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1、,第四章 移动通信蜂窝组网技术,目录,移动通信网的基本概念,频率复用和蜂窝小区,多址接入技术,蜂窝移动通信系统的容量分析,话务量和呼损简介,移动通信网发展简介,移动通信网的信令系统,移动通信网的基本概念,蜂窝式 组网理论,移动通信 网络结构,移动通信网 的基本组成,实现系统在其覆盖区内良好的语音和数据 通信，这样的通信网就是移动通信网,移动通信网络结构,空中网络,地面网络,多址接入,服务区内各基站的相互连接,切换和位置更新,频率复用和蜂窝小区,基站与固定网络,蜂窝式组网理论,蜂窝式 小区覆盖,小功 率发射,频率 复用,多信 道共用,由若干无线 信道组成的 移动通信系 统，为大量 的用户共同 使
2、用并且仍 能满足服务 质量的信道 利用技术,由于传播损耗 提供足够的隔 离度，在相隔 一定距离的另 一个基站可以 重复使用同一 组工作频率 优点:增加了 系统容量 缺点:同频干扰,一个较低功 率的发射机 服务一个蜂 窝小区，在 较小的区域 内设置相当 数量的用户,将一个移动 通信服务区 划分成许多 以正六边形 为基本几何 图形的覆盖 区域,越区 切换,当正在通话 的移动台进 入相邻无线 小区时，业 务信道自动 切换到相邻 小区基站， 从而不中断 通信过程,移动通信网的基本组成,SS7,MSC2,（访问MSC）,BSS,BSS,SS,OMS,PSTN,MSC1,（归属）,SS,典型的蜂窝移动通信
3、系统,移动通信系统包括移动交换子系统SS、操作维护管理子系统OMS、基站子系统BSS、移动台MS，是一个完整的信息传输实体,移动通信无线服务区由许多正六边形蜂窝小区覆盖而成，通过接口与公众通信网（PSTN、PSDN）互联,各子系统功能,移动台（MS）由移动终端设备和用户数据两部分组成,操作维护管理子系统（OMS）负责管理控制整个移动网,基站子系统（BSS）和移动交换子系统（SS）共同建立呼叫,BSS提供并管理移动台和SS之间的无线传输通道 SS负责呼叫控制功能，所有呼叫都经由SS建立连接,用户识别卡（SIM）与移动终端设备分离，用于存放用户数据,频率复用和蜂窝小区,解决频率资源有限和用户容量问
4、题,大容 量的 小区制,大容量的小区制,带状服务覆盖区,同频相邻小区的找法,频率复用和覆盖方式,带状服务覆盖区,双频组频率配置 三频组频率配置,面状服务覆盖区簇,共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇 同一个小区簇内，要使用不同的频率 不同的小区簇间使用对应的相同频率,蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示,q=D/R=4.6 N=7,D,R,2,1,3,4,1,1,1,2,2,2,4,4,4,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4,4,4,4,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,5,5,5,5,5,5,5,6,6,6,6,6,6,6,7,7,7,7,7,7,
5、小区的覆盖形状,中心激励小区：安置在小区的中心 顶点激励小区：安置在六边形顶点之中的三个上,用最小的小区数就能覆盖整个地理区域 最接近于全向的基站天线和自由空间传播的全向辐射模式,由于地形地貌、传播环境、衰落形式的多样性，小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状,同频干扰,2,频率复用距离与小区簇的关系,小区簇的意义,载波干扰比与小区簇的关系,1,3,小区簇的意义,一个共有S个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含N个小区，每个小区分配K个信道（kS）,那么,如果簇在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可作为容量的一个度量,N叫做簇的大小，典型值为4、7或12。 N的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同
6、时，可以承受的干扰（主要是同频干扰）,频率复用距离与小区簇的关系1,频率复用距离（即同频距离）D是指最近的两个同频点小区中心之间的距离，在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线，其夹角为120。此两条直线分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为I和J，于是,N=7 频率复用设计示例,H为小区中心到边的距离 其中，R是小区的半径。,频率复用距离与小区簇的关系2,其中,N又称为频率复用因子,可见频率利用率与同频干扰是一对矛盾,推导载波干扰比与小区簇的关系1,假定小区的大小相同，移动台的接收功率门限按小区 大小调节。若设L为同频干扰小区数，则移动台的接 收载波干扰比可表示为,式中，C为最小载波
7、强度； 为第l个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率。,移动无线信道的传播特性表明：,小区中移动台接收到的最小载波强度C与 成正比,设 是第l个干扰源与移动台的间距，则移动台接收到的来自第l个干扰小区的载波功率与 成正比。n为衰落指数，一般取4。,推导载波干扰比与小区簇的关系2,如果每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径 衰落指数相同，则移动台的载干比可近似表示为：,通常在被干扰小区周围，干扰小区是多层，一般第一层起主要作用。,现仅考虑第一层干扰小区，且假定所有干扰基站与预设被干扰基站的间距相等，即 ，则载干比可简化为：,式中 为同频复用比例（也称同频干扰因子），一般用Q表示：,载波干扰比
8、与小区簇的关系,式表明了载干比和小区簇的关系 一般模拟移动通信系统要求 ， 假设n取值为4，根据上式可得出，簇N 最小为6.49，故一般取簇N的最小值为7 数字移动通信系统中 ，所以 可以采用较小的N值。,同频相邻小区的找法,i=3 j=2 N=19,在蜂窝小区中定位同频小区的方法,沿着任何一条六边形链移动i个小区 逆时针旋转60度再移动j个小区,切换和位置管理,信道切 换原理,位置 管理,信道切换原理1,切换：将处于通话状态的MS转移到新的业务信道上（新的小区）的过程,目的：实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性,操作 识别新的小区 分配给移
9、动台在新小区的话音信道和控制信道,信道切换原理2,原因 信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区。由移动台发起。 由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。由上级实体发起。,要求：切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户觉察不到 切换门限要恰当 切换前对信号的监视：保证信号电平的下降确实由于移动台正离开当前基站,信道切换原理处理切换请求,第一代模拟蜂窝系统,由基站完成,由MSC管理 数字TDMA第二代系统,移动台辅助切换(MAHO),方法,检测手段,目的：使切换请求优先于初始呼叫请求
10、原理：保留小区中所有可用信道的一小部分，专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务,信道监视方法,对切换请求进行排队,目的：减小中断的发生概率 原理：信号强度下降到切换门限以下和因信号太弱而通话中断之间的时间间隔是有限的,位置管理1,目的 把一个呼叫传送到随机移动的用户 主要任务 位置登记 已知移动台的实时位置信息时，更新位置数据库和认证移动台 呼叫传递 在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR（Home Location Register 归属寄存器）和VLR（Visitor Location Register 访问寄存器）中可用的位置信息来定位移动台,位置管理2,涉及问题 位置更新
11、（Location Update） 解决移动台如何发现位置变化以及何时报告当前位置的问题 位置寻呼（ Location Paging） 解决如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区的问题,多址接入技术,Step 1,Step 2,Step 3,多址接入方式,频分多址方式（FDMA）,时分多址方式（TDMA）,Step 4,Step 5,码分多址方式 （CDMA）,空分多址方式 （SDMA）,多址接入方式,目前应用的多址方式：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)及其混合方式等,频分多址（FDMA）方式,频谱分 割原理,主要 干扰,特 点,FDMA频谱分割原理,每个用户分
12、配一个信道，即一对频谱 较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道 较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道 必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信 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,FDMA频谱分割原理,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,FDMA系统频谱分割示意图,FDMA的主要干扰,FDMA系统的特点,每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现 符号时间 平均延迟扩展（Ts ） ，所以码间干扰较少，无需自适应均衡
13、基站复杂庞大，易产生信道间的互调干扰 必须使用带通滤波器来限制邻道干扰 越区切换复杂，必须瞬时中断传输，对于数据传输将带来数据的丢失,时分多址（TDMA）方式,工作 原理,系统 特点,TDMA工作原理1,TDMA,A,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,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发信号,B,C,TDMA工作原理2,TDMA帧结构,TDMA 系统工 作示意图,TDMA系统的特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为TDMA系统中需要较高的同步开销,发射信号速率随
14、N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡,不需双工器,基站复杂性小，互调干扰小,抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大,越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据,码分多址（CDMA）方式,工作原理,系统特点,存在问题,ONE,TWO,THREE,CDMA的工作原理,码分多址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 系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，才能对接收的信号进行相关检测,CDMA系统工作示意图,CDMA系统的特点,容量的软特性：多增加一个用户只会使通信质量
15、略有下降，不会出现硬阻塞现象,由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落,信道数据速率很高，无需自适应均衡,多用户共享同一频率,平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断,1,通信容量大,低信号功率谱密度的好处 抗窄带干扰能力强 对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段,2,3,4,5,6,7,CDMA系统的软切换过程,每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态 当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换,Play,CDMA系统存在问题,多址干扰,存在问题,“远-近”效应,原因 移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用 解决方法 使用功率控制,原因 不同用户的扩频序列不完全正交，扩频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰,空分多址（SDMA）方式,通过空间的分割来区别不同的用户 常与FDMA、TDMA、CDMA结合使用,SDMA的工作原理,使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束 相同的频率（在TDMA或C
