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1、会计学1移动通信技术移动通信技术移动通信系统组网移动通信系统组网蜂窝系统的移动性管理蜂窝系统的移动性管理4.5蜂窝网络设计应用实例蜂窝网络设计应用实例4.6蜂窝组网系统干扰和容量分析蜂窝组网系统干扰和容量分析4.4第1页/共94页n n本章主要内容如下。n n 蜂窝组网的必要性及蜂窝小区的特性。n n 无线系统的信道分配策略。n n 多信道共用的意义。第2页/共94页n n 话务量、服务等级和信道数的关系。n n 蜂窝组网干扰和不同接入方式的容量分析。n n 蜂窝系统的移动性管理。n n GSM系统的蜂窝网络设计。第3页/共94页4.1 蜂窝组网技术蜂窝组网技术n n4.1.1 4.1.1 移
2、动通信网的区域覆盖移动通信网的区域覆盖n n1 1大区制大区制n n 大区制是指在特定的服务区内只设一个基站，负责服务区内所有用户的无线链路使用，如图4-1所示。第4页/共94页图图4-1大区制示意图大区制示意图第5页/共94页2 2小区制小区制小区制小区制n n（1 1）小区制的特点）小区制的特点n n 在小区制（每个基站仅覆盖一个小区）网络中为了满足系统频率资源和频谱利用率之间的约束关系，我们需要将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用来达到系统的要求。第6页/共94页图图4-2小区制示意图小区制示意图第7页/共94页（2 2）带状网）带状网）带状网）带状网n n 带状网主要用于覆盖公路
3、、铁路、水运航道、海岸沿线等狭长区域，如图4-3所示。n n 基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的，如图4-3（a）所示，带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形，如图4-3（b）所示。第8页/共94页图图4-3带状网带状网第9页/共94页（3 3）面状网）面状网）面状网）面状网n n 假定整个服务区的地形、地物相同，基站采用全向天线无空隙地覆盖整个平面的服务区，全向天线辐射的覆盖区域是一个圆。n n 圆形辐射区之间一定含有很多的交叠，在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。n n 小区形状如图4-6所示。第10页/共94页图图4-6小区的形状小区的形状第11页/共94
4、页n n 在辐射半径r相同的条件下，计算出3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表4-2所示，定性分析也可由图4-6直接看出。第12页/共94页表表4-23种形状小区的比较种形状小区的比较第13页/共94页4.1.2 蜂窝小区的特性蜂窝小区的特性n n1 1区群的构成区群的构成n n 在移动通信中，为了避免同信道干扰，相邻小区显然不能用相同的信道。n n 为了保证同信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的信道。第14页/共94页n n 这些不同信道的小区组成一个区群，称为单位无线区群，也叫作一簇。n n 只有不同区群内的小区才能进行信道再用。n n 单位无线区
5、群的构成应满足两个基本条件。第15页/共94页n n（1）单位区群之间可以无空隙无重叠地进行邻接。n n（2）邻接之后的区群应保证同信道小区之间的中心距离相等。n n 单位无线区群内小区的个数（N）应满足下式：i，j为正整数为正整数第16页/共94页2 2频率复用的概念频率复用的概念频率复用的概念频率复用的概念n n 频率复用的机理基于无线电波传播路径损耗特性，即如果两个基站之间的距离足够远，那么用于一个基站的频率可以在另一个基站上复用。第17页/共94页n n 为了理解频率复用的概念，考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。n n 如果每个小区都分配k个信道（kS），S个信道在N个小区中分
6、为各不相同的、各自独立的信道组，那么可用信道的总数（S）与单位区群内小区的个数（N）以及每小区信道数（k）的关系可表示为n nS=kN 第18页/共94页n n 如果单位区群在系统中复制了M次，则双向信道的总数C可以作为容量的一个度量，即n nC=MS=MkN 第19页/共94页3 3区群结构的实现区群结构的实现区群结构的实现区群结构的实现n n 单位区群内小区数N越大，同信道小区的距离D就越远，抗同频干扰的性能就越好。n n 但是相应地，单位区群内小区数N越大，需要的信道组越多，频谱利用率下降。n n 所以单位区群内小区数N与同信道小区的距离D为互为矛盾的指标，须折中考虑。第20页/共94页
7、n n 实际应用中，将D/r值定义为共道干扰抑制因子、共道再用因子或同频复用因子，用Q表示，即第21页/共94页4 4中心激励和顶点激励中心激励和顶点激励中心激励和顶点激励中心激励和顶点激励n n 在每个小区中，基站可以设在小区的中央，n n用全向天线形成圆形覆盖区，这就是“中心激n n励”方式，如图4-10（a）所示。第22页/共94页n n 也可以将基站设计在每个小区六边形的3个n n顶点上，每个基站采用3副扇形辐射的定向天线，n n分别覆盖3个相邻小区的各三分之一区域，每个n n小区由3副120扇形天线共同覆盖，这就是所n n谓的“顶点激励”方式，如图4-10（b）所示。第23页/共94
8、页图图4-10两种激励方式两种激励方式第24页/共94页5 5蜂窝小区增加容量的方法蜂窝小区增加容量的方法蜂窝小区增加容量的方法蜂窝小区增加容量的方法n n 常用的扩容技术有：小区分裂、扇区划分、选用直放站、微小区技术等。n n 下面重点介绍小区分裂和扇区划分技术。第25页/共94页（1 1）小区分裂）小区分裂）小区分裂）小区分裂 n n 小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统容量的增长，同时采用同频复用因子不变的信道分配策略，通过减小小区半径、重组系统来获得容量的增加。第26页/共94页（2）扇区划分技术n n 蜂窝移动通信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
9、向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一个特定的扇区。n n 这种使用定向天线来减少同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做扇区划分技术。第27页/共94页n n 扇区划分技术与小区分裂不同，它可以保持小区半径不变，容量的提高是通过减少同频干扰以达到提高频率利用率来实现的。第28页/共94页4.2 无线系统的信道分配无线系统的信道分配n n1 1频道分组的原则频道分组的原则n n（1 1）频道分组的原则）频道分组的原则n n 根据不同的移动通信系统的无线频率使用要求，选择双工方式、载频中心频率、频道间隔、收发间隔等。第29页/共94页n n 确定无互调干扰或尽量减小互调干扰的分组方法。n n 考虑有
10、效利用频率资源、减小基站天线高度和尽量减小发射功率，在满足射频防护比的前提下，确定频道分组数。第30页/共94页（2 2）频道分配时需注意的问题）频道分配时需注意的问题）频道分配时需注意的问题）频道分配时需注意的问题n n 在同一频道组中不能有相邻序号的频道。n n 相邻序号的频道不能分配于相邻小区或相邻扇区。第31页/共94页n n 应根据移动通信设备抗邻道干扰能力来设定相邻频道的最小频率间隔。n n 根据规定的射频防护比建立频率复用的频道分配图案。n n 保证频率计划、远期规划、新归网和重叠网频率分配的协调一致。第32页/共94页2 2固定频道分配方法固定频道分配方法固定频道分配方法固定频
11、道分配方法n n（1 1）分区分组分配法）分区分组分配法n n 分区分组分配法频率分配原则如下。n n 尽量减少占用的总频段，提高频谱的利用率。第33页/共94页n n 单位无线区群中不能使用相同的频道，以避免同频道干扰。n n 每个无线小区应采用无三阶互调的频道组，以避免三阶互调干扰。第34页/共94页（2 2）等频距分配法）等频距分配法）等频距分配法）等频距分配法n n 等频距分配法是按等频率间隔来配置信道的，只要频距选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰。n n 这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系，但正因为频距大，干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用到非线性器件上，这也就避免
12、了互调的产生。第35页/共94页3 3动态分配方法动态分配方法动态分配方法动态分配方法n n（1 1）动态配置法）动态配置法n n 动态配置法是根据移动用户话务量随时间和位置的变化对频道进行分配。n n 也就是说，频道不是固定地分配给某一小区，移动台可在小区内使用系统的任何一个频道。第36页/共94页（2 2）柔性配置法）柔性配置法）柔性配置法）柔性配置法n n 柔性配置是指首先分配给多个小区共用信道，利用这些小区话务量高峰时间段的不同，控制话务量高峰小区顺序地使用话务量小的小区不使用的共用信道，为话务量高峰小区服务。n n 柔性配置法适于预先可预测话务量变动的情况。第37页/共94页4.3
13、多信道共用多信道共用n n4.3.1 4.3.1 多信道共用的意义多信道共用的意义n n 在双工移动通信系统中，移动用户在通话时要占用一条信道。n n 由于频谱资源的限制，用户数总是大于信道数。n n 蜂窝移动通信系统使用多信道共用技术缓解频谱资源有限和用户数多的矛盾。第38页/共94页n n 多信道共用是指系统允许大量的用户在一个小区内共享少量的信道。n n 每个用户只在呼叫时才分配一个信道，一旦通话终止，用户占用的信道马上释放供其他用户使用。第39页/共94页4.3.2 话务量、服务等级和话务量、服务等级和信道数的关系信道数的关系n n1 1话务量与服务等级的概念话务量与服务等级的概念n
14、n（1 1）话务量）话务量n n 话务量是衡量通信系统中语音业务量大小的度量，分为流入话务量和完成话务量。n n 流入话务量（A）定义为在一特定时间内呼叫次数（）与每次呼叫平均占用时间（S）的乘积，即n nA=S第40页/共94页n n式中，A无量纲，单位为厄兰（Erlang，Erl）；的单位为次/h；S的单位为h/次。第41页/共94页（2 2）用户忙时话务量）用户忙时话务量）用户忙时话务量）用户忙时话务量n n 在工程设计和计算中，常用到忙时话务量的概念，因为每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计时应按最忙时的话务量来进行估算。第42页/共94页n n 最忙1小时内的话务量与
15、全天话务量之比称为忙时集中率，用K表示，定义为n n 每个用户的忙时话务量需要统计的方法确定，一般K=10%15%。第43页/共94页（3 3）服务等级）服务等级）服务等级）服务等级n n 服务等级用来度量多信道复用状态下移动系统最忙时用户进入系统的能力。n n 呼叫阻塞的概率（呼损率）。n n 呼叫阻塞延迟。第44页/共94页2 2话务量、服务等级和信道数的关系话务量、服务等级和信道数的关系话务量、服务等级和信道数的关系话务量、服务等级和信道数的关系n n（1 1）厄兰）厄兰B B公式公式n n 呼损率概念。在信道共用的情况下，由于移动用户发起呼叫是随机的，每次通话的时间长度也是随机的。当信
16、道有空闲时，新发起的呼叫能被接续，呼叫成功；当信道全部被占用时，新发起的呼叫不能被接续，呼叫失败，即发生呼损。第45页/共94页n n 呼损率的计算。对于多信道共用的移动通信系统来说，假设呼叫具有下面性质。第46页/共94页l l独立，用户数量为无限大。l l概率相等，呼叫分布服从泊松分布。l l呼叫请求的到达无记忆性。l l可用的信道数目有限。l l用户占用信道的概率服从指数分布。第47页/共94页n n 根据话务理论，呼损率（B）、共用信道数（N）和流入话务量（A）三者的定量关系可用厄兰B公式表示为第48页/共94页n n 若已知呼损率B，根据上式可推导出A和N的对应数量关系，而A/N就是
17、在一定呼损率下每条信道的平均流入话务量。第49页/共94页n n 在实际工程中，为计算方便，把不同呼损率B条件下的信道数N及话务量A列成表格，称为厄兰B表。第50页/共94页3 3信道利用率信道利用率信道利用率信道利用率n n 信道利用率（）定义为每条信道完成话务量和总的信道数之比，若总的信道数为N，完成的话务量为 ，则n n 信道利用率是系统信道利用程度的度量。第51页/共94页4.3.3 空闲信道的选取空闲信道的选取n n1 1空闲信道的选取方式空闲信道的选取方式n n 空闲信道的选取方式主要分为两大类：一类是专用呼叫信道方式；另一类是标明空闲信道方式。第52页/共94页2 2专用呼叫信道
18、专用呼叫信道专用呼叫信道专用呼叫信道n n 专用呼叫信道方式或共用信令信道方式是指系统在给定的多个信道中，设置1条或2条专门用于呼叫的信道作为控制信道，控制信道的作用如下。n n（1）处理基站到移动台或移动台到基站的呼叫。n n（2）指定语音信道或业务信道。第53页/共94页4.4 蜂窝组网系统干扰和容量分蜂窝组网系统干扰和容量分析析n n4.4.1 4.4.1 蜂窝组网干扰分析蜂窝组网干扰分析n n 蜂窝通信系统由于采用了频率复用技术，使得系统容量得到了提高，同时产生了共道小区之间存在的相同频率上的相互干扰，也称为共道或同道干扰。共道干扰分两种情况。第54页/共94页n n（1）基站受共道小
19、区中移动台的干扰。n n（2）移动台受共道小区中基站的干扰。第55页/共94页4.4.2 不同接入方式系统容量不同接入方式系统容量n n1 1频分多址的蜂窝系统容量频分多址的蜂窝系统容量n n 对于频分多址（FDMA）系统来说，系统容量的计算比较简单。n n FDMA方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，在相邻频道间无明显的串扰。第56页/共94页n n因此，FDMA系统容量K的计算公式为n n式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。第57页/共94页2 2时分多址的蜂窝系统容量时分多址的蜂窝系统容量时分多址的蜂窝系统容量时分多址的蜂窝
20、系统容量n nTDMA系统容量K的计算公式为n n式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。每个载波信道又被分成M个时隙（时分信道），所以信道带宽B为载波间隔Bc/M。第58页/共94页3 3码分多址的小区容量码分多址的小区容量码分多址的小区容量码分多址的小区容量n n（1 1）一般）一般CDMACDMA系统小区容量系统小区容量n nCDMA系统的容量N为n n n n （信道/小区）第59页/共94页（2 2）CDMACDMA系统小区容量的修正系统小区容量的修正系统小区容量的修正系统小区容量的修正n n 语音激活技术。n n 划分扇区。n n 邻近蜂窝的干扰。第60页/共94页
21、n n 假定各小区同时工作的用户数目都等于，即各基站同时向个用户发送信号；各基站发送给所有用户的有效辐射功率都一样；路径传播损耗都与距离的次方成比例。n n 理论分析表明，每小区同时通信的用户数将下降到原来的60%。第61页/共94页n n 令F为邻近蜂窝干扰因子，则CDMA系统容量，即式（4-31）变为 n n （信道/小区）第62页/共94页4.5 蜂窝系统的移动性管理蜂窝系统的移动性管理n n4.5.1 4.5.1 蜂窝系统服务区域划分蜂窝系统服务区域划分n n1 1服务区域的划分服务区域的划分n n 一般的第二代蜂窝移动系统服务区域划分n n如图4-22所示。n n 图中只画出一个移动
22、运营网络，即一个公n n共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，n nPLMN），多个PLMN服务区可以重叠。第63页/共94页图图4-22蜂窝网络服务区域划分蜂窝网络服务区域划分第64页/共94页2 2与服务区有关的编号与服务区有关的编号与服务区有关的编号与服务区有关的编号n n 下面介绍和位置有关的主要编号。n n（1 1）PLMNPLMN标识标识n n 移动网络（PLMN）是通过PLMN-Id来进行标识的。一个小区只能属于一个PLMN。n nPLMN-Id=MCC+MNC第65页/共94页n n 其中，MCC和MNC含义如下。n n 移动国家号码（Mobil
23、e Country Code，MCC）。MCC包含3个十进制数。n n MCC用于表示一个移动用户所属的国家，例如中国的MCC号是460。第66页/共94页n n 移动通信网号码（Mobile Network Code，MNC）。MNC包含23个十进制数。MNC用于表示用户签约的归属网络。第67页/共94页（2 2）位置区标识）位置区标识）位置区标识）位置区标识n n 位置区标识（Location Area Identity，LAI）用于标识位置区。n n 位置区的大小从范围上来说是指用户在移动的过程中不需要对VLR中位置信息进行更新的区域。第68页/共94页n n 通过位置区，网络可以找到移
24、动台所处位置的大致范围，从而有利于对移动台进行寻呼。LAI的定义如下：n nLAI=MCC+MNC+LAC第69页/共94页n n LAC的长度为16位，理论上同一PLMN中可定义最多65536个不同位置区。第70页/共94页（3 3）路由区标识）路由区标识）路由区标识）路由区标识n n 路由区标识（Routing Area Identification，RAI）用于标识分组域的路由区。RAI的定义如下：n nRAI=MCC+MNC+LAC+RAC第71页/共94页n n 路由区是一个与位置区类似的概念。n n 当用户在移动过程中，用户驻留小区的RAI发生改变时，移动台就会发起路由区更新过程。
25、n n 一个位置区可以包括多个路由区，一个路由区总是处在某一个位置区的内部，一个小区只能属于一个路由区。第72页/共94页（4 4）基站识别码）基站识别码）基站识别码）基站识别码n n 基站识别码（Base Station Identity Code，BSIC）用于移动台识别相邻的、采用相同载频的不同基站收发信台（BTS）。BSIC的定义如下：n nBSIC=NCC+BCC第73页/共94页n n NCC是国家色码，用于识别网络；BCC是基站色码，用于识别基站。第74页/共94页（5 5）小区全球标识）小区全球标识）小区全球标识）小区全球标识n n 小区全球标识（Cell Global Ide
26、ntity，CGI）在UMTS服务区内的设置是唯一的，CGI的定义如下：n nCGI=MCC+MNC+LAC+CI第75页/共94页n n 小区标识（Cell Identity，CI）为2字节长，在位置区内唯一，小区是蜂窝移动通信系统中区域划分的最小单元。第76页/共94页4.5.2 位置更新位置更新n n 常用的动态位置更新策略主要有3种。n n（1）基于时间的位置更新。n n（2）基于运动的位置更新。n n（3）基于距离的位置更新。第77页/共94页4.5.3 切换切换n n1 1切换的概念切换的概念n n 切换通常指越区切换，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
27、，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的通信链路转移到移动台与新基站之间的通信链路的过程称为切换。n n 根据切换方式不同，通常分为硬切换和软切换两种情况。第78页/共94页2 2切换过程简介切换过程简介切换过程简介切换过程简介n n 切换过程通常分为以下3个步骤：无线测量、网络判决、系统执行。n n 在切换测量阶段，移动台要测量下行链路的信号质量、该移动台所属的小区及临近小区的信号质量，基站需要测量上行链路的信号质量。第79页/共94页n n 在切换判决阶段，测量结果与预定义的门限值比较，以决定是否执行切换，同时要进行接纳控制，防止由于新用户的加入而降低已有用户的质量。第80页/共9
28、4页n n 在执行阶段，与一个新的基站或小区建立通信链路或释放旧的通信链路。第81页/共94页3 3越区切换的过程控制策略越区切换的过程控制策略越区切换的过程控制策略越区切换的过程控制策略n n（1 1）移动台控制的越区切换）移动台控制的越区切换n n（2 2）网络控制的越区切换）网络控制的越区切换n n（3 3）移动台辅助的越区切换）移动台辅助的越区切换第82页/共94页4 4越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配n n 不同的系统用不同的策略和方法来处理切换请求，一般遵循如下原则：在小区内分配信道时，切换请求优先于呼叫初始请求。n n 切换必须要尽
29、快地完成，并且尽可能少地出现，同时使用户察觉不到。第83页/共94页4.6 蜂窝网络设计应用实例蜂窝网络设计应用实例n n 本节将介绍GSM网络频率规划。n n1 14343频率复用方式频率复用方式n n GSM无线小区推荐采用43频率复用方式，如图4-23所示。第84页/共94页图图4-2343频率复用方式频率复用方式第85页/共94页2 23333频率复用方式频率复用方式频率复用方式频率复用方式n n 33频率复用方式属于比较典型的紧密复用技术，如图4-24所示。第86页/共94页图图4-2433频率复用方式频率复用方式第87页/共94页3 3多重频率复用多重频率复用多重频率复用多重频率复
30、用n n 多重频率复用（Multiple Reuse Pattern，MRP）的原理就是把所有频率分为几组，每组频率采用不同的频率复用方式。第88页/共94页4 4智能双层网和伞状结构的频率复用智能双层网和伞状结构的频率复用智能双层网和伞状结构的频率复用智能双层网和伞状结构的频率复用n n（1 1）智能双层网）智能双层网n n 对于人口集中、话务量大的地区，采用智能双层网小区结构，它也属于同心圆技术，其结构如图4-26所示。第89页/共94页图图4-26智能双层网智能双层网第90页/共94页n n 图中的小区分为两层，一层是顶层（overlay），同一般宏小区，进行连续覆盖，主要服务小区边界处的移动台；另一层是底层（underlay），不连续覆盖，服务于靠近基站的区域、建筑物及其他有一定干扰屏蔽环境的移动台。第91页/共94页（2 2）伞状结构）伞状结构）伞状结构）伞状结构n n 在微小区，高速移动用户仅经过很少时间就需切换，对系统压力太大。n n 这里介绍一种宏小区与微小区相结合的伞状小区结构，如图4-27所示，切换时采用宏小区信道可解决用户高速移动所带来的问题。第92页/共94页图图4-27伞状结构小区伞状结构小区第93页/共94页