第二章移动通信的基本概念修改

1、 第二章第二章 移动通信的基本概念移动通信的基本概念l无线电波的传播特性无线电波的传播特性l移动信道的特征移动信道的特征l*陆地移动信道的场强估算与损耗陆地移动信道的场强估算与损耗 l蜂窝系统工作原理蜂窝系统工作原理 l移动通信系统的基本网络结构移动通信系统的基本网络结构l无线环境下的噪声与干扰无线环境下的噪声与干扰 学习目标学习目标 理解并掌握直射波、反射波、地面波、理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由空间传播、多径效应、多普勒频移、快衰自由空间传播、多径效应、多普勒频移、快衰落、慢衰落等概念。落、慢衰落等概念。 初步了解地形、地物的分类，以及任意地形初步了解地形、地物的分类，以及任意地形

2、地区的传播损耗中值的估算。地区的传播损耗中值的估算。 掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、顶点激掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、顶点激励、移动通信系统的组成、多址技术等概念励、移动通信系统的组成、多址技术等概念。l理解常见的各类噪声与干扰，如同频干扰、邻理解常见的各类噪声与干扰，如同频干扰、邻频干扰、互调干扰、时隙干扰和码间干扰等，频干扰、互调干扰、时隙干扰和码间干扰等，了解某些抑制噪声和干扰的技术。了解某些抑制噪声和干扰的技术。l了解全国蜂窝系统的网络结构，了解移动通信了解全国蜂窝系统的网络结构，了解移动通信网络的区域、号码、地址与识别。网络的区域、号码、地址与识别。2.1 无线电波的传播特性无

3、线电波的传播特性 电波的传播方式电波的传播方式 直射波直射波 大气中的电波传播大气中的电波传播 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 反射波反射波 2.1.1 电波的传播方式电波的传播方式n 从发信机发出的电波在到达收信机时，可能会从发信机发出的电波在到达收信机时，可能会沿不同的路径进行传播，如图沿不同的路径进行传播，如图2-1所示。所示。n 沿着地表面传播的电波（如路径沿着地表面传播的电波（如路径1）称为地面）称为地面波；波；n 从发射天线直接到达接收天线的电波（如路径从发射天线直接到达接收天线的电波（如路径2）称为直射波；）称为直射波；n 经过大地反射到达收信机的电波（如路径经过大

4、地反射到达收信机的电波（如路径3）称为反射波。称为反射波。n 一般而言，收信机一般而言，收信机A接收到的电波是接收到的电波是由直射波和大地反射波合成的，所有这由直射波和大地反射波合成的，所有这些波统称空间波。些波统称空间波。n 经过电离层反射而传播的电波（如路经过电离层反射而传播的电波（如路径径4）称为电离层波，它主要用于短波通）称为电离层波，它主要用于短波通信。信。图图2-1 典型的电波传播通路典型的电波传播通路地面波，地面波，中长波，中长波，几百千米几百千米直射波，直射波，微波，几微波，几十千米十千米反射波，反射波，微波微波电离层波，电离层波，短波，几千短波，几千千米千米自由空间的传播衰耗

5、自由空间的传播衰耗lts定义为：定义为：2.1.2 2.1.2 直射波直射波24dlts(式式2-12-1)式中，式中，是电磁波的波长，是电磁波的波长，d是收发天线间是收发天线间距离。距离。 图图2-3 自由空间自由空间L0为传播损耗，为传播损耗，d为传播距离。频率越高，距为传播距离。频率越高，距离越远，则损耗越大。离越远，则损耗越大。2.1.3 2.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播2.2 移动信道的特征移动信道的特征 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 多普勒效应多普勒效应 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备2.2.1传播路径与信号衰落传

6、播路径与信号衰落 移动无线电波传播路径损耗，主要是由移动无线电波传播路径损耗，主要是由于地形、传播路径上的无线电散射体等原因于地形、传播路径上的无线电散射体等原因产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕射等的综合结果，如图射等的综合结果，如图2-7所示。所示。（1）镜面反射）镜面反射（2）漫反射：如投射到树叶上的无线电波。）漫反射：如投射到树叶上的无线电波。（3 3）绕射）绕射直射波反射波图图2-7 几种传播路径几种传播路径路径路径损耗损耗快衰快衰落落慢衰慢衰落落路径损耗路径损耗阴影效应阴影效应手机 多径效应的解释：多径效应的解释： 因为相位因为相位=频率频

7、率*时间，频率为几百兆，时间，频率为几百兆，时间为微秒级，则相位也很可观。时间为微秒级，则相位也很可观。 两个从不同路径来的信号，同相则叠加，两个从不同路径来的信号，同相则叠加，那么增强；相位为那么增强；相位为 ，则相反，则会出，则相反，则会出现深衰落。现深衰落。2.2.2 多普勒效应多普勒效应 假设移动台以恒定的速率移动时，会假设移动台以恒定的速率移动时，会接收到来自远方信号源发出的信号电波，接收到来自远方信号源发出的信号电波，并设信号电波与移动台运动方向的夹角为并设信号电波与移动台运动方向的夹角为，如图，如图2-9所示，则频移值可表示为：所示，则频移值可表示为：cosf（式2-24）若移动

8、台朝向入射波的方向运动，则频移为若移动台朝向入射波的方向运动，则频移为正，即接收频率升高；反之，若移动台逆向正，即接收频率升高；反之，若移动台逆向入射波的方向运动，则频移为负，即接收频入射波的方向运动，则频移为负，即接收频率降低。率降低。图图2-9 多普勒效应示意图多普勒效应示意图u 也就是：若移动台朝基站的方向运动，也就是：若移动台朝基站的方向运动，则频率增加；则频率增加；u 反之，若移动台远离基站运动，则频反之，若移动台远离基站运动，则频率减少。率减少。共有共有N条条路径路径Ai为为幅度幅度即正态即正态分布分布设信号包络设信号包络的概率密度为的概率密度为f（），则：），则：)2exp()(

9、222f)0, 0(（式（式2-27）相当于均值，相当于均值，相当于标准相当于标准偏差，它们是两个参数偏差，它们是两个参数f（）与）与/的关系如图的关系如图2-11所示。所示。图图2-11 瑞利分布的概率密度瑞利分布的概率密度2.4 蜂窝系统工作原理蜂窝系统工作原理 什么是蜂窝什么是蜂窝 频率复用频率复用 多址方式多址方式 2.4.1 什么是蜂窝什么是蜂窝 什么是蜂窝呢？移动通信系统是采用一个什么是蜂窝呢？移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线覆盖服务的，基站的叫基站的设备来提供无线覆盖服务的，基站的覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝

10、。之为蜂窝。 早期的移动通信系统是在其覆盖区域中早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发射到整个覆盖地区（半径可达几十公号发射到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。里）。n 为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统的容量，可采用多个基站来覆盖给定的服务的容量，可采用多个基站来覆盖给定的服务区，每个基站的覆盖区称为一个小区。区，每个基站的覆盖区称为一个小区。n 根据服务区域类型的不同，可划分为带根据服务区域类型的不同，可划分为带状服务区和面状服务区。状服务区和面状服务区。1带状服务区带状服务区对于

11、公路、铁路、海岸等的覆盖可采用对于公路、铁路、海岸等的覆盖可采用带状服务区，如图带状服务区，如图2-23所示。基站天线所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，则每个小区带状网宜采用有向天线，则每个小区是扁圆形的。是扁圆形的。带状网进行频率复用可采用双频制，带状网进行频率复用可采用双频制，也可用多频制。也可用多频制。 图图2-23 带状服务区的覆盖带状服务区的覆盖2面状服务区面状服务区（1）小区的形状）小区的形状n 可以实现一个平面的覆盖。按交叠可以实现一个平面的覆盖。按交叠区的中心线所围成的面积形状看，区域区的中心线所围成的面积形

12、状看，区域的形状可分为正三角形、正方形和正六的形状可分为正三角形、正方形和正六角形三种。角形三种。可以证明，要用正多边形无空隙、无可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种，如图状只有这三种，如图2-24所示所示 。图图2-24 小区的形状小区的形状 由正三角形，正四边形、正六边形覆盖由正三角形，正四边形、正六边形覆盖一个平面时，各区域之同的中心距离、半个一个平面时，各区域之同的中心距离、半个区域面积、交叠部分面积以及交叠区宽度如区域面积、交叠部分面积以及交叠区宽度如下表下表2-4所示。所示。 表表2-4 三种形状小区的比较三种

13、形状小区的比较R是外接是外接圆的半径圆的半径2.6R21.3R21.2R20.35R20.73R2这里这里r应为应为R，即，即外接圆的半径外接圆的半径u由上图可见，正六边形的邻区距离及小由上图可见，正六边形的邻区距离及小区面积最大，这样用的基站就少一些。区面积最大，这样用的基站就少一些。u交叠区宽度及交叠区面积最小。为了避交叠区宽度及交叠区面积最小。为了避免干扰，要求重叠要尽量小。免干扰，要求重叠要尽量小。u因此将正六边形选为蜂窝小区形状因此将正六边形选为蜂窝小区形状（2）区群的组成）区群的组成 单位无线区群的构成应满足以下两个条单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻

14、接；二是件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：22babaN（式（式2-43） 式中式中N为构成单位无线区群的正六边形为构成单位无线区群的正六边形的数目，简称区群数。的数目，简称区群数。a和和b不能同时为零，不能同时为零，且是正整数。且是正整数。按照以上条件，可确定按照以上条件，可确定N有如下数值，相应的有如下数值，相应的区群形状如图区群形状如图2-25所示。所示。图图2-25 区群的组成区群的组成（3）中心激励和顶点激励）中心激励和顶点激

15、励根据基站的位置不同，可有两种激励方式：根据基站的位置不同，可有两种激励方式：如图如图2-26所示。所示。u 一种是基站位于正六边形的中心，称为一种是基站位于正六边形的中心，称为中心激励方式；中心激励方式；u 另一种是基站位于每个正六边形的三个另一种是基站位于每个正六边形的三个相隔的顶点上，称为相隔的顶点上，称为“顶点激励顶点激励”方式。方式。 图图2-26 两种激励方式示意图两种激励方式示意图n中心激励方式下，基站使用全向天线形中心激励方式下，基站使用全向天线形成圆形覆盖区；成圆形覆盖区；n顶点激励方式下，每个基站使用三个顶点激励方式下，每个基站使用三个120扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖。

16、扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖。n使用定向天线，抗同频干扰能力强，所使用定向天线，抗同频干扰能力强，所以一般使用顶点激励方式。以一般使用顶点激励方式。同频干扰同频干扰定向天线向左发定向天线向左发射，从而不干扰射，从而不干扰右边的右边的f1小区小区返回（4）盲点与热点）盲点与热点n盲点是指由于网络漏覆盖，使得该区域盲点是指由于网络漏覆盖，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低劣；的信号强度极弱，通信质量严重低劣；n热点是指由于存在商业中心等业务繁热点是指由于存在商业中心等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。布。n对于以上两对于以上两“点点”问题，往往通

17、过设问题，往往通过设置直放站、分裂小区等方法加以解决。置直放站、分裂小区等方法加以解决。简单的移动通信系统的组成简单的移动通信系统的组成先讲先讲MSCMSC，BSCBSCnMSC：移动交换中心：移动交换中心 （Mobile Switching Center）nBSC：基站控制器（：基站控制器（Base Station Controller）。它是基站收发台和移动交）。它是基站收发台和移动交换中心之间的连接点。换中心之间的连接点。 较复杂的移动通信系统的组成较复杂的移动通信系统的组成为了解决盲点而设置。为了解决盲点而设置。直放站也叫中继站，属于同频放大设备，它在直放站也叫中继站，属于同频放大设备

18、，它在无线电传输过程中起到信号增强的作用，如图无线电传输过程中起到信号增强的作用，如图2-272-27所示。所示。 直放站（直放站（Repeater）的设置）的设置滤波器滤波器下行选频模块下行选频模块图图2-27直放站在下行链路中，由施主天线从宿主基站提直放站在下行链路中，由施主天线从宿主基站提取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波信号经功放放大以后，再极好的隔离，将滤波信号经功放放大以后，再次发射到待覆盖区域。次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号以同样的工作方式由上

19、行放大链处理后发射到以同样的工作方式由上行放大链处理后发射到相应基站，从而达到基站与移动台间的信号传相应基站，从而达到基站与移动台间的信号传递。递。引入直放站有许多好处，如填补移动通信盲区以引入直放站有许多好处，如填补移动通信盲区以实现连续覆盖等等，但直放站的使用也会带来实现连续覆盖等等，但直放站的使用也会带来新问题，如时延等等。新问题，如时延等等。 分裂小区分裂小区在整个服务区中每个区的大小可以是相同在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。的，但这只能适应用户密度均匀的情况。事实上服务区内的用户密度是不均匀的，事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如居民区的用

20、户密度较高，而市郊区例如居民区的用户密度较高，而市郊区的用户密度较低。的用户密度较低。因此，在用户密度高的居民区可使小区的因此，在用户密度高的居民区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如图使小区的面积大一些，如图2-28所示。所示。图图2-28 小区的分裂小区的分裂（5）蜂窝的种类）蜂窝的种类 宏蜂窝小区宏蜂窝小区 微蜂窝小区微蜂窝小区 其它蜂窝小区其它蜂窝小区 小区按照半径大小一般分为卫星小区、小区按照半径大小一般分为卫星小区、宏小区、微小区、微微小区等几类，具体宏小区、微小区、微微小区等几类，具体见下表见下表2-5。表表2-5

21、小区的分类小区的分类2.4.2 频率复用频率复用1什么频率复用什么频率复用 蜂窝系统的基本出发点是频率复用，也蜂窝系统的基本出发点是频率复用，也称为频分复用（称为频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing），就是将用于传），就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道）以进行信号的传输。子信道）以进行信号的传输。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立保护信号互不

22、干扰，应在各子信道之间设立保护隔离带。频分复用技术的特点是所有子信道隔离带。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作。传输的信号以并行的方式工作。10KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保护带保护带 通常，不同区群的两个小区只要相互之通常，不同区群的两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，就可使用间的空间距离大于某一数值，就可使用相同的频道，而不会产生显著的同道干相同的频道，而不会产生显著的同道干扰，这样就实现了频率再用。扰，这样就实现了频率再用。 频率复用的优势是可以提高频谱效率，频率复用的优势是可以提高频谱效率，但劣势是如果系统设计得不好，将产

23、生但劣势是如果系统设计得不好，将产生严重的干扰，这种干扰称为同信道干扰。严重的干扰，这种干扰称为同信道干扰。2频率复用距离的计算频率复用距离的计算（1）D与与R的关系的关系 使用同一组频率的小区称为共道小区，使用同一组频率的小区称为共道小区，它们间产生的干扰叫共道干扰。它们间产生的干扰叫共道干扰。一个区群中的小区数愈少，则相邻区群的一个区群中的小区数愈少，则相邻区群的地理位置愈靠近，共道干扰就会愈强。地理位置愈靠近，共道干扰就会愈强。根据蜂窝系统的几何关系，设区群数为根据蜂窝系统的几何关系，设区群数为N，则有：则有：3D RN（式（式2-44） N是小区数，是小区数，D是同是同频小区的距离。频

24、小区的距离。D越越大，则干扰越小大，则干扰越小以前大区中频率只能用以前大区中频率只能用1次，而现次，而现在分成小区，频率用了很多次在分成小区，频率用了很多次R是小区外是小区外接圆的半径接圆的半径 载波干扰比：英文名称：载波干扰比：英文名称：carrier-to-interference ratio，C/I ，即载波功率（有用信，即载波功率（有用信号功率）与干扰信号功率的比值。号功率）与干扰信号功率的比值。 dB（分贝）是表示两个量的比值大小，本身（分贝）是表示两个量的比值大小，本身没有单位。没有单位。对电压或是电流的比值进行换算时，对电压或是电流的比值进行换算时，(A/B)dB = 20lg(

25、A/B)对功率的比值进行换算时，对功率的比值进行换算时，(A/B)dB = 10lg(A/B)假设载波功率是假设载波功率是200W，干扰信号功率是，干扰信号功率是2W，那么载干比那么载干比C/I = 200W/2W = 100，通常换算，通常换算成成dB值表示，也就是载干比为值表示，也就是载干比为10lg100 = 20dBa为衰为衰落指数落指数射频防射频防卫度卫度4个小区，个小区，12个扇区个扇区N是由（是由（C/I）s所确定，可推出：所确定，可推出：41()()6sDC IR （式（式2-45）D与与R的关系：的关系：()3DkR所以所以 sICk)(32（式（式2-46）对于对于7/21

26、复用方式（即复用方式（即7个基站，个基站，21个个小区使用小区使用21组频率），则同频复用距离组频率），则同频复用距离D为为 （式（式2-47）同理，对同理，对4/12复用方式，复用方式，D=6R；对对3/9复用方式，复用方式，D5.2R。33*217.9DkRRR 可见，区群内小区数可见，区群内小区数k越大，同信道越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。也就越好。但区群内小区数但区群内小区数k也不是越大越好，也不是越大越好，k大了以大了以后，用得设备多了，增加成本。后，用得设备多了，增加成本。所以，所以，k到底取多少，还是要综合考虑各方到底取

27、多少，还是要综合考虑各方面的因素。面的因素。2.4.3 多址方式多址方式 频分多址技术（频分多址技术（FDMAFDMA） 时分多址技术（时分多址技术（TDMATDMA） 码分多址技术码分多址技术 (CDMA) (CDMA) 1 频分多址技术（频分多址技术（FDMA, Frequency Division Multiple Address )n移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每个移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每个移动台预留一个信道，因此只能事先为每个基移动台预留一个信道，因此只能事先为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的小区内站配置好一组信道，供该基站所覆盖的小区内的所有移动台共用

28、。的所有移动台共用。n这就是信道共用问题。频分复用技术下，多个这就是信道共用问题。频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道。用户可以共享一个物理通信信道。 频分复用（频分复用（FDM）又称频分多址，是发送端对所）又称频分多址，是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带，即将载波带宽划分为多个不同频带的子信道。的频带，即将载波带宽划分为多个不同频带的子信道。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波滤波)，从，从混合信号中选出相应的信号，这样每个子信道可以单混合信号中选出相应的信号

29、，这样每个子信道可以单独并行地传送一路信号。如下页图。独并行地传送一路信号。如下页图。0KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保护带保护带n在单纯的在单纯的FDMA系统中，通常采用频分系统中，通常采用频分双工（双工（FDD）的方式来实现双工通信，）的方式来实现双工通信，即接收频率即接收频率F和发送频率和发送频率f是不同的。是不同的。n所以，为了使得同一部电台的收发之间所以，为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔不产生干扰，收发频率间隔f-F必须必须大于一定的数值，因此在大于一定的数值，因此在FDMA系统中，系统中，收发频段是分开的。收发频段是分开的。FDD

30、: Frequency Division Duplex 另外，在移动通信系统中，移动台与移动另外，在移动通信系统中，移动台与移动台之间是不能直接通信的，而必须经过台之间是不能直接通信的，而必须经过基站中转，如下图基站中转，如下图2-30所示。所示。图图2-302-30 FDMA系统的工作示意图系统的工作示意图 接收频率发送频率发送频率 从图从图2-30中还可以看出，两个移动台间通信通中还可以看出，两个移动台间通信通过基站的中转，需占两个上行子频段和两个下行过基站的中转，需占两个上行子频段和两个下行子频段，加上收发间的保护频带，因此子频段，加上收发间的保护频带，因此FDMA系系统的频率资源利用率

31、低。统的频率资源利用率低。 尽管存在着一些缺陷，但在整个通信领域，尽管存在着一些缺陷，但在整个通信领域，FDMA还是最经典的多址技术，已应用于许多通还是最经典的多址技术，已应用于许多通信系统中。信系统中。2 时分多址技术（时分多址技术（TDMA）时分多址是发送端对所发送信号的时间参时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。时隙。即在一个宽带的载波上，把时间分成周期即在一个宽带的载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，每性的帧，每一帧再分割成若干时隙，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个个时隙就是一个通信信道，分配

32、给一个用户。用户。在接收端再利用时间的正交性，通过时间在接收端再利用时间的正交性，通过时间选择，从混合信号中选出相应的信号。选择，从混合信号中选出相应的信号。0s500s1000s1500s2000s近年来，近年来，TDMA有较多的应用，如有较多的应用，如GSM中中主要使用了主要使用了TDMA技术。技术。TDMATDMA的基本工作原理如下的基本工作原理如下n 系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台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；在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号；n 为了保证不同传播时延情况下，各移动台到达为了保证不同传播时延情况下，各移动

33、台到达基站的信号不会重叠，通常在帧结构中有保护基站的信号不会重叠，通常在帧结构中有保护间隔比特，在此保护间隔内不传送信号；间隔比特，在此保护间隔内不传送信号；n 这样在满足定时和同步的条件下，基站可以在这样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。各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。 n 在在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上，但在在不同的频率上，但在TDD方式中，上下行方式中，上下行帧都在相同的频率上，如图帧都在相同的频率上，如图2-31所示。所示。n 在每一个子频带上又分了若干个子时隙，每个在每一个

34、子频带上又分了若干个子时隙，每个用户只占用子时隙进行通话。用户只占用子时隙进行通话。n 优点：优点：TDMA使得频率资源的利用率得到了很使得频率资源的利用率得到了很大的提高，即相同频率资源下可容纳比大的提高，即相同频率资源下可容纳比FDMA多几倍的用户数。多几倍的用户数。n 缺点：缺点：TDMA系统要注意通信中的同步和定时系统要注意通信中的同步和定时问题，否则会因为时隙的错位而导致接收端移问题，否则会因为时隙的错位而导致接收端移动台无法正常接收信息。动台无法正常接收信息。TDD: Time Division Duplex 图图2-312-31 TDMA系统的工作示意图系统的工作示意图 上下行帧

35、上下行帧频率不同频率不同图图2-312-31 TDMA系统的工作示意图系统的工作示意图 上下行帧上下行帧频率相同频率相同n在在TDMATDMA系统中，每帧中的时隙结构的设计通系统中，每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要的因素：常要考虑三个主要的因素：n一是控制和信令信息的传输；一是控制和信令信息的传输；n二是信道多径的影响；二是信道多径的影响；n三是系统的同步。三是系统的同步。n解决以上三个问题的主要方法是：解决以上三个问题的主要方法是：n一在每个时隙中专门划出部分比特用于一在每个时隙中专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输；控制和信令信息的传输；n二是在时隙中插入自适应均衡器所需的二是

36、在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列，并在上行链路的每个时隙中训练序列，并在上行链路的每个时隙中留出一定的保护间隔；留出一定的保护间隔；n三是在时隙中有专用的同步序列。三是在时隙中有专用的同步序列。3 码分多址技术码分多址技术(CDMA, Code Division Multiple Address)n 码分多址系统采用一组彼此正交的伪随机噪声码分多址系统采用一组彼此正交的伪随机噪声(PN)(PN)序列序列，作为扩频序列码对传输信号进行扩频调制作为扩频序列码对传输信号进行扩频调制；在接收端用相应的在接收端用相应的PNPN码通过相关处理解扩来实现多码通过相关处理解扩来实现多用户共享频率资源的功

37、能。用户共享频率资源的功能。n 该技术将每一来话编码，并在接收端进行解码，使该技术将每一来话编码，并在接收端进行解码，使大量用户能够共享同一无线电频率。大量用户能够共享同一无线电频率。n 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)有两种主要形式：直扩码分有两种主要形式：直扩码分(DS-(DS-CDMA)CDMA)与跳频码分（与跳频码分（FH-CDMAFH-CDMA），前者多用于民用，），前者多用于民用，后者多用于军事。后者多用于军事。 DS-CDMA: Direct Sequence-Code Division Multiple Access,即直接序列码即直接序列码分多址分多址 FH-CDMA

38、: Frequency-hopping code division multiple access n使用使用CDMACDMA的用户的发射信号在时间上、的用户的发射信号在时间上、频率上都可能相互重叠。频率上都可能相互重叠。n因此，采用传统的滤波器是不能分离信因此，采用传统的滤波器是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收。确接收。n为了实现双工通信，正向传输和反向传输为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个载波频率，即频分双工。各使用一个载波频率，即频分双工。n无论正向传输或反

39、向传输，除传输业务信无论正向传输或反向传输，除传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。息外，还必须传送相应的控制信息。n为了传送不同的信息，需要设置不同的信为了传送不同的信息，需要设置不同的信道。道。 自相关函数是描述随机信号自相关函数是描述随机信号X(t)在任意两个不同时刻在任意两个不同时刻t1,t2取值之间的相关程度。取值之间的相关程度。1212122121212( , )( )( )( ,; , )xxRt tE X t X tx x fx x t t dx dx 自相关函数自相关函数R(k)具有下列性质：具有下列性质： (1)对称性：对称性：R(k)=R(-k) (2)在在k=0处，

40、处， R(k)为最大值，即对于所为最大值，即对于所有有k来说，来说，| R(k)| R(0)即即R(tR(t1 1-t-t2 2),k=t),k=t1 1-t-t2 2 互相关函数可以描述两互相关函数可以描述两个随机信号个随机信号X(t)和和Y(t) 之间的相关程度。之间的相关程度。1212212( ,)( ) ( )( , ; ,)xyRt tE X t Y txyfx y t tdxdy n 在码分多址通信系统中，利用自相关性在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为很强而互相关值为0 0的周期性码序列作为地的周期性码序列作为地址码址码，与用户信息数据相乘（或模与用户信息数据相乘（

41、或模2 2加）加）；n经过相应的信道传输后，在接收端以本地经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉。把不一致的信号除掉。 基本工作原理如下：基本工作原理如下： 例如，图例如，图2-32中中d1-dN分别是分别是N个用户的信息个用户的信息数据，其对应的地址码分别为数据，其对应的地址码分别为W1-WN，为了，为了简明起见，假定系统有简明起见，假定系统有4个用户（即个用户（

42、即N=4），），各自的地址码为：各自的地址码为：1 , 1 , 1 , 11W1, 1 , 1, 12W1, 1, 1 , 13W1 , 1, 1, 14W（式（式2-59） 与（式与（式2-59）和（式）和（式2-60）相应的波形）相应的波形如图如图2-33。假设在某一时刻用户信息数据分别为：假设在某一时刻用户信息数据分别为： 11d 12d13d 14d，（式（式2-60） 图图2-32 2-32 码分多址收发系统示意图码分多址收发系统示意图 本地产生本地产生的地址码的地址码R端的波形端的波形是是S1-S4的叠的叠加加用户数用户数据据地址码地址码积分电路，积分电路，相当于低通相当于低通滤波

43、器滤波器图图2-332-33码分多址原理波形示意图码分多址原理波形示意图 W1与与d1相相乘得到乘得到S1J1是最后是最后输出的波输出的波形形n 与各自对应的地址码相乘后的波形与各自对应的地址码相乘后的波形S S1 1-S-S4 4如图如图2-332-33所示。所示。n在接收端，当系统处于同步状态时，在接在接收端，当系统处于同步状态时，在接收机中解调输出收机中解调输出R R端的波形是端的波形是S S1 1-S-S4 4的叠加的叠加。n如果欲接收某一用户（例如用户如果欲接收某一用户（例如用户2 2）的信息）的信息数据，本地产生的地址码应与该用户的地数据，本地产生的地址码应与该用户的地址码相同（址

44、码相同（W Wk k=W=W2 2）。）。 n 并且用此地址码与解调输出并且用此地址码与解调输出R R端的波形相乘，端的波形相乘，再送入积分电路，然后经过采样判决电路得到相再送入积分电路，然后经过采样判决电路得到相应的信息数据。应的信息数据。n如果本地产生的地址码与用户如果本地产生的地址码与用户2 2的地址码相同的地址码相同（即（即W Wk k=W=W2 2），经过相乘、积分电路后，产生的），经过相乘、积分电路后，产生的波形波形J J1 1-J-J4 4如图如图2-332-33所示，即：所示，即： 01J 12J 03J 04J（式（式2-61） ，n也就是在采样、判决电路前的信号是：也就是在

45、采样、判决电路前的信号是：0+0+、（-1-1）、）、+0+0、+0+0。n此时，虽然解调输出此时，虽然解调输出R R端的波形是端的波形是S S1 1-S-S4 4的叠的叠加，但是，因为要接收的是用户加，但是，因为要接收的是用户2 2的信息数的信息数据，本地产生地址码与用户据，本地产生地址码与用户2 2的地址码相同，的地址码相同，经过相关检测后，用户经过相关检测后，用户1 1、3 3、4 4所发射的信所发射的信号加到采样、判决电路前的信号是号加到采样、判决电路前的信号是0 0，对信，对信号的采样、判决没有影响。号的采样、判决没有影响。n采样、判决电路的输出信号是采样、判决电路的输出信号是r r

46、2 2=-1=-1，是用，是用户户2 2所发送的信息数据。所发送的信息数据。 以上所述的三种多址方式，可比较如以上所述的三种多址方式，可比较如下图下图2-34所示。由图所示。由图2-34可见：可见： FDMA多址方式是一种基本的多址方式，它靠多址方式是一种基本的多址方式，它靠不同的子频带来区分用户，其技术成熟、应用不同的子频带来区分用户，其技术成熟、应用广泛。广泛。 但是，单纯的但是，单纯的FDMA方式存在频率利用率低、方式存在频率利用率低、基站收发信机数量大等问题。基站收发信机数量大等问题。图图2-342-34 三种多址技术的对比三种多址技术的对比 FDMA1个频率只有个频率只有1个用户，个

47、用户，TDMA1个频率有个频率有3个个用户，用户，CDMA 1个频率有个频率有3的倍数的用户。的倍数的用户。 TDMA多址方式靠不同的子时隙来区分多址方式靠不同的子时隙来区分用户，它将时间划分成周期性的帧，每用户，它将时间划分成周期性的帧，每一帧分成若干时隙。一帧分成若干时隙。 这样一个载频就含有多个信道，从而一这样一个载频就含有多个信道，从而一个载频可供多个用户工作，基站的收发个载频可供多个用户工作，基站的收发设备数量减少。设备数量减少。 CDMA多址方式靠不同的正交多址方式靠不同的正交码型来区分用户；码型来区分用户； 它是在同频、同时条件下，各个它是在同频、同时条件下，各个接收机根据信号码

48、型之间的差异接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。分离出需要的信号。 与与FDMA和和TDMA相比，相比，CDMA具有很多优具有很多优点，含有频域、时域和码域三维信号。它具有抗点，含有频域、时域和码域三维信号。它具有抗干扰性好，同频率可在多个小区内重复使用，所干扰性好，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比要求的载干比(CI)小于小于1。所以。所以CDMA比其它系比其它系统的优势是：系统容量大、通话质量好等。统的优势是：系统容量大、通话质量好等。 因为因为CDMA的多种优势，所以它成了实现第三代移的多种优势，所以它成了实现第三代移动通信的关键。目前该技术发展成为多个标准，动通信的

49、关键。目前该技术发展成为多个标准，我国也有我国也有WCDMA、CDMA 2000和和TD-SCDMA三个标准，而且竞争激烈。三个标准，而且竞争激烈。即用户多2.5 移动通信系统的基本网络结构移动通信系统的基本网络结构 移动通信系统的组成移动通信系统的组成 全国蜂窝系统的网络结构全国蜂窝系统的网络结构 移动通信网的区域、号码、地址与识别移动通信网的区域、号码、地址与识别 我们以现有我们以现有2G移动通信系统为例，了解移动通信系统为例，了解其基本网络结构，具体如图其基本网络结构，具体如图2-35所示。所示。主要是由：主要是由：1、移动台子系统（、移动台子系统（MS）2、基站子系统（、基站子系统（B

50、SS）3、网络子系统（、网络子系统（NSS）4、操作支持子系统（、操作支持子系统（OSS）等四大部分组成。）等四大部分组成。 251 移动通信系统的组成移动通信系统的组成图图2-35 现有移动通信系统的基本网络结构框图现有移动通信系统的基本网络结构框图 移动台移动台子系统子系统基站子基站子系统系统网络子网络子系统系统操作支持操作支持子系统子系统1.移动台子系统（移动台子系统（MS）(Mobile Subsystem)：见书：见书P622.基站子系统（基站子系统（BSS）Base Station Subsystem （1）基站收发信台（）基站收发信台（BTS）base transceiver s

51、tation （2）基站控制器（）基站控制器（BSC）base station controller （3）码型变换器（）码型变换器（TC）code-converter 简单的移动通信系统的组成简单的移动通信系统的组成3.网络子系统（网络子系统（NSS）network subsystem （1）移动交换中心（）移动交换中心（MSC）Mobile Switching Center ，可以接入呼叫或接出呼可以接入呼叫或接出呼叫。叫。 MSC是整个是整个GSM网络的核心，它控制所有网络的核心，它控制所有BSC的业务，它可以把移动用户与移动用户、的业务，它可以把移动用户与移动用户、移动用户和固定网用户

52、互相连接起来。移动用户和固定网用户互相连接起来。 MSC从从GSM系统内的三个数据库，即归系统内的三个数据库，即归属位置寄存器（属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存）、拜访位置寄存器（器（VLR）和鉴权中心（）和鉴权中心（AUC）中获取）中获取用户位置登记和呼叫请求所需的全部数用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。据。较复杂的移动通信系统的组成较复杂的移动通信系统的组成（2）拜访地位置寄存器（）拜访地位置寄存器（VLR）Visitor location register：VLR存储进入其覆盖区的移动用户的信存储进入其覆盖区的移动用户的信息。这使得息。这使得MSC能够建立呼入能够建立呼入/呼出呼

53、呼出呼叫。另外见叫。另外见P64（3 3）归属地位置寄存器（）归属地位置寄存器（HLRHLR）Home Home location registerlocation register ：存放的是在本地存放的是在本地开户的信息。另外见开户的信息。另外见P64 HLR是归属位置寄存器，是归属位置寄存器，VLR是拜访位置寄是拜访位置寄存器。存器。 HLR中存放的是在本地开户的信息，中存放的是在本地开户的信息，VLR中中存放的是当前网络中正在使用的用户信息。存放的是当前网络中正在使用的用户信息。 比如你开户了，比如你开户了，HLR中就有你的开户信息，中就有你的开户信息，但如果你这几天出差漫游到了外地，

54、在本地的但如果你这几天出差漫游到了外地，在本地的VLR中就没有你的信息，而漫游地的中就没有你的信息，而漫游地的MSC就就会到原来的会到原来的HLR中调用你的信息存放到他的中调用你的信息存放到他的VLR中。中。 在现有的网络中，一个在现有的网络中，一个MSCMSC必然与一个必然与一个VLRVLR相随，当用户漫游到新的相随，当用户漫游到新的MSCMSC服务区服务区时，与此时，与此MSCMSC相联的相联的VLRVLR就会向用户归属就会向用户归属位置寄存器位置寄存器HLRHLR请求发送用户数据，以便请求发送用户数据，以便在新的在新的MSCMSC中提供相应的服务。中提供相应的服务。 HLRHLR将用户信

55、息拷贝到新的将用户信息拷贝到新的VLRVLR中，以完中，以完成用户位置更新。成用户位置更新。MSCVLR太原太原 本地本地MSCVLR北京北京 外地外地HLR（4 4）鉴权中心（）鉴权中心（AUCAUC或或ACAC）authentication centerauthentication center：见见P65P65（5 5）设备识别寄存器（）设备识别寄存器（EIREIR）equipment equipment identity registeridentity register ：P65（6 6）短消息中心（）短消息中心（SCSC）short message short message ce

56、ntercenter：P65P654.4.操作支持子系统操作支持子系统OSSOSS: operation : operation support subsystemsupport subsystem：P65P65 5.移动通信系统的网络接口移动通信系统的网络接口 (1)移动通信系统的外部接口移动通信系统的外部接口 a.首先是用户侧的接口首先是用户侧的接口，即移动台和用户的界即移动台和用户的界面，可认为是一个人机界面。面，可认为是一个人机界面。 b.其次是移动通信系统与其他电信网间的接口其次是移动通信系统与其他电信网间的接口，如与如与PSTN的接口。的接口。MSC通过移动网关通过移动网关GMSC

57、提供和公共电话交换网提供和公共电话交换网（PSTN）、综合业务数字网（）、综合业务数字网（ISDN）、公共数）、公共数据网（据网（PDN）等固定网的接口）等固定网的接口 c.再次是移动通信系统与运营者的接口再次是移动通信系统与运营者的接口 ，如如Um接口接口(2)移动交换子系统移动交换子系统MSS内部接口内部接口 a. B接口接口 b. C接口接口 c. D接口接口 d. E接口接口 e. F接口接口 f. G接口接口 g. MSC与与PSTN间的接口间的接口 Mobile Switching Subsystem(3)移动接入子系统内部接口移动接入子系统内部接口 a. A接口接口 b. Abi

58、s 接口接口 c. Um接口接口：见见P66 2.5.2 全国蜂窝系统的网络结构全国蜂窝系统的网络结构 移动通信网的网络结构视不同国家地移动通信网的网络结构视不同国家地区而定，地域大的国家一般分为三级：区而定，地域大的国家一般分为三级：l第一级为大区（或省级汇接局）第一级为大区（或省级汇接局）l第二级为省级地区汇接局第二级为省级地区汇接局l第三级为各基本业务区的第三级为各基本业务区的MSC。l我国采用三级组网结构，如图我国采用三级组网结构，如图2-37所示所示(P67)图图2-37 全国数字蜂窝全国数字蜂窝PLMN的网络结构及其与的网络结构及其与PSTN连连接的示意图接的示意图 移动网关，移动

59、网关，把移动用把移动用户和固话户和固话用户连接用户连接起来起来为移动电为移动电话长途局，话长途局，负责拨打负责拨打移动用户移动用户的长途话的长途话务，分两务，分两级，一级级，一级负责省际负责省际话务，二话务，二级负责省级负责省内话务内话务应改为应改为TMSC PLMN:陆上公用移动通信网（陆上公用移动通信网（Public Land Mobile Network） TmMSC本地本地MSC本地本地MSC为移动网中的本为移动网中的本地汇接局，负责地汇接局，负责把本地的移动用把本地的移动用户连接起来户连接起来（1 1）在各省或大区设有两个一级移动汇接）在各省或大区设有两个一级移动汇接中心，通常为单独

60、设置的移动业务汇接中心，通常为单独设置的移动业务汇接中心。中心。（2 2）每个省内至少应设有两个以）每个省内至少应设有两个以上的二级移动汇接中心，并把它上的二级移动汇接中心，并把它们置于省内主要城市。们置于省内主要城市。每个二级移动汇接中心与相应的两每个二级移动汇接中心与相应的两个一级移动汇接中心有电路连接。个一级移动汇接中心有电路连接。 （3）省内移动通信网中的每一个移动端）省内移动通信网中的每一个移动端局，至少应与省内两个二级汇接中心相局，至少应与省内两个二级汇接中心相连。连。253 移动通信网的区域、号码、地移动通信网的区域、号码、地址与识别址与识别 1.区域定义区域定义 移动通信中移动