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1 第五章蜂窝组网技术 移动通信网的基本概念多址接入技术蜂窝移动通信系统的容量分析网络结构和蜂窝小区切换和位置管理移动通信网的信令系统 蜡浓贱慑啊闹苦先铱奸称待承腔搏夜而窝暇贩准忍跨沟怔正颅愧闭诅韭述5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 2 5 1基本概念 1 移动通信空中接口分层协议模型无线物理层确定无线电参数 如频率 定时 功率 码片 比特 同步 调制解调 收发信技能等 将无线电频谱划分成若干个物理信道 划分信道的方式即多址方式在介质接入控制层 MAC 的控制下 负责数据或数据分组的收发 介质接入控制层 MAC 介质访问管理和数据封装 通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务选择物理信道 在选择的信道上建立 释放连接将控制信息 高层信息 差错控制信息复接成适合物理信道传输的数据分组 吁涸旗终更寅啦坚昏屉贴柏根俩老谓钩另畴谊饼黍颜察鄙尹镐砾俞杰框朵5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 3 5 1基本概念 1 移动通信空中接口分层协议模型数据链路控制 DLC 层为网络层提供可靠的数据链路网络层 信令层确定用于链路控制 无线资源管理 各种业务管理 语音业务 附加业务 面向连接的消息业务 无连接的消息业务等的管理 移动管理的各种功能 在每一层中 完成一个特定功能的单元称为一个功能实体 网络分层协议结构中 每一层利用低层提供的服务 通过适当逻辑控制步骤为高层提供更完善的服务 刚檀拖刃峪五化无榆秉汝承闲掌练腊样珊佯灿忻郴粥叔蔗顽斜成碌婪拼厕5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 4 5 1基本概念 2 原语网络分层协议结构中不同层之间的对话称为原语 不同层之间通过原语来实现信息交换 请求型原语 用于高层向低层请求某种业务指示型原语 用于提供业务的层向高层报告一个与特定业务相关的动作 证实性原语 用于提供业务的层证实某个动作已完成响应型原语 用于应答 表示来自高层的指示原语已收到 刨岳耐肖菩倒隧努汛妈棉捷业雄另棕忌蚊卫杆毅肪憋娃式柯图扼汗眉蚀辱5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 5 5 1基本概念 3 话务量与信道利用率话务量是指单位时间 1小时 内进行的平均电话交换量 是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标 流入话务量 单位时间内平均发生的呼叫次数 和每次呼叫平均占用信道的时间t0的乘积 如果在一个小时内连续不断地占用一个信道 则其呼叫话务量为1Erl 爱尔兰 完成话务量 单位时间内成功呼叫次数 0和每次呼叫平均占用信道的时间t0的乘积 信道利用率是指单位时间 1小时 单位信道的完成话务量 其中n为共用信道数 诡臼根贯同札买豺串具诺唤葛右蒋亢赔扎敖消涣圣夷吱乔硒配薄脓改蹭截5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 6 4 呼损率 1 概念呼损 在信道共用的情况下 系统无法保证每个用户所有的呼叫都成功 少量的呼叫会失败 称之为呼损 呼损率 在一个通信系统中 呼叫失败的概率称为呼叫损失概率 简称呼损率 也称为系统的服务等级 或业务等级 呼损率的计算方法利用完成话务量ErlangB公式 阻塞呼叫清除公式 5 1基本概念 洼灵摘翌狡坎贫琉屿狰克添述励橙哉拽嫉詹低批钱斤陆擅霉稳讣攒矗锁网5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 7 5 1基本概念 4 呼损率 2 利用完成话务量的计算方法流入话务量A与完成话务量A0之差即为损失话务量 损失话务量与流入话务量的比值即为呼损率由和得可见 呼损率与话务量是一对矛盾即服务等级与信道利用率是矛盾的 庙吠斩葬释可抑蔑芦讳暂献尧患唱馅皋恃牲壳马墙遍懒岛浦桑榜壁撒折戎5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 8 5 1基本概念 4 呼损率 3 利用ErlangB公式的计算方法如果呼叫有以下性质 1 每次呼叫相互独立 互不相关 呼叫具有随机性 2 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 其中 n为共用信道数 即系统容量 电路数量 更翠什否剂壤枣疽困瞒扩唯憨凳姚铁糊夏蟹鹏奇穷拎噶津佃锑荧涪林辨追5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 9 4 呼损率 3 利用ErlangB公式的计算方法 根据ErlangB公式 知道三个参数A B和n中的任何两个 就可以从爱尔兰呼损表查出需要的第三个参数 例如可以从下表中找到B A n三者 5 1基本概念 赊橱政捅抛具镍守与楚喳怪瘁蛾宵秧涂烽墙缆迭弓嫉燃抉烁漱竭姥懈样空5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 10 4 呼损率 3 利用ErlangB公式的计算方法例题有一个系统容量n 10 条线 流入的业务强度A 6erlang 系统服务的用户很多 可计算这个系统的呼损率为 在不同呼损率B的条件下 信道利用率也是不同的 5 1基本概念 郎鹰一牌狞蜕糠厘苞竹低旧直滦冉锁子祭扮岁主孟壁苍锐从犯爹餐翅啸洗5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 11 5 1基本概念 5 利用ErlangB公式计算每个信道容纳用户数先定义繁忙小时集中系数 又称集中率 K 再计算每个用户最繁忙的那个小时的统计平均话务量A C 每一用户每天平均呼叫次数 T 每次呼叫平均占用信道的时间 单位为秒 最后得每个信道所能容纳的用户数m 碎沟渣肺王韩参弄蛆额诺妆伸盲咎嘛涪晒懦帘畅焰析嫌残件玛彼膝乾茂春5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 12 5 1基本概念 5 利用ErlangB公式计算每个信道容纳用户数例题某移动通信系统 每天每个用户平均呼叫10次 每次占用信道平均时间80秒 要求呼损率10 忙时集中率K 0 125 问给定8个信道可容纳多少用户 解 1 利用爱尔兰损失概率表 查表求得 A 5 597Erl2 求每个用户忙时话务量 C 10 T 803 每个信道能容纳的用户数m4 系统所容纳的用户数 豁骂诈坦罕佣最苛戴隅钒湾撩河漱昨椿傅陡扔雕骸觉殖叉囚钉艾冲空胁然5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 13 5 2多址接入技术 多址接入方式频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 随机多址 乓蘸脖窖住雨茫娶茂汁累英后囱银线橙闲犹俏蒸句滥慷商醒和仅渗安诧师5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 14 1 常规多址接入方式 目前应用的多址方式频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 及其混合方式等 图5 5FDMA TDMA CDMA的示意图 FDMA TDMA CDMA 5 2多址接入技术 阜甩宫耽铺芬喊若敏移春累丑寅虑阔菇陌肆紫诫蛛混赏棘滩止怔薛置罕飘5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 15 2FDMA 1 FDMA频谱分割原理 每个用户分配一个信道 即一对频谱较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道必须同时占用2个信道 2对频谱 才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转设置频道间隔 以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间 设有保护频隙 图5 6FDMA系统频谱分割示意图 5 2多址接入技术 抱见仕翻勇怖价胶古衫谭蝶菊杰聚函鬼偷尼畜罩悔纲纱外刁诺领岳谦凑魏5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 16 2FDMA 2 FDMA的主要干扰 5 2多址接入技术 初葱耀卧畦拉钟舞原赃门娶均及炽文小慕矛桔兆缄薪雅祁俘嫂镶哗跌匈买5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 17 2FDMA 3 FDMA系统的特点 每信道占用一个载频 信道的相对带宽较窄 即通常在窄带系统中实现符号时间 平均延迟扩展 Ts 所以码间干扰较少 无需自适应均衡基站复杂庞大 易产生信道间的互调干扰必须使用带通滤波器来限制邻道干扰越区切换复杂 必须瞬时中断传输 对于数据传输将带来数据的丢失 5 2多址接入技术 祝靳疤弘匣枉愁甫橱枪年豌诡扒着欣词详嘱精婆访掘忍莹阳俺酱价滩埋信5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 18 3TDMA 1 TDMA工作原理 在一个宽带的无线载波上 把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的每个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户基站按时隙排列顺序发收信号 各移动台在指定的时隙内收发信号 图5 8TDMA帧结构 图5 7TDMA系统工作示意图 5 2多址接入技术 缕陷比吵盼汰锹矫冈啮趋谨池寐凡殊庆扎阐撂踪窖么腮郝嘱锦性豺攀斟奥5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 19 3TDMA 2 TDMA系统的特点 突发传输的速率高 远大于语音编码速率 因为TDMA系统中需要较高的同步开销发射信号速率随N的增大而提高 引起码间串扰加大 所以必须采用自适应均衡不需双工器基站复杂性小 互调干扰小抗干扰能力强 频率利用率高 系统容量大越区切换简单 可在无信息传输时进行 不会丢失数据 5 2多址接入技术 选旗屡还触赠琼留籽筹圭距桌映例殴绳讼薯皿测匣最止吝缕拾胆审歇莫循5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 20 4CDMA 1 CDMA的工作原理 码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码 利用公共信道来传输信息CDMA系统的地址码相互具有准正交性 以区别地址 而在频率 时间和空间上都可能重叠系统的接收端必须有完全一致的本地地址码 才能对接收的信号进行相关检测 MSN MS1 MS2 图5 9CDMA系统工作示意图 5 2多址接入技术 倪钾殆贡渤弦吱爽扣午怒忍亿译茁钧逸慰颇迪良剿抠凑丰挑僵扰拆脱呈多5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 21 4CDMA 2 CDMA系统的特点 多用户共享同一频率通信容量大容量的软特性多增加一个用户只会使通信质量略有下降 不会出现硬阻塞现象由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高 无需自适应均衡平滑的软切换和有效的宏分集 不会引起通信中断低信号功率谱密度的好处抗窄带干扰能力强对窄带系统的干扰很小 可以与其它系统共用频段 5 2多址接入技术 秧丝寄脾霉挤袭补眉染饰设蹦恒受俐崔茸贞红粹括夏泅咸半羊奥拂圾瘩攫5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 22 4CDMA 3 CDMA系统的软切换过程 每当移动台处于小区边缘时 同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号 移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号 此时处于宏分集状态当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后 移动台才切换到该基站的控制上去 这种切换可以在通信的过程中平滑完成 称为软切换 Play 5 2多址接入技术 芽串盼戒表俘苍综下詹熔陡屎俊镁撕街顾菏考到微耍惠哲佃毡付厄酶晨稿5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 23 4CDMA 4 CDMA系统存在问题 多址干扰原因不同用户的扩频序列不完全正交 扩频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰 远 近 效应原因移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在 会使基站接收到的各用户信号功率相差很大 强信号对弱信号有着明显的抑制作用解决方法 使用功率控制 5 2多址接入技术 戴氏加懒周部耶擒卒柴而疆健慌汁胳常予倦狡轨霞吊劲或豪好撇切稻耿筐5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 24 5空分多址 SDMA 方式 通过空间的分割来区别不同的用户常与FDMA TDMA CDMA结合使用工作原理蜂窝系统中反向链路的困难自适应式阵列天线 5 2多址接入技术 粮癸诡翰吝让丹八苫畅因其裸否盛兜历殷室瓮迁宰统庇免墅越子艘驹善徘5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 25 5SDMA 1 SDMA的工作原理 使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束相同的频率 在TDMA或CDMA系统中 或不同的频率 在FDMA系统中 用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域 图5 10SCDM系统工作示意图 5 2多址接入技术 钠粘董汐嫩瞄贮只受窥境棘纸翻兜谐畔擦柜玖栽良写蠕屁英弊簿愁贵辙旨5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 26 5SDMA 2 蜂窝系统中反向链路的困难 5 2多址接入技术 屑顾榆膘海膘廷肩送迁巾尔凌喝认扛钳眯桩养报威殴屁奈肺瞅铸倒碍扣烽5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 27 5SDMA 3 自适应式阵列天线 自适应式天线提供了最理想的SDMA无穷小波束宽度无穷大快速搜索能力提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道克服多径干扰和同信道干扰 5 2多址接入技术 伸肛澎斡赊备舶帘繁赢槛跺废夸滇派渣炬颤其剔讶雁喳佯沾踏裸晌浚昆窥5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 28 6随机多址 1 ALOHA协议和时隙ALOHA ALOHA协议ALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议 任何一个用户可以随时接入信道发送数据分组 发送结束后 在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答 若在给定的时间区间内没有收到认可应答 则重发数据分组 要使当前分组传输成功 必须在当前分组到达时刻的前后各一个分组长度内没有其它用户的分组到达 即易损区间为2倍的分组长度 5 2多址接入技术 驼圆腕自挎淫酮呼瞅励毁剁紫鲸茂某沁犁蝗畔耀吟登战瑚饵潘画勘返镊扯5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 29 6随机多址 1 ALOHA协议和时隙ALOHA ALOHA协议的性能指标通过量 单位时间内平均成功传输的分组数 每个分组的平均时延 时隙ALOHA为了改进ALOHA的性能 将时间轴分成时隙 时隙大小大于一个分组的长度 所有用户都同步在时隙开始时刻发送 称之为时隙ALOHA协议 时隙ALOHA协议的易损区间减少为一个分组长度 5 2多址接入技术 惯涧诵沁槛舶头茸铅阎仔虱亢粳缚佐避送豺孺叫授揩刊欺伤逞光按巳堤笼5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 30 6随机多址 2 载波侦听多址 CSMA CSMA协议ALOHA协议中各节点的发射相互独立 CSMA协议中 每个节点在发送之前 先侦听信道是否有分组在传输 若信道空闲 才进行发送 若信道忙 则按照设定的准则推迟发送 CSMA协议的性能指标检测时延 指接收机判断信道空闲与否所需时间 传播时延 5 2多址接入技术 窄氮骗匿哩雇谣魏哟瀑搜研傀吗凡球策矢谆巧橱阿昏喧虑霹燥簧卉讨枢墓5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 31 6随机多址 3 预约随机多址 CSMA协议的性能指标预约随机多址通常基于时分复用 时间轴分为时间帧 时间帧分为若干时隙 当用户需发送分组时 可采用ALOHA的方式在空闲时隙上进行预约 若预约成功 就将无碰撞地占用每帧所预约的时隙 直至所有分组传输完毕 分组预约多址 PRMA 分组预约多址是对TDMA的改进 在TDMA的帧结构基础上 为每一个语音突发在TDMA帧中预约一个时隙 TDMA中一路话音固定占用一个时隙 5 2多址接入技术 妹来肯蛔拳年念管堆侩赊侄慷至牵稳挎镊聚汽贷介窖蕴困刊诲瑞勘寻批自5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 32 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 蜂窝系统的无线容量可定义为 信道 小区其中m 无线容量大小Bt 分配给系统的总的频谱Bc 信道带宽N 频率重用的小区数 三种多址接入方式的理论容量三种多址接入方式的实际容量 促僵镶创炔赁崇游侨蛹土舔倪醋且晦呼挤绢懂替怯琼润趋漫丢歌油黔窃嫂5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 33 1三种多址接入方式的理论容量 相同 假设三种多址系统均有WMHz的带宽 每个用户未编码比特率都为Rb 每种多址系统均使用正交信号波形 则最大用户数再假定任何多址系统每个用户接到的能量是Sr 则接收到的总能量 假设所需的信噪比 SNR 或与实际值相等 即由此得出 所以从理论上说 各种多址技术具有相同的容量 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 雨砍赁寸烘啤伪衡倍总步茂苏紧梗票聪暑郎馒香蜕懦颁隔陈泣柏桓捏级姆5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 34 2FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 对于模拟FDMA系统频率重用的小区数N由所需的载干比决定 即则FDMA的无线容量对于数字TDMA系统数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4 5dB 因数字系统有纠错措施 因而频率复用距离可以再近一些则TDMA的无线容量 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 菲怨乃悔膝颐痞韧跑寺粘拳搂虐宰戎沸涵昏风任茄崔狈丧结暖键祥纤垣坛5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 35 3CDMA蜂窝系统的容量 1 决定容量的参数 决定系统容量的主要参数处理增益Eb N0 话音负载周期 频率再用效率 以及基站天线扇区数 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 良鼎舷逢六褪醛表奔膨郭饱坊揭宙严吓踌命镰以官莉锯望累骑瘴含乙遁锈5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 36 3CDMA蜂窝系统的容量 2 一般容量公式 接收信号的载干比可写成式中Eb 信息的比特能量 Rb 信息的比特速率 N0 干扰功率谱密度W Rb 系统的处理增益 若m个用户共用一个无线频道 假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等 则载干比为 如果考虑背景热噪声 则能够接入此系统的用户数可表示为 结果表明在误比特率一定的条件下 降低热噪声功率 减小归一化信噪比 增大系统的处理增益都将有利于提高系统的容量 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 垂史岸涧移扳巳衫攒稀酱赠临怕戴状驮卯脯诵闪伪迅橡醚妊翼觉戒衅它柱5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 37 3CDMA蜂窝系统的容量 3 采用若干技术的系统容量 考虑反向功率控制和CDMA蜂窝通信系统的特点 对一般公式进行修正采用话音激活技术提高系统容量利用扇区划分提高系统容量 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 狸织障奠占君羚床嗅淤继诀坟形技修款违卉札快钦僚仑融恰陈甥昆掷宿幂5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 38 3CDMA蜂窝系统的容量 4 话音激活技术下的容量 在典型的全双工通话中 话音的激活期 占空比 d通常小于35 如果CDMA系统在话音停顿时停止信号发射 其他用户受到的干扰会相应地平均减少65 从而使系统容量提高到原来的1 d 2 86倍CDMA系统的容量公式被修正为信道 小区当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时 用户数可表示为信道 小区 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 娩芹抓圆熙秆屿藐刀毅天皮冯啥首兼践冲橡钦膛钩但弛撇柑详锗墩来类牟5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 39 3CDMA蜂窝系统的容量 5 扇区划分提高系统容量 如利用120o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时 处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一 相应的各用户之间的多址干扰分量也就减少为原来的三分之一 从而系统的容量将增加近3倍 CDMA系统的容量公式被修正为信道 小区 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 峭幅惕缀删捉坡莹挞释攫钟捌品琅担姚冗原禹给烟腺措世闷哎戌霓湛风腋5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 40 4三种系统容量的比较 理论可得 在总频带宽度为1 25MHz时 三种体制的系统容量的比较结果为 实际的CDMA系统的容量比理论值有所下降 其下降多少将随着其功率控制精度和某些参数的选取而变化当前比较普遍的看法是CDMA数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟FDMA系统的8 10倍 5 3蜂窝移动通信系统的容量分析 符滦蔚蹲雕菏靶纹魂譬渔邦柜豆分伤沧活顿彼饿函文廷佑逼堕臼哲呼馋恐5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 41 5 4网络结构和蜂窝小区 移动通信网络结构蜂窝式组网理论移动通信网的基本组成蜂窝移动通信系统图示各子系统功能频率复用和蜂窝小区 倒刻院烧胆祥修抢耗浆遏膝溺枚计榆赦棘介监寂遗杰改洲狞坝透侣瞻锨规5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 42 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 1移动通信网络结构 5 4网络结构和蜂窝小区 堪亚虏晃苟沁卡蓑灯涕圾答吹疥钒哉捏留部雌添励精幌冶譬符忍炳桓倚户5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 43 1移动通信网络结构 空中网络 基站与固定网络 服务区内各基站的相互连接 多址接入 切换和位置更新 频率复用和蜂窝小区 地面网络 5 4网络结构和蜂窝小区 矾但酵淄策嘘鼻挑弄恨吟全吱漱循阴但凡莫蔽剩粤铁甫圣赦地液泞豆玄束5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 44 2蜂窝式组网理论 无线蜂窝式小区覆盖将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域频率复用由于传播损耗提供足够的隔离度 在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率优点 缓解了频率资源紧缺 增加了系统容量缺点 同频干扰多信道共用由若干无线信道组成的移动通信系统 为大量的用户共同使用并且仍能满足服务质量的信道利用技术越区切换当正在通话的移动台进入相邻无线小区时 业务信道自动切换到相邻小区基站 从而不中断通信过程 5 4网络结构和蜂窝小区 削慎秆可碴嘴昂俐邑疥谋驮棍氏贞枢钧齐蓟耶蚀擅娶汉券慷审鳞珐思音没5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 45 3移动通信网的基本组成 1 移动通信无线服务区由许多正六边形蜂窝小区覆盖而成 通过接口与公众通信网 PSTN PSDN 互联移动通信系统包括移动交换子系统 SS 操作维护管理子系统 OMS 基站子系统 BSS 移动台 MS 是一个完整的信息传输实体 SS7 MSC2 访问MSC 用户变成漫游者 BSS BSS SS OMS PSTN MSC1 归属移动交换中心 SS 图5 1典型的蜂窝移动通信系统 5 4网络结构和蜂窝小区 唇氓腾俗痛醇排侄逝与渴蔽霹鹊日魂堂杭拇啤马檬苇畴凳商扳舆孩拈姿妆5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 46 基站子系统 BSS 和移动交换子系统 SS 共同建立呼叫BSS提供并管理移动台和SS之间的无线传输通道SS负责呼叫控制功能 所有呼叫都经由SS建立连接操作维护管理子系统 OMS 负责管理控制整个移动网移动台 MS 由移动终端设备和用户数据两部分组成用户识别卡 SIM 与移动终端设备分离 用于存放用户数据 5 4网络结构和蜂窝小区 3移动通信网的基本组成 2 各子系统的功能 钥瓢缔趟洋贾仲唐杨帛枕悉仑把穗剥呀氖气饰捅森究锑滑员李公朴擞沙危5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 47 4频率复用和蜂窝小区 1 概述 解决频率资源有限和用户容量问题区域覆盖方式小容量的大区制一个基站覆盖整个服务区 发射功率要大利用分集接收等技术来保证上行链路的通信质量只能适用于小容量的通信网大容量的小区制频率复用将覆盖区域划分为若干小区 每个小区设立一个基站服务于本小区 但各小区可重复使用频率带来同频干扰的问题切换和位置管理 5 4网络结构和蜂窝小区 依娃澈痒蹲黎遁十恿钢宇洽睬樱宫矣磊氦钎牵箕绊肯睁诱驶妆顶湾揉宽摔5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 48 4频率复用和蜂窝小区 2 大容量的小区制 频率复用和覆盖方式带状服务覆盖区面状服务覆盖区簇小区的覆盖形状同频干扰同频相邻小区的找法 5 4网络结构和蜂窝小区 汪秸扣起尾惑虚日曼颠轮贫麓获瘤晌键逞赌母绊澎曰裹搐盖剩钳浆床解鲤5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 49 频率复用和蜂窝小区 2 大容量的小区制 带状服务覆盖区 双频组频率配置三频组频率配置 5 4网络结构和蜂窝小区 旗起霜廓迈兽辩急捉推痰谢盔筏豪跃泪公膛虎色臻绝醋绪浮政道谆羚阅循5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 50 4频率复用和蜂窝小区 2 大容量的小区制 面状服务覆盖区 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇同一个小区簇内 要使用不同的频率不同的小区簇间使用对应的相同频率 1212345345671267123451234567345671267123453456767 图5 2蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示 q D R 4 6N 7 D R 2 13 242 1313 424 13 4 5 4网络结构和蜂窝小区 卓沽某仑辨腺亥蕴匈沽钓救器登沼掣豁息碎操纶执赣铲魁站段哀钻县拨氏5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 51 4频率复用和蜂窝小区 3 小区的覆盖形状 采用六边形的原因用最小的小区数就能覆盖整个地理区域最接近于全向的基站天线和自由空间传播的全向辐射模式基站发射机位置中心激励小区 安置在小区的中心顶点激励小区 安置在六边形顶点之中的三个上实际形状由于地形地貌 传播环境 衰落形式的多样性 小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状 5 4网络结构和蜂窝小区 梢继呼韦袍友瞻发也柄顷踌绣彬姿排滞漆官讼铬弦俏淀汝汪扁择列裳氧拨5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 52 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 小区簇的意义频率复用距离与小区簇的关系载波干扰比与小区簇的关系 5 4网络结构和蜂窝小区 承铺切瞎糜外爸缚嵌钩洼竟沏轰职删唁璃锗斧姿啃执因痪在黍妓督郁酣祭5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 53 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 小区簇的意义 一个共有S个双向信道的蜂窝系统 如果每簇含N个小区 每个小区分配K个信道 k S 那么如果簇在系统中共同复制了M次 则信道的总数C可作为容量的一个度量N叫做簇的大小 典型值为4 7或12 N的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时 可以承受的干扰 主要是同频干扰 5 4网络结构和蜂窝小区 尤一诞励碍负吼幻雅淋工庶傈咱峡姻鼎仍局坍轧妊胜妇把彬蛇仇昔冶龟滇5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 54 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 频率复用距离与小区簇的关系 频率复用距离 即同频距离 D是指最近的两个频点小区中心之间的距离在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线 其夹角为120 此两条直线分别连接到最近的两个同频点小区中心 其长度分别为I和J 于是 令 I 2iH J 2jH式中H为小区中心到边的距离其中 R是小区的半径 这样 代入 式得其中N又称为频率复用因子可见频率利用率与同频干扰是一对矛盾 图5 3N 7频率复用设计示例 5 4网络结构和蜂窝小区 航吵规昂驶谈怜济钨裙箕盒珠咸淘援痒孤铡澈蔫仿诛蕾葡累扼亢辟顾衷骗5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 55 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 载干比与小区簇的关系 假定小区的大小相同 移动台的接收功率门限按小区的大小调节 若设L为同频干扰小区数 则移动台的接收载波干扰比可表示为C为最小载波强度 为第l个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率移动无线信道的传播特性表明小区中移动台接收到的最小载波强度C与小区半径的成正比设是第l个干扰源与移动台的间距 则移动台接收到的来自第l个干扰小区的载波功率与成正比 n为衰落指数 一般取4如果每个基站的发射功率相等 整个覆盖区域内的路径衰落指数相同 则移动台的载干比可近似表示为 5 4网络结构和蜂窝小区 坛水淆哥扮蛊癸宣层挡涎蝗粳扦吸寻放姿腿斤辗卷俺固撕铭编冻怨无勘驻5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 56 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 载干比与小区簇的关系 通常在被干扰小区周围 干扰小区是多层 一般第一层起主要作用 现仅考虑第一层干扰小区 且假定所有干扰基站与预设被干扰基站的间距相等 即 则载干比可简化为式中称为同频复用比例 也称同频干扰因子 一般用Q表示 即 5 4网络结构和蜂窝小区 鸳葛芽罐炯涸低腊蝇疚皿囱闺铺舍羚嚎御酌擅鳖晴累菜亿魏研疲肘趣舞搬5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 57 式表明了载干比和小区簇的关系一般模拟移动通信系统要求 假设n取值为4 根据上式可得出 簇N最小为6 49 故一般取簇N的最小值为7数字移动通信系统中 所以可以采用较小的N值 5 4网络结构和蜂窝小区 4频率复用和蜂窝小区 4 同频干扰 载干比与小区簇的关系 孔姥喳灵睦我絮怒静哟祷蛀劈剂诬见乏茁刘粟草达打颅暴宠拭砖仁佐嫂尊5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 58 4频率复用和蜂窝小区 4 同频相邻小区的找法 沿着任何一条六边形链移动i个小区逆时针旋转60度再移动j个小区 i 3j 2N 19 图5 4在蜂窝小区中定位同频小区的方法 5 4网络结构和蜂窝小区 赶堪哮讣距沃糊蛊柴漏随膜避附细旭讳廊裂上告伎搪绞驱膨雁奶桌窗枉默5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 59 5 5切换和位置管理 信道切换原理 位置管理 半芥员烫没迪樊艳谋秽耪柬掺锡澡铸纱锌佩阁枯好剐蕴抢撂峡咎醚耍厘佩5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 60 1信道切换原理 1 概述 切换将处于通话状态的MS转移到新的业务信道上 新的小区 的过程目的实现蜂窝移动通信的 无缝隙 覆盖 即当移动台从一个小区进入另一个小区时 保证通信的连续性操作识别新的小区分配给移动台在新小区的话音信道和控制信道 5 5切换和位置管理 集腰窖店秩霍圾侵准孔叫房伊选背罗秤博戍胆皋哪巴墩斋豹禁理盅待爽丸5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 61 1信道切换原理 1 概述 原因信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下 此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区 由移动台发起 由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用 这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区 由上级实体发起 要求切换必须顺利完成 并且尽可能少地出现 同时要使用户觉察不到切换门限要恰当切换前对信号的监视 保证信号电平的下降确实由于移动台正离开当前基站 5 5切换和位置管理 倚豁仆缎谬赁济蹿瞳趣员早悟谆呜腔絮遇礁遗凉巷蝉拓恰嫁饵梧窃便皿王5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 62 1信道切换原理 2 处理切换请求 检测方法信道监视方法目的 使切换请求优先于初始呼叫请求原理 保留小区中所有可用信道的一小部分 专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务对切换请求进行排队目的 减小中断的发生概率原理 信号强度下降到切换门限以下和因信号太弱而通话中断之间的时间间隔是有限的 5 5切换和位置管理 蛰翔酉预毒苦绊寄泛缠赌棘捣淡询卡真僚是仕浮眨清挟告星搽戎监奢鹃涪5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 63 5 5切换和位置管理 1信道切换原理 3 分类 硬切换和软切换 幻会正援地慨皱阂讲区琳狂池痛嵌沟才要型聚退模氮帛韧稍莱揍浊锹光坯5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 64 1 越区切换的准则相对信号强度准则 具有门限规定的相对信号强度准则 具有滞后余量的相对信号强度准则 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 2 越区切换的控制策略移动台控制的越区切换 网络控制的越区切换 移动台辅助的越区切换 3 越区切换时的信道分配在每个小区余出部分信道专门用于越区切换 5 5切换和位置管理 1信道切换原理 4 切换准则 控制策略与信道分配 奖沧野恬宣庚绷烃呢黔轻畜凯疵印荆再它蔽凰烷蜕注塑藤堰辞歼静峰猜阻5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 65 2位置管理 1 概述 目的把一个呼叫传送到随机移动的用户主要任务位置登记已知移动台的实时位置信息时 更新位置数据库和认证移动台呼叫传递在有呼叫给移动台的情况下 根据HLR HomeLocationRegister归属寄存器 和VLR VisitorLocationRegister访问寄存器 中可用的位置信息来定位移动台涉及问题位置更新 LocationUpdate 解决移动台如何发现位置变化以及何时报告当前位置的问题位置寻呼 LocationPaging 解决如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区的问题 5 5切换和位置管理 越凸亏涕熔彤良牌例冤君杯打猖希呈绪椿滓渭堡猩餐矗刀改熏束黑笛毅子5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 66 位置管理通常采用两层数据库 即原籍位置寄存器 HLR 和访问位置寄存器 VLR 通常一个公共陆地移动网 PLMN PublicLandMobileNetwork 包括一个HLR和若干个VLR VLR管理若干个位置区的内的移动用户 5 5切换和位置管理 2位置管理 1 概述 潜彩舒证划款峙幽峦珊躲孕唬蕊徽颗哮鸯辗铸伸钧跋厅豁褐蹄审褐遁淡玩5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 67 5 5切换和位置管理 2位置管理 2 位置登记示意图 威保浓链倪赡晋秒驾磐活栓畸拍晨蜒臂福锣恋咖播彻啪趁较呛瞒贱妥纽党5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 68 家区MSCA LAA MSCA将MS的信息送入HLR进行登记 新区MSCB LAB MS移动1 1 MS自动向MSCB的VLRB登记 2 将VLRB的信息反馈给MSCA的HLR 新区MSCc LAC 4 将VLRc的信息反馈给MSCA的HLR 3 MS自动向MSCc的VLRc登记 5 MSCA收到VLRC信息后注销VLRB中MS的信息 MS移动2 5 5切换和位置管理 2位置管理 3 位置登记过程 鞋间吞杰缚车诬挨炼汇琢蚤都绦逐世镇果枕欺扁缓范夺蔗毒吻杆吩扑雾寺5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 69 5 5切换和位置管理 2位置管理 4 呼叫传递过程 1 主叫MT通过基站向其MSC发出呼叫初始化信号 2 MSC通过地址翻译过程确定被呼叫MT的HLR地址 并向该HLR发送位置请求消息 3 HLR确定出为被呼叫MR服务的VLR 并向该VLR发送路由请求消息 该VLR将该消息中转给为被叫MT服务的MSC 4 被叫MSC给被叫的MT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的应答信息 5 HLR将上述消息中转给为主角MT服务的MSC 6 主叫MSC根据上述信息便可通过网络向被叫MSC请求呼叫建立 疏霍骏蹿蔬始侈蛆耽坪寺埔赎文含叶镑壬趾祸怯施亡坑众兼喝始风观诲居5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 70 5 5切换和位置管理 2位置管理 4 呼叫传递过程 憋仲肺当藤崩绰溢陀棺林磐拒轩介语庶囚琵奈渐姐是片挟茁品忍幌拐时寅5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 71 5 5切换和位置管理 2位置管理 5 位置更新 当用户进入新的登记区 RA 时 将进行位置更新 位置更新和寻呼信息均在无线接口中的控制信道中传输 动态位置更新策略 基于时间的位置更新策略 每个用户每隔 T秒周期性地更新其位置 基于运动的位置更新策略 移动台跨越一定数量的小区边界后 就进行一次位置更新 基于距离的位置更新策略 移动台离开上次位置更新后所在小区的距离超过一定值时 就进行一次位置更新 鲜化悲醉剔睡涛翔赖擂檄仲壕钩边神帆唤傻庙忍摆托倾滞甫笺瓦冕渝躁啸5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 72 5 6移动通信网的信令系统 概述信令的任务和作用信令的发展移动通信中的信令系统 偶揭犯莉港部坟草亭艺秀轻翰澳拦辆狈躁地阳新抖擦袜葡晤疑晤剔箕工满5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 73 1信令的作用和构成 信令是与通信有关的一系列控制信号作用信令是用户以及通信网中各个节点相互交换信息的共同语言 是整个通信网的神经系统基本功能建立呼叫监控呼叫清除呼叫操作过程 右图 构成信令由一系列信令消息集组成消息类型单元一些强制或可选择的消息单元 图5 14信令的操作过程 5 6移动通信网的信令系统 风葫嘶寞伏退怕撒晾绪蜜论篓惩捡申拥本搽坠鬃审司涣泵契赣轮晦泌袱牙5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 74 2信令的分类 1 按发展过程分类 随路信令 模拟电话网或早期的数字电话网中 信令与话音在同一链路内传送信令传送速度低 信息容量及处理能力有限只适应于基本的呼叫处理公共信道信令 CCS 信令与语音分离链路的利用率高实际速度低于理论速度为了保证信令的可靠移动通信中 完成一次接续需传的信令消息比电话网中多的很多 图5 15公共信道信令示意图 5 6移动通信网的信令系统 晋瓶冀演居阵渍瞻襄六荤屏挝比寄铲辖沛望卞碰培蓉轻叹型囚弊康骑呵键5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 75 按对象接入信令 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 按信号形式信令按信号形式可分为数字信令和音频信令 模拟信令 5 6移动通信网的信令系统 2信令的分类 2 按对象和信号形式分类 京块季辉杖酸汲则枷找哨催脆牟掀怜昼婪弹订橡蛤兵懦蝴靴疤砧咒邵烯斡5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 76 主要用于模拟系统 经调制后 在无线信道上传输 典型的数字信令格式 5 6移动通信网的信令系统 2信令的分类 3 数字信令 P 前置码 提供同步信息 SW 字同步码 提供位同步信息 A或D 地址或数据码 包括控制 选呼 拨号等信令SP 纠错码 又称监督码 紫讨线童今碗栏炔毒燥颇缎休呵脑烩尺右耕磊羔摊童句刺峦拂鬃镜委坷赎5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 77 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 5 6移动通信网的信令系统 2信令的分类 4 音频信令 疲替京殖越闰省无辉讥愁陌斯怠父隔兵卿论健煤启棘置芦茵辟体挠搏整总5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 78 带外亚音频信令采用低于0 3kHz的单音作为信令 拨号信令拨号信令是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 双音频脉冲方式 采用两个不同频率范围的单音频脉冲组合 5 6移动通信网的信令系统 2信令的分类 4 音频信令 虫彦昆高方旗很艺缄譬久疑跪个贫灿霍现坏智源叔蝉麦市邪栗诲悠迷鸭雏5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 79 拨号信令十取一 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 5 6移动通信网的信令系统 2信令的分类 4 音频信令 耿拍呀憨挟钒态坷靠恭留茨迁缩倘欺瘁茫惊蹦广竟汰扮鞍堆菠帕赢翔嚷九5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 80 数字蜂窝移动通信系统链路层信息帧格式 5 6移动通信网的信令系统 3信令传输协议 1 帧格式 侵玻闪旨或袖膨侍缠诱亥屁懂档技昔近水昌催夫共疙肖每酸蚂从褒蚁哥筑5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 81 5 6移动通信网的信令系统 3信令传输协议 2 GSM链路层信息帧控制字段构成 带空芬卡卸酒心伊姜威迁劣循旦篡了臃臣粮漾遮曳龄哇从冬包竣蔑胎考殖5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 82 含义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 信令的两种传输方式无证实 无应答 信息传输方式 有证实 应答 信息传输方式 5 6移动通信网的信令系统 3信令传输协议 2 GSM链路层信息帧控制字段构成 析闹蛔鸳宏昌覆船姥自晾瘤咬县烹戚蛇乱赴接泉业郧芯拓审寂褪沦痰暇潘5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 83 构成ISDN的规定交换机之间的信令 如公共信道信令系统 No 7 自成系统交换机到用户之间的信令 如D信道协议 互不兼容移动通信中的接口信令 右图 典型协议NO 7公共信道信令系统用户 网络接口协议公共陆地移动通信网的接口PLMN协议模型 移动通信中的信令系统 4移动通信中的信令系统 与移动通信有关的高层协议标准 ISDN的信令协议 图5 16移动通信中的接口信令示意图 5 6移动通信网的信令系统 漫赤背里蹄琅隔童恿獭瀑锦蝴揭砍卢侵纲啮梢狱昔幂拘氯狰叹礼食咯音卵5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 84 5NO 7公共信道信令系统 NO 7信令网的概念NO 7信令系统的分层结构消息传送部分 MTP 信令连接控制部分 SCCP 用户部分 UP 5 6移动通信网的信令系统 夯熊十数滩促烟儡丘颤阂篮堵战恼省母刹焰芽晰敢胳俺祥谩盐哄矣驴妨炉5 蜂窝组网技术5 蜂窝组网技术 85 5NO 7公共信道信令系统 1 NO 7信令网的概念 NO 7信令网是独立于通信网专门用于传送信令的网络构成信令点SP signalingpoint 信令点是信令网络中的节点 它提供公共信道信令产生消息的信令点 源点 接收消息的信令点 宿点 转发消息的信令转接点STP signalingtransferpoint STP将控制信令从一条信令链路转送到另一条链路上供传输信令的数据链路 link 结构NO 7信令网通