移动通信第2章.ppt

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1、第2章 移 动 通 信 网 第2章 移 动 通 信 网 2.1 引言引言 2.2 移动通信体制移动通信体制 2.3 移动通信的信道结构移动通信的信道结构 2.4 移动通信网的频率配置移动通信网的频率配置 2.5 移动通信环境下的干扰移动通信环境下的干扰 2.6 蜂窝移动通信网络的频率规划蜂窝移动通信网络的频率规划 2.7 多信道共用技术多信道共用技术 2.8 移动通信的交换技术移动通信的交换技术 2.9 信道自动选择方式信道自动选择方式 第2章 移 动 通 信 网 2.1 引引 言言 移动通信网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。公用移动电话网公用移动电话网直接向社会公众提

2、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。专用的移动通信网专用的移动通信网并不对公众开放，不进入电话网，或与PSTN的互连较少。第2章 移 动 通 信 网 2.2 移动通信体制移动通信体制根据服务区覆盖方式的不同服务区覆盖方式的不同可将移动通信网划分为：大区制大区制：是指在一个服务区（如一个城市）内只 设置一个或几个基地站，由它负责移动通 信的联络和控制。小区制小区制：是指将整个服务区划分成若干个无线小 区，每个小区分别设置一个基地站，由 它负责本区移动通信的联络和控制。第2章 移 动 通 信 网 2.2.1 大区制移动通信网大区制移动通信网 图图

3、2-1 大区制移动通信示意图大区制移动通信示意图 第2章 移 动 通 信 网 2.2.2 小区制（蜂窝）移动通信网小区制（蜂窝）移动通信网 图图2-2 小区制小区制(蜂窝蜂窝)移动通信网移动通信网 第2章 移 动 通 信 网 小区制优点：小区制优点：1、频谱利用率高。2、降低干扰。3、配置灵活。缺点：缺点：1、基站数增加，建设成本高。2、越区切换，控制成本增加。第2章 移 动 通 信 网 图图2-3 按小区半径的一半进行小区分裂示意图按小区半径的一半进行小区分裂示意图 第2章 移 动 通 信 网 蜂窝网蜂窝网全向天线的覆盖区域是一个圆形。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区域的有效覆盖区是一个多

4、边形。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，可取的形状只有这三种。第2章 移 动 通 信 网 蜂窝网蜂窝网在辐射半径r相同的情况下，计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如下表：第2章 移 动 通 信 网 蜂窝网蜂窝网在服务区面积一定的情况下：正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需要的基站数最少，也就是最经济。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此把小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。第2章 移 动 通 信 网 激励方式激励方式中心激励方式中心激励方式：基地站在小区的中心，由全向天线覆盖无线小区，这就是所谓的“中心激励”方式。顶

5、点激励方式顶点激励方式：若在每个正六边形不相邻的三个顶点上设置基地站，并采用定向天线形成覆盖区，这是“顶点激励”方式 第2章 移 动 通 信 网 2.3 移动通信的信道结构移动通信的信道结构 2.3.1 话音信道话音信道(VC)1.检测音检测音(SAT)在模拟蜂窝系统(AMPS和TACS)中，检测音(SAT)是指在话音传输期间连续发送的带外单音。MSC通过对SAT的检测，可以了解话音信道的传输质量。当话音信道单元发射机启动后，就会不断在带外(话音频带为3003400 Hz)发出检测音(5970 Hz或6000 Hz或6030 Hz)。第2章 移 动 通 信 网 2.数据数据 在一定情况下，在话

6、音信道上还可传递数据。例如，在越区切换时，通话将暂时中断(模拟蜂窝系统中一般要求限定在800 ms之内)，可利用这段时间在话音信道中，以数据形式传递必要的指令或交换数据。3.信号音信号音(ST)信号音为线路信号。它是由移动台发出的单向信号。例如，在BS寻呼MS过程中，如果BS收到MS发来的ST，就表示振铃成功。在切换过程中，原BS收到MS发来的ST信号，则表示MS对切换认可。ST是带内信号，一般在0300 Hz之间。第2章 移 动 通 信 网 2.3.2 控制信道控制信道(CC)1.寻呼寻呼 当移动用户被呼时，就在控制信道的下行信道发起呼叫移动台信号，所以将该信道称为寻呼信道(PC)。2.接入

7、接入 当移动用户主呼时，就在控制信道的上行信道发起主呼信号，所以将该信道称为接入信道(AC)。在控制信道中，不仅传递寻呼和接入信号，还传递大量的其他数据，如系统的常用报文、指定通话信道、重试(重新试呼)等信号。第2章 移 动 通 信 网 2.4 移动通信网的频率配置移动通信网的频率配置 表表2-1 我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率 系统或使用部门系统或使用部门 上行频率上行频率/MHz 下行频率下行频率/MHz 中国联通CDMA 825835 870880 中国移动GSM室内分布系统885890 930935 中国移动GSM900 890

8、909 935954 中国联通GSM900909915 954960 中国移动DCS1800 17101720 18051815 中国联通DCS1800 17451755 18401850 第2章 移 动 通 信 网 噪声：外部噪声包括自然噪声和人为噪声。噪声一般无法避免，而且它们的准确波形不能预测。这种不 能预测的噪声统称为随机噪声。2.5 移动通信环境下的干扰移动通信环境下的干扰 第2章 移 动 通 信 网 2.5.1 同频道干扰同频道干扰 1.同频道干扰保护比指标同频道干扰保护比指标 接收机输出端有用信号达到规定质量的情况下，在接收机输入端测得有用射频信号与同频无用射频信号之比的最小值，

9、称为同频道干扰保护比。第2章 移 动 通 信 网 2.同频道复用保护距离系数同频道复用保护距离系数D/r 图2-4 同频道复用保护距离系数 第2章 移 动 通 信 网 2.5.2 邻频道干扰邻频道干扰 工作在k频道的接收机受到工作于k1频道的信号的干扰，即邻道（k1频道）信号功率落入k频道的接收机通带内造成的干扰称为邻频道干扰。解决邻频道干扰的措施包括：（1）降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机带外辐射；（2）提高接收机的邻频道选择性；（3）在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。第2章 移 动 通 信 网 2.5.3 互调干扰互调干扰 两个或多个干

10、扰信号作用于非线性器件，产生与有用信号频率相接近的组合频率，从而对接收机造成的干扰即为互调干扰。第2章 移 动 通 信 网 晶体管的转移特性用幂级数表示，即 a0、a1、a2是晶体管特性决定的常数。设作用于晶体管的是三个信号之和，即 u=AcosfA+BcosfB+CcosfC将其代入上式，并展开整理可得：i=直流项+基频项+二次项+三次项+高于三次的项幅度很低二次项的生成频率远离工作频率第2章 移 动 通 信 网 a3(AcosfA+BcosfB+CcosfC)3=a3A2Bcos(2fA+fB)+cos(2fAfB)+a3B2Acos(2fB+fA)+cos(2fB fA)+a3A2Cco

11、s(2fA+fC)+cos(2fA fC)+a3C2Acos(2fC+fA)+cos(2fcfA)+a3B2Ccos(2fB+fC)+cos(2fBfC)+a3C2Bcos(2fC+fB)+cos(2fCfB)+a3ABCcos(fA+fBfC)+cos(fA+fCfB)+cos(fB+fCfA)+这里有两种形式的干扰频率，即二信号三阶互调和三信号三阶互调，表示为：2fAfB=fZ，fA+fBfC=fZ第2章 移 动 通 信 网 在专用网和小容量网中，互调干扰可能成为设台组网较关心的问题。产生互调干扰的基本条件是：（1）几个干扰信号（A、B、C）与受干扰信号的频率（S）之间满足2A-B=S或A

12、+B-C=S 的条件；（2）干扰信号的幅度足够大；（3）干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作。互调干扰分为发射机互调干扰和接收机互调干扰两类。第2章 移 动 通 信 网 1.发射机互调干扰发射机互调干扰 一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰，称为发射机互调干扰。减少发射机互调干扰的措施有：（1）加大发射机天线之间的距离；（2）采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔；（3）提高发射机的互调转换衰耗。第2章 移 动 通 信 网 2.接收机互调干扰接收机互调干扰 当多个强干扰

13、信号进入接收机前端电路时，在器件的非线性作用下，干扰信号互相混频后产生可落入接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰称为接收机互调干扰。减少接收机互调干扰的措施有：（1）提高接收机前端电路的线性度；（2）在接收机前端插入滤波器，提高其选择性；（3）选用无三阶互调的频道组工作。第2章 移 动 通 信 网 3.在设台组网中对抗互调干扰的措施在设台组网中对抗互调干扰的措施 （1）蜂窝移动通信网。由于需要频道多和采用空腔谐振式合成器，只有采用互调最小的等间隔频道配置方式，并依靠设备优良的互调抑制指标来抑制互调干扰。（2）专用的小容量移动通信网。主要采用不等间隔排列的无三阶互调的频道配置方法来避免发生互调

14、干扰。表2-4列出无三阶互调的频道序号。由表2-4可见，当需要的频道数较多时，频道利用率很低，故不适用于蜂窝网。第2章 移 动 通 信 网 表表2-4 无三阶互调干扰的信道组无三阶互调干扰的信道组 第2章 移 动 通 信 网 2.5.4 阻塞干扰阻塞干扰 当外界存在一个离接收机工作频率较远,但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时，由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高，使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰。这种干扰与干扰信号的幅度有关，幅度越大，干扰越严重。当干扰电压幅度非常强时，可导致接收机收不到有用信号而使通信中断。第2章 移 动 通 信 网 2.5.5 近端

15、对远端的干扰近端对远端的干扰 对于频率相近的移动台同时通信，近基站移动台信号淹没远方移动台信号。解决办法：一：使两个移动台所用频道拉开必要间隔；二：采用功率控制，使所有工作的移动台到达基站功率基本一致第2章 移 动 通 信 网 2.6 蜂窝移动通信网络的频率规划蜂窝移动通信网络的频率规划 2.6.1 等频距分配法等频距分配法 按等频率间隔来配置信道。信道间的最小频率间隔最大。有效的避免邻道干扰。第2章 移 动 通 信 网 等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔，例如，第一组用(1，1+N，1+2N，1+3N，)，第二组用(2，2+N，2+2N，2+3N，)等。例

16、如N=7，则信道的配置为：第一组 1、8、15、22、29、第二组 2、9、16、23、30、第三组 3、10、17、24、31、第四组 4、11、18、25、32、第五组 5、12、19、26、33、第六组 6、13、20、27、34、第七组 7、14、21、28、35、第2章 移 动 通 信 网 图2-5 12小区为一簇，全向天线无线小区模型无线小区模型(目前常用的无线区群的模型有三种目前常用的无线区群的模型有三种)第2章 移 动 通 信 网 图2-6 4个基站24个扇形无线小区，60定向天线第2章 移 动 通 信 网 图2-7 7基站，21扇区，120定向天线第2章 移 动 通 信 网

17、用户分布密度不等时的区域划分 第2章 移 动 通 信 网 2.6.2 信道分配策略信道分配策略“固定配置”将某一组信道固定配置给某一基站。“动态配置法”随业务量的变化重新配置全部信道；“柔性配置法”准备若干个信道，需要时提供给某一小区使用。第2章 移 动 通 信 网 信道分配策略固定配置法，只能适用于移动台业务分布相对固定的情况，小区之间的信道无法相互调剂，因此频率的利用率不高。动态配置法，频率利用率可提高2050，但要及时算出新的配置方案，且能避免各类干扰，电台及天线共用器等装备也要能适应，这是十分困难的。柔性配置法，控制比较简单，只要预留部分信道使各基站都能共用，可应付局部业务量变化的情况

18、，是一种比较实用的方法。第2章 移 动 通 信 网 2.7 多信道共用技术多信道共用技术 独立信道方式：对一个无线小区内的用户分别指定一个信道，不同信道内的用户不能互换信道。多用户共用：无线小区内的N个信道，为该小区内所有用户共用，当k（kn的情况。第2章 移 动 通 信 网 忙时话务量忙时话务量 用户忙时话务量，就是指一天中最忙的那个小时（即“忙时”之意）的每个用户的平均话务量，用 来表示。第2章 移 动 通 信 网 忙时集中度忙时话务量与全日话务量之比称为忙时集中度（系数），用K表示。通常，K为814%。用户忙时话务量的如下表达式：C每用户每天平均呼叫次数；每次呼叫平均占用信道的时间，单位

19、秒。第2章 移 动 通 信 网 例如，每天平均呼叫三次（C=3次/天），每次呼叫平均占用2分钟（T=120秒/次），集中系数为10%（K=0.1），则每个用户忙时话务量为0.01Erl/用户。第2章 移 动 通 信 网 2.7.2 2.7.2 系统容量系统容量在多信道公用时，容量有二种表示法：（1）系统所能容纳的用户数（M）（2）每个信道所能容纳的用户数（m）式中：n共用信道数；A全日总话务量；Aa每个用户忙时话务量。第2章 移 动 通 信 网 信道利用率信道利用率多信道共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量，因此：第2章 移 动 通 信 网 5.举例举例设每个用户的忙时话务量Aa=0

20、.01Erl，呼损率B=10%，现有8个无线信道，采用两种不同技术，即多信道共用和独立信道方式组成两个系统，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n8，B10，查表得A5.597(Erl)。第2章 移 动 通 信 网 对于独立信道方式：因为是独立信道方式，所以n1；已知B10和n1，查表得A0.111（Erl）本例中，多信道共用与独立信道方式相比较，信道容纳用户数前者是后者的6.3倍。因此，多信道共用技术是提高信道利用率，也就是频率利用率的一种重要手段。第2章 移 动 通 信 网 2.8 2.8 越区切换和位置管理越区切换和位置管理 2.8.1 越区切换越区切换 越区切换(

21、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。第2章 移 动 通 信 网 越区切换包括三个方面的问题：越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；越区切换的控制策略；越区切换时信道分配。研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔等。第2章 移 动 通 信 网 越区切换分为两类：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，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

22、质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。第2章 移 动 通 信 网 1.越区切换的准则越区切换的准则 在决定何时需要进入越区切换时，通常是根据移动台处接收的信号平均强度。也可以根据移动台处的信噪比、误比特率等参数来确定。第2章 移 动 通 信 网 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2.20所示。判定何时需要越区切换的准则如下：图2.20 越区切换示意图 1、相对信号强度准则2、具有门限规定的相对信号强度准则3、具有滞后余量的相对信号强度准则4、具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则第2章 移 动 通 信 网(1)移动台控制的越区切换移动台控制的越区切换 移动台连续检测

23、当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。2.越区切换的控制策略越区切换的控制策略第2章 移 动 通 信 网(2)网络控制的越区切换网络控制的越区切换 基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过旧基站通知移动台并通知新基站。第2章 移 动 通 信 网(3)移动台辅助的越区切换移动台辅助的越区切换网络要求移动台测量其周围基

24、站的信号质量并结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪个基站。第2章 移 动 通 信 网 3.越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配 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。这种做法的特点是：1、可用信道数的减少，增加呼损率。2、减少了通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。第2章 移 动 通 信 网 2.6.2 位位 置置 管管 理理 在移动通信系统中，用户可在系统覆盖范围内任意移动。为了能把一个呼叫传送到一个随机移动用户，就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。第2章 移 动 通 信 网 位置管理包括两个主要任务：位置登记（Locati

25、on Registration）和呼叫传递（Call Delivery）。位置登记：移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库（HLR和VLR）和认证移动台。呼叫传递：有呼叫给移动台的情况下，根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位移动台。第2章 移 动 通 信 网 位置管理所追求的目标就是以尽可能小的处理能力和附加的业务量，来最快地确定用户位置，以求容纳尽可能多的用户。位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力：数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力：传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。第2章 移 动 通 信 网 2.9 2.9 信道选择方式信道选择方

26、式 在采用多信道共用技术时，如何确定所需的信道数n和按什么原则和模式来指配这n个信道的问题。选用的应当是空闲信道，且必须是自动的、高速的。目前，在移动通信这个领域里，常用的信道选择方式有下列四种：第2章 移 动 通 信 网 2.9.1 2.9.1 专用呼叫信道方式专用呼叫信道方式这种方式是将系统中的一个信道专门用来处理呼叫及为移动台指定通话用的信道，而它(或它们)本身则不再作通话用。在这种方式下，移动台只要一开机，都守候在这个控制信道上。优点：专用呼叫信道处理一次呼叫的速度快（几百毫秒），入网时间短。缺点：当系统的信道不多时，控制信道就不能被充分利用。因此专用呼叫信道方式适合于大容量移动通信系

27、统。例如：蜂窝系统。第2章 移 动 通 信 网 2.9.2 2.9.2 循环定位方式循环定位方式在此方式中，不设专用呼叫信道，基站临时指定一个信道做呼叫信道，在这个信道上发出空闲信号。移动台自动对全部信道搜索，一旦收到空闲信号，就停在该信道。当某个用户叫通后，就在此信道通话。基站另外选一个空闲信道作为临时呼叫信道发空闲音，所有未通话移动台自动转到新的临时呼叫信道守候。第2章 移 动 通 信 网 优点：1、全部信道都可用作通话，信道利用率高。2、平时都已停在一个空闲信道上，不论主呼 还是被呼都能立即进行，接续快。缺点：由于全部未通话的移动台都停在同一个空闲信道上，同时起呼的概率较大，容易出现“碰

28、撞”。因此，这种方式适用于信道数较少的小容量系统。如美国Uniden公司生产的集群通信系统就是采用此方式。第2章 移 动 通 信 网 2.9.3 循环不定位方式循环不定位方式 该方式是基站在所有空闲信道上都发空闲信号，不通话的移动台自动扫描，随机停靠在某个空闲信道。基站呼叫移动台时，选择一个空闲信道发召集音（其他空闲信道停发空闲音），然后发选呼信号。移动台扫描召集信号，停在该信道等待被呼，未被呼中则重新扫描空闲信道。优点：降低同抢概率。缺点：接续时间长，有互调干扰，只适合信道少的系统。第2章 移 动 通 信 网 2.9.4 循环分散定位方式循环分散定位方式 这种方式是介于以上两种循环方式之间的一种方式。基站在所有空闲信道上都发空闲信号，未通话的移动台自动扫描停在有空闲信号的信道上。移动台主呼是在各自的空闲信道上进行，基站主呼则是在所有空闲信道上发出。优点：接续快，同抢概率小。缺点：互调干扰严重，只适合小容量系统。