chapter5_组网技术

1、1第五章第五章 组网技术组网技术n干扰n多址接入技术n区域覆盖和信道配置n网络结构n信令(自学)n越区切换和位置管理2概述对于给定的频率资源，大家如何来共享？ 使有限的资源能传输更大容量的信息。某服务区内设置多少基站？基站之间如何进行分配以满足用户容量的需求？ 区域覆盖技术3概述（Cont.)移动通信应采用什么样的网络结构？如何实现越区切换？如何解决移动性管理？移动通信应采用什么样的信令系统？4噪声与干扰 信号在信道中本身的变化为损耗与衰落，外部的影响有噪声与干扰。 须研究噪声干扰的特征以及它们对信号传输的影响,以减小它们对通信质量的影响. 5噪声n内部噪声n系统设备本身产生的各种噪声,如热噪

2、声,散弹噪声(一般无法避免)电流哼声,接触不良或自激振荡引起的噪声(可以避免)n自然噪声n由大气与宇宙引起的噪声n人为噪声n各种电气装置中形成的电磁辐射n车辆点火噪声城市移动信道中主要的噪声源外部噪声6在城市移动通信中不必考虑宇宙噪声,主要是受人为噪声的影响.其中,车辆点火噪声是城市移动信道中主要的噪声源.7邻道干扰相邻的或邻近频道的信号相互干扰。理论上说，调频信号含有无穷多个边频分量，其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻道干扰。8邻道干扰措施：提高中频滤波器的选择性,减小场强变化的动态范围,克服远近效应.在小区制系统中缩小服务区,降低发射功率,使同一服务区内接收信号的场强动态范

3、围减小到40dB60dB.1.利用移动台接收基站信号的大小对移动台发射功率进行自动控制,使移动台接近基站时,发射功率降低,克服远近效应带来的影响.9同频道干扰n同频道干扰:与有用信号具有相同频率或者与有用信号频率不同,但频差不大,能进入接收机通带的无用信号n射频防护比:是为了减小同频道干扰的影响和保证接收信号的质量, 使接收机输入端的有用信号与同频道干扰电平之比的最小阈值.(其值与调制方式及频偏有关）10同频道再用距离或共道再用距离:n在满足一定通信质量的条件下,为了提高频率利用率,允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离.n所谓”安全”是:保证 接收机输入端信号 同频

4、道干扰信号 BSABSBD射频防护比11双工方式的同频道干扰BSABSBDS=r0DIMD移动台S/I=?D=?12A、B两基站之间的距离为同频道再用距离D：同频道再用系数为：001IISISDDDDDrrD001rDrDIBSABSBDS=r0DIMD13 两基站发射机发出的有用信号与干扰信号分别为： ITSTLPILPS 40lgIISSDS ISILLD两基站发射机发出的有用信号与干扰信号的传播损耗分别为(设传播路径为光滑地平面)：传播损耗之差： rtIIrtSShhDLhhDLlg20lg40120lg20lg40120 SISIDDLLlg4014共频道干扰距离与信干比的关系：同频道

5、再用距离D为： 40lgIISSDS ISILLD4010ISSIDD04001011rrDDDISSI15互调干扰n互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的n造成互调干扰主要有三个方面:发射机互调接收机互调天线、馈线、双工器等处,由于接触不良或不同金属的接触,也会产生非线性作用,出现互调现象.补充内容:16n互调干扰的基本概念当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时,由于非线性器件的作用,会产生许多的谐波和组合频率分量,其中与所需信号频率相接近的组合频率分量会顺利地通过接收机所形成的干扰.n非线性器件的输出电流与输入电压之间的关系为:332210uauauaaic0123aaaa其中

6、17设有两个信号同时作用于非线性器件:电流与电压的非线性项为:当n为偶数时: 如n=2干扰信号A+ B或A - B不能形成干扰.当n为奇数时: 如n=3干扰信号2A- B或2B - A可能形成干扰.但n越大,干扰信号的强度越小.主要的互调干扰为三阶互调干扰.332210uauauaaictBtAuBAcoscos, 4 , 3 , 2,coscosntBtAainnBAnN非线性器件18例如：nGSM系统，基站移动台 935960MHz，频道间隔200KHz935935.2935.4935.6935.8936935.2935.4ABMHzMHz329352935.622805.89602280

7、6960ABBAABBAnMHzMHzMHzMHzMHzMHz互调干扰互调干扰0.29351870.69260BAABMHzMHzMHzMHzn19当三个信号同时作用于非线性器件:危害最大的互调频率仍是三阶互调:tCtBtAuCBAcoscoscosABCBCACBA,20从上分析可知,电路的非线性电路的非线性是产生互调干扰的内因,但在单机互调指标一定时,各个干扰信号必须满足频率互调关系且具有一定幅度才能造成互调干扰. 因此,可以从频率分配频率分配上和干扰信号强度干扰信号强度上设法破坏互调干扰的条件.21发射机的互调干扰 发射机互调干扰是基站使用多部不同频率的发射机所产生的干扰.一般发生在末级

8、功放中. 减小发射机互调电平的措施:增大基站发射机之间的耦合损耗n分用天线时,增大天线间的距离n增大频率隔离度提高末级功放的线性动态范围22接收机的互调干扰如果有两个或多个干扰信号同时进入接收机高放或混频器，只要它们也满足一定频率关系，就可能形成互调干扰。 减少接收机互调干扰的方法：采用具有平方律特性的器件采用多级调谐回路加入衰减器接收机的互调干扰可折算为同频道干扰来估算，即仍用射频防护比来保证通信质量。23无三阶互调的频道组n在一个移动通信系统中，为了避免三阶互调干扰，在分配频率时，应合理地选用频道组中的频率，使它们可能产生的互调频率不落入同组频道中任一工作频道中。24产生三阶互调干扰的频率

9、：或fi,fj,fk是频率组f1,f2,.fn中的任意三个频率，fx也是该频率组中的一个频率。f0为初始频率B为频道间隔Cx为频道序号kjixffffjixfff 2kkjjiixxBCffBCffBCffBCff0000f0f1fifjfkC0C1CiCjCk频道序号fxCxB25n三阶互调关系式用频道序号的差值表示：或任意两个频道间的差值为： 在所有的频道序号差值中，有相同差值就有互调干扰；反之，无三阶互调干扰。kjixCCCCkjiCCCjix,211,ximmmixxidCCdjkxiCCCCjkxidd,jkxidd,26多址干扰nCDMA信道以不同地址码分割，共用载波频道，由于CD

10、MA信道地址码的互相关作用，任何一个信道将受到其它不同地址码信道的干扰，称多址干扰n网中用户越多，多址干扰累积的结果，对信道影响越厉害。n措施：选用正交地址码自适应控制基站和移动台的发射功率，减小邻近小区的干扰和远近效应影响补充内容:27nCDMA系统的下行链路系统的下行链路发往用户 A b1(t)c1(t)coscty1(t)发往用户 B b2(t)c2(t)y2(t)cos(ct+1)z1y(t)c1(t-t1)0bT移动台 A b1(t)cos(ct+2)z2y(t)c2(t-t2)0bT移动台 B b2(t)输入扩频合路射频调制射频解调解扩比特检测输出28Cross-Correlati

11、onCross-Correlationbetween Code1 and Code 2 = 6/16Self-Correlationfor each code is 1.one data bit durationSpreading Code 11 0101 1 0 0101 0 1 0 0 1one data bit durationSpreading Code 11 0011 1 0 0101 0 1 0 0 1Spreading Code 11 0011 1 0 0101 0 1 0 0 10 0000 0 0 0000 0 0 0 0 0Spreading Code 21 0011 0

12、0 1110 0 1 0 1 10 0000 1 0 1011 0 0 0 1 0自相关最大=16互相关=6/16，不等于0，29扩频编码的设计：扩频编码的设计：采用采用3 3层结构层结构n底层是正交扩频编码，码长底层是正交扩频编码，码长6464，提供，提供CDMACDMA信道，不同的正交信道，不同的正交码作为不同的信道。码作为不同的信道。n第第2 2层是基站码，也是扩频编码，码长为层是基站码，也是扩频编码，码长为2 21515-1,-1,不同的基站使不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。用具有不同相位状态的扩频码。n第第3 3层是移动用户码，一个用户一个，各不相同，它是由相层是移动用户码，

13、一个用户一个，各不相同，它是由相当长的扩频码（当长的扩频码（2 24040-1-12 24242-1-1）加上移动用户自身代码复合而）加上移动用户自身代码复合而成的。成的。n这这3 3层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。的选取。 30近端对远端比干扰n当基站同时收到两个不同距离移动台的信号时，如果两移动台发射机以相同的频率，具有相等的发射功率，则基站接收远端来的移动台的有用信号会被近端移动台的发射信号淹没。n措施：频率分配时，分开同一频道组频率间隔，提供足够的隔离度采用扩频技术，减小地址码的互相关性或选用良好正交性地址码组功率

14、控制降低发射机寄生辐射，提高接收机中频滤波的带外抑制能力补充内容:31Near-Far ProblemCODE BCDMATransmitterDATA BCODE ACDMAReceiverCODE ACDMATransmitterDATA AP Desired Signal Power = P/Lp-a Interfered Signal Power = P/Lp-b/(processing gain )Demodulated DATAPLp-aLp-bWhen user B is close to the receiver and user A is far from the recei

15、ver,Lp-a could be much bigger than Lp-b.In this case, desired signal power is smaller than the interfered power.32Power Control.BATimeDetected Powerfrom Bfrom AWhen all mobile stations transmit the signals at the same power (MS),the received levels at the base station are different from each other,

16、which depend on the distances between BS and MSs.Moreover, the received level fluctuates quickly due to fading. In order to maintain the received level at BS, power control technique must be employed in CDMA systems.33Effect of Power ControlBATimeDetected Powerfrom MS B from MS Aclosed loop power co

17、ntrol for MS A.for MS B.Effect of Power Control Power control is capable of compensating the fading fluctuation. Received power from all MS are controlled to be equal. . Near-Far problem is mitigated by the power control.34Power Control (continued)（Open Loop Power ControlClosed Loop Power Controlest

18、imating path losscalculating transmission powertransmitmeasuring received powertransmitreceivedecide transmission powertransmitmeasuring received powerpower control commandabout 1000 times per second35数字传输系统的码间干扰n矩形脉冲通过带限信道时，脉冲会在时间上扩展，每个符号的脉冲扩展到相邻符号的时间间隔内，造成符号间干扰(ISI: International symbol interfere)

19、n措施：增加信道带宽（不现实）脉冲成型技术n升余弦滚降滤波器n高斯脉冲成型滤波器补充内容:36小结小结n在城市移动通信中不必考虑宇宙噪声,主要是受人为噪声的影响车辆点火噪声n城市移动信道中主要的噪声源n邻道干扰n同频道干扰，会计算同频道再用距离n互调干扰概念，会判断是否存在三阶互调干扰和邻道干扰n近端对远端比干扰、多址干扰概念37区域覆盖和信道配置区域覆盖方式一般分为两类：v小容量大区制v大容量小区制本节将从不同的服务区来讨论小区制的结构和频率分配方案。38Cell ShapeCellR(a) Ideal cell(b) Actual cellRRRR(c) Different cell mo

20、dels39v带状网v适用区域：公路、铁路、海岸等。铁路定向天线小区呈扁圆形双频制河道全向天线小区呈圆形三频制ABAABC40v带状网（Cont.）v同频道干扰rads123nn+1dI=(2n-1)r-naa: 相邻小区的交叠宽度1区与n+1区为同频道小区41v同频道干扰)()12(lg40)12(444dbnarnrrnarnddSIsI双频制：a=0, I/S=-19db三频制：a=0, I/S=-28dbN 频制：a=0, I/S=-40lg(2n-1) db422. 蜂窝网v适用区域：平面区域v小区形状：正六边形v区群的组成 相邻小区不能用相同的信道， 不同信道的相邻小区组成一个区群

21、， 不同区群的小区才能进行信道再用。43v 区群的组成应满足两个条件： 区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖； 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。可以证明，区群内的小区数应满足下式：22jijiNi,j为不同时为零的非负整数44v区群的组成N=3i=1j=1N=4i=0j=2N=7i=1j=2N=9i=0j=3 N = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 28, , etc. The popular value of N being 4 and 7. 45例：例：F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F2F3F4

22、F5F6F7F1F2F3F4F5F6F7F1F1F1F1Fx: Set of frequency7 cell reuse clusterReuse distance DN=746v同信道小区的距离AAAN=7i=1j=2AAAAjirND347v频率复用模式频分复用是一个核心概念。频率复用模式的确定主要以同频干扰防护门限为依据。如果N太大，则每个小区中分得的频道数太少；如果N太小，每个小区频道数增加，但由于同频小区距离近而使同频干扰防护减少。48v频率复用模式(Cont.)目前常用的蜂窝网区群数有N=12，9，7，4，3。 频率复用距离为： 6r N=12 D= 4.6r N=7 3.46r

23、N=4 3r N=349v中心激励与顶点激励中心激励在每个小区中，基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区。50Cell Sectoring by Antenna Design60o120o(a). Omni(b). 120o sector(e). 60o sector120o(c). 120o sector (alternate)abcabc(d). 90o sector90oabcdabcdef51顶点激励基站设在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副1200扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副1200扇形天线共同覆盖。52顶点激励采用120

24、0定向天线后，所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3，因而可减少系统的同道干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。53Cell Sectoring by Antenna Design Placing directional transmitters at corners where three adjacent cells meetACBX54v小区分裂除频分复用外，小区分裂是提高蜂窝网容量及频谱效率的又一重要概念。在高用户密度地区，将小区的面积划小一些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区分配的频道数增多，满足话务量增大的需求，这种技术措施称为小

25、区分裂。55Cell SplittingLarge cell (low density)Small cell (high density)Smaller cell (higher density)Depending on traffic patterns the s m a l l e r c e l l s m a y b e activated/deactivated in order to efficiently use cell resources.56例如：市中区容量密度高，小区划得很小，分配给一定区域面积的频道数也相应增加。10101010101010101010101010101

26、010101010101010101025252525252525151515151515151515151515555555555555555555555555555555555555用户密度不等时的小区结构57 小区分裂方案 在原小区上分裂（常用方法） 将中心设置基站的全向覆盖区分裂为几个定向天线的小区。3个1200扇形小区扇面太宽，C/I较低 6个600扇形小区C/I高，但覆盖面小邻道切换不理想1个“三叶草”型无线区C/I高，重叠区少58 1：3分裂方案将原正六边形小区分裂为3个新的小正六边形小区。对于新的小区而言，基站为中心激励方式，每个基站1200定向覆盖3个呈“三叶草”型的新小区。

27、592. 增加新基站的分裂 指将业务信息增加后，将小区半径缩小，增加新的蜂窝小区，并在适当的地方增加新的基站的方法。 注意：应将原基站天线有效高度适当降低，发射功率减小，尽量避免小区间的同频干扰。60 例：1：4方案，在原基站顶点激励的小区分裂成4个较小的小区。61信道（频率）配置频率分配是频率复用的前提。有两个基本含义：v频道分组：根据移动网的需要将全部频道分成若干组；v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。62一、固定信道分配方式 将某一组信道固定分配给某一基站，适用于移动台业务相对固定的情况。频率利用率不高。 分区分组配置法1. 等频距配置法63分区分组配置法原则：尽量减

28、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。64分区分组配置法例：设给定的频段以等间隔划分信道，按顺序分别标明各信道的号码：1，2，3，若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道，则分配如下：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该分配的主要出发点是避免三阶互调，未考虑

29、同一信道组中的频率间隔，会产生较大邻道干扰。652.等频距配置法q 按等频率间隔来配置信道，只要频距选得足够大，就可以有效避免邻道干扰。因频距大，也避免了互调的产生。q 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，如 第一组用（1，1+N，1+2N，1+3N，） 第二组用（2，2+N，2+2N，2+3N，）66q 例：N=7，信道配置为： 第一组 1，8，15，22，29，36 第二组 2，9，16，23，30，37 第三组 3，10，17，24，31，38 第四组 4，11，18，25，32，39 第五组 5，12，19，26，33，40 第六组 6，13，20，27，34，

30、41 第七组 7，14，21，28，35，42同一信道组中的最小频率间隔为7个频率间隔，如信道间隔为25KHz,则最小频率间隔达175KHz,接收机的输入滤波器可有效抑制邻道干扰和互调干扰。67q 三顶点激励的信道配置 每个基站应配置3组信道，向三个方向辐射。 如N=7，每个区群需要21个信道组。12768二、动态信道分配方式 为了提高频率利用率，使信道的配置随移动通信业务量地理分布的变化而变化。有两种方法： 动态配置法： 随业务量的变化重新配置全部信道； 2. 柔性配置法：1. 准备若干个信道，需要时提供给某小区使用。69网络结构70GSM系统网络结构71基站子系统BSS72GSM结构fix

31、ed networkBSCBSCMSCMSCGMSCOMC, EIR, AUCVLRHLRNSSwith OSSBSSVLR73交换子系统NSS74GSM系统网络结构The GSM network can be divided into four main parts: The Mobile Station (MS). The Base Station Subsystem (BSS). The Network and Switching Subsystem (NSS). The Operation and Support Subsystem (OSS). 75Home Location Reg

32、ister (HLR) The HLR is considered as a very important database that stores information of the subscribers belonging to the covering area of a MSC. It also stores the current location of these subscribers and the services to which they have access. The location of the subscriber corresponds to the SS

33、7 address of the Visitor Location Register (VLR) associated to the terminal. 也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。 76 Visitor Location Register (VLR) 是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户

34、提供的服务等参数。 77 The Authentication Center (AuC) The AuC register is used for security purposes. It provides the parameters needed for authentication and encryption functions. These parameters help to verify the users identity. 用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。 78 The Equipme

35、nt Identity Register (EIR) 也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 79越区切换越区切换（Handover or Handoff)n基本概念基本概念n越区切换的参数控制越区切换的参数控制n越区切换的过程控制越区切换的过程控制n越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配n越区切换分类越区切换分类80基本概念基本概念n 在通话期间通话期间，当移动台从一个小区进入进入另一个小区 时，移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某 一信道，保证通话不间断。n 原小区所用的信道新小区的某一信道如果小区采用扇区定向天线

36、，当移动台在小区内从一个扇区进入另一个扇区时，也要进行类似的切换。81区域覆盖和信道配置为什么要切换信道?相邻小区不能用相同的信道相邻扇区不能用相同的信道82越区切换包括三个方面的问题：1、越区切换的参数控制(越区切换的准则)n 何时需要进行越区切换?2、越区切换的过程控制n 如何控制切换?3、越区切换时的信道分配n 新小区信道如何分配? 83越区切换的参数控制越区切换的参数控制可以根据以下参数来确定:n移动台处接收的平均信号强度n移动台处接收的信噪比（或信干比）n误比特率84n 越区切换的基本准则 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

37、和门限规定的相对信号强度准则85n 相对信号强度准则：n 在任何时间选择具有最强接收信号的基站原基站的信号强度新基站的信号强度A缺点缺点：在原基站的信号强度仍满足要求的情况下， 会引发太多不必要的越区切换。86n 具有门限规定的相对信号强度准则：n 仅允许移动用户在原基站的信号足够弱（低于某门限），且新基站的信号强于原基站的信号情况下，才可以进行越区切换。移动台ThB门限的选取非常重要原基站的信号强度新基站的信号强度87n 具有滞后余量的相对信号强度准则：n 仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多（即大于滞后余量）的情况下，才可以进行越区切换。移动台原基站的信号强度新基站的信号

38、强度Ch可防止由于信号波动引起的“乒乓效应”。88n 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则：n 仅允许移动用户在原基站的信号强度低于规定门限并且新基站的信号强度高于原基站一个给定滞后余量时，才可以进行越区切换。移动台原基站的信号强度新基站的信号强度hTh89n移动台控制的越区切换 n DECT系统采用n网络控制的越区切换n移动台辅助的越区切换 n IS-95、GSM、WCDMA、 cdma2000等采用越区切换的过程控制越区切换的过程控制n系统的控制任务被分布在网络、基站系统和移动台之间，从而减小了信令开销缩短了切换延迟。90n 解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信 道，使得越区切换失败的概率尽量小。n 常采用的做法是：n 在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配用于本小区用户接入的信道用于越区切换的信道呼损率增加通话中断概率减小91n硬切换先断后接：在新的连接建立以前，先中断旧的连接。容易产生掉话n软切换（CDMA关键技术）先接后断：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