 用户忙时的话务量繁忙小时集中度k 集中系数 忙时话务量与全日的话务量之比 设最忙的时间为1小时 则k取10 至15 每用户的忙时话务量为 C 通信网中每一用户每天平均呼叫次数 次 天 T 每次呼叫的平均占用信道时间 秒 次 3 1 2每个信道能容纳的用户数每个信道所能容纳的用户数m为 由书中P129表5 3可以看出 增加呼损率B 能够容纳更多的用户 加大流入的话务量 但服务等级下降 3 2移动通信环境下的干扰 在移动通信的无线网设计中 解决无线覆盖区和无线电干扰是两大难题 无线电干扰一般分为同频道干扰 邻频道干扰 互调干扰 阻塞干扰和近端对远端的干扰等 同频道干扰 所有落在收信机通带内的与接收信号频率相同或相近的干扰信号 基本措施 是通过基站站址布局 保持同频复用距离 合理的覆盖区设计及频道配置 2 邻频道干扰工作在 频道的接收机受到工作于 土1频道的信号的干扰 即邻道 k土 频道 信号功率落入 频道的接收机通带内造成的干扰称为邻频道干扰 解决措施 1 降低发射机落入相邻频道的干扰功率 即减小发射机带外辐射 2 提高接收机的邻频道选择性 3 在网络设计中 避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用 互调干扰在专用网和小容量网中 互调干扰可能成为组网较关心的问题 两类互调干扰 发射机互调干扰和接收机互调干扰 1 发射机互调于扰一部发射机发射的信号进入了另一部发射机 并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制 产生不需要的组合干扰频率 对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰 称为发射机互调干扰 2 接收机互调干扰当多个强干扰信号进入接收机前端电路时 在器件的非线性作用下 干扰信号互相混频后产生可落入接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰称为接收机互调干扰 三阶互调干扰一般非线性器件输出电流ic与电压的关系为ak 非线性器件的特性系数 通常a1 a2 a3 假设有两个信号同时作用于非线性器件 即 ic式失真项为在n 3三阶失真项中 会出现这两种组合干扰对接收机的影响比较大 并称为三阶互调干扰 4阻塞于扰当外界存在一个离接收机工作频率较远 但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时 由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高 使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰 这种干扰与干扰信号的幅度有关 幅度越大 干扰越严重 当干扰电压幅度非常强时 可导致接收机收不到有用信号而使通信中断 5 近端对远端的于扰当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时 距基站近的移动台 距离 2 到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台 距离 1 d2 d1 的到达功率 若二者频率相近 则距基站近的移动台 就会造成对距基站远的移动台 的有用信号的干扰或仰制 甚至将移动台 的有用信号淹没 这种现象称为近端对远端干扰 远近效应 3 3区域覆盖和信道分配 移动通信网 是承接移动通信业务的网络 主要完成移动用户之间 移动用户与固定用户之间的信息交换 信息交换包括话音 数据 传真和图象等 移动通信网的服务区域覆盖可分为两类 小容量的大区制 大容量的小区制 蜂窝系统 3 3 1大区制 大区制 在一个服务区域内只有一个或几个基站 BS 基站作用 负责移动通信的联络和控制 大区制移动通信 R 分集接收站 特点 天线架设得高 发射机输出功率大 200W 服务区内所有频道都不能重复 覆盖半径大约为30km至50km 优点 组成简单 投资少 见效快 缺点 服务区内的所有频道 一个频道包含收 发一对频率 的频率都不能重复 频率利用率和通信容量都受到了限制 适用范围 主要用于专网或用户较少的地域 3 3 2小区制 小区 把整个服务区域划分为若干个无线小区 cell 每个小区分别设置一个基站 半径2至20km 小的1至3km 500m 功率 5至20W 基站作用 负责本区移动通信的联络和控制 又可在移动业务交换中心 的统一控制下 实现小区之间移动用户通信的转接 以及移动用户与市话用户的联系 区群 由采用不同信道的若干小区组成的覆盖区域 频率复用 将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用 要求 使用相同频率的小区 同频小区 之间干扰足够小 只有不同区群中的小区才能进行频率复用 或信道再用 n频制 称采用不同信道的n个小区组成的区群为n频制 1 带状网 适用范围 用于覆盖铁路 公路和海岸线等 a 采用有向天线b 采用全向天线 带状网的同频干扰r 小区半径 ds 信号传输距离 n 一个区群内小区的个数 a 相邻小区的交叠宽度 d1 同频干扰传输距离 I S 干扰信号比 最不利情况下 同频干扰 2 蜂窝网 1 小区形状正多边形无空隙 无重叠小区覆盖的三种形状 三种形状小区比较在服务区域一定的情况下 用正六边形小区所需的基站最少 蜂窝网 小区形状为正六边形的移动通信网 蜂窝移动通信网 2 区群组成组成 由采用不同信道的若干小区组成 区群附近的若干小区不能用相同的信道 应满足的两个条件 区群之间可以相邻 且无空隙 无重叠覆盖 保证各相邻小区之间的距离相等 区群内的小区数应满足 i j 正整数 3 同频小区的距离同信道小区中心之间的距离R 小区辐射半径 N 小区数 区群内小区数N越大 D越大 抗干扰强 j i 4 中心激励与顶点激励 中心激励 采用全向天线 b 顶点激励 采用定向天线 采用定向天线可以减少同道干扰 消除小区内障碍物的阴影区 5 小区的分裂无线小区还可以继续划小为微小区 Microcell 和微微小区 Piccell 以不断适应用户数增长的需要 若系统中所有小区都按原小区半径的一半分裂 则理论上 系统容量增长接近4倍 根据服务区内用户的密度不同 在用户密度高的区域 将小区面积划小 采用小区分裂的方法 小区制的优点 提高了频谱利用率 最大的优点 基站的功率减小 使相互间的干扰减少 小区的服务范围可根据用户的密度确定定 组网灵活 3 3 2信道配置信道 频道 配置 主要解决将给定的信道 频率 如何分配给在一个区群的各小区 针对FDMA TDMA系统 信道配置的方式 分区分组配置法和等频间距配置法分区分组配置法配置原则 1 尽量减少占用的总频段 2 同一区群内不能使用相同的信道 3 小区内采用无三阶互调的相容信道 相容信道 无三阶互调干扰的信道 例如 假设频段以等间隔划分为信道 按顺序标明信道的号码N 1 2 3 4 若每个区群7个小区 每个小区6个信道 按上述原则进行分配 可得 可以利用频道序号的差值有无相同 判别一组频道中是否存在三阶互调干扰 如果存在三阶互调干扰 则di x dk ji j k x 频道序号 di x dk j 频道序号差值 利用计算机搜索来得到无三阶互调干扰的相容信道 上面的例题使用42信道并且只占用42信道的频段 是最佳的分配方案 在很多方案中占用信道数大于需要信道数 缺陷 由于出发点是避免三阶互调干扰 没考虑同一信道组的频率间隔 可能会出现较大的邻道干扰 等频距配置法等频距配置法 按等频率间隔来配置信道 只要频距选得足够大 就可以有效地避免道干扰和互调干扰 虽然这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系di x dk j 但频距大 接收机滤波器可以滤除干扰 若需要 个信道 将其分为 个信道组 则每个信道组中有M N个信道 小区个数 个信道组的信道序列号可以确定如下 K j N 1 2 3 N j 0 1 2 3 M N 1K 信道组的序列号 例如 则信道的配置为 第一组 第二组 第三组 第四组 第五组 第六组 第七组 最小频率间隔为 个信道间隔 若信道间隔为25kHz 则最小频率间隔可达175kHz 接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰 我国GSM网和TACS网均采用了这种方法若采用定向天线 每个基站应配置三组信道 例如 7 每个区群就需有 个信道组 3 3 3信道分配策略两类信道分配策略 固定的信道分配策略和动态的信道分配策略 固定的信道分配策略 将一组信道固定配置给某一基站 优点 控制方便 投资少 缺点 信道利用率低 2 动态的信道分配策略 信道不固定或部分不固定地配置给各基站 可分为动态配置和柔性配置 1 动态配置 随业务量的变化重新配置全部信道 信道全部不固定 柔性配置 准备若干个信道 需要时提供给某小区 信道部分不固定 动态配置法的优 缺点 优点 频率利用率高 缺点 控制复杂 考虑各类干扰 计算 存储和设备因素 3 4网络结构3 4 1基本结构移动用户 基站 交换机 固定网络 固定用移动用户 基站 交换机 基站 移动用户 通常每个基站要同时支持50路话音呼叫 每个交换机可以支持近100个基站 交换机到固定网络之间需要5000个话路的传输容量 交换机组成和基本原理 a 交换机的组成 b 交换机的基本原理 交换机 移动交换中心MSC 功能 除具备常规交换机的功能外 还负责移动性管理和无线资源管理 如越区切换 漫游 用户位置登记管理等 基站的组成 模拟蜂窝移动通信网由三大部分组成 移动交换局 MTSO 移动交换中心 MSC 基站 BS 和移动台 MS 3 4 2数字蜂窝移动通信网的网络结构1 网络功能示意图 基站子系统 网络子系统 2 网络移动管理示意图 公用陆地移动通信网 二级移动汇接局 3 多服务区的网络结构 移动台 MS 移动通信设备 基站收发信台 BTS 由无线收发机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成 基站控制器 BSC 主要任务是实现频率管理及BTS的控制和交换功能 主要有无线信道的安排和释放 切换的安排 它监视和控制几个基站 基站分系统 BSS 包括基站收发信台 BTS 和基站控制器 BSC 原籍位置寄存器 HLR 用于移动用户的数据库 每一个移动网有一个HLR HLR所存储的用户信息分为两类 1 永久信息 如用户的类别 业务信息 用户的各种号码 识别码 IMSI 和用户的保密参数等 2 用户当前位置的临时信息 如移动用户临时识别码 TMSI 移动用户的漫游号 MSRN VLR地址等 用于建立至移动台的呼叫路由 存储在HLR中的数据由授权维护人设置 HLR的主要责任 对在HLR中登记的移动台 MS 的所有用户参数的管理 修改等 计费管理 VLR的更新 访问位置寄存器 VLR 是访问者位置登记器 存储用户位置的动态数据库 包含当前MSC服务的移动用户的所有有关数据 通常一个移动交换 MSC 区有一个VLR VLR的永久数据与HLR中的相同 临时性数据略有不同 临时性信息包括当前已激活的特性 临时用户识别号 TMSI 移动台漫游号 MSRN 所在位置区的标志以及向用户提供的服务参数等 是动态数据库 主要责任 移动台漫游号管理 临时移动台标识管理 访问的移动台用户管理 HLR的更新 管理MSC区 位置区及基站区 管理无线信道 如信道分配表 动态信道分配管理 信道阻塞状态 认证中心 AUC 认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体 参数包括随机号码 RAND 期望的响应 SRES 和密钥KC等 设备标志寄存器 EIR 存储有关移动台设备参数的数据库 实现对移动台设备的识别 监视 闭锁等功能 防止非法移动台使用 操作维护中心 OMC 网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体 接入MSC和BSC 处理来自网络的错误报告 控制BSC和BTS的业务负载 OMC通过BSC对BTS进行设置并允许操作者检查系统的相连部分 移动交换中心 MSC 是无线电系统与公共电话交换网之间的接口设备 完成所有必须的信令功能 以建立与移动台的往来呼叫 主要责任是 1 路由选择管理 2 计费和费率管理 3 业务量管理 4 向原籍位置寄存器 HLR 发送有关业务量信息和计费信息 公共交换电话网 PSTN 综合业务数字网 ISDN 公共数据网 PND 蜂窝移动通信系统接口 接口的主要功能 Sm 用户与移动网之间的接口 也称人机接口 在移动设备中包括键盘 液晶显示以及实现用户身份识别功能的部件 SIM卡 Um 移动台与基站收发信机之间的无线接口 也称无线接口或空中接口 它包含信令接口和物理接口两方面的含义 无线接口的不同是数字移动网与模拟移动网的主要区别之一 A接口 基站与移动交换中心之间的接口 此接口所传递的主要信息有基站管理 呼叫处理与移动特性管理等 A bis 基站控制器 BSC 与基站收发信机 BTS 之间的接口 此接口支持所有向用户提供的服务 并支持对BST无线设备的控制和对无线资源的分配 B接口 移动交换中心 MSC 与访问位置寄存器 VLR 之间的接口 当MSC需要知到某个移动台的当前位置时 就查寻VLR 当移动台启动与某个MSC有关的位置更新程序时 MSC就会通知存储着有关信息的VLR 当用户使用特殊的附加业务或改变相关的业务信息时 MSC也通知VLR 需要时 更新相应的HLR 接口 移动交换中心 MSC 与归属位置寄存器 HLR 之间的接口 此接口用于传递管理与路由选择的信息 呼叫结束时 相应的MSC向HLR发送计费信息 接口 归属位置寄存器 HLR 与访问位置寄存器 VLR 之间的接口 此接口用于有关移动台位置和用户管理的信息交换 为支持移动用户在整个服务区内发起或接收呼 两个位置寄存器问必须交换数据 VLR通知HLR某个归属它的移动台的当前位置 提供该移动台的漫游号码 HLR向VLR发送支持对该移动台服务所需要的所有数据 当移动台漫游到另一个VLR服务区时 HLR应通知原先为此移动台服务的VLR消除有关信息 当移动台使用附加业务 或者用户要求改变某些参数时 也要用 接口交换信息 接口 移动交换中心之间的接口 此接口主要用于MSC之间交换有关越区切换的信息 接口 移动交换中心 MSC 与设备标志寄存器 EIR 之间的接口 此接口用于MSC与EIR之间交换有关移动设备管理的信息 例如国际移动设备识别码等 接口 访问位置寄存器VLR之间的接口 当某个移动台使用临时移动台标识号 TMSI 在新的VLR中登记时 G接口用于在VLR之间交换有关信息 此接口还用于向分配TMSI的VLR检索此用户的国际移动用户识别码 IMSC Um接口协议模型举例 未来移动通信网络结构应分为三个层次 最底层为通用信息接入网络 它能使人们利用各种空中接口标准 在不同的环境下 如室内 室外 卫星等 都能接入到网络中 宽带信息传输网络 也称为核心交换网络 它能有效地运载大量用户的多种类型多种速率的业务和高效地处理高密度和高速移动的用户的呼叫 同时还能运载和处理大量的用户移动性管理等的控制和管理负荷 最高层为业务管理 控制 网络 它不仅能过提供现有网络的管理 还能为用户提供生成自行设计的新业务的能力和在网络中迅速引入这些新业务的能力 两个支持网路 智能信令控制网络 它提供用户和网络之间的虚电路 信道的连接和同步 智能路由和特殊的网络业务 统一的网络管理 它提供全网的运行 维护和管理 对保证服务质量和无限资源的最佳监测和使用是必要的 3 5信令 信令 为使通信网有序地工作所传输的控制信号 信令作用 信令在通信网的不同环节 BS MS和MSC 之间传输 各环节进行分析处理并通过交互作用形成一系列的操作和控制 保证用户信息有效 可靠地传输 信令分两种 接入信令 用户到网络节点间的信令 在移动通信中是指移动台到基站之间的信令 网络信令 网络节点之间的信令 在移动通信中网络信令称7号信令 SS7 3 5 1接入信令信令按信号形式可分为数字信令和音频信令 模拟信令 一 数字信令主要用于模拟系统 经调制后 在无线信道上传输 常用的信令格式 二 音频信令音频信令是由不同音频信号组成的 分单音频信令 双音频信令和多音频信令 带内单音频信令带内单音频信令 用0 3 3kHz范围内不同的单音作为信令 2 带外亚音频信令带外亚音频信令 采用低于0 3kHz的单音作为信令 3 双音频拨号信令拨号信令 移动台主叫时发往基站的信令 拨号信令常采用的方式有单音频脉冲和双音频脉冲 单音频脉冲方式 用拨号盘使2 3kHz的单音按脉冲方式发送 双音频脉冲 采用两个不同频率范围的单音频脉冲组合 十取一 用话带内的10个单音 每一个单一音代表一个十进制的数 五取二 用话带内的5个单音 每次同时选播两个单音 共有C52 10种组合 每一组和代表一个十进制数 4 3方式 双音多频DTMF方式 用话带内的7个单音 把它们分为高音群和低音群 用高音群的一个单音和低音群的一个单音来代表一个十进制数 进行发送 三 信令传输协议 数字蜂窝移动通信系统链路层信息帧格式 GSM链路层信息帧控制字段构成 N R 接收机序列号 N S 发射机序列号 S 监督功能比特 U 无序号功能比特 P F 查询 终止比特 发送命令时为查询比特 发送响应时为终止比特 信令的传输方式有两种 1 无证实 无应答 信息传输方式 2 有证实 应答 信息传输方式 3 5 2网络信令7号信令 主要用于交换机之间 交换机与数据库 如HLR VLR和AUC 之间交换信息 三个组成部分 1 信令点 SP PacketSwitchedPublicDataNetwork 包括业务交换点 SSP ServiceSwitchingPoint 和业务控制点 SCP ServiceControlPoint 2 信令链路 3 信令转移点 STP 7号信令网 HLR HomeLocat