《移动通信-第四版课件(李建东、郭梯云-)-第5章.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信-第四版课件(李建东、郭梯云-)-第5章.pptx（140页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、5.1 概 述在前面几章的讨论中，我们主要解决了在移动环境下，点对点的传输问题。本章将试图解决以下几个方面的问题：(1)对于给定的频率资源，大家如何来共享?即采用什么样的多址技术，使得有限的资源能传输更大容量的信息?(2)由于传播损耗的存在，基站和移动台之间的通信距离总是有限的。(3)如何将服务区内的各个基站互连起来，并且要与固定网络(如PSTN、ISDN、BISDN等)互连，从而实现移动用户与固定用户、移动用户与移动用户之间的互连互通?也就是说，移动通信应采用什么样的网络结构?第1页/共140页(4)移动通信的基本特点是用户在网络覆盖的范围内可任意移动。这就要解决下面两个问题：一是当移动用户
2、从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区时，如何保证用户通信过程的连续性，即如何实现有效的越区切换?二是用户在移动网络中任意移动，网络如何管理这些用户，使网络在任何时刻都知道，该用户当前在哪一个地区的哪一个基站覆盖的范围内，即如何解决移动性管理的问题?(5)如何在用户和移动网络之间，移动网络和固定网络之间交换控制信息，从而对呼叫过程、移动性管理过程和网络互连过程进行控制，以保证网络有序运行，即在移动通信网中应采用什么样的信令系统?第2页/共140页移动通信系统发展经历了第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统和第三代移动通信系统(IMT-2000)。第一代移动通信系统包括AMPS、TA
3、CS和NMT等体制。第二代数字移动通信系统包括GSM、IS-136(DAMPS)、PDC、IS-95等体制。一个典型的数字蜂窝移动通信系统由下列主要功能实体组成(如图 1-16 所示)：移动台(MS)、基站分系统(BSS)(包括基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)、移动交换中心(MSC)、原籍(归属)位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、设备标识寄存器(EIR)、认证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。第3页/共140页为了能够明确表示控制和信令的有关概念，这里简要阐述一下分层协议模型的概念。移动通信的空中接口(或称无线接入部分)的协议和信令是按照分层的概念来设计的。空中
4、接口包括无线物理层、链路层和网络层，链路层还进一步分为介质接入控制层和数据链路层，物理层是最低层，参见图 1-18。第4页/共140页物理层(PHL)确定无线电参数，如：频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。物理层将无线电频谱分成若干个物理信道，划分的方法可以按频率、时隙或码字或它们的组合进行，如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等。物理层在介质接入控制层(MAC)的控制下，负责数据或数据分组的收发。第5页/共140页5.2.1 频分多址(FDMA)频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。在模拟
5、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25 kHz 或30 kHz。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f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800 MHz频段，收发频率间隔通常为45 MHz。一个典型的FDMA频道划分方法如图 5-1 所示。5.2 多址技术第6页/共140页图 5-1 FDMA的频道划分方法第7页/共140页在FDMA系统中，收发的频段是分开的，由于所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，而必须经
6、过基站中转。移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域(称为小区)内的所有移动台共用。这就是多信道共用问题。第8页/共140页1.话务量与呼损率的定义 在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间(1小时)内平均发生的呼叫次数和每次呼叫平均占用信道时间(含通话时间)S。显然和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为 A=S (5-1)式中：的单位是(次/小时)；S的单位是(小时/次)；两者相乘而得到A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位为“爱尔兰”(
7、Erlang)。第9页/共140页根据式(5-1)的定义，可以这样来理解“爱尔兰”的含意：已知 1 小时内平均发生呼叫的次数为(次)，用式(5-1)可求得 A(爱尔兰)=S(小时/次)(次/小时)可见这个A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即 =20(次/小时)第10页/共140页平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即 代入式(5-1)，可得 这就表示，1小时的平均呼叫20次所要求的总通话时间为1小时，所以流入话务量等于1爱尔兰。第11页/共140页 从一个信道看，它充其量在 1 个小时之
8、内不间断地进行通信，那么它所能完成的最大话务量也就是1爱尔兰。由于用户发起呼叫是随机的，不可能不间断地持续利用信道，所以一个信道实际所能完成的话务量必定小于1爱尔兰。也就是说，信道的利用率不可能达到百分之百。在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生“呼损”。已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了。设单位时间内成功呼叫的次数为0(0)，就可算出完成话务量 A0=0S(5-2)第12页/共140页(5-3)流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量。损失话务量占流入话务量的比率即为呼叫损失的比率，称为“
9、呼损率”，用符号B表示，即显然，呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级(或业务等级)。例如，某通信网的服务等级为005(即B=0.05)，表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见，呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折中处理。第13页/共140页(5-4)完成话务量即为 (5-5)2.完成话务量的性质与计算 设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为 式中，C1S即为观察时间T小时内的实际通话时间。这个时间可以从另外一个角度
10、来进行统计。若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(in)个信道同时被占用的时间为ti(tiT)，那么可以算出实际通话时间为第14页/共140页(5-6)将式(5-6)代入式(5-5)，可得完成话务量 (5-7)当观察时间T足够长时，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，式(5-7)就可改写为(5-8)第15页/共140页由此可见，完成话务量是同时被占用信道数(是随机量)的数学期望。因此可以说，完成话务量就是通信网同时被占用信道数的统计平均值，表示了通信网的繁忙程度。例如，某通信网共有 8 个信道，从上午8时至10时共两个小时的观察时间内，统计出i个信道同时
11、被占用的时间(小时数)如表 5-1 所示。表 5-1 第16页/共140页利用(5-7)式，有 这说明在总共8个信道中，在2小时的观察时间内平均有3.5个信道同时被占用。每信道每小时的平均被占用时间为3.5/8=0.4375小时。因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰，因此它的平均信道利用率就是43.75%。第17页/共140页 3.呼损率的计算 于多信道共用的移动通信网，根据话务理论，呼损率B、共用信道数n和流入话务量A的定量关系可用爱尔兰呼损公式表示。爱尔兰呼损公式为(5-9)第18页/共140页 呼损率不同的情况下，信道利用率也是不同的。信道利用率可用每小时每信道的完成话务量来计算，
12、即(5-10)用数表列出B、n、A和的关系如表 5 2(略)所示。第19页/共140页4.用户忙时的话务量与用户数 以上都是以全网的流入话务量A来计算的，那么究竟这些流入话务量可以容纳多少用户的通信业务呢?这就要看每个用户的话务量多少才能决定。每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%15%。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天)，每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k，则每用户的忙时话务量为(5-11)第20页/共
13、140页 在用户的忙时话务量a确定之后，每个信道所能容纳的用户数m就不难计算：(5-12)全网的用户数为mn。以a=0.01(爱尔兰/用户)计算出每信道的用户数如表 5-3 所示(若a值不同，则需另行计算)。第21页/共140页表 5-3 用户数的计算(a=0.01)第22页/共140页5.空闲信道的选取 在移动通信网中，在基站控制的小区内有n个无线信道提供给nm个移动用户共同使用。那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎样从这n个信道中选取一个空闲信道呢?空闲信道的选取方式主要可以分为两类：一类是专用呼叫信道方式(或称“共用信令信道”方式)；另一类是标明空闲信道方式。第23页/共140页 (
14、1)专用呼叫信道方式。这种方式是指在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。(2)标明空闲信道方式。标明空闲信道方式可分为“循环定位”、“循环不定位”、“标明多个空闲信道的循环分散定位”和“标明多个空闲信道的循环不定位”等多种方法。循环定位。循环不定位方式。第24页/共140页 5.2.2 时分多址(TDMA)时分多址是指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)。在频分双工(FDD)方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。在时分双工(TDD)方式中，上下行帧都在相同的频率上。TDD的方式如图 5-2 所示。第25页/共140页图 5-2 T
15、DMA示意图第26页/共140页 不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。例如：GSM系统的帧长为4.6 ms(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为10 ms(每帧24个时隙)，PACS系统的帧长为2.5 ms(每帧8个时隙)。TDMA系统既可以采用频分双工(FDD)方式，也可以采用时分双工(TDD)方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台接收；收发工作在相同频率上。第27页/共140页 在TDMA系统中，每帧中的时隙结构(或称为突发结构)的设计
16、通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。第28页/共140页为了解决上述问题，采取以下四方面的主要措施：一是在每个时隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输。二是为了便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰，在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列。训练序列对接收端来说是确知的，接收端根据训练序列的解调结果，就可以估计出信道的冲击响应，根据该响应就可以预置均衡器的抽头系数，从而可消除码间干扰对整个时隙的影响。三是在上行链路的每个时隙中要留出一定的保护间隔(即不传输任何信号)，即每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度。第29页/共140页这
17、样可以克服因移动台至基站距离的随机变化，而引起移动台发出的信号到达基站接收机时刻的随机变化，从而保证不同移动台发出的信号，在基站处都能落在规定的时隙内，而不会出现相互重叠的现象。四是为了便于接收端的同步，在每个时隙中还要传输同步序列。同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一。两种典型的时隙结构如图5-3 所示。第30页/共140页图 5-3 典型的时隙结构第31页/共140页 5.2.3 码分多址(CDMA)1.FH-CDMA 在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN)序列，动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变，该系统带宽通常要比各用户
18、已调信号(如FM、FSK、BPSK等)的带宽宽得多。FH-CDMA类似于FDMA，但使用的频道是动态变化的。FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正交(或准正交)，即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同(或相同的概率非常小)，如图 5-4(a)所示。第32页/共140页图 5-4 FH-CDMA和DS-CDMA示意图 (a)FH-CDMA;(b)DS-CDMA 第33页/共140页2.DS-CDMA 在DS-CDMA系统中，所有用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列。这些PN序列(或码
19、字)相互正交，从而可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同用户一样，利用PN序列(或码字)来区分不同的用户，如图5-4(b)所示。第34页/共140页图 5-5 DS-CDMA系统逻辑信道示意图(a)基站到移动台的下行链路；(b)基站到移动台的上行链路第35页/共140页3.混合码分多址 混合码分多址的形式有种多样，如FDMA和DS-CDMA混合，TDMA与DS-CDMA 混合(TD/CDMA)，TDMA与跳频混合(TDMA/FH),FH-CDMA与DS-CDMA混合(DS/FH-CDMA)等等。第36页/共140页5.2.4 空分多址(SDMA)空分多址是通过空间的分割来区别不同的
20、用户。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束，如图5-6 所示。第37页/共140页图 5-6 空分多址示意图 第38页/共140页5.2.5 随机多址 1.ALOHA协议和时隙ALOHA ALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。任何一个用户随时有数据分组要发送，就立刻接入信道进行发送。发送结束后，在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答。如果在一个给定的时间区间内，没有收到对方的认可应答，则重发刚发的数据分组。由于在同一信道上，多个用户独立随机地发送分组，就会出现多个分组发生碰撞的情况，碰撞的分组经过随机时延后重传。ALOHA
21、协议的示意图如图 5-7(a)所示。从图中可以看出，要使当前分组传输成功，必须在当前分组到达时刻的前后各一个分组长度内没有其他用户的分组到达，即易损区间为2倍的分组长度。第39页/共140页对于随机多址协议而言，其主要性能指标有两个：一是通过量(S)(指单位时间内平均成功传输的分组数)；二是每个分组的平均时延(D)。假定分组的长度固定，信道传输速率恒定，到达信道的分组服从Poisson分布的情况，则ALOHA协议的最大通过量Smax=1/2e=0.1839。第40页/共140页 为了改进ALOHA的性能，将时间轴分成时隙，时隙大小大于等于一个分组的长度，所有用户都同步在时隙开始时刻进行发送。该
22、协议就称为时隙ALOHA协议，如图 5-7(b)所示。时隙ALOHA与ALOHA协议相比，将易损区间从2倍的分组长度减少到一个时隙，从而提高了系统的通过量。在到达分组服从Poisson分布的情况下，时隙ALOHA协议的最大通过量Smax=1/e=0.3679。第41页/共140页图 5-7 ALOHA和时隙ALOHA协议示意图(a)ALOHA协议；(b)时隙ALOHA协议第42页/共140页2.载波侦听多址(CSMA)在ALOHA协议中，各个节点的发射是相互独立的，即各节点的发送与否与信道状态无关。为了提高信道的通过量，减少碰撞概率，在CSMA协议中，每个节点在发送前，首先要侦听信道是否有分组
23、在传输。若信道空闲(没有检测到载波)，才可以发送；若信道忙，则按照设定的准则推迟发送。在CSMA协议中，影响系统的两个主要参数是检测时延和传播时延。检测时延是指接收机判断信道空闲与否所需的时间。假定检测时延和传播时延之和为，如果某节点在t时刻开始发送一个分组，则在t+时刻以后所有节点都会检测到信道忙。因此只要在t,t+内没有其他用户发送，则该节点发送的分组将会成功传输，如图 5-8 所示。第43页/共140页图 5-8 CSMA协议示意图第44页/共140页3.预约随机多址 预约随机多址通常基于时分复用，即将时间轴分为重复的帧，每一帧分为若干时隙。当某用户有分组要发送时，可采用ALOHA的方式
24、在空闲时隙上进行预约。如果预约成功，它将无碰撞地占用每一帧所预约的时隙，直至所有分组传输完毕。用于预约的时隙可以是一帧中固定的时隙，也可以是不固定的。预约时隙的大小可与信息传输时隙相同，也可以将一个时隙再分为若干个小时隙，每个小时隙供一个用户发送预约分组。第45页/共140页1.带状网 带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图 5-9 所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的(图 5-9(b)。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形(图5-9(a)。5.3 区域覆盖和信道配置第46页/共140页图 5-9 带状网第47页/共140页带状网可进行频率再用。若以采用不同信道的两个小区组成
25、一个区群(在一个区群内各小区使用不同的频率，不同的区群可使用相同的频率)，如图 5-9(a)所示，称为双频制。若以采用不同信道的三个小区组成一个区群，如图 5-9(b)所示，称为三频制。从造价和频率资源的利用而言，当然双频制最好；但从抗同频道干扰而言，双频制最差，还应考虑多频制。第48页/共140页设 n频制的带状网如图 5-10 所示。每一个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a,第n+1区与第1区为同频道小区。据此，可算出信号传输距离dS和同频道干扰传输距离dI之比。若认为传输损耗近似与传输距离的四次方成正比，则在最不利的情况下可得到相应的干扰信号比见表 5-4。由表可见，双频制最多只能获
26、得19 dB 的同频干扰抑制比，这通常是不够的。第49页/共140页图 5-10 带状网的同频道干扰第50页/共140页表 5-4 带状网的同频干扰 第51页/共140页2.蜂窝网 (1)小区的形状。全向天线辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区，一个个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。根据交叠情况不同，有效覆盖区可为正三角形、正方形或正六边形，小区形状如图 5-11 所示。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面的区域，可取的形状只有这三种。那么这三种形状中哪一种最好呢?在辐射半径r相同的条件下，计算出三
27、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 5-5所示。第52页/共140页图 5-11 小区的形状 第53页/共140页表 5-5 三种形状小区的比较 第54页/共140页(2)区群的组成。相邻小区显然不能用相同的信道。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。这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道再用。区群的组成应满足两个条件：一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。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，区群内的小区数应满足下式：式中，
28、i,j为正整数。由此可算出N的可能取值见表 5-6，相应的区群形状如图 5-12 所示。N=i2+ij+j2 (5-13)第55页/共140页表 5-6 群区小区数N的取值第56页/共140页图 5 12 区群的组成第57页/共140页(3)同频(信道)小区的距离。区群内小区数不同的情况下，可用下面的方法来确定同频(信道)小区的位置和距离。如图5-13 所示，自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨j个小区，再向左(或向右)转60，再跨i个小区，这样就到达同信道小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同信道小区，所有A小区之间的距离都相等。设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r，则
29、从图 5-13 可以算出同信道小区中心之间的距离为(5-14)第58页/共140页图 5 13 同信道小区的确定第59页/共140页 (4)中心激励与顶点激励。在每个小区中，基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓“中心激励”方式，如图 5-14(a)所示。也可以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扇形辐射的定向天线，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“顶点激励”方式，如图 5-14(b)所示。第60页/共140页图 5 14 两种激励的方式（a）中心激励 （b）顶点激励第61页/共140页(5)小
30、区的分裂。在整个服务区中，每个小区的大小可以是相同的，这只能适应用户密度均匀的情况。事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。为了适应这种情况，在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如图5-15 所示。第62页/共140页图 5-15 用户密度不等时的小区结构第63页/共140页图 5-16 小区分裂第64页/共140页 5.3.2 信道(频率)配置 1.分区分组配置法 分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小占用的总频段，以提高频段的利用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避免同频干扰；小区内
31、采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。现举例说明如下。设给定的频段以等间隔划分为信道，按顺序分别标明各信道的号码为1,2,3,。若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道，按上述原则进行分配，可得到：第65页/共140页 第一组 1，5，14，20，34，36 第二组 2，9，13，18，21，31 第三组 3，8，19，25，33，40 第四组 4，12，16，22，37，39 第五组 6，10，27，30，32，41 第六组 7，11，24，26，29，35 第七组 15，17，23，28，38，42第66页/共140页2.等频距配置法 等频距配置法是按等频率间隔来配置信道的，只要频距
32、选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰。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，所以也就避免了互调的产生。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。例如N=7，则信道的配置为：第67页/共140页 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 6，13，2
33、0，27，34，第七组 7，14，21，28，35，第68页/共140页这样同一信道组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔，若信道间隔为25 kHz，则其最小频率间隔可达175 kHz，这样，接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰。如果是定向天线进行顶点激励的小区制，每个基站应配置三组信道，向三个方向辐射。例如 N=7，每个区群就需有21个信道组，整个区群内各基站信道组的分布如图5-17所示。第69页/共140页图 5-17 三顶点激励的信道配置第70页/共140页5.4 5.4 网络结构网络结构5.4.1 基本网络结构 移动通信的基本网络结构如图 5-18 所示。基站通过传输链路和
34、交换机相连，交换机再与固定的电信网络相连，这样就可形成移动用户基站 交换机 固定网络 固定用户或移动用户 基站 交换机 基站 移动用户等不同情况的通信链路。第71页/共140页图 5-18 基本网络结构 第72页/共140页 交换机的组成和基本原理如图 5-19 所示。交换机通常由交换网络(或称接续网络)、接口和控制系统组成。交换网络的作用是在控制系统的控制下，将任一输入线与输出线接通。它可以看成有 M条入线和N条出线的网络，它有MN个交点，每个交点都可在控制系统的控制下连通和断开，如图 5-19(b)所示，接口单元把来自用户线或中继线的各种不同的输入信令和消息转成统一的机内信令，以便控制单元
35、或交换网络进行处理或接续。控制系统主要负责话路的接续控制，另外还负责通信网络的运行、管理和维护功能。第73页/共140页 图 5-19 交换机的组成和基本原理(a)交换机的组成；(b)交换机的基本原理第74页/共140页移动通信网络中使用的交换机通常称为移动交换中心(MSC)。它与常规交换机的不同之处是：MSC除了要完成常规交换机的所有功能外，它还负责移动性管理和无线资源管理(包括越区切换、漫游、用户位置登记管理等)。在蜂窝移动网络中，为便于网络组织，将一个移动通信网分为若干个服务区，每个服务区又分为若干个MSC区，每个MSC区又分为若干个位置区，每个位置区由若干个基站小区组成。一个移动通信网
36、由多少个服务区或多少个MSC区组成，这取决于移动通信网所覆盖地域的用户密度和地形地貌等。多个服务区的网络结构如图 5-20 所示。每个MSC(包括移动电话端局和移动汇接局)要与本地的市话汇接局、本地长途电话交换中心相连。MSC之间需互连互通才可以构成一个功能完善的网络。第75页/共140页图 5-20 多服务区的网络结构第76页/共140页 5.4.2 数字蜂窝移动通信网的网络结构 在模拟蜂窝移动通信系统中，移动性管理和用户鉴权及认证都包括在MSC中。在数字移动通信系统中，将移动性管理、用户鉴权及认证从MSC中分离出来，设置原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)来进行移动性管理，如
37、图 1-16 所示。第77页/共140页 图中MSC为移动交换中心，它是无线电系统与公众电话交换网之间的接口设备，完成全部必须的信令功能以建立与移动台的往来呼叫。其主要责任是：路由选择管理；计费和费率管理；业务量管理；向归属位置寄存器(HLR)发送有关业务量信息和计费信息。第78页/共140页 HLR为归属位置寄存器，负责移动台数据库管理。其主要责任是：对在HLR中登记的移动台(MS)的所有用户参数的管理、修改等；计费管理；VLR的更新。第79页/共140页 VLR为访问位置寄存器，是动态数据库。其主要责任是：移动台漫游号管理；临时移动台标识管理；访问的移动台用户管理；HLR的更新；管理MSC
38、区、位置区及基站区；管理无线信道(如信道分配表、动态信道分配管理、信道阻塞状态)。第80页/共140页 图 1-17 中各接口的主要功能是：(1)人机接口(Sm接口)。Sm是用户与移动网之间的接口，在移动设备中包括键盘、液晶显示以及实现用户身份卡识别功能的部件。(2)移动台与基站之间的接口(Um接口)。Um是移动台与基站收发信机之间的无线接口，是移动通信网的主要接口。第81页/共140页 (3)基站与移动交换中心之间的接口(A接口)。A接口是网络中的重要接口，因为它连接着系统的两个重要组成部分：基站和移动交换中心。此接口所传递的信息主要有：基站管理、呼叫处理与移动特性管理等。(4)基站控制器(
39、BSC)与基站收发信台(BTS)之间的接口(Abis接口)。基站系统(BSS)包括BSC与BTS两部分，它们之间的接口称为Abis接口。第82页/共140页 (5)移动交换中心(MSC)与访问位置寄存器(VLR)之间的接口(B接口)。(6)移动交换中心(MSC)与归属位置寄存器(HLR)之间的接口(C接口)。C接口用于传递管理与路由选择的信息。(7)归属位置寄存器(HLR)与访问位置寄存器(VLR)之间的接口(D接口)。(8)移动交换中心之间的接口(E接口)。E接口主要用于MSC之间交换有关越区切换的信息。第83页/共140页 (9)移动交换中心(MSC)与设备标志寄存器(EIR)之间的接口(
40、F接口)。F接口用于在MSC与EIR之间交换有关移动设备管理的信息，例如国际移动设备识别码等。(10)访问位置寄存器VLR之间的接口(G接口)。当某个移动台使用临时移动台标识号(TMSI)在新的VLR中登记时，G接口用于在VLR之间交换有关信息。第84页/共140页 5.5.1 接入信令(移动台至基站之间的信令)在第1章图 1-18 中，我们可以看到：第三层包括三个模块：连接管理、移动管理和无线资源管理。它们产生的信令，经过数据链路层和物理层进行传输。根据空中接口标准的不同，物理信道中传输信令的方式有多种形式。5.5 信 令第85页/共140页1.数字信令 随着移动通信网容量的扩大以及微电子技
41、术的发展，从需求和可能两方面都促进了数字信令的发展，有逐步取代模拟音频信令的趋势。特别在大容量的移动通信网中，目前已广泛使用了数字信令。数字信令传输速度快，组码数量大，电路便于集成化,可以促进设备小型化且降低成本。第86页/共140页 需要注意的是，在移动信道中传输数字信令，除需要窄带调制和同步之外，还必须解决可靠传输的问题。因为在信道中遇到干扰之后，数字信号会发生错码，必须采用各种差错控制技术，如检错和纠错等，才能保证可靠的传输。在传输数字信令时，为便于收端解码，要求数字信令按一定的格式编排。信令格式是多种多样的，不同通信系统的信令格式也各不相同。常用的信令格式如图 5-21 所示，它包括前
42、置码(P)、字同步(SW)、地址或数据(A或D)、纠错码(SP)等四部分。第87页/共140页图 5-21 典型的数字信令格式 第88页/共140页前置码(P)：前置码提供位同步信息，以确定每一码位的起始和终止时刻，以便接收端进行积分和判决。为便于提取位同步信息，前置码一般采用1010的交替码。接收端用锁相环路即可提取出位同步信息。字同步码(SW)：字同步码用于确定信息(报文)的开始位，相当于时分制多路通信中的帧同步，因此也称为帧同步。地址或数据码(A或D)：通常包括控制、选呼、拨号等信令，各种系统都有其独特的规定。纠错码(SP)：有时还称作监督码。不同的纠错编码有不同的检错和纠错能力。第89
43、页/共140页上述数字信令主要用于模拟移动通信系统。一个典型的用于TACS系统反向信道的信令格式如图 5-22 所示。图中由若干个字组成一条消息，每个字采用BCH(48，36，5)进行纠错编码，然后重复5次，以提高消息传输的可靠性。第90页/共140页图 5-22 数字信令举例第91页/共140页 2.音频信令 音频信令是用不同的音频信号组成的。目前常用的有单音频信令、双音频信令和多音频信令等三种。这里给出几种常用的音频信令。1)带内单音频信令 用0.33 kHz范围内不同的单音作为信令的称为带内单音频信令。例如单频码(SFD)，它由10个带内单音组成，如表 5-7 所示。第92页/共140页
44、表 5-7 单频码SFD 第93页/共140页 2)带外亚音频信令 采用低于300 Hz的单音作信令。例如，用67250 Hz间的43个频率点的单音可对43个移动台进行选台呼叫，也可进行群呼，一次呼叫时间为4 s。通常要求频率准确度为0.1%,稳定度为0.01%，单音振幅为 Upp=4 V，允许电平误差为1 dB。第94页/共140页 3)双音频拨号信令 拨号信令是移动台主叫时发往基站的信号，它应考虑与市话机有兼容性且适宜于在无线信道中传输，常用的方式有单音频脉冲、双音频脉冲、10中取1、5中取2以及43方式。第95页/共140页 单音频脉冲方式是用拨号盘使2.3 kHz的单音按脉冲形式发送，
45、虽然简单，但受干扰时易误动。双音频脉冲方式应用广泛，已比较成熟。10中取1是指用话带内的10个单音，每一单音代表一个十进制数。5中取2是指用话带内的5个单音，每次同时选发两个单音，共有 C25=10种组合，代表09共10个数。第96页/共140页 43方式就是市话网用户环路中用的双音多频(DTMF)方式，也是CCITT与我国国家标准中都推荐的用户多频信令。这种信令在与地面自动电话网衔接时不需译码转换，故为自动拨号的移动通信网普遍采用。它使用话带内的7个单音，将它们分为高音群和低音群。每次发送用高音群的一个单音和低音群的一个单音来代表一个十进制数。7个单音的分群以及它们组合所对应的码见表 5-8
46、。第97页/共140页表 5-8 43方式的频率组成第98页/共140页3.信令传输协议 在数字蜂窝移动通信系统中，空中接口的信令分为三个层次，如图 1-18 所示。为了传输信令，物理层在物理信道上形成了许多逻辑信道，如广播信道(BCH)、随机接入信道(RACH)、接入允许信道(AGCH)和寻呼信道(PCH)等。这些逻辑信道按照一定的规则复接在物理层的具体帧的具体突发中。第99页/共140页 在这些逻辑信道上传输链路层的信息。链路层信息帧的基本格式如图 5-23 所示，它包括地址段、控制字段、长度指示段、信息段和填充段。不同的信令可对这些字段进行取舍。控制字段定义了帧的类型、命令或响应。第10
47、0页/共140页图 5-23 帧格式 第101页/共140页 在GSM系统中，链路层采用的是LAPDm协议(它是对ISDN中LAPD的改进)。它的控制字(共8个比特)如表 5-9 所示。表中给出了帧的类型、用途(命令或响应)及其基本含义(备注栏)。信息帧分为三类：I帧、S帧和U帧。第102页/共140页表 5-9 控制字段的构成 第103页/共140页 5.5.2 网络信令 常用的网络信令就是7号信令，它主要用于交换机之间、交换机与数据库(如HLR、VLR、AUC)之间交换信息。7号信令系统的协议结构如图 5-24 所示。它包括MTP、SCCP、TCAP、MAP、OMAP和ISDN-UP等部分
48、。第104页/共140页图 5-24 7号信令系统的协议结构 第105页/共140页消息传递部分(MTP)提供一个无连接 无连接是指消息(分组)在网络中完全“自由”地运行，到达相同目的地的消息可能会通过不同的路径到达目的地。的消息传输系统。它可以使信令信息跨越网络到达其目的地。MTP中的功能允许在网络中发生的系统故障不对信令信息传输产生不利影响。MTP分为三层。第一层为信令数据层，它定义了信号链路的物理和电气特性；第二层是信令链路层，它提供数据链路的控制，负责提供信令数据链路上的可靠数据传送；第三层是信令网络层，它提供公共的消息传送功能。第106页/共140页 事务处理能力应用部分(TCAP)
49、提供使与电路无关的信令应用之间交换信息的能力，TCAP提供操作、维护和管理部分(OMAP)和移动应用部分(MAP)应用等。作为TCAP的应用，在MAP中实现的信令协议有IS-41、GSM应用等。7号信令的网络结构如图 5-25 所示。第107页/共140页图 5-25 7号信令的网络结构第108页/共140页 7号信令网络是与现在PSTN平行的一个独立网络。它由三个部分组成：信令点(SP)、信令链路和信令转移点(STP)。信令点(SP)是发出信令和接收信令的设备，它包括业务交换点(SSP)和业务控制点(SCP)。SSP是电话交换机，它们由SS7链路互连，完成在其交换机上发起、转移或到达的呼叫处
50、理。移动网中的SSP称为移动交换中心(MSC)。第109页/共140页 SCP包括提供增强型业务的数据库，SCP接收SSP的查询，并返回所需的信息给SSP。在移动通信中SCP可包括一个HLR或一个VLR。STP是在网络交换机和数据库之间中转SS7消息的交换机。STP根据SS7消息的地址域，将消息送到正确的输出链路上。为了满足苛刻的可靠性要求，STP都是成对提供的。在SS7信令网络中共有六种类型的信令链路，图 5-25 中仅给出A链路(Access Link)和D链路(Diagonal Link)。第110页/共140页5.5.3 信令应用 为了说明信令的作用和工作过程，下面以固定用户呼叫移动用