移动通信5 蜂窝组网技术

1、1 移动通信网的基本概念移动通信网的基本概念 多址接入技术多址接入技术 网络结构和蜂窝小区网络结构和蜂窝小区 蜂窝移动通信系统的容量分析蜂窝移动通信系统的容量分析 切换和位置管理切换和位置管理 移动通信网的信令系统移动通信网的信令系统 2 无线物理层无线物理层 确定无线电参数，如频率、定时、功率、码片、比特、同确定无线电参数，如频率、定时、功率、码片、比特、同 步、调制解调、收发信技术等；步、调制解调、收发信技术等； 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；多址方式； 在介质接入控制层（在介质接入控制层（MACMAC）的控

2、制下，负责数据或数据分）的控制下，负责数据或数据分 组的收发。组的收发。 介质接入控制层（介质接入控制层（MACMAC）：介质访问管理和数据封装。通过形：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；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。道传输的数据分组。 3 数据链路控制（数据链路控制（DLCDLC）层）层：为网络层提供可靠的数据链路：为网络层提供可靠的数据链路 网络

3、层网络层：信令层，确定用于链路控制、无线资源管理、各种：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。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在每一层中，完成一个特定功能的单元称为一个功能实体功能实体。 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当逻辑控制步骤为高层提供更完善的服务 4 网络分层协

4、议结构中不同层之间的对话称为原语；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。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。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证实性原语：用于提供业务的层证实某个动作已 完成完成 响应型原语：用于应答，表示来自高层的指示原响应型原语：用于应答，表示来自高层的指示原 语已收到。语已收到。 5 话务量与信道利用率话务量与信道利

5、用率 话务量话务量是指单位时间（是指单位时间（1 1小时）内进行的平均电话交换量。是小时）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。度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。 流入话务量：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 叫话务量为叫话务量为1Erl(1Erl(爱尔兰爱尔兰) ) 完成话务量：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。 信道利用率信道利用率是指单位时间（是指单位时间（1 1小时

6、）单位信道的完成话务量。小时）单位信道的完成话务量。 其中其中n为共用信道数。为共用信道数。 0 A n 0 At 000 At 6 呼损率（呼损率（1 1）：概念）：概念 呼损：呼损：在信道共用的情况下，系统无法保证每个用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，称之为户所有的呼叫都成功，少量的呼叫会失败，称之为 呼损。呼损。 呼损率：呼损率：在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为 呼叫损失概率呼叫损失概率，简称，简称呼损率呼损率, ,也称为系统的服务等也称为系统的服务等 级级( (或业务等级或业务等级) ) 呼损率的计算

7、方法呼损率的计算方法 利用完成话务量利用完成话务量 Erlang BErlang B公式（阻塞呼叫清除公式公式（阻塞呼叫清除公式 ） 7 流入话务量流入话务量A与完成话务量与完成话务量A0之差即为损失话之差即为损失话 务量，损失话务量与流入话务量的比值即为呼损务量，损失话务量与流入话务量的比值即为呼损 率率 由由 和和 得得 000 At 0 100% AA B A 0 At 0i B 8 如果呼叫有以下性质：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）；）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）每次呼

8、叫在时间上都有相同的概率；并假定移动通信系 统的信道数为统的信道数为n； 则呼损率可用爱尔兰呼损公式计算则呼损率可用爱尔兰呼损公式计算 1 ! ! n n i i A n B A i 其中，其中，n为共用信道数，即系统容量（电路数量）。为共用信道数，即系统容量（电路数量）。 9 根据根据Erlang B公式，知道三个参数公式，知道三个参数A、B和和n中的任何两个，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 中找到中找到B，A，n三者。三者。 1 ! ! n n i i A n B A i 10 有一个系统容量

9、有一个系统容量n=10=10（条线），流入的业务强度（条线），流入的业务强度 A=6erlangA=6erlang，系统服务的用户很多，可计算这个系统的，系统服务的用户很多，可计算这个系统的 呼损率呼损率为：为： 在不同呼损率在不同呼损率B B的条件下，的条件下，信道利用率信道利用率也是不同的也是不同的 10 10 11 !610! 0.043142 !6! n n ii ii A n B A ii n )B(A n A 1 0 11 （1 1）定义繁忙小时集中系数（又称集中率）定义繁忙小时集中系数（又称集中率）K： （2 2）计算每个用户最繁忙的那个小时的统计平均话务）计算每个用户最繁忙的那

10、个小时的统计平均话务 量，即每个用户的忙时话务量量，即每个用户的忙时话务量A： C C：每一用户每天平均呼叫次数；：每一用户每天平均呼叫次数； T T：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为秒）：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为秒） （3 3）根据给定的呼损率）根据给定的呼损率B B和信道数和信道数n，查表得系统可提，查表得系统可提 供的流入话务量供的流入话务量A A （4 4）则可求得则可求得m： 1 K 最忙 小时内的话务量 全日话务量 3600 a ACTK 3600 a a A AA nA n m nACTK 12 例题例题 某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫某移动通信系统，每天每个用

11、户平均呼叫1010次，每次占用次，每次占用 信道平均时间信道平均时间8080秒，要求呼损率秒，要求呼损率10%10%，忙时集中率，忙时集中率K K=0.125=0.125， 问给定问给定8 8个信道可容纳多少用户？个信道可容纳多少用户？ 解：解： 1 1利用爱尔兰损失概率表，查表求得：利用爱尔兰损失概率表，查表求得：A A=5.597Erl=5.597Erl 2 2求每个用户忙时话务量求每个用户忙时话务量A ： C=10,T=80C=10,T=80， 3 3每个信道能容纳的用户数每个信道能容纳的用户数m m 4 4系统所容纳的用户数：系统所容纳的用户数： / 201.3/8 a A A m n

12、 201.3201m n用户 1 0.0278Erl 3600 a ACTK 13 多址接入方式多址接入方式 频分多址（频分多址（FDMAFDMA） 时分多址（时分多址（TDMATDMA） 码分多址（码分多址（CDMACDMA） 空分多址（空分多址（SDMASDMA） 随机多址随机多址 14 目前应用的目前应用的多址方式多址方式 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA)、时分多址、时分多址(TDMA)(TDMA)、码分多址、码分多址(CDMA)(CDMA)及其混合方式等及其混合方式等 信道 3 信道1 信道N 信道2 f t c 多址接入方式多址接入方式建立多址接入时区分信道的依据建立多址接入

13、时区分信道的依据 频分多址方式（频分多址方式（FDMAFDMA）传输信号的载波频率不同传输信号的载波频率不同 时分多址方式（时分多址方式（TDMATDMA）传输信号存在的时间不同传输信号存在的时间不同 码分多址方式（码分多址方式（CDMACDMA）传输信号的码型不同传输信号的码型不同 信道1 信道2 信道3 信道N f t c f t c 信道2 信道1 信道3 信道 N 图图55 FDMA、TDMA、CDMA的示意图的示意图 FDMA TDMACDMA 15 每个用户分配一个信道，即一对频谱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

14、道即移动台向基站方向的信道 必须同时占用必须同时占用2 2个信道（个信道（2 2对频谱）才能实现双工通信对频谱）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 图图56 FDMA系统频谱分割示意图系统频谱分割示意图 16 干扰方式干扰方式起起 因因解决方法解决方法 互调干扰互调干扰 系统内非线性器件产生的各种组合系统内非线性器件产生的各种组合 频率成份落入本频道接收机通带内

15、频率成份落入本频道接收机通带内 选用无互调的选用无互调的 频率集频率集 邻道干扰邻道干扰 相邻信道信号中存在的寄生辐射落相邻信道信号中存在的寄生辐射落 入本频道接收机带内入本频道接收机带内 加大频道间的加大频道间的 隔离度隔离度 同频干扰同频干扰 相邻小区群中同信道小区的信号造相邻小区群中同信道小区的信号造 成的干扰成的干扰 适当选择频道适当选择频道 干扰因子干扰因子Q Q 17 每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄， 即通常即通常应用于窄带系统；应用于窄带系统； 符号时间符号时间 平均延迟扩展平均延迟扩展（Ts ） ，所所 以码间干扰较少，以码间干扰

16、较少，无需自适应均衡；无需自适应均衡； 基站复杂庞大基站复杂庞大，易产生信道间的，易产生信道间的互调干扰互调干扰 必须使用带通滤波器必须使用带通滤波器来限制邻道干扰；来限制邻道干扰； 越区切换复杂越区切换复杂，必须瞬时中断传输，对于数据，必须瞬时中断传输，对于数据 传输将带来数据的丢失。传输将带来数据的丢失。 s T 18 在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每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，分配给一个用户每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用

17、户 基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙 内收发信号内收发信号 MS3 MS2 时隙时隙 帧帧 时隙时隙N时隙时隙3时隙时隙2时隙时隙1 保护比特保护比特信息数据信息数据同步比特同步比特尾比特尾比特 一个一个TDMATDMA帧帧 图图58 TDMA帧结构帧结构 图图57 TDMA系统工作示意图系统工作示意图 19 突发传输的突发传输的速率高速率高，远大于语音编码速率，因而，远大于语音编码速率，因而 TDMATDMA系统中系统中需要较高的同步开销需要较高的同步开销 发射信号速率随发射信号速率随N N的增大而提高，引起码间串扰的增大而提高

18、，引起码间串扰 加大，所以加大，所以必须采用自适应均衡必须采用自适应均衡 不需双工器不需双工器 基站基站复杂度低，互调干扰小复杂度低，互调干扰小 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大 越区切换简单越区切换简单，可在无信息传输时进行，可在无信息传输时进行，不会丢不会丢 失数据失数据 20 码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利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用公共信道来传输信息 CDMACDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，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

19、叠而在频率、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收的信号进行相关检测 1 c 2 c 1 C 2 C N c N C MSC BS 图图59 CDMA系统工作示意图系统工作示意图 21 多用户共享同一频率多用户共享同一频率 通信容量大通信容量大 容量的软特性容量的软特性 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 现象现象 由于信号被扩展在一较宽频谱上，可以由于信号被扩展在一较宽频谱上，可以减小多径衰落减小多径衰落 信道数据速率

20、很高，但信道数据速率很高，但无需自适应均衡无需自适应均衡 平滑的软切换和有效的宏分集平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断不会引起通信中断 低信号功率谱密度低信号功率谱密度的好处的好处 抗窄带干扰能力强抗窄带干扰能力强 对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段 22 每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基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，此时处于时接收合并这些信号，此时处于宏分集宏分集状态状

21、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，称为平滑完成，称为软切换软切换 23 多址干扰多址干扰 原因原因 不同用户的扩频序列不完全正交，扩频码集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的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰 “远远- -近近”效应效应 原因原因 移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存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，

22、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：使用功率控制解决方法：使用功率控制 24 通过空间的分割来区别不同的用户常通过空间的分割来区别不同的用户常 与与FDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA结合使用结合使用 工作原理工作原理 应用：蜂窝系统中反向链路的困难应用：蜂窝系统中反向链路的困难 自适应式阵列天线自适应式阵列天线 25 使用使用定向波束天线定向波束天线在不同用户方向上形成不在不同用户方向上形成不 同的波束同的波束 相同的频率相同的频率（在（在TDMATDMA或或CDMACDMA系统中）或系统中

23、）或不不 同的频率同的频率（在（在FDMAFDMA系统中）用来服务于被天系统中）用来服务于被天 线波束覆盖的这些不同区域线波束覆盖的这些不同区域 图图510 SCDM系统工作示意图系统工作示意图 26 27 自适应式天线提供了自适应式天线提供了最理想最理想的的SDMA SDMA 无穷小波束宽度无穷小波束宽度 无穷大快速搜索能力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提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一 信道信道 克服多径干扰和同信道干扰克服多径干扰和同信道干扰 28 ALOHAALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。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

24、时接入信道发送数据分组；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；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。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，的前后各一个分组长度内没有其它用户的分组到达， 即易损区间为即易损区间为2 2倍的分组长度。倍的分组长度。 29 ALOHA协议的性能指标协议的性能指标 通过量：单

25、位时间内平均成功传输的分组数；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。每个分组的平均时延。 时隙时隙ALOHA 为了改进为了改进ALOHAALOHA的性能，将时间轴分成时隙，时的性能，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，称之为时隙开始时刻发送，称之为时隙ALOHAALOHA协议。协议。 时隙时隙ALOHAALOHA协议的易损区间减少为一个分组长度协议的易损区间减少为一个分组长度 30 ALOHAALOHA协议中各节点的发射相互独立；协议中各节点的发射相互独立； CSMACSMA协

26、议中，每个节点在发送之前，先侦听信道是协议中，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。忙，则按照设定的准则推迟发送。 检测时延，指接收机判断信道空闲与否所需时间检测时延，指接收机判断信道空闲与否所需时间; ; 传播时延。传播时延。 31 预约随机多址通常基于时分复用：时间轴分为时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，间帧，时间帧分为若干时隙，当用户需发送分组时， 可采用可采用ALOHAALOHA的方式在空闲时隙上进行预约。若预

27、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。所有分组传输完毕。 分组预约多址（分组预约多址（PRMA） 分组预约多址是对分组预约多址是对TDMATDMA的改进：在的改进：在TDMATDMA的帧的帧 结构基础上，为每一个语音突发在结构基础上，为每一个语音突发在TDMATDMA帧中预约一帧中预约一 个时隙（个时隙（TDMATDMA中一路话音固定占用一个时隙）。中一路话音固定占用一个时隙）。 32 移动通信移动通信网络结构网络结构 蜂窝式蜂窝式组网理论组网理论 移动通信网的移动通信网的基本组成基本组

28、成 蜂窝移动通信系统图示蜂窝移动通信系统图示 各子系统功能各子系统功能 频率复用和蜂窝小区频率复用和蜂窝小区 33 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 34 fA f A f fA A tAlos Dd D d D Dd d hdL log 4 log20 ( 4 log20 , 自自由由空空间间传传播播损损耗耗） 空中网络空中网络 fA f A f fA A tAlos Dd D d D Dd d hdL log 4 log20 ( 4 log20 , 自自由由空空间间传传播播损损耗耗） 基站与固定网络基站与固定网络 服务区内各基站的相互连接服务区内各

29、基站的相互连接 多多 址址 接接 入入 切换和位置更新切换和位置更新 频率复用和蜂窝小区频率复用和蜂窝小区 地面网络地面网络 35 无线蜂窝式小区覆盖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 的覆盖区域的覆盖区域 频率复用频率复用 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，增加了系统容量优点：缓解了频率资源紧缺，增加了系统容量 缺点：同频干扰缺点：同频干扰

30、多信道共用多信道共用 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并且仍能满足服务质量的信道利用技术 越区切换越区切换 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到相邻小区基站，从而不中断通信过程 36 移动通信无线服务区由移动通信无线服务区由 许多正六边形许多正六边形蜂窝小区蜂窝小区覆盖覆盖 而成，而成，通过接口与公众通信通过接口与公众通信 网（网（PSTNPSTN、PSDNPSDN）互联）互

31、联 移动通信系统包括移动通信系统包括 移动交换子系统（移动交换子系统（SSSS） 操作维护管理子系统操作维护管理子系统 (OMS)(OMS) 基站子系统（基站子系统（BSSBSS） 移动台（移动台（MSMS） 是一个完整的信息传输实体是一个完整的信息传输实体 基站基站基站基站 SS7 MSC2 （访问（访问MSCMSC） 用户变成用户变成 漫游者漫游者 BSS BSS SS OMS PSTN MSC1 （归属移动交换中心）（归属移动交换中心） SSSS 37 基站子系统（基站子系统（BSSBSS）和移动交换子系统（）和移动交换子系统（SSSS）共同建共同建 立呼叫立呼叫 BSSBSS提供并管理

32、移动台和提供并管理移动台和SSSS之间的无线传输通道之间的无线传输通道 SSSS负责呼叫控制功能，所有呼叫都经由负责呼叫控制功能，所有呼叫都经由SSSS建立连接建立连接 操作维护管理子系统（操作维护管理子系统（OMSOMS）负责管理控制整个移动负责管理控制整个移动 网网 移动台（移动台（MSMS）由移动终端设备和用户数据两部分组成由移动终端设备和用户数据两部分组成 用户识别卡（用户识别卡（SIMSIM）与移动终端设备分离，用于存）与移动终端设备分离，用于存 放用户数据放用户数据 38 解决频率资源有限和用户容量问题解决频率资源有限和用户容量问题 区域覆盖方式区域覆盖方式 小容量的大区制小容量的

33、大区制 一个基站覆盖整个服务区，发射功率要大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只能适用于小容量的通信网 大容量的小区制大容量的小区制 频率复用频率复用 将覆盖区域划分为若干小区将覆盖区域划分为若干小区 ，每个小区设立一个基站，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带来同频干扰的问题 切换和位置管理切换和位置管理 39 频率复用和覆盖方式频率复用和覆盖方式 带状服务覆盖区带状服务覆盖区 面状服务覆盖区面状服务

34、覆盖区 簇簇 小区的覆盖形状小区的覆盖形状 同频干扰同频干扰 同频相邻小区的找法同频相邻小区的找法 40 双频组双频组频率配置频率配置 三频组三频组频率配置频率配置 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 41 共同使用全部可用频率的共同使用全部可用频率的N N个小区叫做一个小区叫做一簇簇 同一个小区簇内，要使用不同的频率同一个小区簇内，要使用不同的频率 不同的小区簇间使用对应的相同频率不同的小区簇间使用对应的相同频率 图图52 蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示 q=D/R=4.6 N=7 42 采用六边形的原

35、因采用六边形的原因 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 基站发射机位置基站发射机位置 中心激励小区：安置在小区的中心中心激励小区：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顶点激励小区：安置在六边形顶点之中的三个上 实际形状实际形状 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 际无线覆盖是一个际无线覆盖是一个不规则的形状不规则的形状 43 小区簇的意义小区簇的意义 频率复用距离与小区簇

36、的关系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载波干扰比与小区簇的关系 44 一个共有一个共有S S个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含N N 个小区，每个小区分配个小区，每个小区分配K K个信道（个信道（kSkS） 那么那么 如果簇在系统中共同复制了如果簇在系统中共同复制了M M次，则信道的总数次，则信道的总数C C 可作为容量的一个度量可作为容量的一个度量 N N叫做簇的大小，典型值为叫做簇的大小，典型值为4 4、7 7或或1212。 N N的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时, ,可可 以承受的干扰（

37、主要是同频干扰）以承受的干扰（主要是同频干扰） MSMKNC SK N 45 频率复用距离（即同频距离）频率复用距离（即同频距离）D D是指最近的两个频点小区中心之间的距离。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，其夹角为在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线，其夹角为120120 。此两条直线。此两条直线 分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为I I和和J J，于是，于是 （）（） 令：令： I=2iH，J=2jH 式中式中H H为小区中心到边的距离为小区中心到边的距离 其中，其中，R R是小区

38、的半径。这样是小区的半径。这样 ， 代入（）式得代入（）式得 其中其中 N N又称为又称为频率复用因子频率复用因子 可见可见频率利用率与同频干扰是频率利用率与同频干扰是一对矛盾一对矛盾 6 6 2 2 1 1 5 5 3 37 7 6 6 1 1 5 5 7 7 6 6 4 41 1 4 4 D D J J I I 22222 2cos120DIJIJIIJJ 3 2 HR 3IiR3JjR 3DNR 22 Niijj 图图53 N=7 频率复用设计示例频率复用设计示例 fA f A f fA A tAlos Dd D d D Dd d hdL log 4 log20 ( 4 log20 ,

39、自自由由空空间间传传播播损损耗耗） D 频率利用率频率利用率低低 同频干扰小同频干扰小 fA f A f fA A tAlos Dd D d D Dd d hdL log 4 log20 ( 4 log20 , 自自由由空空间间传传播播损损耗耗） D 频率利用率频率利用率高高 同频干扰大同频干扰大 46 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。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为最小载波强度为最小载波强度； 为第为第l个同频干扰小区所在基

40、站引起的干扰功率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移动无线信道的传播特性表明 小区中移动台接收到的小区中移动台接收到的最小载波强度最小载波强度C与小区半径的与小区半径的 成正比成正比 设设 是第是第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个干个干 扰小区的载波功率与扰小区的载波功率与 成正比。成正比。n为衰落指数，一般取为衰落指数，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同，则移动台的载干比

41、可近似表示为 1 n Ln l l CR I D 1 L l l CC I I l I n R l D () n l D 47 通常在被干扰小区周围，干扰小区是多层，一般第一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，即预设被干扰基站的间距相等，即 ，则载干比可简，则载干比可简 化为化为 式中式中 称为同频复用比例（也称同频干扰因子），称为同频复用比例（也称同频干扰因子）， 一般用一般用Q Q表示，即表示，即 3QDRN 1 3 66 n n n

42、Ln l l N D RCR I D l DD 3D RN 48 式式 表明了载干比和小区簇的关系表明了载干比和小区簇的关系 一般一般模拟移动通信系统要求模拟移动通信系统要求 ，假设，假设n n取取 值为值为4 4，根据上式可得出，簇，根据上式可得出，簇N N最小为最小为6.496.49，故一般，故一般 取簇取簇N N的最小值为的最小值为7 7 数字移动通信系统中数字移动通信系统中 ，所以可以采，所以可以采 用较小的用较小的N N值。值。 18C IdB 3 66 n n N D RC I 710C IdB 49 i=3 j=2 N=19 图图54 在蜂窝小区中定位同频小区的方法在蜂窝小区中定

43、位同频小区的方法 50 三种多址接入方式的三种多址接入方式的理论容量理论容量 三种多址接入方式的三种多址接入方式的实际容量实际容量 NB B m c t 蜂窝系统的无线容量定义为每个小区可提供的信蜂窝系统的无线容量定义为每个小区可提供的信 道数：道数： 信道信道/小区小区 其中其中 m无线容量大小：即可提供的信道数无线容量大小：即可提供的信道数 Bt 分配给系统的总的频谱分配给系统的总的频谱 Bc 信道带宽信道带宽 N 频率重用的小区数（簇尺寸）频率重用的小区数（簇尺寸） 51 假设三种多址系统均有假设三种多址系统均有W MHzMHz的带宽；每个用户的带宽；每个用户 未编码比特率都为未编码比特

44、率都为R Rb b， ，每种多址系统均使用正交信号 每种多址系统均使用正交信号 波形，则最大用户数波形，则最大用户数 假定任何多址系统每个用户接收到的能量是假定任何多址系统每个用户接收到的能量是S Sr r，则，则 接收到的总能量接收到的总能量 。假设所需的信噪比（。假设所需的信噪比（SNRSNR） 与实际值相等，即与实际值相等，即 由此得出：由此得出： 所以从理论上说，各种多址技术具有相同的容量所以从理论上说，各种多址技术具有相同的容量 000 / ()() bbrbtol reqactual ob EESRSM NNNN R 0 0 (/) (/) tol bbreq SN M R EN

45、0 0 (/) (/) tol FDMATDMACDMA bbreq SN MMM REN tolr SMS bb MW RWT容量 52 对于模拟对于模拟FDMA系统系统 频率重用的小区数频率重用的小区数N N由所需的载干比决定，即由所需的载干比决定，即 则则FDMAFDMA的无线容量的无线容量 对于数字对于数字TDMA系统系统 数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小 45dB45dB（因数字系统有纠错措施），因而频率复（因数字系统有纠错措施），因而频率复 用距离可以再近一些用距离可以再近一些 则则TDMA的无线容量的无线容量 I C N 3 2 I C

46、 B B m c t 3 2 2 3 t c B m C B I 53 决定系统容量的决定系统容量的主要参数主要参数 处理增益处理增益 E Eb b/N/N0 0、 话音负载周期、话音负载周期、 频率再用效率、频率再用效率、 基站天线扇区数基站天线扇区数 54 接收信号的接收信号的载干比载干比可写成可写成 式中式中Eb 信息的比特能量；信息的比特能量； Rb 信息的比特速率；信息的比特速率；N0干扰功率谱密度干扰功率谱密度 W / Rb 系统的处理增益。系统的处理增益。 若若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

47、相等，则度和各干扰强度都相等，则载干比载干比为：为： 如果如果考虑背景热噪声考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表示为：，则能够接入此系统的用户数可表示为： 结果表明结果表明 在误比特率一定的条件下，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率降低热噪声功率，减小归一化信噪减小归一化信噪 比比，增大系统的处理增益增大系统的处理增益都将有利于提高系统的容量。都将有利于提高系统的容量。 1 1 mI C b bbb R W N E WN ER I C 00 CN E R W m b b 0 1 55 考虑反向功率控制和考虑反向功率控制和CDMACDMA蜂窝通信系统的特点，蜂窝通信系统的特点， 对一

48、般公式进行修正对一般公式进行修正 采用采用话音激活技术话音激活技术提高系统容量提高系统容量 利用利用扇区划分扇区划分提高系统容量提高系统容量 56 在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）d d 通常小于通常小于35%35%， 如果如果CDMACDMA系统系统在话音停顿时停止信号发射在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会，其他用户受到的干扰会 相应地平均减少相应地平均减少65%65%，从而使系统容量提高到原来的，从而使系统容量提高到原来的1/d=2.861/d=2.86倍倍 CDMACDMA系统的容量公式被修正为系统的容量公式被修正为 信

49、道信道/ /小区小区 当当用户数目庞大用户数目庞大并且系统是并且系统是干扰受限干扰受限而不是噪声受限时，用户数可而不是噪声受限时，用户数可 表示为表示为 信道信道/ /小区小区 dCN E R W m b b 1 1 0 dN E R W m b b 1 1 0 57 如利用如利用120120o o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区 划分成划分成3 3个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该个扇区时，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

50、加也就减少为原来的三分之一，从而系统的容量将增加 近近3 3倍。倍。 CDMACDMA系统的容量公式被修正为系统的容量公式被修正为 信道信道/ /小区小区 G dN E R W m b b 1 1 0 58 理论理论可得：在总频带宽度为可得：在总频带宽度为1.25MHz1.25MHz时，三种时，三种 体制的系统容量的比较结果为：体制的系统容量的比较结果为： 实际实际的的CDMACDMA系统的容量比理论值有所下降，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 的选取而变化的选取而变化 当前比较当前比较普遍的看法普遍的看法是是CDM

51、ACDMA数字蜂窝移动通信数字蜂窝移动通信 系统的容量是模拟系统的容量是模拟FDMAFDMA系统的系统的810810倍倍 GSMTACSCDMA mmm916 59 信道切换原理信道切换原理 位 置 管 理位 置 管 理 60 切换切换 将处于通话状态的将处于通话状态的MSMS转移到新的业务信道上（新的小区）转移到新的业务信道上（新的小区） 的过程的过程 目的目的 实现蜂窝移动通信的实现蜂窝移动通信的“无缝隙无缝隙”覆盖覆盖，即当移动台从一个，即当移动台从一个 小区进入另一个小区时，保证通信的连续性小区进入另一个小区时，保证通信的连续性 操作操作 识别识别新的小区新的小区 分配分配给移动台在新

52、小区的话音信道和控制信道给移动台在新小区的话音信道和控制信道 61 原因原因 信号的信号的强度或质量强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此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。起。 由于某小区业务由于某小区业务信道容量信道容量全被占用或几乎全被占用，这时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。实体发起。 要求要求 切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户切换必须顺利完成，并且

53、尽可能少地出现，同时要使用户 觉察不到觉察不到 切换门限要恰当切换门限要恰当 切换前对信号的监视切换前对信号的监视 62 检测检测 方法方法 信道监视方法信道监视方法 目的：使切换请求优先于初始呼叫请求目的：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对切换请求进行排队 目的：减小中断的发生概率目的：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原理：信号强度下降到切换门限以下

54、和因信号太弱而通话 中断之间的时间间隔是有限的中断之间的时间间隔是有限的 第一代模拟蜂窝系统第一代模拟蜂窝系统由基站完成，由由基站完成，由MSCMSC管理管理 数字数字TDMATDMA第二代系统第二代系统移动台辅助切换移动台辅助切换(MAHO)(MAHO) 63 64 1. 越区切换的准则越区切换的准则 相对信号强度准则；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。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越区切换的控制

55、策略 移动台控制的越区切换；移动台控制的越区切换； 网络控制的越区切换；网络控制的越区切换； 移动台辅助的越区切换。移动台辅助的越区切换。 3. 越区切换时的信道分配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在每个小区余出部分信道专门用于越区切换 65 目的：目的：把一个呼叫传送到随机移动的用户把一个呼叫传送到随机移动的用户 主要任务主要任务 位置登记位置登记 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 呼叫传递呼叫传递 在对移动台进行呼叫的情况下，根据在对移动台进行呼叫的情况下，根据HLRHLR（Home L

56、ocation Home Location Register Register 归属寄存器）和归属寄存器）和VLRVLR（Visitor Location RegisterVisitor Location Register访问访问 寄存器）中可用的位置信息来定位移动台寄存器）中可用的位置信息来定位移动台 涉及问题涉及问题 位置更新位置更新（Location UpdateLocation Update） 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 位置寻呼位置寻呼（ Location PagingLocation Paging） 解决

57、如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区的问题解决如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区的问题 66 位置管理通常采用两层数据库：即位置管理通常采用两层数据库：即原籍位置寄原籍位置寄 存器（存器（HLR）和和访问位置寄存器（访问位置寄存器（VLR）。 通常一个通常一个公共陆地移动网（公共陆地移动网（PLMN：Public Land Mobile Network )包括包括一个一个HLR和若干个和若干个VLR， VLR管理若干个位置区内的移动用户。管理若干个位置区内的移动用户。 67 68 归属区 MSCA(LAA) MSCA将MS的 信息送入HLR 进行登记 新区 MSCB(LAB) MS移动1

58、 （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 69 （1）主叫）主叫MT通过基站向其通过基站向其MSC发出呼叫初始化信号；发出呼叫初始化信号； （2）MSC通过地址翻译过程确定被呼叫通过地址翻译过程确定被呼叫MT的的HLR地址，并向地址，并向 该该HLR发送位置请求消息；发送位置请求消息； （3）HLR确定出为被呼叫确定出为被呼叫MT服务的服务的VLR

59、，并向该，并向该VLR发送路发送路 由请求消息；该由请求消息；该VLR将该消息中转给为被叫将该消息中转给为被叫MT服务的服务的MSC； （4）被叫）被叫MSC给被叫的给被叫的MT分配一个称为临时本地号码（分配一个称为临时本地号码（TLDN） 的临时标识，并向的临时标识，并向HLR发送一个含有发送一个含有TLDN的应答信息；的应答信息； （5）HLR将上述消息中转给为主叫将上述消息中转给为主叫MT服务的服务的MSC； （6）主叫）主叫MSC根据上述信息便可通过网络向被叫根据上述信息便可通过网络向被叫MSC请求呼叫请求呼叫 建立。建立。 70 71 当用户进入新的登记区（当用户进入新的登记区（RA

60、）时，将进行位置更新。）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；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：动态位置更新策略： 基于时间的位置更新策略：每个用户每隔基于时间的位置更新策略：每个用户每隔T秒周期性地更秒周期性地更 新其位置；新其位置； 基于运动的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；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