移动通信技术讲义-第9讲 第二章 蜂窝移动通信的组网

一、多址通信的概念,1多址接入蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的。一个信道只能容纳一个用户进行通话。许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫做多址接入技术。,移动通信中的多址技术,2多址接入方式许多用户同时通话，以不同的信道分隔，防止相互干扰，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接，称为多址连接。移动通信系统中基站的多路工作和移动台的单路工作形成了移动通信的一大特点。,多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作s(c，f，t)=c(t)s(f，t)式中，c(t)是码型函数；s(f，t)是时间t和频率f的函数。,当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。下图分别给出了N个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图。,FDMA、TDMA和CDMA的示意图,二、FDMA方式,1FDMA系统原理FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。,1FDMA系统原理,FDMA系统的工作示意图,在上图中可以看出：在频分双工（FDD）系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱。一个频谱用作前向（下行）信道即基站（BS）向移动台（MS）方向的信道；另一个则用做反向（上行）信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的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必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信。频谱分割图如下图所示。,FDMA系统频谱分割示意图,在频率轴上，前向（下行）信道占有较高的频带，反向（上行）信道占有较低的频带，中间为保护频带。在用户频道之间，设有保护频隙，以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。前向与反向信道的频带分割，是实现频分双工通信的要求。频道间隔（如为25kHz）是保证频道之间不重叠的条件。,移动交换中心（MSC）是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。例如：信道的管理和分配；呼叫的处理和控制；过区切换和漫游的控制；用户位置信息的登记与管理；用户号码和移动设备号码的登记和管理；用户服务类型的控制；对用户实施鉴权；为系统中连接别的MSC及为其它公用通信网络，如为公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）提供链路接口，保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务。由此可见，MSC的功能与固定网络的交换设备有相似之处（如呼叫的接续和信息的交换），也有特殊的要求（如无线资源的管理和适应用户移动性的控制）。,2FDMA系统中的干扰问题,（1）互调干扰互调干扰是指系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成的对有用信号的干扰。（2）邻道干扰邻道干扰是指相邻频道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成的对有用信号的干扰。,（3）同频道干扰同频道干扰一般是指相同频率电台之间的干扰。在蜂窝系统中，同频道干扰是指相邻区群中同信道信号之间造成的干扰。它与蜂窝结构和频率规划密切相关。,为了减少同频道干扰，需要合理地选定蜂窝结构与频率规划，表现为系统设计中对同频道干扰抑制因子Q的选择。Q=D/R（3-6）式中，D为同信道小区的距离（即同频小区的距离）；R为小区半径。,3FDMA系统的特点,FDMA信道每次只能传送一路电话。每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。为了在有限的频谱中增加信道数量，系统均希望间隔越窄越好。FDMA信道的相对带宽较窄，每个信道的每一载波仅支持一路电路连接，也就是说FDMA通常在窄带系统中实现。符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。FDMA方式中，每信道只传送一路数字信号，信号速率低，一般在25kbit/s以下，远低于多径时延扩展所限定的100kbit/s，所以在数字信号传输中，由码间干扰引起的误码极小。,移动台较简单，和模拟的较接近。基站复杂庞大，重复设置收发信设备。基站有多少信道，就需要多少部收发信机，同时需用天线共用器，功率损耗大，易产生信道间的互调干扰。FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰。,越区切换较为复杂和困难。因为在FDMA系统中，分配好语音信道后，基站和移动台都是连续传输的，所以在越区切换时，必须瞬时中断数十至数百毫秒，以把通信从一频率切换到另一频率上。对于语音，瞬时中断问题不大，对于数据传输则将带来数据的丢失。在模拟蜂窝系统中，采用FDMA方式是唯一的选择。而在数字蜂窝中，则很少采用纯FDMA的方式。,1TDMA系统原理TDMA是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。系统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（突发信号），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。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号（TDM信号）中把发给它的信号区分出来。TDMA系统发射数据是用缓存-突发法，因此对任何一个用户而言发射都是不连续的。这就意味着数字数据和数据调制必须与TDMA一起使用，而不象采用模拟FM的FDMA系统。,三、TDMA方式,TDMA系统的工作示意图,2TDMA的帧结构,TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（Burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如下图所示。,TDMA帧结构,从图中可以看出，1个TDMA帧是由若干时隙组成的，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（数字移动电话）系统的帧长为4.6ms（每帧8个时隙），DECT（无绳电话系统）的帧长为10ms（每帧24个时隙）。在TDMA/TDD（时分双工）系统中，帧信息中时隙的一半用于前向链路，而另一半用于反向链路。时分多址（TDMA）将时间轴划分为若干个时隙，每一个时隙传输一路语音或数据信息。用户的发射和接收的时隙可以不同，因而TDMA可以在一个单频信道上进行发射和接收，称为时分双工。,在TDMA/FDD系统中，有一个完全相同的或相似的帧结构，要么用于前向传送，要么用于反向传送，但前向和反向链路使用的载频和时间是不同的。TDMA/FDD系统有目的的在一个特定用户的前向时隙和反向时隙间设置了几个延时时隙，以便在用户单元中不需要使用双工器。,3TDMA系统的同步与定时,同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。TDMA的帧同步和位同步是由帧结构的细节来保证的。,（1）位同步位同步是接收机正确解调的基础。在移动通信系统中，用于传输位同步信息的方法有两种：一种是用专门的信道传输；另一种是插入业务信道中传输，例如在每一个时隙的前面发送一段“0”、“1”交替的信号作为同步信息。,（2）帧同步帧同步和时隙同步所采用的方法一样，如需要，可在每帧和每时隙的前面分别设置一个同步码作为同步信息。对帧同步和时隙同步的要求是：建立时间短、错误捕获概率小、同步保持时间长和失步概率小。,（3）系统定时系统定时（或称网同步）是TDMA移动通信系统中的关键问题。只有全网中有统一的时间基准，才能保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对全网设备进行管理、控制和操作。就同步而言，可保证基站和移动台迅速地进入同步状态，也不会因为定时误差随时间积累引起失步。,系统定时可采用不同方法。在移动通信系统中常用的是主从同步法，即系统所有设备的时钟均直接或间接地从属于某一主时钟的信息。主时钟通常有很高的精度，其信息以广播的方式送给全网的许多设备，或者以分层的方式逐层送给全网的许多设备。各设备从收到的时钟信号中，提取定时信息，或者说锁定到主时钟上。移动通信系统中也用到独立时钟同步法。其办法是在网中各设备内均设置高精度的时钟，在通信开始或进行过程中，只要根据某一标准时钟进行一次时差校正后，在很长时间内，时钟不发生明显的漂移，从而得到准确的定时。这种办法通常要求各设备采用稳定度很高的石英振荡器来产生定时信号，这对于移动台尤其是小型手持手机而言，无论从价格方面或者从体积质量方面考虑都不一定合适。至于通信网中的基站和其他大型设施，采用这种办法还是可以的。,4TDMA系统的特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为Rbit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NRbit/s。发射信号速率随N的增大而提高。TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。,基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机，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。由于在TDMA中移动台是不连续地突发式传输，所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的，因为它可以利用空闲时隙监测其他基站，这样越区切换可在无信息传输时进行。因而没有必要中断信息的传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。,四、CDMA方式,1CDMA系统原理CDMA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。,1CDMA系统原理,CDMA系统的工作示意图,4CDMA系统的特点,CDMA系统有以下特点:CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD还是FDD技术。通信容量大。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。容量的软特性。TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA（直扩CDMA）系统中，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从而可以减小多径衰落。在CDMA系统中，信道数据速率很高。平滑的软切换和有效的宏分集。低信号功率谱密度。,CDMA系统存在着两个重要的问题，一个问题是来自非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全是正交的，这种扩频码集的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰（MAI），在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重。另一个问题是“远近”效应。许多移动用户共享同一信道就会发生“远-近”效应问题。由于移动用户所在的位置处于动态的变化中，基站接收的各用户信号功率可能相差很大，即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站的信号各不相同，强信号对弱