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1、,第5章蜂窝组网技术,5.1移动通信网络的构成 5.2多址接入技术 5.3多信道共用技术 5.4移动通信中的信令 5.5移动管理技术,5.1移动通信网络的构成5.1.1大区制移动通信网所谓大区制,就是在一个服务区内只有一个或几个基站，由该基站负责整个移动通信网的联络与控制，如图5-1所示。为了增大覆盖区半径，基站天线架设得很高，可达几十米至几百米；发射功率很大，一般为50200W，实际覆盖半径为3050km。,图5-1大区制移动通信示意图,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
2、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。,（2）基站采用全向天线发射和定向天线接收，可以获得810dB的接收增益。（3）基站采用分集接收的天线配置方案。（4）提高基站接收机的灵敏度。（5）在大的覆盖区内，用同频转发器扫描盲区，整个系统都能使用相同的频道，盲区中的移动台也不必转换频道，工作简单。,大区制的优点是系统组成简单，投资少，见效快。大区制的设计和组网代表移动通信的一个发展阶段，容量小、用户密度低的宏小区，以及大范围覆盖的专用集群移动通信系统等，都具有大区制移动通
3、信网的技术特点。例如20世纪40年代美国出现的公用汽车电话系统IMTS，就是一种大区制系统。另外，目前的区域寻呼系统以及集群移动通信系统等也大多采用大区制的组网方式。,5.1.2小区制蜂窝移动通信网络的构成1.蜂窝网的由来当用户数很多时，话务量相应增大，需要提供很多频道才能满足通话需要。为了增大服务面积，将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell)，每个小区设立基站，与用户移动台之间建立通信，小区的覆盖半径较小，可从几百米至几十千米。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
4、边形，这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种，如图5-2所示。,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，图5-3给出了一个蜂窝网的全展开图形。,图5-2小区的形状(a)正三角形；(b)正方形；(c)正六边形
5、,图5-3蜂窝小区覆盖,2.区群的结构在频分信道的蜂窝系统中，每个小区占有一定的频道，而且各个小区占用的频道是不相同的。假设每个小区分配一组载波频率，为避免相邻小区间产生干扰，各小区的载波频率不应相同。但因为频率资源有限，当小区覆盖不断扩大而且小区数目不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，为了提高频率资源的利用率，用空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，即将若干个小区组成一个区群或簇(Cluster)，区群内不同的小区使用不同的频率，另一区群对应的小区可重复使用相同的频率。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰，但当两同频小区间距足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量。,构成
6、单元无线区群的基本条件是：区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积；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=a2+ab+b2 （5.1）式中：a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离（相隔的小区数），如图5-3所示。a和b为不能同时取0的正整数。由式（5.1)的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构,如图5-4所示。,图5-4正六边形区群的构成,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a个小区，再按逆时针方向转60，然后再跨越b个小区，这样就可找出同频小
7、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，如图5-3所示。区群间同频复用距离可由下式计算：,（5.2）,式中:dg为同频复用小区之间的几何中心距离;N为区群内的小区数;r0为小区的辐射半径。可见，群内小区数N越大，同频道小区距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。,3.同频干扰保护与同频复用距离移动环境中对同频小区中心距离dg有何要求呢？下面我们从同频干扰概念出发进行分析。我们对区群内对应的无线小区使用相同的频率，这势必会造成干扰信号与有用信号以相同的频率进入到接收机的通频带，造成同频干扰，而且这种干扰是无法消除的。在移动通信组网过程中，防止同频道干扰的基本措施是通过基站站址的布
8、局，使同频复用的小区之间保持足够的距离以及进行合理的设计和频道配置，以满足同频道干扰保护比指标。,1）射频防护比为保证接收质量，接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比（S/I）必须大于某一个数值，这个数值就称为射频防卫比（即同频干扰保护比）。它与调制制度、可通率等因素有关。,对于模拟蜂窝移动通信网，射频防护比指标规定如下：静态条件下（不考虑快衰落和慢衰落及其他各种干扰的影响），要达到三级语音质量，并且可通率为90时，射频防护比应大于或等于8dB；要达到四级语音质量，射频防护比应大于或等于12dB。在动态条件下，则应在此基础上加上衰落和干扰余量。一般来说，对于三级语音质量，干扰保护比应取
9、25dB左右；而对于四级语音质量，应取30dB左右。对于数字蜂窝移动通信网，数字网情况下，因为采用先进的语音编码技术以及调制技术等，与模拟系统相比，在语音质量和可通率要求相同的情况下，所需的载干比可以降低，例如，对于GSM系统，在采用跳频时，干扰保护比取9dB，无跳频情况下取11dB就可以满足语音质量要求了。,2）同信道再用距离的计算影响同频复用距离的因素有调制制度、电波传播特性、小区半径、工作方式、可通率等。图5-5给出了计算同频道复用距离的示意图。假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区边缘时，容易受到基站B
10、发射的同频信号的干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰信号之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离就是同频道复用距离D。图中，DS为有用信号的传播距离，即小区半径r0，DI为干扰源到被干扰移动台的距离。下面具体分析同频道复用距离D与小区半径r0的关系。,在第2章我们已经得到平面大地上电波传播损耗的计算公式。设干扰信号与有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，则由式（2.10）可列出：,（5.3）,所以传播损耗之差为,（5.4）,设基站A和B的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和同频干扰功率分别为,（5.5）,所以有,（5.6）,将式（5.6）代入式（5.4）,
11、可以得到,（5.7）,4.激励方式中心激励：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5-6（a）所示。,图5-6两种激励方式,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5-6（b）所示。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13，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。,5.扇区划分技术为了扩大系统容量，FDMA系统和CDMA系统都使用了
12、扇区划分技术，其区别在于FDMA的每个扇区使用不同的载频，CDMA可以使用相同的载频。蜂窝系统中的同频干扰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，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。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。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。同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。通常将一个FDMA小区划分为3个120的扇区或是6个60的扇区，如图5-7(a)和(b)所示。,图5-7FDMA小区扇区划分（a）120裂向；（b）60裂向,FDMA采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区
13、中使用，如图5-7(a)和(b)所示。例如，假设有一个N=7小区复用情形，对于120扇区，第一层(包围该小区的小区群)干扰源数目由6下降到2,这是因为1个扇区只能接收到2个小区相应信道组的干扰。FDMA系统采用裂向方法会造成中继效率下降，话务量有所损失，所以一些运营商不用裂向方法。特别是在密集的市区，这些地方的定向天线模式在控制无线传播时往往失效。由于裂向中每个基站使用不止一根天线，小区中的可用信道必须进行划分并且对特定天线实行专用，这样就把可用的中继信道分为多个部分，从而降低了中继效率。,CDMA系统利用定向天线将小区分成几个扇区(典型的是120扇形天线)，每个扇区的基站仅接收来自确定方向的
14、用户信号(约为1/3)，因为干扰也是1/3，理论上将系统容量提高了3倍，由于相邻天线覆盖区有重叠，实际为2.55倍。扇区的划分是与系统业务量相匹配的，业务量较高的地区扇区划分得密集一些，这样可进一步提高系统效率。但是，扇区数增加了，容量增加了，同时也增加了软切换的次数。因此，扇区的划分应根据实际话务情况决定。扇区的划分技术和智能天线技术是有区别的，扇区的划分采用确定覆盖角度的定向天线对准该覆盖角度服务区的所有用户，而智能天线技术是在某定向天线的覆盖范围内用天线赋形的波束对准跟踪该覆盖范围的每一个用户。,6.小区分裂技术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
15、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，这种技术称为小区分裂。小区一般分为巨型区、宏小区、微小区、微微小区几类，具体指标见表5-1，各分类之间的关系如图5-8所示。,表5-1小区分裂,图5-8小区分类图,采用蜂窝小区分裂的方法，在有限的频率资源中通过缩小同频复用距离使单位面积的频道数增多
16、，系统容量增大。具体实施方法有两种：一是在原基站基础上采用方向性天线将小区扇形化，如图5-9(a)、(b)和(c)所示。一个全向天线的小区可以分裂成3个120扇形小区、6个60扇形小区、一个“三叶草”形无线区。二是将小区半径缩小并增加新基站，如图5-9(d)所示，方法是将原来较大的小区分裂成4个较小的小区，采用这种方法应将原基站天线高度适当降低，发射功率减少，努力避免小区间的同频干扰。,图5-9蜂窝小区的分裂方案（a）13;（b）16;（c）三叶草；（d）增加新基站的分裂,5.1.4基本网络结构移动通信的基本网络结构如图5-13所示。基站通过传输链路与移动交换机相连，交换机再与固定电信网络或其他通信网相连，所以移动通信有以下两种通信链路：(1)移动用户基站交换机其他网络其他用户;(2)移动用户基站交换机基站移动用户。,图5-13基本网络结构,基站与交换机之间、交换机与网络之间可采用有线链路（如光纤、同轴电缆、双绞线等），也可采用无线链路（如微波链路）。这些链路上传输的数字信号形式通常为PCM数字多路复用信号。通常每个基站要同时支持50路语音呼叫，每个交换机可以
