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第5章移动通信的组网技术2013/5/242第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖区域覆盖的概念带状网面状网2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/243区域覆盖的概念根据服务区域覆盖方式的不同1.大区制一个服务区域（一个城市或一个地区）内只设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制基站天线架设比较高、发射功率比较大（25200W）、覆盖区域半径一般2550km用户容量少组网简单、投资少、频率不能重复使用，无法满足大容量要求2.小区制将整个服务区域划分为若干个无线小区（小块的区域），每个小区分别设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。其基本思想是用多个小功率发射机（小覆盖区域）来代替单个大功率发射机（大覆盖区域），相邻的基站则分配不同的频率（蜂窝的概念）。发射功率（510W）、覆盖区域半径一般510km每个小区分配不同频率，为了提高频谱利用率，采用同频复用技术2013/5/244大区制和小区制FE小区1DGBDECAGBFAGB小区8七小区群再用距离相同字母小区使用相同频率组2013/5/245小区分裂1.用户数增多并达到小区服务的最大限度时，把小区再分割成更小的蜂窝状区域，并相应减小新小区的发射功率和采用相同的频率复用模式，以适应业务增长的需求，这个过程被称为小区分裂原基站新基站2013/5/246蜂窝移动通信系统示意图七个小区构成一个区群。小区与移动电话交换局（MTSO）相连。MTSO在网内负责控制和管理，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配、建立呼叫、频道切换、提供系统维护、性能测试和存储计费信息等。MTSO既保证移动用户之间的通信，也保证移动用户和有线用户之间的通信。MTSO1243567基站至公用电话网2013/5/247越区切换示意图移动交换中心蜂窝A时间3时间2时间1蜂窝B当移动单元从蜂窝B越区到蜂窝A时，切换在移动交换中心的控制下进行2013/5/248带状网1.带状网主要覆盖公路、铁路、海岸等，其服务区的用户分布呈带状。基站天线若为有向天线辐射，服务覆盖区为扁圆形。基站天线若为全向天线辐射，服务覆盖区为圆形2013/5/249带状网1.带状网可进行频率复用。从成本和资源利用率而言，双频群最好；但从抗频干扰而言，双频群最差。2013/5/2410面状网（蜂窝网）1.面状网是指服务区内的用户分布呈面状分布。其服务区小区的划分及组成取决于电波传播的条件和天线的方向性。2.当考虑覆盖整个服务区域而没有重叠和间隙的几何形状时，只有三种可能的选择：正方形、等边三角形、正六边形2013/5/24111.正六边形做小区覆盖，可用最少的小区数量覆盖整个服务区域；正六边形最接近圆形的辐射模式。2.正六边形构成的网络形同蜂窝，因此亦称为蜂窝网。基于蜂窝状的小区制是目前公共移动通信网的主要覆盖方式2013/5/2412第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式区群的构成同频（信道）小区的距离激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/2413区群的构成1.蜂窝式移动通信网通常是由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干无线区群构成整个服务区。防止同频干扰，同一区群的小区不得使用同一频率2.区群的组成满足的条件区群之间可以邻接，且无空隙无重叠的进行覆盖邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等N=i2+ij+j22013/5/2414N=i2+ij+j22013/5/2415同频（信道）小区的距离1.小区A出发，先沿边的垂线方向跨j个小区，再向左（或向右）转60o，再跨i个小区。2.六边形的6个方向可以找到6个同频道小区ji2013/5/2416设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r，则从图5-13可以算出同信道小区中心之间的距离为rNrjijiiijrD=+=+=3)(3)2/3()2/(32222可见群内小区数N越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。例如：N=3,D/r=3;N=7,D/r=4.6;N=19,D/r=7.55。2013/5/2417激励方式1.基站发射机位于小区中央，用全向天线形成圆形覆盖区中心激励2.基站设置在每个小区六边形的三个顶点上，采用3副定向天线顶点激励采用定向天线，所接受的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3，可减少同频干扰。不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物阴影区2013/5/2418服务区内小区的设置5152551525255551515525155555151525555151552515555515152510101010101010101010101055555555555555555510101010101010101010101055555555用户密度不等时的小区结构原基站新基站2013/5/2419第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量多址接入技术系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/2420频分多址(FDMA) 频分多址是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。在单纯的FDMA系统，通常采用频分双工(FDD)的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。2013/5/2421FDMA的频道划分方法信道2信道1信道N信道1信道N收发间隔 信道带宽功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）2013/5/2422时分多址(TDMA)TDMA示意图2013/5/2423不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。例如：GSM系统的帧长为4.6ms(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为10ms(每帧24个时隙)，PACS系统的帧长为2.5ms(每帧8个时隙)。TDMA系统既可以采用频分双工(FDD)方式也可以采用时分双工(TDD)方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台接收；收发工作在相同频率上。在TDMA系统中，每帧中的时隙结构(或称为突发结构)的设计通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。2013/5/2424典型的时隙结构时隙123N同步控制信息保护信息训练信息保护典型结构1典型结构2一帧2013/5/2425TDMA与FDMA的比较1.基站可以只用一台发射机。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.不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配要比对频率的管理与分配简单而经济，所以, TDMA系统更容易进行时隙的动态分配3.移动台只在指定的时隙中接收信息，有利于通信网络的控制和管理，可保证移动台的越区切换功能可靠的实现4.可同时提供多种业务，使系统的通信容量和通信速率成倍的增长5.TDMA通信系统具有精确的定时和同步功能，可保证各移动台发送的信息不会在基站发生重叠合混淆2013/5/2426用户1用户2用户N频率时间f0f1Bfn信道1信道2信道N码字频率时间(a)(b)码分多址(CDMA) 1.跳频-码分多址FH-CDMA FH-CDMA和DS-CDMA(a) FH-CDMA; (b) DS-CDMA 2.直扩码分多址DS-CDMA 2013/5/2427DS-CDMA(a) 基站到移动台的下行链路；(b) 基站到移动台的上行链路导频信道同步信道W0W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道业务信道业务信道业务信道W31W33W6317N2425551业务数据控制子信道接入信道接入信道业务信道业务信道1n1255用户地址码(a)(b)业务信道DS-CDMA控制信道：导频信道、同步信道、寻呼信道2013/5/2428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),FHCD*2CDMA与DS-CDMA混合(DS/FH-CDMA)等等。混合码分多址2013/5/2429空分多址(SDMA) 空分多址示意图2013/5/2430随机多址1. ALOHA协议和时隙ALOHA ALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。任何一个用户随时有数据分组要发送，他就立刻接入信道进行发送。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。如果在一个给定的时间区间内，没有收到对方的认可应答，则重发刚发的数据分组。2013/5/2431A1B1B1A2碰撞用户A：用户B：(b)(a)tB1碰撞A2A1A2随机重传时延易损间隔用户A：用户B：ALOHA和时隙ALOHA(a) ALOHA协议；(b) 时隙ALOHA协议2013/5/2432对于随机多址协议而言，其主要性能指标有两个：一是通过量(S)(指单位时间内平均成功传输的分组数)；二是每个分组的平均时延(D)。假定分组的长度固定，信道传输速率恒定，到达信道的分组服从Poisson分布的情况，则ALOHA协议Smax=1/2e=0.1839。2013/5/2433ALOHA协议和时隙ALOHA2013/5/2434ALOHA协议和时隙ALOHA2013/5/24352. 载波侦听多址(CSMA)2013/5/2436在CSMA协议中，每个节点在发送前，首先要侦听信道是否有分组在传输。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。在CSMA协议中，影响系统的两个主要参数是检测时延和传播时延。检测时延是指接收机判断信道空闲与否所需的时间。假定检测时延和传播时延之和为，如果某节点在t时刻开始发送一个分组，则在t+时刻以内所有节点都会检测到信道忙。因此只要在t,t+内没有其他用户发送，则该节点发送的分组将会成功传输。2013/5/2437AtBtt2t1t2+t3t3+“碰撞”分组到达时刻tC发送分组接收分组*A B C之间的距离相等CSMA协议示意图2013/5/2438当检测到信道忙时，有几种处理办法：一是继续检测信道直至信道空闲，一旦信道空闲则以概率1发送分组，该协议称为1-坚持CSMA；二是随机时延一段时间，然后重新检测信道，直至检测到空闲信道，该协议称为非坚持CSMA；三是继续检测信道直至信道空闲，此时以概率p发送分组，以1-p推迟发送，该协议称为p-坚持CSMA。2013/5/2439预约随机多址通常基于时分复用，即将时间轴分为重复的帧，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。预约时隙的大小可与信息传输时隙相同，也可以将一个时隙再分为若干个小时隙，每个小时隙供一个用户发送预约分组。3. 预约随机多址2013/5/2440蜂窝系统容量2013/5/2441容量比较2013/5/2442不同系统的容量比较2013/5/2443第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/2444信道(频率)配置1.频道分组根据移动网的需要把全部频道分成若干组2.频道指配以固定或动态分配方法指配给蜂窝网的用户使用2013/5/2445信道(频率)配置1.分区分组配置法分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小占用的总频段，以提高频段的利用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避免同频干扰；小区内采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。2013/5/2446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,。若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道，按上述原则进行分配，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 2013/5/24472. 等频距配置法等频距配置时可根据群内的小区数N来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。例如N=7，第一组1、8、15、22、29、第二组2、9、16、23、30、第三组3、10、17、24、31、第四组4、11、18、25、32、第五组5、12、19、26、33、第六组6、13、20、27、34、第七组7、14、21、28、35、 2013/5/2448这样同一信道组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔，若信道间隔为25kHz，则其最小频率间隔可达175kHz，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。如果是定向天线进行顶点激励的小区制，每个基站应配置三组信道，向三个方向辐射，例如N=7，每个区群就需有21个信道组。整个区群内各基站信道组的分布如图。2013/5/2449三顶点激励的信道配置我国一般采用7基站21小区的模型2013/5/2450固定信道频率分配FCA2013/5/24511.动态分配法随业务量的变化重新配置全部信道理想实现能够提高频谱利用率20%50%及时计算十分困难2.柔性配置法准备若干个信道，需要时提供给某个小区使用控制简单，比较实用2013/5/2452第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构基本网络结构移动通信系统的主要功能数字蜂窝移动网的网络结构移动通信空中接口协议模型信道结构6.信令7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/2453基本网络结构1.基站BS与移动交换中心MSC之间、移动交换中心MSC与市话网络PSTN之间可采用有线链路(如光纤、同轴电缆、双绞线等)也可以采用无线链路(如微波链路、毫米波链路等)。2.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5 000个话路的传输容量。交换机交换机固定网络基站基站基站基站2013/5/2454移动交换中心MSC一个移动通信网可由一个或若干个移动交换中心组成。MSC为移动业务交换中心，它是无线电系统与公众电话交换网之间的接口设备，完成全部必须的信令功能以建立与移动台的往来呼叫。其主要责任是：1.路由选择管理；2.计费和费率管理；3.业务量管理；4.向原籍位置登记器(HLR)发送有关业务量信息和计费信息。2013/5/2455位置区一个移动交换中心可由一个或若干个位置区组成。位置区即移动台位置登记区，它是为了解决在呼叫移动台时，以便知道被呼移动台当时所在的位置而设置的。1.HLR为原籍位置登记器，负责移动台数据库管理。其主要责任是：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；VLR2.VLR为访问者位置登记器，是动态数据库。其主要责任是：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，位置区及基台区；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)。2013/5/2456基站BS和移动台MS1.位置区由若干基站组成；2.一个基站可由一个或若干个无线小区组成。3.基站BS主要由射频部分（射频架和收、发天线）、数据架和维护测试架等几部分组成。4.基站提供无线信道，以建立在基站覆盖范围内与移动台MS的无线通道5.移动台MS主要包括车载台与手机两类，其主要差别是功率的大小不同。2013/5/2457业务区1.一个或若干个移动通信网组成业务区。整个业务区可以分成若干个移动交换区。2013/5/2458移动通信系统的主要功能1.具有与公用电话网进行自动交换的能力2.双工通信，话音质量接近市话网标准3.双向自动拨号，4.用户容量大，一个系统一般能为几万个用户提供服务，还能适应业务增加需要，通过小区分裂以扩充容量5.采用小区制频率再用技术6.具有自动过境切换频道技术，切换时间小于20ms7.设备通用性较强，通常基站、移动台等设备在全国范围内可以通用8.各地之间可以联网，具有自动漫游功能2013/5/2459移动通信空中接口协议模型移动通信空中接口（或称无线接入部分）的协议和信令是按照分层的概念来设计的。空中接口包括无线物理层、链路层和网络层。链路层分为介质接入控制层和数据链路层。物理层是最底层。网络层（NWK）数据链路控制层（DLC）介质接入控制层（MAC）物理层（PHL）第三层第二层第一层2013/5/2460移动通信空中接口协议模型1.物理层PHL确定无线电参数，如频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。物理层将无线电频谱分成若干个物理信道。物理层在介质接入控制层MAC的控制下，负责数据或数据分组的收发2.介质接入控制层MAC的主要功能有介质访问管理和数据封装等。第一功能是选择物理信道，然后在这些信道上建立和释放连接第二功能是将控制信息、高层的信息和差错控制信息复接成适合物理信道传输的数据分组。介质接入控制层通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。3.数据链路控制层DLC的主要功能为网络层提供非常可靠的数据链路。4.网络层NWL主要是信令层。它确定了用于链路控制、无线电资源管理、各种业务（呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务）管理和移动性管理的各种功能。2013/5/2461信道结构1.网络的控制与管理网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主呼用户和被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这是一个呼叫接续过程，也是移动通信系统的连接控制（或管理）功能。基站向用户传送信息的通道称为下行链路，用户向基站传送信息的通道称为上行链路。2.信道类型业务信道TCH控制信道CCH2013/5/2462信道类型1.业务信道TCH业务信道携带数字化的用户编码语音或用户数据，在上行和下行链路上具有相同的功能和格式进行传播。2.控制信道CCH控制信道在基站和移动台之间传送信令、同步数据和同步指令。主要用于移动台的呼叫控制和接入管理。监测音SAT用于信道分配和移动用户的通话质量进行监测信令音ST信令音在移动台至基站的上行链路话音信道中传输，是音频信号。2013/5/2463第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令数字信令网络信令信令的应用7.越区切换和位置管理8.多信道共用技术2013/5/2464数字信令1.前置码又称位同步码（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。2.字同步码又称帧同步码，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。目前常用的码组是巴克码。3.信息码是真正的信息内容，通常包括控制、寻呼、拨号等信令，各种系统都有独特规定。4.纠错码的作用是检测和纠正传送过程中产生的差错，主要是纠、检信息码的差错前置码P字同步SW信息码（A或D）纠错码SP典型的数字信令格式2013/5/24657号信令系统的协议结构OSI 层次OMAPMAPTCAPISDN-UPSSCPMTP层3MTP层2MTP层1应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层SS7 层次网络信令1.消息传递部分（MTP）提供一个无连接的消息传输系统第一层为信令数据层，定义信号链路的物理和电气特性第二层是信令链路层，提供数据链路的控制，负责提供信令数据链路上的可靠数据传送第三层是信令网络层，提供公共的消息传送功能2013/5/24667号信令的网络结构STPSTPSCPSCPA链路D链路A链路A链路SSP（交换机）中继线MSC移动网PSTN信令网络（HLR）A链路网络信令7号信令网络是与现在PSTN平行的一个独立网络。它由三个部分组成：信令点(SP)、信令链路和信令转移点(STP)。信令点(SP)是发出信令和接收信令的设备，它包括业务交换点(SSP)和业务控制点(SCP)。SSP是一个电话交换机，它们由SS7链路互连，完成在其交换机上发起、转移或到达的呼叫处理。移动网中的SSP称为移动交换中心(MSC)。SCP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。-STP是在网络交换机和数据库之间中转SS7消息的交换机。STP根据SS7消息的地址域，将消息送到正确的输出链路上。为了满足苛刻的可靠性要求，STP都是成对提供的。2013/5/2467信令的应用(B-信道）DISCONNECT中继线a（释放）RELEASE中继线bREL2业务信道DISCONNECT（拆线）CONNECT（连接）ANM2ACM2ANM1(应答消息)(连接)CONNECT(警示)ACM1ALERTING(警示)(拆线）RELRLC1(释放完成)RLC2RELEASE COMPLETEALERTING(地址完成消息)SETUPIAM1IAM2SETUP（建立）(建立）(呼叫处理)CALL PROCESSING汇接局端局MSCSTPSTP接入信令网络信令(7号信令)接入信令移动网PSTN固定电话机移动台(初始地址信息)REL1RELRLCRLC2013/5/2468第5章移动通信的组网技术1.区域覆盖2.区群的构成和激励方式3.多址接入技术和系统容量4.信道（频率）配置5.移动通信的网络结构6.信令7.越区切换和位置管理越区切换位置管理8.多信道共用技术2013/5/2469越区(过区)切换(Handover或Handoff)是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT(AutomaticLinkTransfer)。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。越区切换2013/5/2470越区切换包括三个方面的问题：越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；越区切换如何控制；越区切换时信道分配。研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。越区切换的内容2013/5/2471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，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。在越区切换时，可以仅以某个方向(上行或下行)的链路质量为准，也可以同时考虑双向链路的通信质量。越区切换的分类2013/5/2472相对信号强度准则(准则1)：具有门限规定的相对信号强度准则(准则2)：具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3)：具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则(准则4)：越区切换示意图越区切换的准则2013/5/2473(1)移动台控制的越区切换。(2) 网络控制的越区切换。(3) 移动台辅助的越区切换。越区切换的控制