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文档简介
1、广州城建职业学院广州城建职业学院机电信息工程学院机电信息工程学院主讲;任元吉主讲;任元吉组网技术 重点 多信道共用概念 移动通信系统中的路由选择及接续 移动通信网的网络结构和频率复用 难点 正六边形区群结构 话务理论 目的和要求 了解移动通信系统的组网制式、无线区群结构、信道选择方式 掌握多信道共用、频率复用概念 理解移动通信中的位置登记、越区切换、漫游等基本控制技术组网技术区域覆盖结构组网制式正六边形无线区群结构移动通信网络结构和信道1.区域覆盖结构根据其接续、覆盖方式分成多重结构无线小区基站区位置区MSC区PLMN区GSM服务区 小区:一个基站或基站的一部分(扇形天线)所覆盖的区域。 小区
2、也叫蜂窝区,理想形状是正六边形。一个小区包含一个基站,每个基站包含若干套收、发信机,其有效覆盖范围决定于发射功率、天线高度等因素,一般为几公里。 基站区域:一个基站的所有小区所覆盖的区域。 一个基站可以由一个或若干个无线小区组成。基地站(BS)提供无线信道,以建立在BS覆盖范围内与移动台(MS)的无线通信。 一个基站控制器(BSC)所控制的若干个小区的区域称为基站区。区域覆盖结构区域覆盖结构 位置区:MS可任意移动不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区组成。 一个移动业务交换中心可以由一个或若干个位置区(LA)组成。位置区就是移动台位置登记区,它是为了解决在呼叫移动台时,以便知道
3、被呼叫移动台当时所在位置而设置的。 位置区由若干基站区组成,它与一个或若干个基站控制器(BSC)有关。手机在位置区内移动时,不需要作位置更新。当寻呼移动用户时,位置区内全部基站可以同时发寻呼信号。系统中位置区域的区分采用位置区识别码(LAI)。区域覆盖结构 MSC区:一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域。一个MSC可由一个或若干个位置区组成。 由一个移动交换中心控制的区域称为MSC业务区。一个移动通信网可以由一个或若干个移动业务交换中心(MSC)组成。MSC构成无线系统与市话网(PSTN)之间的接口,完成所有必需的信号功能,以建立与移动台的往来呼叫。一个MSC区可以由一个或多个位置区组成。
4、在该区域内,有共同的编号方法及路由规划。区域覆盖结构 PLMN服务区:若干个MSC区组成。 系统业务区是由一个或若干个移动通信网(PLMN)组成的。图中所示的业务区由一个PLMN组成。一个业务区可以是一个国家,或是一个国家的一部分,也可以是若干个国家。 PLMN业务区可以与公共交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)和公用数据网(PDN)互联,在该区域内,有共同的编号方法及路由规划。一个PLMN业务区包括多个MSC业务区,甚至可扩展全国。 系统服务区:MS可获得服务的区域,无须知道MS实际位置而可马上通信的区域。 GSM服务区由联网的GSM全部成员国组成,移动用户只要在服务区内,就能
5、得到系统的各种服务,包括完成国际漫游。移动通信网结构2.组网制式按服务区覆盖方式可分为大区制小区制大区制小区制小区形状的选择大区制-小容量概念整个服务区内只设一个基站,负责区内联络与控制R为分集接收台要求为增大服务区:天线架设要高;发射功率要大(一般发射机功率为200W左右,覆盖半径为30-50km)解决上行信号弱的问题(MS发射功率不能太大):采用分集接收台优点:组网简单,投资小,技术上易实现缺点:频谱利用率低,用户容量小 (所有MS采用不同频率)适用:小城市或业务量不大的城市大区制小区制-大容量概念整个服务区划分为若干个小区,每个小区设一个基站,负责本小区的联络与控制,并在MSC的统一控制
6、下,实现小区间转接与其他网络的联系适用:大容量移动通信系统 优点 服务区域缩小,同频复用距离减小,提高了频率利用率 区域内用户数可灵活确定,小区的大小也可根据用户数灵活确定 小区中用户数增大到一定程度,可实现“小区分裂” MS和BS发射功率减小,减小了相互间的干扰 缺点 切换概率增加 控制交换复杂 建网成本提高小区数增加,BS数增加思考:为什么小区制能解决频道数有限 而用户数不断增加的矛盾?服务区形状 每个移动通信网都有一定的服务区域,无线电波辐射必须覆盖整个区域。如果网的服务范围很大,或者地形复杂,则需要几个小区才能覆盖整个服务区。按服务区形状来划分,可分为线状服务区和面状服务区。 对于沿着
7、海岸线距离海岸数十公里的海面上、或者连接大城市主要道路干线的服务区就是线状服务区。在这种情况下,往往采用并排多个小区,而且每几个小区重复使用同一频率,这种小区的结构简单。例如,内河船舶电话、铁路干线火车电话或飞机电话等都采用3个小区重复使用同一频率的结构,如图所示,图中F1,F2为载波群。带状网小区形状的选择服务区形状:线状、面状(无缝覆盖)相同地形地物、全向天线圆形小区规划设计中为邻接覆盖服务区,用圆内接正多边形代替圆(正三角形、正方形、正六边形)三种圆内接正多边形的比较小区形状正三角形正方形正六边形比较相邻小区的中心距离r大:BS间干扰小单位小区面积大:所需小区数少交叠区域距离r小:便于跟
8、踪交换交叠区域面积小:同频干扰小最少频率个数643少:频率利用率高r2r32343r22r2332rr22 r32 23.1r22 r26 .2r正六边形小区形状最佳,相互邻接构成蜂窝状网络结构3.正六边形无线区群结构无线区群的构成激励方式无线区群的构成无线区群(频率分配)从覆盖角度:无线小区无线区群服务区由若干个无线小区构成,区群内使用不同频率,不同的区群可使用相同的频率构成条件若干个无线区群能彼此邻接;相邻单位无线区群中的同频小区中心间隔距离相等。N=a2 +ab +b2(a、b均为正整数或0,但不能同时为0,或一个为0一个为1)例:a=1,b=1N=3 a=2,b=0N=4 a=2,b=
9、1N=7 a=3,b=1N=9 无线区群的构成各种单位无线区群的图形a=1,b=2N=7时的区域覆盖同频小区根据a,b值确定无线区群的构成a=1,b=1a=2,b=0a=1,b=2无线区群的构成同频小区中心间隔距离距离同频复用保护距离D不产生同频干扰的最小距离同频复用时不产生同频干扰的条件 dg DNrdg3无线区群的构成无线区群的构成单位无线区群的选择考虑通信质量,不能产生严重的同频干扰;考虑频率利用率,即同频复用距离。频率分配时,每个无线小区一个信道组;每个无线区群一组信道组,不同无线区群可采用相同信道组。 同频无线小区中心间隔距离dg大于或等于同频复用保护距离D; N为无线区群中的小区数
10、,r为小区半径 在满足所需同频复用距离前提下,N取最小值,使频率利用率最高。思考:如何选择无线区群的小区数N? (1)N= a2 +ab +b2 (2) (3)在满足上述两个条件的情况下,选N最小,频率利用率最高。D3Nrdg无线区群的构成无线小区的划分 无线区域的划分和组成,应根据地形地物情况、容量密度、通信容量、频谱利用率等因素综合考虑 ; 例:容量密度不等时的区域划分无线区大小的确定(根据用户数灵活确定)设服务区容量密度均匀 无线区大小相同,每个无线区分配的信道数相同实际容量密度不同 市区用户密度高无线区小些,分配的信道数多些; 郊区用户密度低无线区大些,分配的信道数少些当原小区用户密度
11、增至一定程度,可实现小区分裂。无线小区的划分激励方式类型中心激励-全向天线顶点激励-定向天线 三叶草形 120扇形 60扇形定向天线的方向性提供了一定的隔离度,允许以较小的同频复用距离工作单位无线区群的N数减小;全向天线改定向天线可减小同频干扰激励方式小区分裂:增大系统容量、降低用户密度,适应用户增长将原小区分割成更小的小区:一分三、一分四无线小区的划分小区分裂 1:3分裂方式:原基站为中心激励,分裂后保留原基站,并在原小区6个顶点上设置新基站,新小区仍为中心激励,分裂后小区的面积是原来小区的三分之一,故称为1:3分裂方式。 1:4分裂方式:在原小区为顶点激励的基础上展开的。分裂后需在两个基站
12、的连线上设置一个新基站,这种分裂属于1:4分裂方式。3.移动通信网络结构和信道无线区域覆盖结构网络结构信道移动通信网基本结构移动通信网络结构从频率配置、覆盖角度:无线小区无线区群服务区从控制角度:无线小区基站小区位置区MSC区PLMN服务区GSM业务区目前主要网络结构:三级集中交换式网络结构(MSC、BS、MS)网络结构移动本地网的网络结构移动通信网络和其他网络互联的原则移动通信话路网与NO.7信令网的关系小规模、中规模、大规模本地网本地网含义:具有相同长途区号网络结构中设备间连接关系 移动侧:TMSC1、TMSC2-一、二级汇接中心 TMm、Tm-本地汇接局 GWm-移动网关 PSTN侧:G
13、Wp -固网网关 HLR:一般设一个,可增设MSC:可一个或多个 GMSC、TMSC可兼作MSC,与路由方式相关 GWm和GMSC移动本地网的网络结构小规模未建接口局已建接口局中规模大规模与其他网络的互连PSTN、PSPDN、CHINANET原则:与其他网络之间应设接口局,接口局的数量应尽量少,可独立设置,也可兼设 (GWp、GWm) 为澄清网络结构,与其他网络间应逐步采用来去话汇接方式,接口局作为网间结算的计费点对来去话进行计费移动通信网络和其他网络互联的原则与NO.7的关系 每个节点均设信令点一般:TMSC1设HSTP TMSC2设LSTP MSC设SPGSM与NO.7的互联移动通信话路网
14、与NO.7信令网的关系信道概念:通信网络中一条双向的信息传输通道;类型:话音信道、控制信道;有线信道、无线信道(根据媒介不同分)无线信道:MS与BS间的一条双向传输通道FDD方式时双向使用分开的两个无线频率上行:MS BS下行:BS MS双工间隔:上下行频率的差值信道不同系统中信道的含义:模拟系统中:信道=频道GSM系统中:信道=某载频上的一个时隙CDMA系统中:信道=一个正交的地址码信道配置定义:信道(频率)配置是指将给定的信道(频率)分配给一个区群内的各个小区。频率配置时,每个无线小区一个信道组,每个无线区群一组信道组,不同无线区群可采用相同信道组。方式:静态配置法、动态配置法、混合配置法
15、和柔性配置法。信道配置静态配置法:把某个(些)信道固定的分配给某个小区。当位于某小区的MS发起呼叫时,该小区的基站就为它服务,这时,MSC就在分配给小区的信道中搜索空闲信道,如果能搜到就可以进行呼叫,否则,忙音。分类:静态配置法又可分为分区分组配置法和等频距配置法。信道配置 分区分组配置法: 尽量减小占用的总频段,以提高频段利用率;同一区群内不能使用相同的信道,以避免同频道干扰,小区内采用无三阶互调的相容信道组,以避免互调干扰。 eg: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,可得到:第一组 1 、5 、14、20、34、36 第二组2 、9 、13、18、21、31 第三
16、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信道配置等频距配置法:按等频率间隔来配置信道。只要频距选得足够大,就可以有效地避免邻道干扰。这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系,但正因为频距大,干扰易于被接收机输入滤波器滤除,这也就避免了互调的产生。信道配置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,信道的配置为: 第一组1、8、15、22、29、 第二组2、9、16、23、30、 第三组3、10、17、
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、信道配置分区分组信道分配法无三阶互调频率利用率高运算量大,适用于需要信道数较少的系统等频距频道分配法有三阶互调,可抑制适用大型公网信道配置动态配置法:根据用户话务量随时间和位置的变化,对信道进行动态分配。即不将信道固定的分配给某一个小区,移动台在小区内可使用系统内的任意一个信道。优点:可以使有限的信道资源得以充分的利用。但需要混合使用任意的天线共用设备,且在每次呼叫时,需要高速处理横跨多个基站的庞大算法。信道配置混合信道配置:即采用静态和动
18、态配置相混合的方案,该方式将系统的总信道分成A、B两组,若A为静态配置,B为动态配置,则:首先将A固定信道分配到各基站,B作为在A组信道忙时系统中各基站所共用。当有MS发起呼叫时,若该小区内有空闲的固定信道就用此信道立即服务与各基站;若没有,则按照动态配置法寻找B组中的空闲信道。信道配置柔性配置法:首先分配给多个小区共用信道,利用这些小区话务量高峰时间带的移动,控制话务量高峰小区顺序使用话务量小的小区不使用的共用信道,为话务量高峰小区服务。针对某些预先可预测的话务量变动的情况。4.频率利用频率资源频谱管理同频复用多信道共用信道自动选择方式频率资源特殊资源不会用尽、不能储存不用与使用不当都是浪费
19、具有时间、空间、频率三维特性同一时间、同一地点不能重复使用不同时间或不同地点可重复使用 同频复用 TDMA(不同时间的频率重复使用) 无线电频谱资源是国家和国际的一种公共资源,还须考虑国际、国内及各地区之间的频率协调问题(有效利用) 管理机构 国际:ITU 国内:无线电管理委员会 日常管理工作:审核频率使用的合法性;检查有害干扰;检查设备与系统的技术条件;考核操作人员的技术条件,登记业务种类,电台使用日期等。 频谱管理的任务:频率使用的授权;建立频率使用登记表;无线电监测业务;控制人为噪声等 频谱管理频率分配的基本原则 频道间隔 模拟:25KHz GSM系统:200KHz IS-95 CDMA
20、:1.25MHz 公共边界的频率协调 天然边界 共同遵守的基本原则,如:天线有效高度及最大发射功率的限制、双方使用频道的协调等 多频道共用 频率复用 必须共同遵守的主要规则 规定900MHz频段双工间隔为45MHz(下行发高收低;上行收高发低)频率分配合适的发射功率合适的天线有效高度频率分配的基本原则影响频率选择的因素 传播环境的影响 不同频段,应用于不同系统 不同环境,有不同的适用频段 有关组网的影响 容量 频率利用率 多频道共用 频道间隔 设备共用(天线等) 互调的影响 多频道共用、多系统同时工作同频复用概念解决频率拥挤的方法开发新频段(频段有限)有效利用频率,提高频率利用率 同频复用 多
21、信道共用 多址技术同频复用同一载波的无线信道用于覆盖相隔一定距离的不同区域(相当于频率资源再生)即:小区制中间隔一定距离重复使用相同频率蜂窝移动通信网络由若干个无线小区构成,区群内使用不同频率,不同的区群可使用相同的频率假设每个群N个小区,则需N组频率同频复用须考虑同频干扰问题同频复用同频复用方式43 、33、26、13方式 43方式指4个基站组成一个无线区群,每个基站3个扇区即至少需12个载频构成一个区群覆盖的频道组 复用越紧密,频率利用率越高但需考虑同频干扰问题 选择复用方式需考虑网络具体情况多信道共用占用信道方式独立信道方式多信道方式多信道共用:多个用户共同享用多个信道思考:多少用户共用
22、多少信道最佳?话务理论呼叫话务量A是度量通话业务量或繁忙程度的指标单位时间内呼叫次数(包括呼叫成功和呼叫失败的次数)与每次呼叫平均占用信道的时间(包括接续时间和通话时间)的乘积 A=Ct (Erl)1Erl(爱尔兰):一个信道被连续占用1小时的话务量一个信道的最大话务量多个信道或中继线上的话务量可能大于1Erleg:假设一个系统每小时的平均呼叫次数为2000次,每次占用信道的时间为3min,则用户的话务量为: A=2000*(3/60)=100Erl话务理论类型 完成话务量A0 :呼叫成功接通的话务量。 损失话务量AL ( AL=A-A0 ) 呼损:多信道共用时,由于用户数大于信道数,多个 用
23、户同时需要通话时可能由于信道数不够而使一部分用户不能通话,导致呼叫失败. 损失话务量:呼叫失败损失的话务量话务理论每用户忙时话务量A用户A用户=CTK/3600 (Erl/用户) C:每个用户每天平均呼叫的次数T(秒):每次呼叫平均占用信道时间CK:可视为忙时呼叫次数A用户是一个统计平均值 对专用移动通信系统,用户忙时的话务量可按0.06Erl/用户计算; 对于公用移动通信系统,用户忙时的话务量按0.01Erl/用户来计算话务理论繁忙小时集中率K忙时:一天中最繁忙的一小时非忙时:K=忙时话务量/全日话务量 话务理论呼损率B多信道共用时呼叫失败的概率B=(AL/A)100% =(CL/C)100
24、% A、B在需求上是一对矛盾服务质量、用户需要B减小 需减小流入话务量需减小用户数运营商不愿意话务理论呼损率的计算 爱尔兰公式 条件:呼叫的随机性、同时间概率 爱尔兰呼损表:A、B、n的关系 n:共用信道数 工程上使用niiniAnAB0!话务理论A B n 1%2%3%5%7%10% 20%40.8691.0921.2591.5251.7482.0452.94551.3611.6571.8752.2182.5042.8814.01061.9092.2762.5432.9603.3053.7585.10972.5012.9353.2503.7384.1394.6666.23083.1283.6
25、273.9874.5434.9995.5977.36993.7834.3454.7485.3705.8796.5468.522话务理论话务理论呼损率越小,成功呼叫的概率越大,用户就越满意。因此呼损率也称为系统的服务等级(GoS)。呼损率与话务量是一对矛盾,服务等级与信道利用率也是矛盾的,必须选择一个合适的值。利用爱尔兰公式计算出的呼损率列表为爱尔兰呼损表,反映话务量、呼损率和共用信道数间的关系。工程上,常用查表的方式计算话务量每信道容纳的用户数 A/n表示一定呼损条件下,每信道平均话务量 n个信道容纳的总用户数 mn=A/A用户3600CTKnAAnAm用户话务理论例:每天每户平均呼叫10次,
26、每次呼叫占时100s,呼损率为10%,繁忙小时集中率为10%,求:(1)给定20个信道,能容纳多少个用户?(2)若区域内有500个用户,需要分配多少个信道?解: A用户=CTK/3600=0.028 (Erl/用户)(1)根据B=10%,n=20查爱尔兰呼损表得:A=17.613Erl mn=A/A用户=17.613/0.028629个所以,给定20个信道可容纳约629个用户(2)A= mnA用户=14 (Erl ) 根据A及B=10%查爱尔兰呼损表得:n17个所以,500个用户需共用约17个信道话务理论 当无线区共用信道数n一定时,B越大,A越大;信道利用率越高,B也越大,服务质量越低,因此
27、B应选一个适当值,一般为1020%用户数与A、T有关。随着n增加,提高,但n增加,接续速率下降,设备复杂,互调产物增多,因此n不能太大 在系统设计时,既要保持一定的服务质量,又要尽量提高信道的利用率,而且要求在经济技术上合理。为此,就必须选择合理的呼损率,正确地确定每个用户忙时的话务量和采用多信道共用方式工作,然后,根据用户数计算信道数,或者给定信道数计算能容纳多少用户数。 话务理论信道自动选择方式移动台需占用信道进行通话时,大多采用自动选择空闲信道方式 自动选择空闲信道方式:专用呼叫信道方式 -大容量系统循环定位方式循环不定位方式 -小容量系统循环分散定位方式专用呼叫信道方式专用呼叫信道在给
28、定的多个信道中,指定一个信道专门用于呼叫的信道作用 处理呼叫(包括MS主叫或被叫)和传送转频指令 指定话音信道 不作通话使用专用呼叫信道方式优点:呼叫处理时间短适用大容量系统缺点:若在小容量系统中使用信道利用率低适用大容量系统专用呼叫信道方式工作过程: MS在专用呼叫信道上守听 MS被叫/主叫呼叫信道处理,并分配话音信道 MS转入指定话音信道 通话 呼叫一方挂机 MS话终,返回专用呼叫信道守听专用呼叫信道方式循环定位方式设临时指定一个信道作呼叫信道,所有MS信道留守听临时呼叫信道 用空闲信号指示 有呼叫时在呼叫处理后变成话音信道其他不呼叫MS转换到新的临时呼叫信道充分利用信道,但同抢概率大空闲信道全被占满时,不再发空闲信号,MS不停扫描,若有呼叫,即为呼损循环不定位方式基站在所以的空闲信道上都发空闲信号。MS随机停靠,主叫时随机接入,被叫时系统临时指定呼叫信道 所有未通话MS全部转入临时呼叫信道,基站选呼 被呼MS占用该信道通话 其余MS重新随机停靠接续时间长,互调干扰严重,同抢概率低循环分散定位方式所有空闲信道均可作临时呼叫信道MS主叫可随机接入MS被叫时,基站在所有临时呼叫信道上发呼叫信号,MS占用接入接续快,效率高,争抢少接续控制较复杂,干扰严重越区切换 概念通常:通话过程中,MS由一个小区进入另一个小区时,为保持通话不断,进行的频道转换空闲状态
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