第2章移动通信(第五版)(章坚武)ppt课件.ppt

第2章 移 动 通 信 网,2.1 引言 2.2 移动通信体制 2.3 移动通信的信道结构 2.4 蜂窝移动通信系统的频率配置 2.5 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 2.7 多信道共用技术 2.8 移动性管理 2.9 无线资源管理技术 2.10 信道自动选择方式,2.1 引 言,移动通信网就是承接移动通信业务的网络，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。这里的“信息交换”不仅仅指双方的通话业务，还包括数据、传真和图像等通信业务。一些移动通信网直接向社会公众提供移动通信业务，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，我们称之为公用移动电话网，简称公网。,也有的移动通信网是一些专用网，并不对公众开放，不进入电话网，或与PSTN的互连较少，如工业企业中的无线电调度、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网，通常称之为专用移动通信网，简称专网。,2.2 移动通信体制,2.2.1 大区制移动通信网 大区制就是在一个服务区域(如一个城市)内只有一个或几个基站（Base Station，BS），并由它负责移动通信的联络和控制，如图2-1所示。通常为了扩大服务区域的范围，基站天线架设得都很高，发射机输出功率也较大(一般在200 W左右)，其覆盖半径大约为3050 km。,图2-1 大区制移动通信示意图,由于电池容量有限，通常移动台发射机的输出功率较小，因此移动台距基站较远时，移动台可以收到基站发来的信号(即下行信号)，但基站收不到移动台发出的信号(即上行信号)。为了解决两个方向通信不一致的问题，可以在服务区域中的适当地点设立若干个分集接收站，如图21中的虚线所示，以保证在服务区内的双向通信质量。,在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道(一个频道包含收、发一对频率)的频率都不能重复。比如，移动台MS1使用了频率f1和f2，那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了;否则，将产生严重的同频干扰。因而，这种体制的频率利用率和通信容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。大区制的优点是组成简单，投资少，见效快，主要用于专网或用户较少的地域。例如，在农村或城镇，为节约初期工程投资，可按大区制设计考虑。但是，从远期规划来说，为了满足用户数量增长的需要，提高频率的利用率，还需采用小区制的办法。,2.2.2 小区制（蜂窝）移动通信网小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区（Cell），每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心（MSC）的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。比如，可以把图2-1中的服务区域一分为七，如图2-2所示。每个小区（半径为220 km，目前小的有13 km，有的城市为500m）各设一个小功率基站(BS1BS7)，发射功率一般为520W，以满足各无线小区移动通信的需要。,随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小为微小区（Microcell）和微微小区（Picrocell），以不断适应用户数增长的需要。在实际中，用小区分裂（Cell Splitting）、小区扇形化（Sectoring）和覆盖区域逼近（Coverage Zone Approaches）等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂提高了信道的复用次数，因而使系统容量有了明显提高。假设系统中所有小区都按小区半径的一半来分裂，如图2-3所示，理论上，系统容量增长接近4倍。小区扇形化依靠基站的方向性天线来减少同频干扰以提高系统容量，通常一个小区划分为3个120的扇区或是6个60的扇区。,图2-2 小区制(蜂窝)移动通信网,采用小区制不仅提高了频率的利用率，而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了。此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。采用小区制最大的优点是有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。所以，公用移动电话网均采用这种体制。但是这种体制在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，建网的成本就提高了，所以无线小区的范围也不宜过小。通常需根据用户密度或业务量的大小来确定无线小区半径，目前，宏小区半径一般为（15）km。,图2-3 按小区半径的一半进行小区分裂示意图,当基站采用全向天线时，基站覆盖区大致是一个圆。当多个无线小区彼此连接并覆盖整个服务区时，可以用圆的内接正多边形来近似。能全面覆盖一个平面的正多边形有正三角形、正方形、正六边形三种。在这三种小区结构中，正六边形小区的中心间隔和覆盖面积都是最大的，而重叠区域宽度和重叠区域面积又最小。这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。由于小区采用了正六边形小区结构，形成蜂窝状分布，因此小区制亦称蜂窝制。由于公用移动电话网均采用这种体制，因此，公用移动电话也称为蜂窝移动通信(CellularMobileTelecommunications)。在移动通信系统中，对基站进行选址以及分配信道组的设计过程叫做频率规划（FrequencyPlanning）。,当用正六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机可安置在小区的中心（中心激励方式）或者安置在六个小区顶点之中的三个点上（顶点激励方式）。通常，中心激励方式采用全向天线，顶点激励方式采用扇形天线。,2.3 移动通信的信道结构,2.3.1 话音信道(VC),1.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)。SAT由BS的话音信道单元发出，经移动台MS环回。,2.数据 在一定情况下，在话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(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。,2.3.2 控制信道(CC),1.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 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。,2.4 移动通信网的频率配置,由表2-1可以看出，对于频分双工（FDD）蜂窝移动通信系统，900MHz频段收发频差为45MHz，1800MHz频段收发频差为95MHz，2000MHz频段收发频差为90MHz。注意：对于450MHzFDD专用移动通信系统，收发频差为10MHz；对于150MHzFDD专用移动通信系统，收发频差为5.7MHz。以中国联通GSM900为例，6MHz带宽，收发频差为45MHz，载波间隔为200kHz，即200kHz一个载波频点，共30个载波频点，除去工作频点首尾各一个保护频点，共28个频点。,在3G频段分配方面，中国移动TD-SCDMA获得的频谱为（18801900）MHz，共20MHz，之前TD-SCDMA试验网还曾获得（20102025）MHz的频谱，两者加起来，TD-SCDMA共获得35MHz。（19001920）MHz频段目前尚被中国联通及中国电信小灵通(PHS)使用。2009年2月，政府主管部门明确要求所有（19001920）MHz频段无线接入系统应在2011年底前完成清频退网工作，以确保不对（18801900）MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。,中国电信cdma2000除了原先使用的800MHz频段外，获批的是（19201935）MHz(上行)、（21102125）MHz(下行)；中国联通WCDMA获得的是（19401955）MHz(上行)、（21302145）MHz(下行)。它们分别获得30MHz，而且无论上行还是下行，中间都相隔了5MHz，以免相互干扰。此外，目前运用的800MHz/900MHz/1800MHz频段的2GFDD频谱也为未来3GFDD使用频谱。对于早期的模拟蜂窝系统，不同设备的信道（载波）间隔不同。北美为30kHz，如AMPS系统的信道间隔为30kHz；德国为20kHz；日本、英国、北欧和中国都是25kHz，如TACS系统的信道间隔为25kHz。,2.5 移动通信环境下的干扰,2.5.1 同频道干扰,1.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，称为同频道干扰保护比。该指标与网络提供的话音质量有关。话音质量通过用户平均意见得分（MOS，MeanOpinionScores)进行评价，分为15级，级越高越好。,（1）静态同频道干扰保护比。对于三级话音质量其下限信噪比为14 dB。对应的有用信号与干扰信号之比为8 dB。所以，为了维持三级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于8 dB。四级话音质量其下限信噪比约为25 dB。为了维持四级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于12 dB。（2）同频道干扰概率。同频道干扰概率规定为10%。,（3）考虑衰落影响、干扰概率和静态射频保护比后的同频道干扰保护比。当有快衰落和慢衰落时，通常的做法是在静态同频道干扰保护比（P）上加上同频道干扰余量（ZP），即P+ZP（dB）。表2-2列出干扰概率为10%时的P+ZP值。,2.同频道复用保护距离系数D/r在蜂窝网中，使两个同频小区保持必要的距离是保证同频道干扰保护比达到指标要求的主要办法。在全向基站区中，同频道复用保护距离系数由图2-4定义。为了满足表22的同频道干扰保护比指标，所需要的系数可由式（2-1）计算，其结果列于表23。,式中，D/r为同频道复用保护距离系数。,(2-1),图2-4 同频道复用保护距离系数,2.5.2 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。,2.5.3 互调干扰 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+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。,1.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。,2.接收机互调干扰 当多个强干扰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。,3.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。,2.5.4 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。,2.5.5 近端对远端的干扰,当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台B（距离d2）到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台A（距离，1）的到达功率，若二者频率相近，则距基站近的移动台B就会造成对接收距离距基站远的移动台A的有用信号的干扰或仰制，甚至将移动台A的有用信号淹没。这种现象称为近端对远端干扰。克服近端对远端干扰的措施主要有两个：一是使两个移动台所用频道拉开必要间隔；二是移动台端加自动（发射）功率控制（APC），使所有工作的移动台到达基站功率基本一致。由于频率资源紧张，几乎所有的移动通信系统对基站和移动终端都采用APC工作方式。,2.6 蜂窝移动通信网络的频率规划,2.6.1 等频距分配法,在蜂窝移动通信网络中，同信道干扰问题已在分群时考虑，保证有足够的防护比，而邻道干扰的问题则在信道分配时应加以考虑。等频距分配法按频率等间隔分配信道，这样可以有效地避免邻道干扰。若需要M个信道，将其分为N个信道组，则每个信道组中有M/N个信道，而N个信道组的信道序列可以确定如下：K+jN K=1，2，3，N；J=0，1，2，(M/N)-1式中，K为信道组的序列号，最大为K=N，j为信道序号的取值。,我国GSM网和TACS网均采用了这种方法。如果基站采用了无方向性激励时，通常以12个无线小区（基地区）作为一个簇（cluster），其信道组配置如图2-5所示。按K+jN的规律，可以确定各信道组的信道序列如下：第一信道组，K=1，j=012，故有（1，13，25，）第二信道组，K=2，j=012，故有（2，14，26，）第三信道组，K=3，j=012，故有（3，15，27，）第四信道组，K=4，j=012，故有（4，16，28，）,第五信道组，K=5，j=012，故有(5，17，29，)第六信道组，K=6，j=012，故有（6，18，30，）第七信道组，K=7，j=012，故有（7，19，31，）第八信道组，K=8，j=012，故有(8，20，32，)第九信道组，K=9，j=012，故有(9，21，33，)第十信道组，K=10，j=012，故有(10，22，34，)第十一信道组，K=11，j=012，故有(11，23，35，)第十二信道组，K=12，j=012，故有(12，24，36，)这样同一信道内的最小间隔为12，保证了对邻道干扰的抑制。,图2-5 12个无线小区为一个簇的信道组配置,图2-6 4个基站24个扇形无线小区为一个簇的信道组配置,图2-6采用4个基站、6个顶点为60的扇形定向天线，则每个基站应有6组信道，每个簇有24个信道组，共96个频点，其信道分配为：BS1选用的六个信道组为（1，25，49，73）；（5，29，53，77）；(21，45，69，93)；BS2选用的六个信道组为（2，26，50，74）；（6，30，54，78）；(22，46，70，94)；BS3选用的六个信道组为（3，27，51，75）；（7，31，55，79）；(23，47，71，95)；BS4选用的六个信道组为（4，28，52，76）；（8，32，56，80）；(24，48，72，96)。,图2-7 7个基站、21个扇区为一个簇的信道组配置,2.6.2 信道分配策略,信道分配策略可分为两类：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的话音信道。前面介绍的等频距分配法采用将某一组信道固定分配给某一基站，即基站的频点是固定不变的，就属固定信道分配法。它具有控制方便，投资少的特点。但信道的利用率较低。在各个覆盖区话务量不均匀的情况下，当一个基站的信道全忙时，邻近的信道即使空闲也不能使用。,为了进一步提高频谱的利用率，使信道的配置方法能够随移动通信网的地理分布及业务量大小的变化而变化，目前在移动通信系统中采用了一种动态信道分配方法。它不是将信道固定地分配给某个基站，而是实现信道动态分配，其频谱的利用率大约可提高20%。动态信道分配需要智能控制，以便于及时收集和处理大量的数据，并实时给出结果并进行控制。动态信道分配可以做到按业务量的大小，合理地在不同基站之间按需分配信道，避免了小区忙闲不均的情况。其比较突出的缺点是会在此时造成的干扰（同频干扰和邻道干扰）比较严重，必须要有一个既可充分利用无线频谱以增加用户容量而又能减少干扰的综合考虑方案。为此，人们提出许多不同的信道分配策略。,2.6.2 信道分配策略信道分配策略可分为两类：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。在固定的信道分配策略中，给每个小区分配一组预先确定好的话音信道。前面介绍的等频距分配法采用将某一组信道固定分配给某一基站，即基站的频点是固定不变的，就属固定的信道分配策略。它具有控制方便、投资少的特点，但信道的利用率较低，在各个覆盖区话务量不均匀的情况下，当一个基站的信道全忙时，邻近的信道即使空闲也不能使用。,为了进一步提高频谱的利用率，使信道的配置方法能够随移动通信网的地理分布及业务量大小的变化而变化，目前在移动通信系统中采用了一种动态的信道分配策略。它不是将信道固定地分配给某个基站，而是实现信道动态分配，其频谱的利用率大约可提高20%。动态信道分配需要智能控制，以便于及时收集和处理大量的数据，并实时给出结果并进行控制。动态信道分配可以做到按业务量的大小，合理地在不同基站之间按需分配信道，避免了小区忙闲不均的情况。其比较突出的缺点是此时造成的干扰（同频干扰和邻道干扰）比较严重，必须要有一个既可充分利用无线频谱以增加用户容量又能减少干扰的综合考虑方案。为此，人们提出了许多不同的信道分配策略。,在动态的信道分配策略中，各基站在接到呼叫请求后，就向MSC请求一个信道。MSC则根据某种算法给发出请求的小区分配一个信道。这种算法应考虑以下问题：该小区中以后呼叫阻塞的可能性，候选信道使用的频次，信道的复用距离以及其他要增加的开销等等。因此，MSC只分配符合以下条件的某一频率：这个小区没有使用该频率，而且任何为了避免同频干扰而限定的最小频率复用距离内的小区也都没有使用该频率。动态的信道分配策略有利于提高信道利用率，并可以减小系统呼叫阻塞率，但要求MSC连续实时地收集关于信道的占用情况、话务量的分布情况以及所有信道的无线信号强度指示（RSSI）等数据，这增加了系统的计算量和存储量。,2.7 多信道共用技术,2.7.1 话务量与呼损,1.呼叫话务量 话务量是度量通信系统业务量或繁忙程度的指标。所谓呼叫话务量A，是指单位时间内（1小时）进行的平均电话交换量。它可用下面公式来表示：,(2-2),式中：C每小时平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫失败的次数）；t0每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续时间和通话时间）。如果t0以小时为单位，则话务量A的单位是厄兰(Erlang，占线小时，简称Erl)。如果在一个小时内不断地占用一个信道，则其呼叫话务量为1 Erl。它是一个信道具有的最大话务量。例如，设在100个信道上，平均每小时有2100次呼叫，平均每次呼叫时间为2分钟，则这些信道上的呼叫话务量：,2.呼损率B 当多个用户共用时，通常总是用户数大于信道数。因此，会出现许多用户同时要求通话而信道数不能满足要求的情况。这时只能先让一部分用户通话，而让另一部分用户等待，直到有空闲信道时再通话。这后一部分用户虽然发出呼叫，但因无信道而不能通话称做呼叫失败。在一个通信系统中，造成呼叫失败的概率称为呼叫失败概率，简称为呼损率（B）。设A为呼叫成功而接通电话的话务量，简称为完成话务量；C为总呼叫的次数；C0为一小时内呼叫成功而通话的次数;t 为每次通话的平均占用信道时间，则,完成话务量A为,呼损率B为,式中，（AA）为损失话务量。,所以呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。,(2-3),(2-4),显然，呼损率B愈小，成功呼叫的概率越大，用户就越满意。因此，呼损率也称为系统的服务等级GOS（the Grade Of Service）。例如，某系统的呼损率为10%，即说明该系统内的用户每呼叫100次，其中有10次因信道被占用而打不通电话，其余90次则能找到空闲信道而实现通话。但是，对于一个通信网来说，要想使呼损减少，只有让呼叫流入的话务量减少，即容纳的用户数少一些，这是不希望的。可见呼损率和话务量是一对矛盾，即服务等级和信道利用率是矛盾的。,如果呼叫有以下性质：(1)每次呼叫相互独立，互不相关（呼叫具有随机性）；(2)每次呼叫在时间上都有相同的概率；并假定移动电话通信服务系统的信道数为n；则呼损率B可计算如下：,(2-5),3.繁忙小时集中度K日常生活中，一天24小时中总有一些时间打电话的人多，另外一些时间使用电话的人少，因此对一个通信系统来说，可以区分忙时和非忙时。例如，在我国早晨8点到9点属于电话的忙时，而一些欧美国家晚上7点属于电话忙时，因此在考虑通信系统的用户数和信道数时，显而易见，应采用忙时平均话务量。因为只要在忙时信道够用，非忙时肯定不成问题。忙时话务量与全日的话务量之比称为繁忙小时集中度。繁忙小时集中度K为,K一般为8%14%。,4.每个用户忙时话务量（Aa）假设每一用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道的时间为T（单位为秒），忙时集中率为K，则每个用户忙时话务量为 可以看出，Aa为最忙时间的那个小时的话务量，它是统计平均值。例如，每天平均呼叫3次，每次的呼叫平均占用时间为120秒，忙时集中度为10%(K=0.1)，则每个用户忙时话务量为0.01 Erl/用户。,(2-6),一些移动电话通信网的统计数值表明，对于公用移动通信网，每个用户忙时话务量可按0.01 Erl计算；对于专用移动通信网，由于业务的不同，每个用户忙时话务量也不一样。一般可按0.06 Erl计算。,2.7.2 每个信道能容纳的用户数,当每个用户忙时的话务量确定后，每个信道所能容纳的用户数为：,每个信道的m与在一定呼损条件下的信道平均话务量成正比，而与每个用户忙时话务量成反比。例如，某移动通信系统一个无线小区有 8 个信道(1 个控制信道，7个话音信道)，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道平均时间为80秒，呼损率要求10%，忙时集中率为0.125。问该无线小区能容纳多少用户？,（2-7）,(1)根据呼损的要求及信道数(n=7)，求总话务量A：可以利用公式，也可查表。求得A=4.666 Erl。(2)求每个用户的忙时话务量Aa：,(3)求每个信道能容纳的用户数：,(4)系统所容纳的用户数：,2.8 移动移动性管理,移动通信网络与固定通信网络相比，其主要优点是可移动性(Mobility)。移动性是指对于用户和终端位置的改变而持续接入服务、继续通信的能力。移动性可划分为两个级别：一个称为游牧移动，指用户在移动时能改变其网络接入点，但正在进行的服务会话会完全停止，必须重新启动；另一个称为无缝(seamless)移动，指当用户或终端移动时能随时改变其网络接入点而不中断正在进行的服务会话。它们都要求在核心网提供相应的功能。这些功能应该包括用户鉴别、授权、位置更新、用户信息的下载等，我们称之为移动性管理(MM，Mobility Management)。从第一代蜂窝移动通信开始，人们就致力于无缝移动。,用户的移动性和对移动性的自动管理是移动通信网络的基础，因此移动性管理(MM)是移动通信网络必不可少的功能。移动性管理包括两个方面：位置管理和切换管理。其中，位置管理确保了移动台在移动过程中能被移动通信网络有效地寻呼到；切换管理确保了与网络正进行业务连接的移动台在跨小区或跨MSC时具有原有业务的连续性。,2.8.1 位置管理移动网络跟踪记录移动台（MS）的位置信息，这样就能把来话转至被叫用户。为了实现位置跟踪，一个移动服务区被划分成几个位置区（LA，LocationArea）或注册区。一般情况下，LA的范围固定。每个LA包括一组基站收发信机（BTS），这些BTS通过无线链接与MS进行通信。位置管理的主要任务就在于当MS从一个LA移动到另一个LA时更新MS的位置信息。通常一个移动通信网的位置管理系统由一个归属位置寄存器（HLR）以及若干个访问位置寄存器（VLR）组成。一个VLR管理若干个LA,而每个LA由一定数量的蜂窝小区（BTS）组成，如图2-8所示。当然，当某一地区用户数量超过一个HLR所承受的数量时，可以通过多个HLR来分级管理。,图2-8 位置区结构,位置更新过程如下：BTS周期性地向MS广播相应的LA地址。当MS收到的LA位置信息与所存储的位置信息不同时，MS就向网络发送一个位置更新请求或注册消息。位置管理使得移动通信网络能够跟踪移动终端的位置。当有外来呼叫寻呼该移动终端时，移动通信网络需要确定该移动终端所在的具体蜂窝小区，即确定该移动终端的精确的小区位置。所以，位置更新的过程即为“注册”过程。位置管理分为两个部分，即位置更新(Location Update)和寻呼(Paging)，如图2-9所示。,图2-9 位置管理功能框图,为了确定每个移动终端的精确的小区位置，移动终端需要不时地向移动通信系统报告其当前所在位置，这便是位置更新的过程。在位置更新过程中，移动终端首先通过上行控制信道发送位置更新消息，然后执行更新数据库的信令过程。在位置更新阶段，移动终端把它的新的接入点（LA+BTS编号）通知网络，使网络能对移动终端进行鉴权并能更新数据库中移动终端位置档案等数据。寻呼则是搜索并确定移动终端所在具体蜂窝位置的过程。寻呼包括查询数据库中移动终端的位置档案，并进行呼叫。,由此可以看出，位置更新的目的是使移动网络能够有效地掌握移动终端当前所处的位置，以便在呼叫该移动用户时能及时寻呼到该用户。但位置更新和寻呼是两个对立的过程。如果将LA划小，则网络对移动终端位置信息掌握得越精确，定位越准，寻呼代价Cp就越小，此时移动终端进行位置更新越频繁，即位置更新消耗的系统资源越多，位置更新Cu代价就越大。反之，如果将LA划大，则移动终端位置更新得越少，移动通信网络对该移动终端具体所在位置的精确信息掌握得越少，此时位置更新代价小了，但寻呼到该移动终端的寻呼代价大了。因此，位置管理存在优化问题，即存在位置更新代价和寻呼代价的折中问题。,总成本Ctotal为位置更新信令代价Cu和寻呼信令代价Cp之和，即Ctotal=Cu+Cp(2-8)这里所谓的“代价”，就是泛指执行位置更新或寻呼过程所占用的系统资源及所要求进行的计算成本。我们所考虑的核心问题便是如何使得位置更新信令代价Cu和寻呼信令代价Cp的总和Ctotal最小，即min(Ctotal)=min(Cu+Cp)(2-9),1.位置更新位置更新的策略可分为静态位置更新（StaticLocationUpdate）策略和动态位置更新(Dynamic LocationUpdate)策略。1）静态位置更新策略静态位置更新策略基于网络发起位置更新操作。所谓静态，主要体现在位置区LA的范围是固定的。第一代和第二代移动通信系统采用的都是静态位置更新策略。在某个地区，各个位置区LA的界限是固定不变的。当然，这个固定的位置区LA是与当地的移动用户密集程度、话务量等相关的。当移动用户从一个位置区移动到另一个位置区时，就会产生位置更新的过程。,图2-10 静态位置更新,如图2-10所示，当处于待机状态的移动终端离开原来的LA、进入一个新的LA时，由移动终端向系统发起位置更新。若新的LA与原来的LA属于同一个VLR，则只需在VLR中更新信息即可，如图2-10(a)所示；若新的LA属于不同的VLR，则新的VLR在确定移动终端的HLR后，向该HLR发出位置登记信息，HLR在经过鉴权之后，记录下移动终端的新的VLR，并给原来的VLR发出一个删除信息，删除在原来的VLR上的信息，如图2-10(b)所示。,静态位置更新策略存在以下几个缺点：（1）当移动终端在边界上来回运动时，将产生大量的不必要的位置更新操作，即会产生位置更新的“乒乓”现象。（2）信令负载过于集中，边界小区的信令负载要远大于内部小区。（3）位置区的大小、形状、配置对所有的移动终端并不是统计最佳的。（4）寻呼业务量过大，当呼叫到达时，要在LA的所有小区中进行寻呼。,2）动态位置更新策略静态位置更新策略所带来的一个很大问题是随着移动用户的增长移动网络所承受的信令负载急剧增加。对于位置管理来说，信令负载的增加是一个很沉重的负担，特别是会导致无线带宽资源的稀缺，因此必须采用有效的方法来减少信令负载。基于以上分析和考虑，研究人员提出了诸多动态的优化策略，以提高移动通信系统的工作效率和移动网络的性能。相对于静态位置更新策略而言，动态位置更新策略是基于移动用户的呼叫和运动模式来发起位置更新操作的。,现阶段，动态位置更新策略主要有基于距离的位置更新策略（Distance-basedScheme）、基于时间的位置更新策略（Time-basedScheme）、基于运动的位置更新策略（Movement-basedScheme）以及其他一些动态位置更新策略。（1）基于距离的位置更新策略。在基于距离的位置更新策略中，移动终端在进行了一次位置更新之后，一直监测着自己与上一次位置更新点之间的距离，一旦检测到移动终端离开上次位置更新所在蜂窝小区的距离超过了一定的值d（距离门限），移动终端就进行一次位置更新，将其位置信息通告给网络。其中，最佳距离门限的确定取决于各个移动终端的运动方式和呼叫到达参数。,图2-11 基于距离的位置更新策略,在图211中，假设距离门限d3，则移动终端零时刻在A点执行位置更新后，经过多次移动，最终将在点进行下一次位置更新，因为移动终端移动到B点时与其上一次位置更新的A点距离为3个蜂窝小区。下面给出了在一维线性网络结构和二维六边形网络结构及均匀随机游走运动模型假设下，通过迭代求解最优距离门限的算法。最关键的问题就是距离门限D的取值，它直接影响基于距离的位置更新策略的性能优劣。,假设位置更新信令代价为Cdistanceu，寻呼信令代价为Cp，U为发生一次位置更新的平均代价，T为某时间发生位置更新的次数，则该时间段位置更新信令代价为,Cdistanceu=UT,(210),假设V为一个小区发起寻呼的平均代价，M为LA内小区个数，则寻呼信令代价为,Cp=VM,（211）,如果寻呼采用的是同步全呼策略，则寻呼信令代价为,Cp=VN=V1+3(k2k),(212),位置更新信令代价主要和移动用户的平均移动速度vav有关系。因为移动用户在单位时间内经过了vav个蜂窝小区，并且移动用户的运动路线并非是直线式的，所以位置更新信令代价和平均移动速度vav存在着下面的关系：,基于距离的位置更新策略的实现对系统要求的复杂度较高，是最不实际的一种动态位置更新策略。,(213),（2）基于时间的位置更新策略。基于时间的位置更新策略就是使移动用户每隔T时间就周期性地进行一次位置更新。这里的T是时间门限数值，其大小可以由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。这个时间门限值的取值是影响该位置更新策略的关键。在图212所示的基于时间的位置更新策略中，如果零时刻移动终端在A点进行了一次位置更新，在T、2T、3T和4T时刻，移动终端分别运动到B、C、D和E点，则移动终端将分别在B、C、D和E点执行位置更新。执行基于时间的位置更新策略时，移动终端仅需一个定时器跟踪时间的情况，因此易于实现和应用。,图212 基于时间的位置更新策略,该策略的一种变体是自适应时间门限策略，即时间门限T可随上行链路控制信道的信令负荷而变化。数值结果表明，在一维线性网络和随机游走运动模型的假设下，自适应时间门限策略的性能优于基于时间的位置更新策略。如果我们希望使用的寻呼策略所消耗的寻呼代价与基于距离的寻呼代价一致，那么基于时间的位置更新策略的时间门限数值就应该为，移动终端的寻呼信令代价也如式（2-12）所示。,该策略的位置更新信令代价与vmax存在下面的关系：,(214),由式（212）和式（214）可以得到：,(215),令U=1，V=1，则可以得到图213。图213表明了式（213）中Cp与Ctimeu之间的关系。从图213中可以看出，vmax为5cells/hour、10cells/hour和15cells/hour的三种情况，随着最大速度vmax的增大，寻呼信令代价Cp也随之增加。另外，从图213中还可看出，单位时间位置更新次数越大，寻呼信令代价Cp就会越小，这也表明了位置更新和寻呼之间的对立关系。,图2-13基于时间的位置更新策略的性能分析,（3）基于运动的位置更新策略。当移动终端穿越小区边界的次数超过一个门限值d（运动门限）时，移动终端就进行一次位置更新，这就是基于运动的位置更新策略的概念。如图214所示，当运动门限d3时，移动终端从A点出发，此后将分别在B、C点执行位置更新。该策略可以根据每个用户的情况动态选择运动门限。,图214基于运动的位置更新策略,执行该策略时，移动终端仅需要一个计数器来记录跨越小区边界的次数，不需要掌握小区拓扑结构信息，因此实现起来比较简单。这里的运动门限d的取值对于基于运动的位置更新策略而言是最为关键的。d随每个移动终端的移动特性以及呼叫特性等情况而定，它直接影响该方法的移动性能。如果运动门限d为k，那么一次外来呼叫寻呼该移动终端时，采用同步全呼时寻呼到该移动终端的寻呼信令代价同样也与式（212）所示的一致。,该策略的位置更新信令代价有下面的关系：,(216),同样，我们也可以得到Cp与vav之间的关系式：,(217),执行基于运动的位置更新策略时，移动终端仅需要一个计数器来记录跨越小区边界的次数，而不需要掌握小区拓扑结构信息，因此对于单个移动终端而言实现起来也是比较简单的。,由式(2-13)、式(-)及式(21)可以看出：,(218),以上分析以及其他相关研究表明，与基于时间和运动的位置更新策略相比，基于距离的位置更新策略具有最好的性能，该策略所产生的位置更新寻呼代价是最小的，但它要求的系统复杂度和实现的开销最大，它还要求移动终端拥有不同小区之间的距离信息并不断监测，网络必须能够以高效的方式提供这样的信息，这会带来大量的计算负荷，因此对于能量有限的移动终端来说，该策略并不十分理想。,相比之下，基于时间的位置更新策略其性能是最差的，但该策略实现起来也是相对最容易的。基于运动的位置更新策略的性能则介于上述两者之间，它的实现相对于基于距离的位置更新策略而言要容易，其复杂度也介于其他两者之间。因此，基于运动的位置更新策略能够取得比较好的移动性能，虽然该策略不是最有效的位置更新策略，但其实是最实际的。,（4）其他动态位置更新策略。其他的有关动态位置更新的策略有如下几个：自适应位置更新策略。自适应位置更新策略中位置区的边界是变化的，它将位置区分为若干个等级，根据移动终端过去和现在的移动特性为不同的移动终端分配不同等级的位置区，每个等级的位置区大小不同。移动终端开机后，根据自身的移动特性请求分配一个等级合适的位置区，并将此位置区信息在系统数据库中