第3章蜂窝移动通信的组网

1、1第第3章章 蜂窝移动通信的组网技术蜂窝移动通信的组网技术 2本章提示本章提示 l第2章分析了在移动通信环境中无线电波的传播问题。要实现移动用户在更大范围内有序的通信，必须解决组网的问题。在1.1.2节中已经介绍了蜂窝移动通信网的基本结构和区群的组成。l以区群为基本单元的同频复用就可以构成覆盖很大的区域，构成类似蜂窝结构的移动通信网。3本章提示本章提示l组网过程中必须解决如下一系列技术问题，才能使网络正常运行：（1）频率资源的管理与频率的有效利用问题；（2）蜂窝网同频复用与同道干扰问题；（3）多信道、多用户共用与多址接入问题；（4）用户移动性与网络移动性的管理问题；（5）有限的频率资源与越来越

2、多的通信容量要求问题；（6）PLMTS网与公用电话网、ISDN、PDN以及与其他移动网的互联、互通问题；（7）信令网与网络智能化问题等。4第第3章章 蜂窝移动通信的组网技术蜂窝移动通信的组网技术l3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信l3.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖l3.3 干扰和信道容量l3.4 移动通信中的多址技术l3.5 蜂窝移动通信的交换技术l3.6 蜂窝移动通信的信令技术l3.7 蜂窝移动通信网综述53.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 l3.1.1 频率资源的管理l3.1.2 频率的有效利用技术l3.1.3 多信道共用技术6

3、3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 l无线通信是利用无线电波在空间传递信息的。l当前移动通信发展所遇到的最突出问题，就是如何将有限的可用频率有秩序地提供给越来越多的用户使用而不相互干扰，这就涉及到频率的管理与有效利用。 73.1.1 频率资源的管理频率资源的管理 l频率是一种特殊资源。它并不是取之不尽的。l频率的分配和使用需在全球范围内制定统一的规则。l国际上，由国际电信联盟（ITU）召开世界无线电管理大会，制定无线电规则，包括各种无线电系统的定义、国际频率分配表和使用频率的原则、频率的分配和登记、抗干扰的措施、移动业务的工作条件以及无线电业务

4、的分类等。l国家统一管理频率的机构是国家无线电管理委员会，移动通信组网必须遵守国家有关规定，并接受当地无线电管理委员会的具体管理。83.1.1 频率资源的管理频率资源的管理 l移动电话使用频段主要在150MHz、450MHz和900MHz、1800MHz、1900MHz频段。l双工移动通信网规定工作在各频段的收、发频差分别为：VHF频段为5.7MHz，UHF 450MHz频段为10MHz；UHF 900MHz频段为45MHz。同时规定基站对移动台（下行链路）为发射频率高，接收频率低；反之，移动台对基站（上行链路）为发射频率低，接收频率高。 93.1.2 频率的有效利用技术频率的有效利用技术 l

5、频率的有效利用就是从时间域、空间域和频率域这三个方面采用多种技术，以设法提高频率的利用率。（1）时间域的频率有效利用（多信道共用）（2）空间域的频率有效利用（频率复用）（3）频率域的频率有效利用（多址接入）103.1.2 频率的有效利用技术频率的有效利用技术 l频率域的频率有效利用有两种方法：信道的窄带化和宽带多址技术。l信道窄带化的方法从基带方面考虑可采用频带压缩技术；从射频调制频带方面考虑可采用各种窄带调制技术。l宽带多址技术有频分多址（FDMA，即在频率域上划分信道，每一用户占用一定的频带）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及它们的组合等。113.1.3 多信道共用技术多信道

6、共用技术 l1呼叫话务量与忙时话务量 l话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。l其性质如同客流量，具有随机性，只能用统计方法获取。l呼叫话务量，是指单位时间（一小时）内的平均电话交换量，可用下面关系式表示： A=Ct0l如果t0以小时为单位，则话务量A的单位是Erl。如果在一个小时之内连续地占用一个信道，则其呼叫话务量为1Erl。这是一个信道所能完成的最大话务量。 121呼叫话务量与忙时话务量呼叫话务量与忙时话务量 l用户忙时话务量是指一天中最忙的那个小时（即“忙时”），每个用户的平均话务量，用AB来表示。AB是一个统计平均值。l同时，将忙时话务量与全日话务量之比称为集中系数，用K表示。

7、因为K反映了这个通信系统“忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。 132容量容量 l在多信道共用时，容量有两种表示法。l系统所能容纳的用户数（M）为l每个信道所能容纳的用户数（m）为 式中，n为共用信道数；A为总话务量；AB为每个用户忙时话务量。BAMABMAmnnA143呼损率呼损率 l在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率，记为B。l设A为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。C0为1小时内呼叫成功而通话的次数，t0为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成话务量为 A=C0t0l呼损率为B=0iCCCAAACC153呼损率呼损率l呼损率的物理意义是

8、损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。l呼损率在数值上等于呼叫失败次数与总呼叫次数之比的百分数。l呼损率B称为系统的服务等级（或业务等级），记为GOS。lGOS是系统的一个重要质量指标。l呼损率与话务量是一对矛盾，即服务等级与信道利用率是矛盾的。 163呼损率呼损率l如果呼叫具有下列性质： 每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性； 每次呼叫在时间上都有相同的概率； 每个用户选用无线信道是任意的，且是等概率的，则呼损率可按下式计算：这就是电话工程中的第一爱尔兰公式，也称爱尔兰B公式。它反映了系统呼损率B，信道数n和总话务量A三者之间的关系。通过计算可得出目前话务工程计算中广泛使用的爱尔兰呼损

9、表。20!11!2!nnniniAAnnBAAAAni174信道利用率信道利用率 l多信道共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量。因此l如果已知B、n，根据表3-1(教材P45)可查出A值，然后由上式求出。 (1)AAnnB185例题例题 l设每个用户的忙时话务量AB=0.01Erl，呼损率B=10%，现有8个无线信道，采用两种不同技术，即多信道共用和单信道共用组成的两个系统，试分别计算它们的容量和利用率。解：对于多信道共用系统：已知n=8，B=10%，（1）求m，M：由表3-1得A=5.597(Erl)。因为m=A/（ABn）=5.597/（0.01*8）=70（用户/信道），所以M

10、=m*n=70*8=560（用户）由上式得 对于单信道共用系统：（1）求m，M。因为是单信道共用，所以，n=1， 已知B=10%和n=1，由表3-1得A=0.111（Erl）， m=0.111/0.01*1=11(用户/信道), M=11*8=88（用户）%638) 1 . 01 (597. 5%1088*) 1 . 01 (*111. 0193.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖蜂窝小区的概念和区域覆盖 l3.2.1 蜂窝小区的概念l3.2.2 大区制小容量l3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统203.2.1 蜂窝小区的概念蜂窝小区的概念 l蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的

11、发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。l移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制。 213.2.2 大区制小容量大区制小容量 l大区制是指一个基站覆盖整个服务区。l为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数（装备量也随之加大），但这总是有限的。l因此，大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。 l这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。223.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统l为整个系统中的所

12、有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划。l小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种，一种是带状服务覆盖区；另一种是面状服务覆盖区。 233.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统l带状服务覆盖区l铁路的列车无线电话、长途汽车的无线电话以及沿海内河航行的船舶无线电话系统等都属于带状服务区。为了克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配置，如图3-1所示。243.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统图3-1 双频组和三频组频率配置 253.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统l 面状服务覆盖区l

13、无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务需求。l实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。l当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶点之中的三个上（顶点激励小区）。 263.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统图3-2 蜂窝系统的频率复用273.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统l考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，如果每个小区都分配K（K S）个信道，并且S个信道

14、在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数为 S=KN （3-1） l共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇（cluster，也叫区群）。如果区群在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可以作为容量的一个度量C=MKN=MS （3-2）283.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统l用六边形表示的一个个小区，可使相邻小区无空隙，每一个区群的小区数量N满足下式：N=i2+ij+j2 （3-3）l为了找到某一特定小区相距的同频相邻小区，必须按以下步骤进行：（1）沿着任何一条六边形的边垂直移动j个小区；（2）逆时针旋转

15、60度再移动i个小区。图3-3所示为i=2，j=3（N=19）。 293.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统图3-3 在蜂窝小区中定位同频小区的方法303.3 干扰和信道容量干扰和信道容量 l干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。l在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即同频干扰和邻频干扰。 313.3 干扰和信道容量干扰和信道容量 l3.3.1 同频干扰和系统容量l3.3.2 相邻信道的干扰l3.3.3 蜂窝小区容量的改善323.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 l频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区叫做同频小区

16、。l这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰（也叫同道干扰）。l为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分的隔离。333.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 l如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径（R）和相距最近的同频小区中心间距离（D）的函数。增加D/R的值，相对于小区的覆盖距离同频小区间的空间距离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小。 l参数Q叫做同频复用比例（也叫同频干扰抑制因子），与区群的大小有关。对于六边形系统来说，Q可表示为lQ的值越小则容量越大；而Q值大可以提高传播质

17、量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。343.3.2 相邻信道的干扰相邻信道的干扰 l来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰（也叫邻道干扰）。l邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。353.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善 l随着用户数量的增加，原有的小区的信道数量不足以支持，此时需要采取合适的措施来给单位覆盖区域提供更多的信道。l工程实际中可采取小区分裂、裂向等技术来增大蜂窝系统的频率复用，提升单位覆盖区域容量。363.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善 l1小区分裂小区分裂就是一种将拥塞

18、的小区分成更小的小区的方法，分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂能够提高信道的复用次数，因而能提高系统容量。即通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区（叫做微小区），使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。 小区分裂通过减小小区半径和不改变同频复用因子D/R来增加单位面积的信道数。371小区分裂小区分裂图3-4 小区分裂的图例382小区裂向（扇区的概念）小区裂向（扇区的概念）l相对于小区分裂，小区裂向提升系统容量的方法是保持小区半径不变，而寻找方法来减小D/R的比值。这种方法中，容量的提高是通过减小区群中的小区数量，相应提高

19、频率复用来实现的。l可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小蜂窝系统中的同频干扰，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。l由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。l这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向（即扇区化）。l同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。 l通常一个小区划分为3个120度或6个60度的山区。如图3-5（a）和（b）所示。392扇区的概念扇区的概念图3-5 扇区划分402小区分裂（扇区的概念）小区分裂（扇区的概念）l裂向方法会造成中继效率降低，话务量有所损失。l裂向时每个基站使用超过一根天线，增加了成本和安装难度，故一般

20、较少为运营商采用。413.4 移动通信中的多址技术移动通信中的多址技术 l3.4.1 多址通信的概念l3.4.2 FDMA方式l3.4.3 TDMA方式l3.4.4 CDMA方式l*3.4.5 SDMA方式l*3.4.6 系统容量423.4.1 多址通信的概念多址通信的概念 l1多址接入蜂窝系统中以信道来区分通信对象。同时通话的用户需占用不同的信道，称为多址。如何建立用户之间的无线信道的连接，即为多址接入。l2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

21、台的单路工作形成了移动通信的一大特点。 基站和移动台如何区别对端发给自己的信号，这就是多址接入方式问题。432多址接入方式多址接入方式l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。l图3-6分别给出了N个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图。 442多址接入方式多址接入方式图3-6 FDMA、TDMA和CDMA的示意图 45含义：每个用户占用一个频率含义：每个用户占用一个频率用户识别：频道号用

22、户识别：频道号PowerFrequencyTimeFDMA3.4.2 FDMA方式方式 463.4.2 FDMA方式方式 l1FDMA系统原理FDMA为每一个用户指定了特定信道（特定频段），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。 在频分双工（FDD）系统中，分配给用户的一个信道即为一对频谱。如图3-7所示。471FDMA系统原理系统原理图3-7 FDMA系统的工作示意图483.4.2 FDMA方式方式 lFDMA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都必须经过基站的中转，因而必须同时占用两个信道（两对频谱）才能实

23、现双工通信。其频谱分割如图3-8所示。491FDMA系统原理系统原理图3-8 FDMA系统频谱分割示意图501FDMA系统原理系统原理l前向与反向信道的频带分割，是实现频分双工通信的要求。l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l应用：第一代模拟移动通信系统，都采用频分多址FDMA方式。代表性的系统为800MHz的美国的AMPS(频道间隔30kHz)体制，900MHz的欧洲与我国的TACS (频道间隔25kHz)体制，两者的双工保护频带均为45MHz。51521FDMA系统原理系统原理lFDMA系统基于频率划分信道。每个用

24、户在一对频道中通信，若其它信号成分落入用户接收机的频道内，将造成干扰。主要有：l（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。减少互调干扰的方法是：尽可能提高系统器件的线性程度；选用无互调的频率集。l（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。 减少邻道干扰的方法是：选用技术指标好的收发信机；加大频道间的隔离度。532FDMA系统中的干扰问题系统中的干扰问题 l（3）同频道干扰在蜂窝系统中，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

25、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。 543FDMA系统的特点系统的特点 l FDMA信道每次只能传送一路电话。l 每信道占用一个载频，为了在有限的频谱中增加信道数量，FDMA信道的相对带宽较窄（25kHz或30kHz），常用于窄带通信系统中。l 符号时间与平均延迟扩展相比较大，故由码间干扰引起的误码极小，无需自适应均衡。l 移动台较简单，和模拟的较接近。553FDMA系统的特点系统的特点 l 基站复杂庞大，重复设置收发信设备。l FDMA系统每载波

26、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。l 越区切换较为复杂和困难。56含义：每个用户占用一个时隙含义：每个用户占用一个时隙用户识别：时隙用户识别：时隙FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA3.4.3 TDMA方式方式 573.4.3 TDMA方式方式 l1TDMA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。 如图3-9所示；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

27、发信号58图3-9 TDMA系统的工作示意图1TDMA系统原理系统原理592TDMA的帧结构的帧结构 lTDMA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，帧结构示意图如图3-10所示。 l1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，如GSM的帧长为4.6ms，每帧8时隙 。图3-10 TDMA帧结构 603TDMA系统的同步与定时系统的同步与定时l在TDMA系统中，每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令的传输；二是信道多径的影响

28、；三是系统的同步。l同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。lTDMA系统中通信双方必须在规定的时隙中发送和接收信号，因此必须有严格的帧同步、时隙同步和位同步。614TDMA系统的特点系统的特点 l以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户l系统要求严格的系统定时同步l抗干扰能力强，基站复杂性小，互调干扰小l频率利用率高，系统容量大62应用：应用：GSM系统：（上行 890915MHZ，下行935960MHZ） 频点间隔 200KHZ 每个频道8个时隙5TDMA系统的应用系统的应用 63例:假定某个系统是一个前向信道带宽为50MHz的TDMA/FDD系统，并且将50MHz分为若干个200k

29、Hz的无线信道。当一个无线信道支持16个语音信道，并且假设没有保护频隙时，试求出该系统所能同时支持的用户数。解 包含的同时用户数为： N（50MHz / 200kHz）*16=4000 因此，该系统能同时支持4000个用户。5TDMA系统的应用系统的应用 64FrequencyCDMAPowerTime含义：每个用户使用一个码型，频率含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享时间共享用户识别：码型用户识别：码型3.4.4 CDMA方式方式 65l它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，最主要的三种体制都采用CDMA，它们是F

30、DD的CDMA2000、FDD的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。3.4.4 CDMA方式方式 663.4.4 CDMA方式方式 l1CDMA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。 671CDMA系统原理系统原理 图3-11 CDMA系统的工作示意图68l系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。地址码的准正交性在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰（MAI）。l地址

31、码的选择设计直接影响CDMA系统的性能，为提高抗干扰能力，地址码要用伪随机码（又称为伪随机（Pseudo-Noise）序列）。 1CDMA系统原理系统原理 692正交正交Walsh函数函数 lWalsh函数有良好的互相关和较好的自相关特性。l（1）Walsh函数波形l连续Walsh函数的波形如图3-12所示。利用Walsh函数的正交性，可作为CDMA的地址码（即信道码）。如果对图中的Walsh函数波形在8个等间隔上取样，即得到离散Walsh函数，可用88的Walsh函数矩阵表示。 702正交正交Walsh函数函数图3-12 连续Walsh函数的波形图712正交正交Walsh函数函数l图3-12

32、所示的Walsh函数对应的矩阵可写作 722正交正交Walsh函数函数l（2）Walsh函数矩阵的递推关系式732正交正交Walsh函数函数742正交正交Walsh函数函数l利用Walsh函数矩阵的递推关系，可得到6464阵列的Walsh序列。l这些序列在 Qualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被做为前向码分信道。l因为是正交码，可供码分的信道数等于正交码长，即64个；并采用64位的正交Walsh函数来用做反向信道的编码调制，这是利用了Walsh序列的良好的互相关特性。75l以IS-95为例，一个基站共有64个信道，采用正交的Walsh函数来划分信道，在完全同步的情况下，64个Wal

33、sh函数是完全正交的。下行(前向)信道配置如下图所示。 IS-95下行(前向)信道配置l其中 代表第 路Walsh函数。64个信道中一个导频信道 ，一个同步信道 ，七个寻呼信道 ，其余五十五个为业务信道。导频信道W0同步信道W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道W62业务信道W63下行CDMA信道1.25MHz,基站发送*iWi0W32W1W7W2正交正交Walsh函数函数763m序列伪随机码序列伪随机码l（1）m序列的生成lm序列是最长移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。lm序列的周期是P=2n1（n是移位寄存器的级数）。M序列是一伪随机序

34、列，具有与随机噪声类似的尖锐自相关特性。lm序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模2加法器组成的。 773m序列伪随机码序列伪随机码图3-13 m序列产生电路783m序列伪随机码序列伪随机码l（2）m系列的特性 m系列有许多优良的特性，主要是它的随机性和自相关性。 l m序列的性质m序列一个周期内“1”和“0”的码元数大致相等（“1”比“0”只多一个）。这个特性保证了在扩频系统中，用m序列做平衡调制实现扩展频谱时有较高的载波抑制度。m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列还是m序列，只是相位不同。m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全0外，其他状态在一个周期内只出现一次。793m序列

35、伪随机码序列伪随机码l m序列的相关性对于一个周期为P=2n1的m序列an（an取值1或0），m序列的自相关函数如下所述。 803m序列伪随机码序列伪随机码设m序列an与其后移 位的序列an+ 逐位模2加所得的序列an+an+ 中，“0”的位数为A（序列an和an+ 相同的位数），“1”的位数为D（序列an和an+ 不相同的位数），则自相关函数由下式计算： 813m序列伪随机码序列伪随机码l式中A为“0”位数或相同的位数；D为“1”位数或不相同的位数。显然P=A+D。 10( )10RP （3-10） 823m序列伪随机码序列伪随机码l有时伪随机码的码元用1和1表示，与0和1表示法的对应关系是

36、“0”变成“1”、“1”变成“1”，即m序列an的取值是1或1，此时m序列的自相关函数可由下式计算： 833m序列伪随机码序列伪随机码图3-14 m序列自相关函数图843m序列伪随机码序列伪随机码l故当周期P很大时，m序列的自相关函数与白噪声类似。这一特性可用于相关检测。853m序列伪随机码序列伪随机码l 序列的互相关性lm序列的互相关性是指相同周期P=2n1两个不同的m序列an、bn一致的程度。其互相关值越接近于0，说明这两个m序列差别越大，即互相关性越弱；反之，说明这两个m序列差别较小，即互相关性较强。当m序列用作CDMA系统的地址码时，必须选择互相关值很小的m序列组，以避免用户之间的相互

37、干扰，减小多址干扰（MAI）。 863m序列伪随机码序列伪随机码l在CDMA系统中，采用两种m序列，称为PN长码和PN短码。PN短码的周期为215=32768chip，每64chip为一初始相位，共有512种初始相位，分配给512个基站。长码的周期为242-1，用来在反向区分移动用户。874CDMA系统的特点系统的特点 lCDMA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。 容量的软特性。 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，码片时长短，通常小于信道的时延扩展，可避免多径造成的码间串扰

38、。 平滑的软切换和有效的宏分集（小区边缘接收合并来自不同基站的相同信号）。 低信号功率谱密度，有两大好处。884CDMA系统的特点系统的特点lCDMA系统存在着两个重要的问题：一是多址干扰（MAI）；另一个问题是“远近”效应。 893.4.5 SDMA方式方式 lSDMA（空分多址）方式就是通过空间的分割来区分不同的用户。在移动通信中，可采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。l扇形天线可被看作是SDMA的一个基本方式。在极限情况下，自适应天线具有极小的波束和无限快的跟踪速度，可以实现最佳的SDMA。903.4.5 SDMA方式方式 图3-15 SDMA系统的工作示意图 913.4

39、.6 系统容量系统容量 l一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入话务总量（Erlang）。l它与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、基站设置方式等有关。l目前通常用无线容量m来表示系统容量。l对于移动通信业务区，无线容量m是衡量无线系统频谱效率的参数。这一参数取决于所需的载波干扰比（C/I，简称载干比）和信道带宽Bc。923.4.6 系统容量系统容量 l蜂窝系统的无线容量可定义为m= 信道/小区（3-15）l式中，m是无线容量大小；Bt是分配给系统的总的频谱；Bc是信道带宽；N是频率重用的小区数。tcBB N931FDMA和和TDM

40、A蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 l对于模拟FDMA系统来说，如果采用频率重用的小区数为N，根据对同频干扰和系统容量的讨论可知，对于小区制蜂窝网N =23CI （3-16） 941FDMA和和TDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量l即频率重用的小区数N由所需的载干比来决定。可求得FDMA的无线容量如下：m =tc23BBCI 信道/小区 （3-17） 951FDMA和和TDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量l对于数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小45dB （因数字系统有纠错措施），因而频率重用距离可以再近一些。所以可以采用比N=7小的图案，例如N=3的图案。可求得TDM

41、A的无线容量如下：l其中，设载波间隔为Bc，每载波共有M个时隙，则等效带宽为 ccBBM 962CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 lCDMA系统的容量是干扰受限的，而FDMA和TDMA系统的容量是带宽受限的。l决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、 、语音负载周期（即语音激活率）、频率再用效率以及基站天线扇区数。 b0EN972CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 l通信系统，接收信号的载干比可以写成 l式中：Eb是信息的比特能量；Rb是信息的比特速率；N0是干扰的功率谱密度；W是总频段宽度（即CDMA所占的频谱宽度）；Eb/N0类似于归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率

42、或语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/Rb是系统的处理增益。982CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 l如果m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为 11CIm （3-20） 992CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 1002CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 l式（3-21）没有考虑在扩频带宽中的背景热噪声，如果把考虑进去，则能够接入此系统的用户数可表示为l结果表明，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率，减小归一化信噪比，增大系统的处理增益都有利于提高系统的容量。1012C

43、DMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量l上述计算的CDMA系统的容量是理想功控条件下才能满足，同时还需要根据CDMA系统的特点对公式从以下方面进行修正：l（1）采用语音激活技术提高系统容量 占空比为35%，干扰减少65%，容量提高到原来的1/d=2.86倍。l（2）利用扇区划分提高系统容量扇区化后系统容量可增加约三倍，考虑各扇区之间的覆盖重叠，一般容量可增加到G=2.55倍左右。l（3）频率再用前向采用功率控制后，系统容量将下降到没有考虑邻区干扰时的60%。1023三种系统容量的比较三种系统容量的比较l（1）模拟TACS系统，采用FDMA方式l（2）数字时分GSM系统，采用TDMA方式l（3）数字

44、CDMA系统l三种体制系统容量的比较结果为 lmCDMA 16mTACS 9mGSM1033.5 蜂窝移动通信的交换技术蜂窝移动通信的交换技术 l3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别l3.5.2 蜂窝移动通信呼叫建立过程l3.5.3 越区切换l3.5.4 实际系统切换的一些考虑1043.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别差别 l蜂窝移动通信网也是一种交换式通信网。l蜂窝移动通信的交换技术要比公用电话系统交换技术复杂。l移动通信的MSC除具备公网交换设备外还要增加用户移动性管理设备，如用户位置登记（不是一次性位置

45、登记，而是每次开机后根据网络管理的要求进行许多次登记），越区切换和网络移动性管理，如网内位置区划分、用户位置更新、用户定位、越区切换和漫游切换等。105l通信网络最基本的任务：建立始呼与被呼之间的连接l识别被呼用户l定位用户所在位置l建立网络到用户的路由连接l通话过程中维持连接l通话结束，拆除连接移动通信呼叫建立过程移动通信呼叫建立过程1063.5.2 位置管理位置管理l位置管理包括两个主要任务：位置登记和呼叫传递。位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库和认证移动台。l与上述两个问题紧密相关的两个问题是：位置更新（Location Update）和寻呼（Paging

46、）。位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区。107l系统位置更新过程l移动台的位置登记l位置区改变后的位置更新l在一特定时间内，移动台与网络没有发生联系时，移动台自动地、周期地与网络取得联系，核对数据系统位置更新过程系统位置更新过程 108系统位置更新过程系统位置更新过程 l在实际系统中，位置登记区越大，位置更新的频率越低，但每次呼叫寻呼的基站数目就越多，用于寻呼的开销非常大；l另一方面是：如果移动台每进入一个小区就发送一次位置更新信息，则这时用户位置更新的开销非常大，但寻呼的开销很小。 1093.5.3 越区切

47、换越区切换 l越区切换（也称过区切换，Hand-over或Hand-off）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。l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。1103.5.3 越区切换越区切换 l越区切换包括以下三个方面的问题： 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； 越区切换时信道如何分配。1113.5.3 越区切换越区切换 l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，

48、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。l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。1121越区切换的准则越区切换的准则 l在决定何时需要进行越区切换时，通常是根据移动台处接收的平均信号强度来确定，也可以根据移动台处的信噪比（或信号干扰比）、误比特率等参数来确定。 l假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图3-17所示。判定何时需要越区切换的准则如下：1131越区切换的准则越区切换的准则 l 相对信号强度准则（准则1）任何时间

49、都选择具有最强接收信号的基站，如图中A点。l 具有门限规定的相对信号强度准则（准则2）仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的情况下才进行。如图中B点。l 具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3）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）的情况下进行，如图中C点。l 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则4） 仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限，且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行。图3-17 越区切换示意图1142越区切换的控制策略越区切换的控制策略 l越区切换控制包括两个方面：一方面是

50、越区切换的参数控制，另一方面是越区切换的过程控制。l在移动通信系统中，过程控制的方式主要有以下三种。 移动台控制的越区切换。 网络控制的越区切换。 移动台辅助的越区切换。1153越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配 l越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。l常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。l这种做法的特点是，因新呼叫使可用信道数减少，虽增加了呼损率，但减少了通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。 1163.7 蜂窝移动通信网综述蜂窝移动通信网综述 l3.7.1 概述l*3.7.2 移动通信网和固定通信网l*3

51、.7.3 移动通信网的发展1173.7.1 概述概述 l1移动通信网的概念l移动通信网的基本结构包括：移动台（Mobile Station，MS）、基站系统（Base Station Subsystem，BSS）和构成网络节点的移动交换中心（Mobile Service Switching Center，MSC）等。 1182移动通信网的组成移动通信网的组成 图3-23 移动通信网的组成示意图119l移动台：移动台是一个子系统。它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。移动台分为

52、车载台、便携台和手持台等。l基站系统：基站系统由可在小区内建立无线电覆盖并与移动台通信的设备组成。l移动交换中心：移动交换中心对位于服务区内的移动台进行交换和控制，同时提供与固定电信网的接口。具有呼叫接续和控制、无线管理和移动性管理的功能。2移动通信网的组成移动通信网的组成 120*3.7.3 移动通信网的发展移动通信网的发展 l1第一代移动通信网l通常所说的第一代移动通信系统是指模拟蜂窝移动通信系统。l它是频分多址接入（FDMA）的移动通信系统。1211第一代移动通信网第一代移动通信网l概括起来第一代蜂窝移动通信网有以下缺点： 频谱利用率低，容量有限； 制式太多，互不兼容，妨碍漫游，限制了用户覆盖面； 提供业务的种类受限制，不能传送数据信息； 容易被窃听； 不能与ISDN兼容。1222第二代移动通信网第二代移动通信网l第二代移动通信（2G）系统为数字蜂窝移动通信系统。l第二代移动通信系统最有