移动通信原理 第1章 移动通信概论
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2 2 2
D 2 3R 2 (i 2 j 2 ij )
则大六边形包含的小区数为：
Al arg e Asmall
D 2 2 2 3 ( i j ij )......... .....( 1) 2 R
另一方面从几何图中可以看出，一般大六边形通常包围 由 N 个小区组成的中心簇及周围其他六边形小区数目的 1/3 ， 因 此 大 六 边 形 所 包 围 的 小 区 总 数 为 N+6(N/3)=3N ⑵ ,比较⑴⑵两式有N=i2+ij+j2，证毕。
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
1.1.3 移动通信的发展趋势
通常，每10年将发展并更新一代移动通信系统。 从市场需求来看，移动互联网和物联网是下一代 移动通信系统发展的两大主要驱动力，其中移动 互联网颠覆了传统移动通信业务模式，而物联网 则扩展了移动通信的服务范围。和现有的4G系统 相比，5G系统的性能将在3个方面提高1000倍： 一是传输速度提高1000倍，平均传输速率将达到 100Mbps~1Gbps；其次是总的数据流量提高 1000倍；再就是频谱效率和能耗效率提高1000倍。
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展 阶段。特点是专用系统开发，工作频率较低，工 作方式为单工或半双工方式。 第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。这 一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡， 接续方式为人工，网络的容量较小。 第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。其 特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频 段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从20世纪70年代中后期至今。其特点是 通信容量迅速增加，新业务不断出现，系统性能 不断完善，技术的发展呈加快趋势。
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第1章 移动通信概论
定位同频小区方法
A A A A i j A 60°
方法： ①沿着任意一条六边形链移动i个小区； ②逆时针旋转60度再移动j个小区。
A
A
图1-2 在蜂窝小区中定位同频小区的方法
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
族的大小——N，是一些特定的值，必须符合以 下条件：N=i2+ij+j2
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
下一代移动通信技术新特点 ：
(1) 5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验，网络平均吞 吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D（3维）体验、交互式游戏等 新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标； (2) 与传统的移动通信系统理念不同，5G系统研究将不仅仅把点到点 的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标，而是从更为广 泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点，力求 在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高； (3) 室内移动通信业务已占据应用的主导地位，5G室内无线覆盖性能 及业务支撑能力将作为系统优先设计目标，从而改变传统移动通信系 统“以大范围覆盖为主、兼顾室内”的设计理念； (4) 高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统，但由于受到高 频段无线电波穿透能力的限制，无线与有线的融合、光载无线组网等 技术将被更为普遍地应用； (5) 可“软”配臵的5G无线网络将成为未来的重要研究方向，运营商 可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源, 有效地降低网络运营 的成本和能源的消耗。。
将整个大的地理覆盖区域划分成许多连续 的小区域，并在各个小区域内采用低天线 低功率发射机的方案称为蜂窝通信。在这 里，小区连接的几何形状象蜂窝，所以叫 蜂窝通信。
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第1章 移动通信概论
1.2.2 频率复用的几何模型
B G F B G F E B G F E E A C G D F B G D F E A C G D F B G A E E B A C D
第1章 移动通信概论
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
1.1 移动通信的历史、现状与发展趋势
1.1.1 移动通信的历史、现状
现在，人们普遍认为1897年是人类移动通信 的元年。这一年，意大利人M.G.马可尼在一个 固定站和一艘拖船之间完成了一项无线电通信实 验，也就是说，移动通信几乎伴随着无线通信的 出现而诞生了，也由此揭开了移动通信辉煌发展 的序幕。 现代意义上的移动通信系统起源于上个世纪 20年代，距今已有80余年的历史。大致算来， 现代移动通信系统经历了如下4个发展阶段。
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第1章 移动通信概论
1.2.3 蜂窝系统的组成
一个基本的或者说最简单的 蜂窝系统由移动台（MS）、 基站（BS）和移动交换中
心（MSC）3部分组成。
BS
MSC
PSTN
MS
图1-3 基本蜂窝系统的组成
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第1章 移动通信概论
蜂窝网络结构演化
随着移动技术的进步和系统功能的增强，蜂窝系 统的组网技术也越来越复杂，系统中的功能实体 也越来越多。在2G系统中，MSC的功能发生了分 离，增加了新的功能实体和智能节点，并逐步构 建移动智能网；从2.5G系统起，除原有的电路域 组件外，还增加了分组域组件；自3G系统的高级 阶段起，要求最终实现全IP化网络。。
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第1章 移动通信概论
从公式1-1来看，N可能的值为1、3、4、7、9、 12……。再结合不同系统承受同频干扰的能力， 模拟系统的N典型值为7、12；数字系统的N典型 值为3、4。
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第1章 移动通信概论
问题：那么N值与S/I具体关系是什么呢？
pr p0 (d / d 0 )
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第1章 移动通信概论
第四阶段的蜂窝移动通信系统又可以划分为几个发 展阶段。如按多址方式来分，则模拟频分多址 （FDMA）系统是第一代移动通信系统（1G）；使 用电路交换的数字时分多址（TDMA）或码分多址 （CDMA）系统是第二代移动通信系统（2G）；使 用分组/电路交换的CDMA系统是第三代移动通信系 统（3G）；将使用了不同的高级接入技术并采用 全IP（互联网协议）网络结构的系统称为第四代移 动通信系统（4G）。如按系统的典型技术来划分， 则模拟系统是1G；数字话音系统是2G；数字话音/ 数据系统是超二代移动通信系统（B2G）；宽带数 字系统是3G；而极高速数据速率系统是4G。
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第1章 移动通信概论
现阶段，移动通信已在全球迅猛发展。国际电信联 盟2013年度报告显示世界71亿人口中有68亿手机 用户；据联合国有关调查机构预测至2014年底，世 界上移动通信设备用户总数将会超过世界总人口数。 目前，2G、3G和4G商用移动通信网络处于共存阶 段，并将在相当一段时间内共存下去，为各类用户 服务，以满足不同业务需求。与此同时，第五代移 动通信系统（5G）作为面向2020年以后移动通信 需求而发展的新一代移动通信系统，ITU将其晢命 名为IMT-2020，其研发工作已在全球范围内展开。
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第1章 移动通信概论
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第1章 移动通信概论
1.1.2 移动通信在中国的发展概况
回顾我国移动通信近30年的发展历程，我国移动通信市场 的发展速度和规模令世人瞩目，可以说，中国的移动通信 发展史是超常规、成倍数、跳跃式的发展史。早在2001年 8月，中国的移动通信用户数达到1.2亿，超过美国跃居为 世界第一位。截至2014年1月，中国移动通信用户总数已 达到12.35亿，其中3G用户数超过4亿，4G用户数超过 1400万。总体来说，我国移动通信发展经历了引进、吸收、 改造、创新4个阶段。现阶段，我国的移动通信技术水平 已同步于世界先进水平，并有望在下一阶段占领移动通信 技术制高点，引领移动通信的发展方向。
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第1章 移动通信概论
2．动态信道分配策略（DCA）
在DCA方案中，话音信道并不是永久分配给 不同的小区，每当有呼叫请求时，提供服务的基 站就会向MSC请求信道，MSC动态地确定可用信 道并相应地执行分配过程，为了避免同信道干扰， 如果一个频率在当前小区或任何落入频率复用最 小限制距离内的小区没有被使用，MSC则将该频 率分配给呼叫请求。动态信道分配降低了呼叫阻 塞的可能性，提高了系统的中继容量，但要求 MSC连续地收集所有信道占用、话务量分布以及 无线信号强度指示（RSSI）等数据。
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第1章 移动通信概论
1.2.4 蜂窝系统中的信道
在蜂窝系统中，由系统采用的多址技术所获得的无线信道 称为物理信道（PCH），通常，在具体的物理信道上安排 相应的逻辑信道。逻辑信道按其逻辑功能可分为业务信道 （TCH）和控制信道（CCH）。业务信道可分为话音业务 信道和数据业务信道；控制信道的种类很多，而且不同体 制的蜂窝系统设臵的控制信道不同，它们分配完成信令等 各种控制信息的传送。 蜂窝系统的信道还可以按信息的传送方向来分类，用于从 基站向移动台传送信息的信道称为前向信道（FCH），或 者叫下行信道、正向信道；用于从移动台向基站传送信息 的信道称为反向信道（RCH），或者叫上行信道。
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第1章 移动通信概论
区群的概念
图1-1的几何模型表示的是一个区群大小N为7的 系统，A、B、C、D、E、F以及G表示一个区群 中7个小区使用的7个频率组。通常将使用了系统 全部可用频率数S的N个小区称为区群，或者叫一 簇，而将N称为区群的大小。观察一下系统几何 模型，可以看到，区群在复制了M次后，完成了 对整个区域的覆盖，这样，整个系统的容量 C=MS。直观地理解，N的值越小，区群复制的次 数越多，同频复用的能力越强，系统的容量则越 大。当然，N的取值大小取决于系统承受同频干 扰的能力。
S I S
n
n
Ii
i 1
i0
S I
R
i0 i 1
n ( D ) i
S ( D / R) n ( 3N ) n .. I i0 i0
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第1章 移动通信概论
提高容量方法
在进行了频率规划的蜂窝系统中，随着无线服务 需求的提高，要求给单位覆盖区域提供更多的信 道，此时，通常采用①小区分裂、②裂向（扇区 化）和③覆盖区分区域（分区微小区化）的方法 来增大蜂窝系统的容量。
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第1章 移动通信概论
1.2 蜂窝移动通信系统
而作为移动通信的应用系统，虽然全球范围内标 准很多，但典型的系统可分为以下几类：蜂窝移
动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系 统、集群移动通信系统、移动卫星通信系 统以及分组无线网。
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第1章 移动通信概论
1.2.1 蜂窝小区的概念
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
1.2.5 信道分配策略
1．固定信道分Βιβλιοθήκη Baidu策略（FCA）
在FCA方案中，为各小区分配一组预先确定的 话音信道，小区中的任何呼叫请求只能被该特定 小区中的未占用信道提供服务。为了提高信道利 用率，可以考虑选择信道借用，选择借用时，如 果小区内的所有信道均已被占用，并且相邻小区 存在空闲信道，那么，就允许该小区从相邻小区 借用信道。信道借用通常由MSC负责监管。
1 5 7 2 4 7 2 3 5 i 6 1 j 3 4
1 3 4
7 6 1 5 4
6 1 5
4 2 6 3 5
2 6 3
5 7 2 1 3 4
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7 2 1
3 4
第1章 移动通信概论
证明：设相邻同频小区间的距离为D，小区半径为R，则由上图
示绿色三角形，根据余弦定理有：
D ( 3iR) ( 3 jR) 2( 3iR)( 3 jR) cos120
第1章 移动通信概论
为什么选用六边形作为小区的几何形状？
符合条件的小区几何形状有几种可能：正方形、 等边三角形和六边形，而六边形最接近小区基站 通常的辐射模式——圆形，并且其小区覆盖面积 最大。当然，这只是理论分析，实际的小区形状 要根据地理情况和电波传播情况来定，最终的小 区形状可能是不规则的。
A
C
E
B
A
C
D
A
C D F
C
D
图1-1 频率复用的几何模型，N=7
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第1章 移动通信概论
小区几何形状必须符合的两个条件
①能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没 有重叠 。 ②每一个小区能进行分裂，以扩展系统容 量，也就是能用更小的相同几何形状的小 区完成区域覆盖，而不影响系统的结构。
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D 2 3R 2 (i 2 j 2 ij )
则大六边形包含的小区数为：
Al arg e Asmall
D 2 2 2 3 ( i j ij )......... .....( 1) 2 R
另一方面从几何图中可以看出，一般大六边形通常包围 由 N 个小区组成的中心簇及周围其他六边形小区数目的 1/3 ， 因 此 大 六 边 形 所 包 围 的 小 区 总 数 为 N+6(N/3)=3N ⑵ ,比较⑴⑵两式有N=i2+ij+j2，证毕。
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第1章 移动通信概论
1.1.3 移动通信的发展趋势
通常，每10年将发展并更新一代移动通信系统。 从市场需求来看，移动互联网和物联网是下一代 移动通信系统发展的两大主要驱动力，其中移动 互联网颠覆了传统移动通信业务模式，而物联网 则扩展了移动通信的服务范围。和现有的4G系统 相比，5G系统的性能将在3个方面提高1000倍： 一是传输速度提高1000倍，平均传输速率将达到 100Mbps~1Gbps；其次是总的数据流量提高 1000倍；再就是频谱效率和能耗效率提高1000倍。
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第1章 移动通信概论
第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展 阶段。特点是专用系统开发，工作频率较低，工 作方式为单工或半双工方式。 第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。这 一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡， 接续方式为人工，网络的容量较小。 第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。其 特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频 段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从20世纪70年代中后期至今。其特点是 通信容量迅速增加，新业务不断出现，系统性能 不断完善，技术的发展呈加快趋势。
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第1章 移动通信概论
定位同频小区方法
A A A A i j A 60°
方法： ①沿着任意一条六边形链移动i个小区； ②逆时针旋转60度再移动j个小区。
A
A
图1-2 在蜂窝小区中定位同频小区的方法
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第1章 移动通信概论
族的大小——N，是一些特定的值，必须符合以 下条件：N=i2+ij+j2
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第1章 移动通信概论
下一代移动通信技术新特点 ：
(1) 5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验，网络平均吞 吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D（3维）体验、交互式游戏等 新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标； (2) 与传统的移动通信系统理念不同，5G系统研究将不仅仅把点到点 的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标，而是从更为广 泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点，力求 在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高； (3) 室内移动通信业务已占据应用的主导地位，5G室内无线覆盖性能 及业务支撑能力将作为系统优先设计目标，从而改变传统移动通信系 统“以大范围覆盖为主、兼顾室内”的设计理念； (4) 高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统，但由于受到高 频段无线电波穿透能力的限制，无线与有线的融合、光载无线组网等 技术将被更为普遍地应用； (5) 可“软”配臵的5G无线网络将成为未来的重要研究方向，运营商 可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源, 有效地降低网络运营 的成本和能源的消耗。。
将整个大的地理覆盖区域划分成许多连续 的小区域，并在各个小区域内采用低天线 低功率发射机的方案称为蜂窝通信。在这 里，小区连接的几何形状象蜂窝，所以叫 蜂窝通信。
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第1章 移动通信概论
1.2.2 频率复用的几何模型
B G F B G F E B G F E E A C G D F B G D F E A C G D F B G A E E B A C D
第1章 移动通信概论
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第1章 移动通信概论
1.1 移动通信的历史、现状与发展趋势
1.1.1 移动通信的历史、现状
现在，人们普遍认为1897年是人类移动通信 的元年。这一年，意大利人M.G.马可尼在一个 固定站和一艘拖船之间完成了一项无线电通信实 验，也就是说，移动通信几乎伴随着无线通信的 出现而诞生了，也由此揭开了移动通信辉煌发展 的序幕。 现代意义上的移动通信系统起源于上个世纪 20年代，距今已有80余年的历史。大致算来， 现代移动通信系统经历了如下4个发展阶段。
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
1.2.3 蜂窝系统的组成
一个基本的或者说最简单的 蜂窝系统由移动台（MS）、 基站（BS）和移动交换中
心（MSC）3部分组成。
BS
MSC
PSTN
MS
图1-3 基本蜂窝系统的组成
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
蜂窝网络结构演化
随着移动技术的进步和系统功能的增强，蜂窝系 统的组网技术也越来越复杂，系统中的功能实体 也越来越多。在2G系统中，MSC的功能发生了分 离，增加了新的功能实体和智能节点，并逐步构 建移动智能网；从2.5G系统起，除原有的电路域 组件外，还增加了分组域组件；自3G系统的高级 阶段起，要求最终实现全IP化网络。。
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第1章 移动通信概论
从公式1-1来看，N可能的值为1、3、4、7、9、 12……。再结合不同系统承受同频干扰的能力， 模拟系统的N典型值为7、12；数字系统的N典型 值为3、4。
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第1章 移动通信概论
问题：那么N值与S/I具体关系是什么呢？
pr p0 (d / d 0 )
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
第四阶段的蜂窝移动通信系统又可以划分为几个发 展阶段。如按多址方式来分，则模拟频分多址 （FDMA）系统是第一代移动通信系统（1G）；使 用电路交换的数字时分多址（TDMA）或码分多址 （CDMA）系统是第二代移动通信系统（2G）；使 用分组/电路交换的CDMA系统是第三代移动通信系 统（3G）；将使用了不同的高级接入技术并采用 全IP（互联网协议）网络结构的系统称为第四代移 动通信系统（4G）。如按系统的典型技术来划分， 则模拟系统是1G；数字话音系统是2G；数字话音/ 数据系统是超二代移动通信系统（B2G）；宽带数 字系统是3G；而极高速数据速率系统是4G。
清华大学出版社
第1章 移动通信概论
现阶段，移动通信已在全球迅猛发展。国际电信联 盟2013年度报告显示世界71亿人口中有68亿手机 用户；据联合国有关调查机构预测至2014年底，世 界上移动通信设备用户总数将会超过世界总人口数。 目前，2G、3G和4G商用移动通信网络处于共存阶 段，并将在相当一段时间内共存下去，为各类用户 服务，以满足不同业务需求。与此同时，第五代移 动通信系统（5G）作为面向2020年以后移动通信 需求而发展的新一代移动通信系统，ITU将其晢命 名为IMT-2020，其研发工作已在全球范围内展开。
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第1章 移动通信概论
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第1章 移动通信概论
1.1.2 移动通信在中国的发展概况
回顾我国移动通信近30年的发展历程，我国移动通信市场 的发展速度和规模令世人瞩目，可以说，中国的移动通信 发展史是超常规、成倍数、跳跃式的发展史。早在2001年 8月，中国的移动通信用户数达到1.2亿，超过美国跃居为 世界第一位。截至2014年1月，中国移动通信用户总数已 达到12.35亿，其中3G用户数超过4亿，4G用户数超过 1400万。总体来说，我国移动通信发展经历了引进、吸收、 改造、创新4个阶段。现阶段，我国的移动通信技术水平 已同步于世界先进水平，并有望在下一阶段占领移动通信 技术制高点，引领移动通信的发展方向。
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第1章 移动通信概论
2．动态信道分配策略（DCA）
在DCA方案中，话音信道并不是永久分配给 不同的小区，每当有呼叫请求时，提供服务的基 站就会向MSC请求信道，MSC动态地确定可用信 道并相应地执行分配过程，为了避免同信道干扰， 如果一个频率在当前小区或任何落入频率复用最 小限制距离内的小区没有被使用，MSC则将该频 率分配给呼叫请求。动态信道分配降低了呼叫阻 塞的可能性，提高了系统的中继容量，但要求 MSC连续地收集所有信道占用、话务量分布以及 无线信号强度指示（RSSI）等数据。
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第1章 移动通信概论
1.2.4 蜂窝系统中的信道
在蜂窝系统中，由系统采用的多址技术所获得的无线信道 称为物理信道（PCH），通常，在具体的物理信道上安排 相应的逻辑信道。逻辑信道按其逻辑功能可分为业务信道 （TCH）和控制信道（CCH）。业务信道可分为话音业务 信道和数据业务信道；控制信道的种类很多，而且不同体 制的蜂窝系统设臵的控制信道不同，它们分配完成信令等 各种控制信息的传送。 蜂窝系统的信道还可以按信息的传送方向来分类，用于从 基站向移动台传送信息的信道称为前向信道（FCH），或 者叫下行信道、正向信道；用于从移动台向基站传送信息 的信道称为反向信道（RCH），或者叫上行信道。
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第1章 移动通信概论
区群的概念
图1-1的几何模型表示的是一个区群大小N为7的 系统，A、B、C、D、E、F以及G表示一个区群 中7个小区使用的7个频率组。通常将使用了系统 全部可用频率数S的N个小区称为区群，或者叫一 簇，而将N称为区群的大小。观察一下系统几何 模型，可以看到，区群在复制了M次后，完成了 对整个区域的覆盖，这样，整个系统的容量 C=MS。直观地理解，N的值越小，区群复制的次 数越多，同频复用的能力越强，系统的容量则越 大。当然，N的取值大小取决于系统承受同频干 扰的能力。
S I S
n
n
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S I
R
i0 i 1
n ( D ) i
S ( D / R) n ( 3N ) n .. I i0 i0
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第1章 移动通信概论
提高容量方法
在进行了频率规划的蜂窝系统中，随着无线服务 需求的提高，要求给单位覆盖区域提供更多的信 道，此时，通常采用①小区分裂、②裂向（扇区 化）和③覆盖区分区域（分区微小区化）的方法 来增大蜂窝系统的容量。
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第1章 移动通信概论
1.2 蜂窝移动通信系统
而作为移动通信的应用系统，虽然全球范围内标 准很多，但典型的系统可分为以下几类：蜂窝移
动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系 统、集群移动通信系统、移动卫星通信系 统以及分组无线网。
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第1章 移动通信概论
1.2.1 蜂窝小区的概念
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第1章 移动通信概论
1.2.5 信道分配策略
1．固定信道分Βιβλιοθήκη Baidu策略（FCA）
在FCA方案中，为各小区分配一组预先确定的 话音信道，小区中的任何呼叫请求只能被该特定 小区中的未占用信道提供服务。为了提高信道利 用率，可以考虑选择信道借用，选择借用时，如 果小区内的所有信道均已被占用，并且相邻小区 存在空闲信道，那么，就允许该小区从相邻小区 借用信道。信道借用通常由MSC负责监管。
1 5 7 2 4 7 2 3 5 i 6 1 j 3 4
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第1章 移动通信概论
证明：设相邻同频小区间的距离为D，小区半径为R，则由上图
示绿色三角形，根据余弦定理有：
D ( 3iR) ( 3 jR) 2( 3iR)( 3 jR) cos120
第1章 移动通信概论
为什么选用六边形作为小区的几何形状？
符合条件的小区几何形状有几种可能：正方形、 等边三角形和六边形，而六边形最接近小区基站 通常的辐射模式——圆形，并且其小区覆盖面积 最大。当然，这只是理论分析，实际的小区形状 要根据地理情况和电波传播情况来定，最终的小 区形状可能是不规则的。
A
C
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B
A
C
D
A
C D F
C
D
图1-1 频率复用的几何模型，N=7
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第1章 移动通信概论
小区几何形状必须符合的两个条件
①能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没 有重叠 。 ②每一个小区能进行分裂，以扩展系统容 量，也就是能用更小的相同几何形状的小 区完成区域覆盖，而不影响系统的结构。
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