《移动通信》第5章 蜂窝组网技术

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第5章 蜂窝组网技术
5.1 移动通信网的基本概念 5.2 频率复用和蜂窝小区
5.3 多址接入技术
5.4 码分多址关键技术 5.5 蜂窝移动通信系统的容量分析 5.6 CDMA系统中的功率控制 5.7 切换、位置更新 5.8 移动通信网结构
5.1 移动通信网的基本概念
定义: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
,所以可以采用较小
5.2 频率复用和蜂窝小区
同频相邻小区的找法
• 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
A
A
A
A
i=3 j=2 N=19
A
A
A
5.2 频率复用和蜂窝小区
5.2.2 切换和位置管理
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 切换的操作: •识别新的小区 •分配给移动台在新小区的话音信道和控制信道 引起切换的原因: •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。
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用并且仍能满足服务质 量的信道利用技术 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
5.1 移动通信网的基本概念
5.1.3 移动通信网的基本组成
BSS BSS
基站 基站 用户变成 漫游者
5.2 频率复用和蜂窝小区
小区的覆盖形状 •采用六边形的原因:
用最少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 •基站发射机位置: 中心激励小区 顶点激励小区
•实际形状:
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
5.2 频率复用和蜂窝小区
SS
PSTN
图5-1 典型的蜂窝移动通信系统
5.1 移动通信网的基本概念
5.1.3 移动通信网的基本组成
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 操作维护管理子系统(OMS)负责管理控制整个移动网 移动台(MS)由移动终端设备和用户数据两部分组成
5.3 多址接入技术
频分多址方式(FDMA) 多址接入方式 时分多址方式(TDMA) 码分多址方式(CDMA) 空分多址方式(SDMA)
多址接入方式 建立多址接入时区分信道的依据
频分多址方式(FDMA)
时分多址方式(TDMA) 码分多址方式(CDMA) 空分多址方式(SDMA)
传输信号的载波频率不同
1 2 4 6 1 3 5 6 4 7 2 5 1 7 3 6 5 1 4 7 2 5
q=D/R=4.6 N=7
1
2 4
1 3 1
2 4 2 4
3 1 3
1
2 4 5 7 2
3
2 4
3
3
1 3 6
6 4
2 7 1 2 3 4 5 3 4 5 6 7 6 7
图5-2 蜂窝系统的频率复用和小区面状覆盖图示
5.3 多址接入技术
1、FDMA方式
频谱分割原理 主要干扰 特点 •每个用户分配一个信道,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
同频干扰 • 小区簇的意义 • 频率复用距离与小区簇的关系 • 载波干扰比与小区簇的关系
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(K<S) 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
C MKN MS
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 保证通信质量的同时,可以承受的干扰(主要是同频干扰)
• 用户识别卡(SIM)与移动终端设备分离,用于存放
用户数据
5.2 频率复用和蜂窝小区
作用:解决频率资源有限和用户容量问题
区域覆盖方式分类: 小容量的大区制 一个基站覆盖整个服务区,发射功率要大 利用分集接收等技术来保证上行链路的通信质量 只能适用于小容量的通信网 大容量的小区制 频率复用 :将覆盖区域划分为若干小区 ,每个 小区设立一个基站服务于本小区,但各小区可重 复使用频率 带来同频干扰的问题 切换和位置管理: 信道切换原理 位置管理
2
2
5.2 频率复用和蜂窝小区
• 载波干扰比与小区簇的关系
假定小区的大小相同,移动台的接收功率门限按小区的大小调节。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
C 为最小载波强度;I l 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:
C I
C
I
l 1
n
5.2 频率复用和蜂窝小区
• 频率复用距离与小区簇的关系
频率复用距离(即同频距离)D
D I J 2IJ cos120 I IJ J
2 2 2 2
2
× × 6
1 I 4
3 H R 2
I= 2iH,J=2jH
J 3 jR
×
×
2
7 3
5D 7
4
J
×
I 3iR
1
6 5 × ×

l 1
5.2 频率复用和蜂窝小区
• 载波干扰比与小区簇的关系
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
D Dl , 则载干比可简化为:
C D R I L
n

3N L

n
式中
Q表示,即 D R 为同频复用比例(也称同频干扰因子),一般用 3N
L
l
小区中移动台接收到的最小载波强度C与小区半径的 R 成正比。再设 是第l个干扰源与移动台的间距 Dl ,则移动台接收到的来自第l个干扰小 区的载波功率与 ( Dl ) n 成正比。n为衰落指数,一般取4。 如果每个基站的发射功率相等, C Rn L 整个覆盖区域内的路径衰落指数 I n ( D ) l 相同,移动台的载干比可近似为
蜂窝式组网理论
移动通信网的基本组成
蜂窝移动通信系统图示 各子系统功能
5.1 移动通信网的基本概念
5.1.1 移动通信网络结构
多址接入
空中网络
频率复用和蜂窝小区 切换和位置更新 服务区内各基站的相互连接
地面网络
基站与固定网络
5.1 移动通信网的基本概念
5.1.2 蜂窝式组网理论
无线蜂窝式小区覆盖: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
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 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
SS7
MSC1 (归属移动交换中心) SS OMS
MSC2 (访问MSC)
邻道干扰
相邻区群中同信道小区的信号造成 同频干扰 的干扰
5.3 多址接入技术
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T ( T >> s s 干扰较少,无需自适应均衡
) ,所以码间
• 基站复杂庞大,易产生信道间的互调干扰
5.3 多址接入技术
•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
5.3 多址接入技术
FDMA的主要干扰
干扰方式 互调干扰 起因 系统内非线性器件产生的各种组合 频率成份落入本频道接收机通带内 相邻波道信号中存在的寄生辐射落 入本频道接收机带内 解决方法 选用无互调的 频率集 加大频道间的 隔离度 适当选择频道 干扰因子Q
•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
5.3 多址接入技术
MS1
一个TDMA帧
MS2 时隙1 时隙2 时隙3 …… 时隙N
BS
帧 时隙
TDMA系统工作示意图
传输信号存在的时间不同 传输信号的码型不同 空间分割不同
5.3 多址接入技术
FDMA
c
TDMA
c
c
CDMA
信道1 信道2 信道3
信道N
信道 N
t
信道 1 信道 2
信道 N
信道 3
t
信道 3 信道 2 信道 1 f
t
f
f
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
小功率发射: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 频率复用:蜂窝系统的基站工作频率,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ห้องสมุดไป่ตู้站可以重 复使用同一组工作频率 优点:缓解了频率资源紧缺,增加了系统容量 缺点:同频干扰
5.1 移动通信网的基本概念
5.1.2 蜂窝式组网理论
5.2 频率复用和蜂窝小区
位置更新目的: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 涉及问题: •位置更新(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
– 信道监视方法 目的:使切换请求优先于初始呼叫请求 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 – 对切换请求进行排队 目的:减小由于缺少可用信道而强迫中断的发生概率 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
5.2 频率复用和蜂窝小区
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(1)切换门限要恰当(2)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
信号能量检测: 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)
处理切换请求的方法:
×
1
式中H为小区中心到边的距离 其中,R是小区的半径。这样, 代入上式得
d
A
6 × ×
s
,
D 3N R
h t h t


N↑

频率利用率低 D↑ 同频干扰小
2
2
s
d
其中
A
N i 2 ij j 2
,


N又称为频率复用因子
N↓

频率利用率高 D↓ 同频干扰大
D Q R
3N
5.2 频率复用和蜂窝小区
• 载波干扰比与小区簇的关系
一般模拟移动通信系统要求
C I 18dB ,假设n取值为4,根据
C D R I L
n

3N L

n
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, C
的N值。
I 7 ~10dB
• 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
5.3 多址接入技术
2、TDMA方式
工作原理 系统特点 •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
5.2 频率复用和蜂窝小区
5.2.1 区域覆盖方式
频率复用和覆盖方式: 带状服务覆盖区 面状服务覆盖区 簇 小区的覆盖形状 同频干扰
f1
f2
f1
f2
f1
f2
f1
双频组频率配置
f1
f2
f3
f1
f2
f3
f1
同频相邻小区的找法
三频组频率配置
5.2 频率复用和蜂窝小区
面状服务覆盖区 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
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