6-移动通信的组网技术解析

移动通信的组网技术1区域覆盖2区群的构成和激励方式3多址接入技术4越区切换移动通信网就是承接移动通信业务的网络，主要完成移动用户之间、移动用户与固定用户之间的信息交换。这里的"信息交换”不仅是指双方的通信业务，还包括数据、传真和图像等通信业务。

一些移动通信网，直接向社会公众提供移动通信业务，

与公共交换电话网（PSTN)联系密切，并经专门的线路进入公共交换电话网，我们称之为公用移动电话网。也有的移动通信网是一些专用网，并不对公众开放，不进入电话网，或与PSTN的互连较少。例如，工业企业中的无线电调度网、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网，通常称为专用的移动通信网。

1.区域覆盖

任何移动通信网都有一定的覆盖区域,无线电波必须覆盖整个区域。

一个基站覆盖的范围,称为无线电区,简称小区。

移动通信网的覆盖范围很大,地形也较复杂,一般需要多个小区才能覆盖整个范围。

根据移动通信网的覆盖方式,可分为大区制和小区制。

1.1区域覆盖的概念一、大区制移动通信网

大区制就是在一个服务区域(如一个城市)内只有一个或几个基站（BaseStation，BS)，并由它负责移动通信的联络和控制，

如下图所示。

大区制移动通信示意图分集接受台通常为了扩大服务区域的范围,基站天线架设得都很高,发射机输出功率也较大(一般在200W左右),其覆盖半径大约为30～50km,天线很高(大于30米)。

为了解决两个方向上信号强度不一致的问题,可以在适当的地点设立若干个分集接收站,接受附近移动台的信号,然后通过有线传输给基站。

大区制的优点是网络结构简单、成本低,一般将基站的收发信设备与市话交换局连接起来,借助于很高的天线,为一个较大的服务区提供移动通信业务。

一个大区制系统的基站频道数是有限的,容量不大,不能满足用户数目日益增加的需要,一般用户数只能达到几十到几百个。大区制覆盖的移动通信方式只适用于中、小城市等业务量不大的地区或专用移动通信业务。

二、小区制移动通信网

小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区（Cell)，

每个小区分别设置一个基站，

负责本区移动通信的联络和控制。

同时，

又可在移动业务交换中心（MSC)的统一控制下，

实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。如下图所示。

小区制(蜂窝)移动通信网

每个小区（覆盖半径为5～10km，有的系统可达20km，目前小的有1～3km，有的城市为500m)各设一个小功率基站(BS1～BS7)，发射功率一般为5～10W，有的系统为10～20W，以满足各无线小区移动通信的需要。

可给每个小区分配不同的频率,但这样需要大量的频率资源,且频谱利用率低,为了提高频谱利用率,可在相隔一定距离的小区使用相同的频率,这样可使相同频率之间的小区干扰足够小,这种技术称为同频复用。如下图所示。

频率复用是移动通信系统解决用户增多而被有限频谱资源制约的有效手段。它能在有限的频谱上提供非常大的容量,而不需要做技术上的修改。一般来说,小区越小,单位面积容纳的用户量越多,即系统的频谱利用率越高。

1.同频复用蜂窝系统的频率复用

用户数增多并达到小区服务的最大限度时,把小区再分割成更小的蜂窝状区域,每个小区都有自己的基站,并相应减小新小区的发射功率和天线的高度,以适应业务增长的需求,这个过程被称为小区分裂。

2.小区分裂按小区半径的一半进行小区分裂示意图假设系统中所有小区都按小区半径的一半来分裂,如图所示,理论上,系统容量增长接近4倍。

3.蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统示意图

七个小区构成一个区群。小区与移动电话交换局（MTSO)相连。MTSO在网内负责控制和管理，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配、建立呼叫、频道切换、提供系统维护、性能测试和存储计费信息等。MTSO既保证移动用户之间的通信，也保证移动用户和有线用户之间的通信。

4.越区切换当移动台从一个小区（指基站或者基站的覆盖范围)移动到另一个小区时，为了保持移动用户的不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。

越区切换从技术上可分硬切换和软切换硬切换:新的连接建立前，先中断旧的连接。例如GSM系统。软切换:指既维持旧的连接，又同时建立新的连接。例如CDMA系统。

越区切换示意图越区切换从小区的性质上可分:

同一交换中心基站之间的越区

基站内不同扇区的切换

不同交换中心之间基站的越区切换

不同运营商之间的切换。

1.2移动通信网的网络结构

根据服务对象、地形的分布及干扰等因素，可以将小区制移动通信网划分为:带状网和蜂窝网(面状网)。

一、带状网带状网主要覆盖公路、铁路、海岸等,其服务区的用户分布呈带状。

基站天线若为定向(有向)天线辐射,服务覆盖区为扁圆形。基站天线若为全向天线辐射,服务覆盖区为圆形。

带状网可进行频率复用。如果采用两个小区组成一个区群称为双频制,如果采用三个小区组成一个区群称为三频制。

从成本和资源利用率而言，双频群最好;但从抗频干扰而言，双频群最差，还应考虑多频制。

BA

A

B双频制示意图二、蜂窝网（面状网)面状网是指服务区内用户的分布呈宽广的平面。服务区内小区的划分取决于电波传播的条件和天线的方向。如果基站采用全向天线,覆盖区实际上是一个圆,但从理论上说,圆形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖。

在进行服务区设计时,能有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形,这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种,如下图所示小区的形状

(a)正三角形;(b)正方形;(c)正六边形

对这三种图形进行比较可知,正六边形小区的中心距离最大,覆盖面积也最大,重叠区面积最小,即对于同样大小的服务区域,采用正六边形构成小区所需的小区数最少,因此所需的频率组数也最少,所以用正六边形组网是最经济的方式。

应该说明,这种规则的小区图形仅仅具有理论分析和设计意义,实际中的基站天线覆盖区不可能是规则正六边形。

我们把许多正六边形小区作为几何图形覆盖整个服务区所构成的形状类似蜂窝的移动通信网称为小区制蜂窝移动通信网或蜂窝网,下图给出了一个蜂窝网的全展开图形。

蜂窝小区覆盖2区群的构成和激励方式

蜂窝式移动通信网通常是由若干邻接的无线小区组成一个无线区群,再由若干无线区群构成整个服务区。

2.1区群的构成

防止同频干扰,同一区群的小区不得使用同一频率。只有在不同的区群中,才可以使用相同的频率。

构成单元无线区群的基本条件是:①区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积;②相邻单元中，同频道小区之间的距离保持相等，且为最大。

满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数N应满足下式:N=i2+ij+j2i和j分别是相邻同频小区之间的二维距离（相隔的小区数)，i和j为不能同时取0的正整数。

正六边形区群的构成2.2同频（信道)小区的距离

确定相邻区群同频小区的方法是:自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨越i个小区，再按逆时针方向转60°，然后再跨越j个小区，这样就可找出同频小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到6个相邻的同频小区，如下图所示。

D

设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r,则从上图可以算出同信道小区中心之间的距离为

可见群内小区数N越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。例如:N=3,D/r=3;N=7,D/r=4.6;N=19,D/r=7.55。

2.3激励方式中心激励方式：基站设在小区的中央，由全方向性天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的中心激励方式，如图（a)所示。顶点激励方式：将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形覆盖的定向天线，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120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的顶点激励方式，如图（b)所示。

两种激励方式

采用120°定向天线后,所接收到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频干扰。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。

在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，分配给各小区的频道数目也相同，但这只能适应用户密度均匀的情况。然而，事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如闹市区的用户密度大，话务量急增;郊区的用户密度较小，话务量也较小。随着城市建设的不断发展，原来的用户低密度区可能已变成高密度区。为了适应这种情况，在高用户密度的地区，应将小区面积划分得小一些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区所分配的频道数增多，满足话务量增大的需要。图中的数字表示信道数。

用户分布密度不等时的区域划分

另外,对于已设置好的蜂窝通信网,随着城市建设的发展,原来的低用户密度区可能变成了高用户密度区。当原有无线小区的用户密度高到出现话务阻塞时,这时可在该地区设置新的基站,将原有小区进一步细分(一分为二或一分为四),以增大系统的容量和密度,即采用小区分裂的方法解决问题。

在组网时,出于经费或地形地物等方面的考虑,会出现无线电波覆盖不到的地区,称之为盲区或死区,如图所示。为了实现整个服务区内的通信,使死区变活,消除盲区,通常在适当的地方建立直放站,以沟通盲区和死区内的移动台与基地站之间的通信。

移动通信网盲区直放机蜂窝网中的直放站反向天线(对基站)面向天线(对盲区)

直放站由反向天线(对基站方向)、直放机和前向天线(对盲区)组成。方向天线和前向天线一般采用高增益天线,直放机包括滤波、功率放大器等设备。

这种直放站通常可获得80dB左右的增益,覆盖距离约30-50km。由于这种方式简单,可靠,易于安装等特点,目前得到广泛应用。

3多址接入技术

蜂窝系统是以信道来区分对象的,一个信道只能容纳一个用户进行通话,许多同时通话的用户互相以信道来区分,这就是多址。

移动通信是一个多信道同时工作的系统,具有广播和大面积覆盖的特点。在电波覆盖区内,如何建立用户之间的无线信道的连接是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法即为多址接入技术。

一、频分多址(FDMA)

频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道),这些频道在频域上互不重叠,每个频道就是一个通信信道,供给一个用户使用。在模拟移动通信系统中,信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽,如25kHz或30kHz。如下图所示。

在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD)的方式来实现双工通信，即接收频率和发送频率是不同的，收发要有一定的间隔（保护频带)，此间隔必须大于一定的数值，例如，在800MHz和900MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。

FDMA的频道划分方法f实际上,在用户频道之间设有保护频隙,以避免系统频率漂移造成频道间重叠。

FDMA的频道划分方法思考：在FDMA中，两个用户之间要实现通话，需占用几个频道?BSFDMA系统工作示意图移动台通信时所占用的频道不是固定分配的,它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的,通信结束后,移动台将退出它所占用的频道,这些频道又可再分配给其它用户使用。

FDMA多址移动通信系统缺点就是频率利用率低,系统容量小。

二、时分多址(TDMA)时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。在无线信道上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的)，每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。如下图所示。

TDMA示意图TDMA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送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输,各移动台只要在指定的时隙内接收就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。

三、码分多址(CDMA)码分多址是基于码型分割信道的。在CDMA方式中,不同的用户传输信息所用的信号不是根据频率或时隙的不同来区分的,而是用各不相同的编码序列来区分的。如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号,而其他使用不同码型的信号不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰(称为多址干扰),各码型之间的互相关性越小,多址干扰就越小。

CDMA系统无论传送何种信息的信道，都是靠采用不同的码型来区分的，所以，此时"信道”一词的含义为"码型”。

4越区切换越区(过区)切换(Handover或Handoff)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。该过程也称为自动链路转移ALT(AutomaticLinkTransfer)。

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。

越区切换包括三个方面的问题：

①

越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换;②

越区切换如何控制;

③

越区切换时信道分配。一、越区切换的内容越区切换分为两大类:一类是硬切换，另一类是软切换。

二、越区切换的分类硬切换是指在新的连接建立以前,先中断旧的连接。

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。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。

CDMA系统的越区切换与FDMA或TDMA系统的越区切换是不同的。FDMA或TDMA系统的越区切换采用硬切换,而CDMA系统在同载波小区的越区切换采用软切换,不同载波小区的越区切换采用硬切换。

TD-SCDMA系统采用介于软切换和硬切换之间的新切换方法——接力切换。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号干扰比(SIR)、误比特率等参数来确定。

三、越区切换的准则假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图5-31所示。判定何时需要越区切换的准则如下:图5-31越区切换准则示意图1.相对信号强度准则（准则1）在任何时间都选择具有最强接收信号的基站,如图5-31中的A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是,在原基站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。

仅在移动用户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信号情况下，才可以进行越区切换。如图5-31所示，当门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。在该方法中，门限选择具有重要作用。如果门限太高，取为Th1，则该准则与准则1相同。如果门限太低，取为Th3，则会引起较大的越区时延，此时可能会因链路质量较差而导致通信中断。另一方面，它会对同道用户造成额外的干扰。

2.具有门限规定的相对信号强度准则（准则2）仅允许移动用户在新基站信号强度比原基站信号强度强很多（大于滞后余量)的情况下进行越区切换，如图5-31中的C点。该技术可防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。

3.具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3）4.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,并且