第6章+移动通信组网原理.ppt

第6章移动通信组网原理 6 1概述6 2多址技术6 3信令6 4位置管理和越区切换6 5话务量与呼损率6 6传播模型校正6 7区域覆盖和信道分配 频率规划6 8网络设计思考题与习题 6 1概述 在前面几章的讨论中 我们主要解决了在移动环境下 点对点的传输问题 本章将试图解决以下几个方面的问题 1 对于给定的频率资源 大家如何来共享 采用什么样的多址技术 使得有限的资源能传输更大容量的信息 2 如何将服务区内的各个基站互连起来 并且要与固定网络 PSTN 其它移网络 PLMN 短消息中心 SMC 等互连 从而实现移动用户与固定用户 移动用户与移动用户之间的互连互通 即移动通信应采用什么样的网络结构 3 如何在用户和移动网络之间 移动网络和固定网络之间交换控制信息 从而对呼叫过程 移动性管理过程和网络互连过程进行控制 以保证网络有序的运行 即在移动通信网中应采用什么样的信令系统 4 移动通信的基本特点是用户在网络覆盖的范围内可任意移动 这就要解决以下两个问题 一是当移动用户从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区 如何保证用户通信过程的连续性 即如何实现有效的越区切换 二是用户在移动网络中任意移动 网络如何管理这些用户 即如何解决移动性管理问题 5 移动通信是多信道共用通信 那么究竟有多少个信道能为多少用户提供服务 共用信道之后必然会遇到所有信道均被占用 而新的呼叫不能接通的情况 发生这种情况的概率有多大呢 话务量与呼损率的大小表达了这两种情况 这也是移动通信网质量的重要指标 6 移动通信的环境是千变万化的 所以传播损耗的理论模型与实际的传播损耗是有差异的 为了获得符合覆盖地区实际环境的无线传播模型 提高覆盖预测的准确性 就必须进行传播模型的校正 同时由于传播损耗的存在 基站和移动台之间的通信距离总是有限的 那么为了使得用户在服务区的任一点都能接入网络 需要设多少个基站 另一方面 对于给定的频率资源 如何在这些基站之间进行分配以满足用户容量的要求 这些是无线覆盖技术和网络设计要解决的问题 7 移动通信网如何与固定网络 PSTN 其它移网络 PLMN 短消息中心 SMC 等互连 从而实现移动用户与固定用户 移动用户与移动用户之间的互连互通 如何配置各局向的端口数 信令链路数 基站的类型 数量如何配置 这些是网络设计要解决的问题 第一代移动通信系统包括AMPS TACS和NMT等体制 第二代数字移动通信系统包括GSM IS 136 DAMPS PDC IS 95等体制 6 2多址技术 蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用 频分多址系统是频率资源的重用 时分多址系统是时隙资源的多用 码分多址系统是码型资源的重用 6 2 1频分多址 FDMA 频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道 或称信道 供不同的用户使用 在模拟移动通信系统中 信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽 如25kHz或30kHz FDMA的特点是技术成熟 稳定 容易实现 易于与模拟系统兼容 对信号功率控制要求不严格 但通信质量较差 保密性较差 FDMA系统组织多扇区基站会遇到困难 在我国 中国移动公司已在大城市和主要地区停用模拟式蜂窝移动通信 单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见 目前的实用系统多采用TDMA方式或采用FDMA TDMA方式 6 2 2时分多址 TDMA 在时分多址系统中 把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 每一个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 然后根据一定的时隙分配原则 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰 与FDMA通信系统比较 TDMA通信系统具有如下特点 1 TDMA系统的基站只需要一部发射机 可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰 2 因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号 因而在一帧的其他时隙中 可以测量其他基站发射的信号强度 或检测网络系统发射的广播信息和控制信息 这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的 3 TDMA系统设备必须有精确的定时和同步 保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆 并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号 同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证 往往也是比较复杂的技术难题 不同的TDMA移动通信系统的帧长度和帧结构是不一样的 典型的帧长度在几毫秒到几十毫秒之间 如GSM系统的帧长为4 6ms 每帧8个时隙 DECT 一种无绳电话系统 的帧长为10ms 每帧24个时隙 TDMA较之FDMA具有通信质量高 频谱利用率高 系统容量较大等优点 但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信 技术上比较复杂 目前实用的TDMA系统综合采用FDMA TDMA 例如IS 136系统采用带宽30kHz的FDMA信道 并将其再分割成6个时隙 用于TDMA传输 GSM系统采用200KHz的FDMA信道 并将其再分割成8个时隙 用于TDMA传输 6 2 3码分多址 CDMA 码分多址以扩频信号为基础 利用不同码型实现不同用户的信息传播 在CDMA通信系统中 不同用户是用各自不同的正交编码序列来区分 每个用户被分配一个伪随机码 该码具有优良的自相关和互相关性能 这些码序列把用户信号变换成宽带扩频信号 在接收端 信号经接收机用相同的码序列将宽带信号再变回原来的带宽 接收机的相关器可以在多个CDMA信号中选出使用的预定码型的信号 其他信号因使用了不同码型而不能被解调 CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同 可以分为跳频码分多址 FH CDMA 直扩码分多址 DS CDMA 复合式扩频码分多址及同步码分多址 SCDMA 和大区域同步码分多址 LAS CDMA 1 FH CDMA跳频是用于扩频信号传输中的一种基本调制技术 它在无线电传输过程中通过转换频率方式 能将电子对抗 就是未经授权的对无线电通讯的中途拦截或人为干扰 影响减少到最小 在FH CDMA系统中 每个用户根据各自的伪随机 PN 序列 动态改变其已调信号的中心频率 各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变 发送器根据指定的法则在可用的频率之间跳跃 接收器与发送器同步操作 始终保持与发送器同样的中心频率 跳频要求比使用一个载波频率传输同样信号需要的宽很多的带宽 2 DS CDMA在DS CDMA系统中 所有用户工作在相同的中心频率上 输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号 不同的用户使用不同的PN序列 这些PN序列 或码字 相互正交 利用PN序列 或码字 来区分不同的用户 在DS CDMA系统中既可以利用完全正交的码序列来区分不同的用户 或信道 也可以利用准正交的PN序列来区别不同的用户 或信道 DS CDMA系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要满足要求才能正常解扩 DS CDMA系统除了必须采用功率控制技术外 还有它是自干扰系统 80年代高通公司把DS CDMA技术用于蜂窝系统 成为今天的窄带CDMAIS 95标准 90年代DS CDMA技术被用于第三代移动通信系统中 遵循ITU规定的IMT 2000规范 并以W CDMA方式为基础 该技术能够利用5MHz的信道提供高达2Mbps的数据速度等 3 混合码分多址下面介绍几种主要的混合式扩频系统 1 直扩 跳频 DS FH 系统 它是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能 它的基本工作方式是直接序列扩频 因此系统的同步也是以直接序列的同步为基础的 2 直扩 跳时 DS TH 系统 它是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加了对射频信号突发时间跳变控制的功能 3 直扩 跳频 跳时 DS FH TH 系统 将三种基本扩展频谱系统组合起来构成一个直扩 跳频 跳时混合式扩频系统其复杂程度是可想而知的 因此 一般很少使用 混合码分多址的形式有多种多样 如FDMA和DS CDMA混合 TDMA与DS CDMA混合 TD CDMA TDMA与跳频混合 TDMA FH FH CDMA与DS CDMA DS FH CDMA 混合等 4 SCDMA同步码分多址SCDMA是建立在CDMA基础上的 它通过无线分配网络提供健全和完善的传输 通过确保无线信道传送上行信息相互正交和同步 减少了交互干扰 而且对于宽带中的通道干扰问题 可用SCDMA通道来解决 这样SCDMA数据将不影响用保护带隔离的其他通道 SCDMA技术在脉冲和窄带噪声 线性和非线性信道损坏 速率的适应能力 宽带高容量以及系统的扩展性和安全性方面 较频分多址 FDMA 和时分多址 TDMA 技术有优势 5 LAS CDMA大区域同步码分多址LAS CDMA是一个智能扩频码 使用了一种被称为LAS编码的扩频地址编码设计 通过建立 零干扰窗口 产生强大的零干扰多址码 很好地改善了现有CDMA系统中系统容量干扰受限的问题 使系统容量 频谱效率和传输速率大为提高 LAS地址编码由被称为LA码和LS码的两级编码组成 LA和LS码作用于系统可以减少或完全消除自干扰和相互干扰 包括符号间干扰 ISI 多址干扰 MAI 和相邻小区干扰 ACI LAS CDMA用于FDD是一种增强技术 LAS CDMA用于TDD是一种突破技术 即TDD LAS码 简称为TDD LASLAS CDMA LAS CDMA技术标准已被世界标准组织3GPP2接受为CDMA2000增强型三个备选方案之一 LAS CDMA不存在 远近效应 问题 因而小区的覆盖范围可以更大 因为增加信号发射功率 其干扰不像传统CDMA那样同比增加 所以小区通信距离可以增大 目前LAS CDMA也被称为属于4G的技术标准 它是目前所有无线传输技术中频谱利用率最高的技术 其系统容量比最新的3G标准系统至少高3倍 LAS CDMA还可用来提供高速数据业务 带宽可由多用户同时共享 表6 1CDMA和FDMA TDMA容量比较表 6 2 4空分多址 SDMA 空分多址 SDMA 是用波束形成技术 利用空间分割构成不同的信道以获得多址能力 在移动通信中 能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线 不同的波束可采用相同的频率和相同的多址方式 也可采用不同的频率和相同的多址方式 自适应阵列天线系统持续监控其覆盖的范围 针对不断变化的无线环境 系统将提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户 为用户所在的方向提供最大的增益 同时抑制其他用户的干扰 以适应用户的位置移动 SDMA是一种信道增容的方式 可以实现频率的重复使用 充分利用频率资源 空分多址还可以和其它多址方式相互兼容 从而实现组合的多址技术 实现它的技术核心则是自适应智能天线技术 6 2 5随机多址随机多址包括ALOHA 载波侦听多址 CSMA 和预约随机多址 ALOHAAloha协议是最早最简单的无线数据分组接入通信协议 任何一个用户可以在任意给定时间内传输数据 发送结束后 在给定时间之后仍未收到应答 就重新发一个包 因而减少碰撞 ALOHA可分为纯ALOHA P ALOHA 和分隙ALOHA S ALOHA 它们的区别在于是否将时间分为离散的时隙 纯ALOHA无需全局时间同步 而分隙ALOHA则必须时间同步 2 载波侦听多址 CSMA 在CSMA协议中 每个站点在发送分组之前 首先监听信道上是否有分组在传输 若信道空闲 没有检测到载波 才可以发送 若信道忙 则按照设定的准则推迟发送 3 预约随机多址预约随机多址通常基于时分复用 既将时间轴分为帧 每一帧分为若干时隙 当某用户有分组要发送时 可采用ALOHA的方式在空闲时隙上进行预约 如果预约成功 它将无碰撞地占用每一帧所预约的时隙 直至所有分组传输完毕 用于预约的时隙可以是一帧中固定的时隙 也可以是不固定的 6 3信令在移动通信网中 除了传输用户信息 如话音信息 外 为使是全网有秩序地工作 还必须在正常通话的前后和过程中传输很多其它的控制信号 诸如一般电话网中必不可少的摘机 挂机 空闲音 忙音 拨号 振铃 回铃以及无线通信网中所需的频率分配 用户登记与管理 呼叫与应答 越区切换和发射机功率控制等等信号 这些和通信有关的一系列控制信号统称为信令 信令是整个移动通信网的最重要组成部分之一 其作用是保证用户信息有效且可靠地进行传输 信令可看作是整个通信网络的神经中枢 其性能在很大程度上决定了一个通信网为用户提供服务的能力和质量 信令系统复杂是移动通信系统与普通通信系统的重要区别 严格地讲 信令在通信网中的基本功能是 建立呼叫 监控呼叫和清除呼叫 信令的操作过程如图6 1所示 信令分为两种 一种是用户到网络节点间的信令 接入信令 另一种是网络节点之间的信令 网络信令 在ISDN网中 接入信令称为1号数字用户信令系统 DDS1 移动通信的接入信令是指移台到基站之间的信令 网络信令称为7号信令系统 SS7 6 3 1接入信令如果从信令的形式分 又可分为模拟信令和数字信令两大类 由于目前移动通信设备多采用数字信令 所以下面主要介绍数字信令 常用的数字信令构成如图6 2所示 位同步码 P 又称前置码 或比特同步码 其作用是把收发两端时钟对准 使码位对齐 以给出每个码元的判决时刻 通常采用二进制不归零间隔码 10100 并以0作为码组的结束码元 字同步码 SW 又称帧同步码 它表示信息 报文 的开始位 作为信息起始的时间标准 以便使接收端实现正确的分路 分句或分字 在接收时 通过从数字序列中识别出这些特殊码组的位置 来实现字同步 目前最常用的码组是巴克码 信息码 A或D 是真正的信息内容 通常包括控制 寻呼 拨号等信令 各种系统都有独特规定 纠检错码 SP 是检测和纠正传送过程中产生的差错 主要是指纠 检信息码的的差错 因此 通常纠 检错码与信息码共同构成纠 检错编码 所以有时又称纠检错码为监督码 以区别于信息码 上述数字信令主要是用于模拟移动通信系统 在数字蜂窝移动通信系统中 均有严格的帧结构 如在TDMA系统的帧结构中 通常都有专门的时隙用于信令传输 或在每个时隙中设有专门的比特域用于信令传输 2 模拟信令常用的有DTMF信令 CTCSS信令 五音调信令等 可单独使用 亦可几种搭配混和使用 DTMF信令 是一种双音多频信号 它在市话程控交换机上被广泛使用 它是在300 3400Hz音频范围内 选择8个单音频率 分为高频率群 个或 个频率 和低频率群 个频率 每次从高频率群和低频率群各取出一个频率 由高低两个频率信号叠加在一起构成一个DTMF信号 DTMF信号用作系统的识别 拨号 控制以及状态等各种信令 CTCSS信令 是指亚音频控制静噪选呼信令 又称为音锁或单音静噪 CTCSS信令是在发射载波上叠加低电平亚音频单音 每个系统有自己特定单音 用户每次呼叫开启发射机时使发出该频率的单音 并在整个通话期间持续发送 在简单的集群通信系统中 常用该信令实现组呼或作为系统识别音 五音调信令 属于单音顺序编码信令 CCIR规定五音调非序码单音频率稳定度应优于 5 10 3 标准码长时间为100 10ms 码字之间不间断排列 间断误差时间约为20ms 6 3 2网络信令 7号信令 常用的网络信令就是7号信令 SS7 它主要用于交换机之间 交换机与数据库 如HLR VLR Auc 之间交换信息 7号信令属于将通话信道和信令信道分离 在单独的数据链路上以信令消息单元的形式集中传送信令信息的公共信道信令 7号信令系统独立于话音系统 信令消息完全数字化 采用数据包方式发送数据 7号信令系统是国际电信联盟 ITU 的标准 在国际上大部份国家得到了应用 是目前通信领域应用最广的信令系统 7号信令方式除具有公共信道号方式的共有特点外 在技术上还具有如下的特点 1 最适合采用64kb s的数字信道 也适合模拟信道和较低速率下的工作 2 多功能的模块化系统 可灵活地使用其整个系统功能的一部分或几部分 组成需要的信令网络 3 具有高可靠性 能提供可靠的方法保证信令按正确的顺序传递而又不至丢失和重复 4 具有完善的信令网管理功能 5 采用不定长消息信令单元的形式 以分组传送和明确标记的寻址方式传送信令消息 2 协议结构OSI参考模型是用于计算机间互连和交换信息的分层协议 由于7号信令方式实质上也是局间处理机之间的分组数据通信系统 所以也适合采用OSI参考模型 7号信令系统的协议结构如图6 3所示 它包括MTP SCCP TCAP MAP OMAP和ISDN UP等部分 MTP 消息传递部分 的第一级相当于OSI的物理层 MTP的第二级相当于OSI的数据链路层 而MTP的第三级和SCCP合起来是OSI的第3层网络层 在7号信令方式中将上述的OSI的前三层称为网络业务部分 NSP 对于7号信令方式的OSI模型的4 7层 目前有关4 6层协议仍在研究中 只形成了第7层应用层的建议 TCAP 将OSI参考模型应用于7号信令方式之后 7号信令方式成为同时采用按功能分级和按OSI分层模式混合结构 但由于7号信令方式按OSI分层时一些分层 4 6层 的协议尚在研究之中 因此在与电路有关的应用方面仍采用按功能分级的结构 MTP1 是7号信令协议栈中的最底层 对应于OSI模型中的物理层 这一层定义了数字链路在物理上 电气上及功能上的特性 物理接口的定义包括 E 1 T 1 DS 1 V 35 DS 0 DS 0A 56K MTP2 确保消息在链路上实现可靠的端到端传送 它提供流控制 消息序号 差错检查等功能 当传送出错时 出错的消息会被重发 MTP3 在7号信令网中提供两个信令点间消息的路由选择功能 还提供一些网管功能的支持 包括 流量控制 路由选择和链路管理 它对应OSI模型中的网络层 SCCP 信令连接控制部分 位于MTP之上 为MTP提供附加功能 以便通过7号信令网在信令点之间传递电路相关和非电路相关的消息 提供两类无连接业务和两类面向连接的业务 无连接业务是指在两个应用实体间 不需要建立逻辑连接就可以传递信令数据 面向连接业务在数据传递之前应用实体之间必须先建立连接 可以是一般性的连接 也可以是逻辑连接 TCAP 事务处理应用部分 TCAP允许应用调用远端信令点的一个或多个操作 并返回操作的结果 比如 数据库访问或远端调用处理命令等 ISUP ISDN用户部分 ISUP在交换局提供基于电路的连接 它直接和MTP3层通信 ISUP提供基础电信业务 包括连接建立 监示和释放 TUP 电话用户部分 在ITU TS标准里 TUP和ISUP功能相似 提供相似的业务 如 呼叫建立和拆除 TUP提供的业务比ISUP少 不支持ISUP中某些业务类别 比如 非话音业务和补充业务 不传递与电路无关的消息包 TUP主要用于南美洲 墨西哥 亚洲和东欧国家 而ISUP用于其他地方的国家 ISUP比TUP提供更丰富的业务 特别是非话音数字业务 3 信令网的组成7号信令网是独立于通信网专门用于传送信令的网络 它由许多各种信令点 SP 信令转接点 STP 和连接信令点的链路 Link 构成 信令点 SP 信令点是7号信令网中处理控制消息的节点 信令链路直接连接的两个信令点为相邻信令点 非直接连接的两个信令点为非邻近信令点 交换局 操作管理和维护中心 服务控制点 信令转接点都可作为信令点 业务交换点 SSP 业务交换点是信令消息的产生或终结点 实质上就是本地移动交换中心 也就是说 当一个移动交换中心具有7号信令接入能力时 它就是一个业务交换点 业务控制点 SCP 业务控制点是典型的访问数据库服务器 一个SCP总是要连接到一个STP 包括提供增强型业务的数据库 SCP接收SSP的查询 并返回所需的信息给SSP 在移动通信中SCP可包括一个HLR或一个VLR 信令转接点 STP 信令转接点具有信令转接功能 它可以将信令消息从一个信令点转发到另一个信令点 它是在交换机和数据库之间中转7号信令的交换机 完成路由器的功能 STP在国内信令网中很重要 它不但能把不同的网络连接起来 还能把国际间的网络连接起来 按信令转接点依所处地位又分为高级信令转接点 HSTP 和低级信令转接点 LSTP 链路 Link 和链路集 连接两个信令点 或信令转接点 的信令数据链路及其传送控制功能组成的传输工具称为信令链路 每条运行的信令链路都分配有一条信令数据链路和位于此信令数据链路两端的两个信令终端 6 3 3信令应用固定用户呼叫移动客户图6 4为例进行说明 1 通过No 7信令客户部分ISUP TUP 入口MSC GMSC 接受来自固定网 ISDN PSTN 的呼叫 2 GMSC向HLR询问有关被叫移动客户当前访问的MSC地址 即MSRN 3 HLR请求VLR分配MSRN MSRN在客户每次呼叫时由拜访VLR分配并通知HLR 4 GMSC从HLR获得MSRN后 寻找路由建立至被访MSC的通路 5 6 被访MSC从VLR获得有关客户数据 7 8 MSC通过位置区内的所有BTS向移动台发送寻呼消息 9 被叫移动用户的移动台发回寻呼响应消息 向基站请求随机接入信道 10 在移动台与MSC之间建立信令连接的建立过程 11 对移动台的识别码进行鉴权的过程 如果需要加密 则设置加密模式等 进入呼叫建立起始阶段 12 分配业务信道 13 14 移动台振铃 向主叫客户回送呼叫接通证实信号 15 移动客户取机应答 向固定网发送应答连接消息 至此进入通话阶段 固定用户呼叫移动客户信令流程图6 5 6 4位置管理和越区切换6 4 1位置管理位置管理包括两个主要的任务 位置登记和呼叫传递 位置登记 是在移动台的实时位置信息已知的情况下 更新位置数据库 HLR和VLR 和认证移动台 呼叫传递 是在有呼叫给移动台的情况下 根据HLR和VLR中的位置信息来定位移动台 与之密切相关的的是位置更新和寻呼 位置更新 是解决移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置问题 寻呼 是解决如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区的问题 1 位置登记和呼叫传递在蜂窝移动通信系统中 将覆盖区域分为若干个登记区RA GSM中登记区称为位置区 一个MS进入一个新的RA 位置登记过程分为三个步骤 在管理新RA的新VLR中登记MS 修改HLR中记录服务该MS的新VLR的ID 在旧VLR中注销MS 呼叫传递过程分为两个步骤 确定被呼MS的VLR 确定被呼MS正在访问的小区 呼叫传递步骤如下 1 主呼MS通过基站向其MSC发出呼叫初始化信号 2 MSC通过全局码GTT确定被呼MS的HLR地址 并向该HLR发送位置请求信息 3 HLR确定出为被呼MS服务的VLR 并向该VLR发送路由请求信息 该VLR将该消息中转给为被呼MS服务的MSC 4 被呼MSC给被呼的MS分配一个称为临时本地号码TLDN的临时标识 并向HLR发送一个含有TLDN的应答消息 5 HLR将上述消息中转给为主呼MS服务的MSC 6 主呼MSC通过7号信令网络向被呼请求呼叫建立 2 位置更新当用户进入一个新的登记区 它将进行位置更新 当有呼叫要达到该用户时 将在该登记区进行寻呼 以确定出移动用户在哪一个小区范围内 位置更新和寻呼信息都是在移动通信系统中的控制信道上传输 常用的动态位置更新有三种 基于时间的位置更新 每个用户每隔 T秒周期性地更新其位置 T的确定由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定 2 基于运动的位置更新 当移动台跨越一定数量的小区边界 运动门限 以后 移动台就进行一次位置更新 3 基于距离的位置更新策略 当移动台离小区的距离超过一定的值 距离门限 时 移动台进行一次位置更新 距离门限的确定取决于移动台的运动方式和呼叫到达参数 基于距离的位置更新策略具有最好的性能 但它实现的开销最大 而对于基于时间和运动的位置更新策略实现起来比较简单 移动台仅需要一个定时器或运动计数器就可以跟踪时间和运动的情况 6 4 2越区切换越区切换分为两大类 一类是硬切换 另一类是软切换 硬切换是指在新的连接建立以前 先中断旧的连接 而软切换是指既维持旧的连接 又同时建立新的连接 并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量 与新基站建立可靠连接之后再中断旧链接 越区切换包括三个方面的问题 1 越区切换的准则 也就是何时需要进行越区切换 2 越区切换的控制 它包括同一类型小区切换和不同类型小区之间切换的控制 3 越区切换的信道分配 2 越区切换的准则 1 相对信号强度准则 在任何时侯都选择具有最强接收信号的基站 这种准则的缺点是在原基站的信号强度仍满足要求的情况下 会引发太多不必要的越区切换 2 具有门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱 低于某一门限 且新基站的信号强于本基站的信号情况下 才可以进行越区切换 在该方法中 门限选择具有重要的作用 3 具有滞后余量的相对信号强度准则 仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度大很多 即大于滞后余量 的情况下进行越区切换 该技术可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换 即 乒乓效应 4 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限 且新基站的信号强度高于当前基站一个滞后余量时 进行越区切换 5 其它类型的准则 如通过预测技术 即预测未来信号电平的强弱 来决定是否进行越区切换 还可以考虑人或车辆的运动方向和路线等 在上述准则中还可以引入一个定时器 即在定时器到时间后才允许越区切换 采用滞后余量和定时器相结合的方法 3 越区切换的控制策略 1 移动台控制的越区切换 移动台连续监测当前基站和几个越区侯选基站的信号强度和质量 当满足某种越区切换准则后 移动台选择具有可用业务信道的最佳侯选基站 并发送越区切换请求 2 网络控制的越区切换 基站监测来自移动台的信号强度和质量 当信号低于某个门限后 网络开始安排向另一个基站的越区切换 网络要求移动台周围的所有基站都监测移动台的信号 并把测量结果报告给网络 网络选择一个基站作为越区切换的新基站 并把结果通过旧基站通知移动台和新基站 3 移动台辅助的越区切换 网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基站 网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站 PACS 个人接入通信系统 和DECT 数字欧洲无绳通信 系统采用了移动台控制的越区切换 IS 95和GSM系统采用了移动台辅助的越区切换 4 越区切换的依据MS首先测量其周围小区BTS的有关信息及BCCH TCH的信号强度和传输质量 再将测量结果发送给BSC BSC根据这些信息对周围小区进行比较排队 最后做出是否切换的决定 即BSC以收集到的相关数据为基础 根据决策算法进行决策 切换所依据的数据包括 1 静态数据 MS BTS及邻近小区BTS的最大发射功率 2 MS进行的实时测量 当前信道的下行链路接收质量和接收电平 邻近小区定标频点下行链路接收质量和接收电平 3 BTS进行的实时测量 当前信道的上行链路接收质量和接收电平 定时提前量 4 BSC统计数据 小区容量和业务量与负荷的统计 5 越区切换的的种类 1 同一BSC内不同小区间的切换 2 同一MSC VLR内不同BSC控制的小区间的切换 3 不同MSC VLR控制的小区间的切换 7 5话务量与呼损率话务量和呼损率是移动通信网的两个重要性能指标 业务量的大小用话务量来量度 移动通信网的服务等级用呼损率来表示 7 5 1 话务量与呼损率的定义在话音通信中 业务量的大小用话务量来量度 话务量又分为流入话务量和完成话务量 流入话务量的大小取决于单位时间 1小时 内平均发生的呼叫次数 和每次呼叫平均占用信道时间 含通话时间 S 显然 和S的加大都会使业务量加大 因而可定义流入话务量A为A S 6 1 式中 的单位是 次 小时 S的单位是 小时 次 两者相乘而得到A应是一个无量纲的量 专门命名它的单位为 爱尔兰 Erlang 根据式 6 1 的定义 可以这样来理解 爱尔兰 的含意 已知1小时内平均发生呼叫的次数为 次 用式 6 1 可求得A 爱尔兰 S 小时 次 次 小时 1爱尔兰就是平均每小时内用户要求通话的时间为1小时 常用的关键性话务指标有 每线话务量 每条中继线的话务量 平均占用时长 试呼次数 总的呼叫次数 占用次数 占用中继的呼叫次数 应答次数 用户应答次数 溢出次数 用户忙次数 拥塞次数 因交换设备不足造成呼叫拥塞 等 在信道共用的情况下 通信网很难保证每个用户的所有呼叫都能成功 会有少量的呼叫失败 称为 呼损 所以呼叫损失 呼损 是指在正常情况下 用户发起呼叫后 由于网络的原因呼叫未能完成而损失的比率 该指标用呼叫损失的次数与总的呼叫次数的比值来规定 呼损指标用百分数表示 可以用如下公式进行计算 6 2 总的呼叫次数是指用户发起的有效呼叫次数 不包括由于主叫用户原因造成的呼叫损失 如用户错拨号 中途放弃等 呼叫损失的次数是指由于网络原因导致呼叫没有完成的呼叫次数 不包括用户忙 无应答 用户锁定 用户关机 不在覆盖区 用户拒绝等 已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为 其中有的呼叫成功了 有的呼叫失败了 设单位时间内成功呼叫的次数为 0 0 就可算出完成话务量A0 0 S 6 3 呼损率越小 成功呼叫的概率就越大 用户就越满意 呼损率也称为通信网的服务等级 或业务等级 7 5 2呼损率的计算呼损率可根据一般的占用时间概念进行计算 已知单位时间内某系统发生的呼叫次数为C0 而单位时间内全部信道被占用的时间 百分数 为E 呼叫失败的次数C0E与呼叫成功的次数之间存在如下关系 6 4 根据话务理论 多信道共用的通信网 呼损率B 共用信道数n和流入话务量A的定量关系 用爱尔兰呼损公式表示为 6 5 上式表明了话务量A 系统话音共用信道数n 呼损率B之间的关系 只要已知其中两个量 便可求出第三个量 在工程设计中 利用上式进行计算通常是比较麻烦的 因此制成了便于查找表格 爱尔兰呼损表或爱尔兰B表 呼损率不同的情况下 信道的利用率也是不同的 信道利用率 可用每小时每信道的完成话务量来计算 即 由呼损率 话务量 信道数 信道利用率的关系表统计可得 在维持B一定的条件下 A随着n的加大增长 在n6时 则接近线性关系 在B一定的条件下 随着n的加大而增长 但当n 8之后增长已很慢 因此 同一基站的信道数目不宜过多 6 6 7 5 3用户忙时的话务量计算通常将话务量最大的一小时称为忙时 相应此小时的呼叫次数为 忙时呼叫次数 缩写为BHCA 一天中可以有一个或多个忙时 在移动通信工程设计中 系统的忙时话务量是最重要的设计依据之一 最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数 用 表示 一般在工程设计中 所需的每一用户忙时话务量可利用以下公式进行计算 式中 a为每用户的忙时话务量 为每用户在一天内的呼叫次数 为忙时集中率系数 t为每用户每次通话占用信道的平均时长 秒 次 在用户忙时的话务量a确定之后 每个信道所能容纳的用户数m即可算出 6 7 6 8 由对计算结果的统计可知 在确定共用信道数n的条件下 若允许降低服务等级 即加大呼损率B 就可容纳更多的用户 这是通信网设计时要折衷考虑的问题 为满足用户的需要 在网络规划中通常采用忙时话务量为设计标准 7 6 4空闲信道的选取在移动通信网中 在基站控制的小区内有n个无线信道提供给n m个移动用户共同使用 那么当某一用户需要通信而发出呼叫时 怎样从这n个信道中选取一个空闲信道呢 常用的空闲信道分配方式有专用呼叫信道方式 或称 共用信令信道 方式 和标明空闲信道方式 1 专用呼叫信道方式 在网中设置专门的呼叫信道 用于处理用户的呼叫 移动用户只要不通话就停在呼叫信道上守候 当移动用户发起呼叫时 主呼用户通过该信道提出通话申请 再由控制中心寻找空闲信道并分配给主呼和被呼用户 它的优点是信令传输和接续快 适于大容量系统 但在小容量通信网中 专用呼叫信道方式利用率不高 往往得不到充分利用 我国的GSM900MHz蜂窝移动电话网就采用这种方式 2 标明空闲信道方式 又称为随机占用方式 其特点是不设置专用信令信道 而是让用户随机地占用网内所有公用信道 标明空闲信道方式可分为 循环定位方式 和 循环不定位方式 等 循环定位方式 循环不定位方式 我国体制规定 小容量移动电话网可以采用标明空闲信道方式 也可以采用专用呼叫信道方式 7 6传播模型校正为了获得符合覆盖地区实际环境的无线传播模型 提高覆盖预测的准确性 为网络规划打好基础 必须进行传播模型的校正 7 6 1传播模型校正可以通过连续波测试 CW测试 和数字地图获得进行模型校正的数据 这些测试数据中的经纬度信息和接收电平形成模型校正的数据源 利用随机过程的理论分析移动通信的传播 可以表示为 6 9 其中 x为距离 r x 为接收信号 ro x 为瑞利衰落 m x 为本地均值 也就是长期衰落和空间传播损耗的合成 可以表示为 6 10 其中2L为平均采样区间长度 也叫本征长度 CW测试就是尽可能获取在某一地区各点地理位置的本地均值 即r x 与m x 之差尽可能小 因此要获取本地均值必须除去瑞利衰落的影响 在对一组测量信号数据r x 进行平均时 若本征长度2L太短 则仍有瑞利衰落影响存在 若本征长度2L太长 则会把正态衰落也平均掉 因此 确定2L的长度 关系到所测数据与实际本地值的逼近程度 以及校正后的传播模型预测的准确程度 对于GSM系统 本征长度为40个波长 采样50个样点时 可使测试数据与实际本地均值之差小于1dB 根据经验 在人口密集的大城市 测试站址应不少于5个 对于中小型城市一般一个测试站就够了 这主要取决于测试基站天线高度及等效各向同性辐射功率 EIRP 的大小 专业的CW测试设备的采样方式有3种 按脉冲采样 按距离采样 按时间采样 通用测试设备一般只能按时间采样 按距离采样进行测试时 能严格满足李氏定理40波长采样30 50个样点的要求 测量准确度很高 由于地形地物在一段时间内基本固定 所以对于某一确定的基站 在某一确定的地点的本地均值是确定的 该本地均值就是CW测试期望测得的数据 它也是与传播模型预测值最逼近的值 有了CW测试测得的数据后 结合数字地图 包含地形高度 地面用途种类等对移动通信电波传播有影响的地理信息 就可以进行传播模型校正了 各软件商开发的用于计算机辅助分析的传播模型各不相同 但都是基于Okumura的基本模型 并提供可作修正的参数 如果已有地形地物相似城市的模型参数 可以直接用于规划预测 而没有必要重作CW测试和模型校正 以节省人力物力 一般的方法是 先以设定的缺省模型做预测 并将预测值与路测数据作比较 再用比较所得的差值反过来修改模型参数 经过不断的迭代修改 直到预测值与路测数据的均方根差RMSError达到最小 此时得到的各参数值就是所需的校正值校正结束后 还需要对所得模型的准确性进行分析 比较校正所得的模型和实际测试环境的贴合程度 一般通过RMSError的大小来评估 当RMSError8dB时 则说明所校模型是和实际环境之间存在较大偏差 7 7区域覆盖和信道分配 频率规划7 7 1区域覆盖通常人们习惯地按照覆盖区半径大小 服务区的几何形状来对系统的区域覆盖分类 按照覆盖区半径的大小 可分成大区制网 小区制网 按照服务区的几何形状 可分成带状网 蜂房状网等 蜂窝网 宏蜂窝 微蜂窝 微微蜂窝以及智能蜂窝同频道小区距离 D2 3N r2 7 7 2信道 频率 分配为了充分利用无线频谱 必须要有一个能实现即增加容量又减少干扰为目的的信道 频率 配置方案 信道 频率 配置主要是针对FDMA和TDMA FDMA混合系统 信道 频率 配置的方式有两种 一是分区分组配置法 二是等频距配置法 1 分区分组配置法原则 尽量减少占用的总频段 提高频段的利用率 同一区群内不使用相同的频道 避免同频干扰 小区内采用无三阶互调的相容信道组 避免互调干扰 例如 设给定的频段以等间隔划分为信道 按顺序分别标明各信道的号码为 1 2 3 若每个区群7个小区 每个小区6个信道 按上述原则分配 可得到 第一组1 5 14 20 34 36第二组2 9 13 18 21 31第三组3 8 19 25 33 40 第四组4 12 16 22 37 39第五组6 10 27 30 32 41第六组7 11 24 26 29 35第七组15 17 23 28 38 42每一组信道分配给区群内的一个小区 可避免三阶互调 但由于未考虑同一信道组中的频率间隔 可能会出现较大的邻道干扰 2 等频距配置法按等频率间隔配置信道 只要频距选得足够大 就可以避免邻道干扰 这样的频率配置可能产生互调 但因为频距大 干扰易于被接收机滤除 也就避免了互调的产生 等频距配置 可根据群内的小区数N 确定同一信道组内各信道之间的频率间隔 例如 第一组用 1 1 N 1 2N 1 3N 第二组用 2 2 N 2 2N 2 3N 等 如果取N 4 则信道的配置为 第一组1 5 9 13 17 第二组2 6 10 14 18 第三组3 7 11 15 19 第四组4 8 12 16 20 这样同一信道组内的信道最小频率间隔为4个信道间隔 若信道间隔为200kHz 则其最小频率间隔可达800kHz 这样 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 GSM数字蜂窝移动通信系统采用了等频距配置法 在建网初期一般使用4 3的复用方式 即N 4 采用定向天线 每基站配置三组信道 构成三个扇区 每个区群需要有12个信道组 7 7 3GSM频率规划随着移动通信网络不断的建设和扩容 频率资源的规划成为移动通信网络规划的重要环节 1 工作频段 表6 2GSM移动通信工作频段 相邻频道间隔为200KHz 每个频道采用时分多址接入 TDMA 方式分为8个时隙 即为8个信道 在900MHz频段 频道序号为1 124 共124个频道 双工收发间隔为45MHz 频道序号和频道标称中心频率的关系为 fl n 890 200MHz n 1 0 200MHz移动台发 基站收fh n fl n 45MHz基站发 移动台收其中 n 1 124在1800MHz频段 频道序号为512 885 共374个频道 双工收发间隔为95MHz 频道序号与频道标称中心频率的关系为 fl n 1710 200MHz n 512 0 200MHz移动台发 基站收fh n fl n 95MHz基站发 移动台收其中 n 512 513 885 一般建议在建网初期使用4 3的复用方式 即N 4 采用定向天线 每基站用3个120o或60o方向性天线构成3个扇形小区 如图6 6所示 业务量较大的地区 根据设备的能力可采用其它的复用方式 如3 3 2 6 1 3 MRP复用方式等 邻省之间协调时应采用4 3复用方式 若采用全向天线建议采用N 7的复用方式 为便于频率协调 其7组频率可从4 3复用方式所分的12组中任选7组 频道不够用的小区可以从剩余频率组中借用频道 但相邻频率组尽量不在相邻小区使用 3 干扰保护比无论哪种复用方式或哪种天线 基本原则是考虑不同的传播条件 不同的复用方式及多个干扰等因素后 必须满足表6 3中所述的干扰保护比要求 保护频带设置的原则是 确保数字蜂窝移动通信系统能满足表6 3的干扰保护比要求 当一个地方GSM系统与其它无线电系统的频率相邻时 应考虑系统间的相互干扰情况 留出足够的保护频带 表6 3干扰保护比 4 频率规划原则在进行频率规划时 一般采用地理分片方式进行 但需要在分片交界处预留一定频点 频率足够使用时 或进行频段划分 交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区 通常从基站最密集的地方开始规划 如首先从市区繁华地段开始规划 直到郊区配置载频较小的基站 当市区有江河或较大湖泊时也要特别关注 避免水面的强反射带来的干扰 由于实际基站分布的不规则性 难以保证同层载频的频率能完全按照4 3或3 3等常用模式进行规划 需要根据实际情况灵活调整 不管采用何种方式进行频率规划 必须遵循以下原则 1 同基站内不允许存在同频 邻频频点 2 同一小区内广播信道 BCCH 和业务信道 TCH 的频率间隔最好在400kHz以上 3 区内TCH间频率间隔最好在400kHz以上 4 邻站应尽可能避免同频 即使其天线主瓣方向不同 旁瓣及背瓣的影响也会带来较大的干扰 5 考虑到天线高度和传播环境的复杂性 距离较近的基站应尽量避免同频 邻频相对 含斜对 6 通常情况下 1 3复用应保证参与跳频的频点是参与跳频载频数的二倍以上 7 重点关注同频复用 避免在邻近区域存在同BCCH 同基站识别码 BSIC 的情况 6 8移动通信系统网络设计网络设计是移动通信网络建设的基础 网络系统的设计水平 决定了今后网络的格局 6 8 1概述移动通信系统网络设计 主要工作如下 1 确定覆盖目标包括覆盖区域 覆盖率两方面内容 确定覆盖区域 需充分调查用户 包括潜在用户 情况 数量 活动范围等 使覆盖范围与实际用户分布 活动情况基本一致 边缘应尽可能落在人烟稀少地区 确定覆盖率时 要充分考虑服务质量 经济效益等问题 2 确定用户数量与话务模型用户数量依据当地电话用户数 经济情况 人口数量 消费水平 移动网用户状况等因素分析得到 一般做法是 在保证覆盖效果的前提下 适当压缩初期建设容量 以后再根据实际情况不断优化网络 平滑扩容 话务模型依据建筑物密度和话务评估来建立 蜂窝移动通信中 一般将覆盖区分为市区 郊县 交通干道 在网络建设初期 一般市区用户占总用户预测数的百分比大些 随着网络建设的深入 郊县和交通干道的用户数百分比增大 按照市区和郊县的划分 每用户户务量一般为0 025Erl和0 020Erl 3 网络子系统设计网络子系统包括移动交换中心 归属位置寄存器 拜访位置寄存器等 根据控制区域内的用户数量 用户话务分布情况 网络子系统与其它系统互连互通的网络结构等 确定网络子系统各部分的容量配置 考虑到网络优化和扩容等 应留有余量 不能用足 4 基站控制器设计根据控制区域内的用户话务分布情况 基站配置数量 确定基站控制器的容量配置 各供应商的基站控制器 连接基站能力不同 从网络优化和扩容等考虑 也应留余量 不能用足 5 操作维护子系统操作维护子系统应根据移动交换中心 归属位置寄存器 拜访位置寄存器 基站控制器的数量及用户的要求来配置 6 基站类型的确定不同类型基站在网络中起着不同的作用 宏蜂窝基站适用于市中心 建筑物密集区 城市边缘 广场等地区 用来解决基本的覆盖 微蜂窝基站主要用于室内和局部地区的高话务量要求 决定基站的类型前 需了解覆盖的环境 目标覆盖小区形状 话务密度情况 电磁波传播情况等 7 确定基站数量当总覆盖区域确定后 根据用户话务密度 话务量 单位面积 分布和计算出的各基站覆盖范围 由基站覆盖的等效面积算出基站总数 并由小区吸收话务量计算出各小区需要的信道数和基站数 最后获得总覆盖区内的基站总数和信道数 8 站址设计网络子系统的局址 应选择在传输条件良好 便于维护管理 有专用机房的通信楼内 一般利用现有局所机房 以减少投资 基站控制器的机房选点 要考虑当地的地形特点 满足基站覆盖要求 最好也利用现有机房 以减少投资 基站站址宜选择在规则蜂窝结构的基站位置附近 其偏离范围应以不影响频道干扰指标为原则 由具体工程条件决定 6 8 2设计依据在无线网络设计中 应针对不同地区的经济状况和市场需求 充分