无线通信技术原理.ppt

,无线通信技术原理,2007年12月2日,移动通信系统概述移动通信的组网技术原理移动通信基本概念,第一节 移动通信系统概述,所谓移动通信，是指通信的一方或双方是在移动中实现通信的。也就是说，通信的双方至少有一方处在运动中或暂时停留在某一非预定的位置上。其中，包括移动台（汽车、火车、飞机、船舰等移动体上）与固定台之间通信、移动台与移动台之间通信、移动台通过基站与有线用户通信等。,移动通信的概念,移动通信的特点,移动通信必须利用无线电波进行信息传输；电波传播特性复杂；干扰多而复杂；组网方式多样灵活；移动通信设备必须适于在移动环境中使用，对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单携带方便。,移动通信的发展历程,按工作方式分类：单工，双工（FDD,TDD)，半双工按多址方式分类：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA按信号形式分类：模拟网和数字网按覆盖范围分类：城域网、局域网、广域网按业务类型分类：电话网、数据网、综合业务网、多媒体网按服务特性分类：专用网、公用网按使用环境分类：陆地通信、海上通信、空中通信按使用对象分类：民用系统、军用系统,移动通信的分类,移动通信系统概论,通信系统网络的分类,移动通信系统需要解决的首要问题是多个用户如何共享无线媒体，也就是解决多址接入问题。已经提出并实现了三种多址方式，如FDMA、TDMA、CDMA，SDMA(空分多址)即依靠阵列天线来实现，空分多址应该是非常有前途的第四种多址方式。在实际的移动通信系统中可能采用混合多址方式如GSM采用了FDMA/TDMA方式，SDMA可以与FDMA、TDMA、CDMA中的任何一个组合实现系统。移动通信系统的无线资源包括频谱、时间、功率、空间和特征码等要素。从移动通信发展历史看，提高无线资源利用率一直是追求的主要目标。FDMA、TDMA与CDMA的最大不同点在于：CDMA是统计复用资源，每个载频的所有用户共享频率、时间、功率资源，用户之间只依靠特征码来区分；而FDMA、TDMA是固定分配资源，不同的用户在频率、时间、功率资源上部分或全部不同，用户之间有较好的隔离度。所有FDMA、TDMA和CDMA的技术差异都来源于这个不同点。,FDMA 频分多址FDMA,每TRX一路，适合大型固定带宽的网络，不适于多分散用户，欠灵活,TDMA 时分多址FDD/TDMA,每TRX m路，容易进行频率规划、干扰计算和频率管理,CDMA 码分多址FDD/CDMA,每TRX n 路，容量大，效率高，但要求网同步,需要计算和分配正交码,移动通信的多址方式,模拟系统：采用FDMA（频分多址）技术。我们可以想象一个很大的房间被做成很多的隔断，每一个隔断里有一对人正在交谈。由于隔断的分隔，谈话者不会听到其他人的交谈，这就是FDMA频分多址系统。这是我国最早采用的移动通信技术。它的缺点是系统受房间面积（也就是频率）的限制很大，无线频率的利用率很低。GSM蜂窝数字系统：采用TDMA（时分多址）技术。我们可以想象把隔断作得大些，这样一个隔断可容纳几对交谈者。但大家交谈有一个原则：只能同时有一对人讲话。如果再把交谈的时间按交谈者的数目分成若干等分，就成为一个TDMA（时分多址）系统。这种系统受容量的限制很大，即一个隔断中有几个人是确定的，如果人数已满，则无法进入。CDMA数字通信系统：采用CDMA（码分多址）技术。可以想象一个宽敞的房间内正在进行一个聚会，宾客在两两一对进行交谈。假设每一对人使用一种语言，有说中文的，有说英语的，也有日语的等等，所有交谈的人都只懂一种语言。于是对于正在交谈的每一对人来说，别人的交谈声就成了一个背景噪声。在这里“宽敞的房间”就是CDMA扩频通信所采用的宽带载波，交谈者所有的语言就是区分不同的用户的码，交谈者就是CDMA的用户，这就是一个CDMA（码分多址）通信系统。如果能够很好的控制住背景噪声，那么这个系统中就可以容纳很多的用户，而不受容量的限制。,CDMA、TDMA和FDMA三者主要性能比较,无线电频谱管理与使用,无线电频谱是一种有限的自然资源，它广泛地使用于通信及其他一些领域中。移动通信主要是无线通信，所以对频谱使用的依赖性很大。因此要对频谱进行科学的管理和使用。即：(1)对频率实施严格的管理与协调(2)开发新频段(3)研究并采用各种频率的有效利用技术,无线电频谱管理与使用,移动通信使用的频谱要考虑以下几个方面的因素：无线电管理局(或管理委员会)的规定和指配；电波传播特性；环境噪声及各种干扰情况(要进行电测)；覆盖区域范围；区域内地形、地物及各种障碍情况；设备特性；经济成本等。,移动通信的工作方式,图1.1 单向单工方式（寻呼系统）,单向单工方式,移动通信的工作方式,图1.2 双向单工方式,这种方式是指通信双方(如基地台与移动台之间，移动台与移动台之间)使用同一个工作频率，但各方收发设备不能同时工作的通信方式。,双向同频(单频)单工方式,移动通信的工作方式,图1.2 双向单工方式,通信双方使用两个频率(一对频率)，两频率有一定的间隔。这种工作方式类似双向同频单工方式，只是甲、乙双方各用一个频率发射。也可改为双工方式，双方设备各加上收发双工器即可。,双向异频(双频)单工方式,移动通信的工作方式,图1.3 双向半双工方式,通信双方收发信机分别使用两个频率，一方使用双工方式，另一方使用单工方式。基地台是双工方式，即收发信机同时工作，而移动台是按键讲话的异频单工方式。,双向异频(双频)半双工方式,移动通信的工作方式,图1.4 异频双工方式,异频双工方式是指每个方向使用一个频率，通话时无需按下发话键，与普通电话使用情况类似。,双向异频(双频)双工方式,第二节 移动通信的组网技术原理,多址技术区域覆盖和信道分配越区切换和位置管理信令信道复用信道选择方式,多址技术之FDMA,FDMA系统原理 FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。从图4.2中可以看出，在频分双工（FDD：Frequency devide duplex）系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱。,一个频率用作前向信道即基站(BS)向移动台(MS)方向的信道；另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的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，因而必须同时占用2个信道（2对频率）才能实现双工通信。它们的频率分割如下图所示。在频率轴上，前向信道占有较高的频带，反向信道占有较低的频带，中间为保护频带。在用户频道之间，设有保护频隙，以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。,图2.1.2 FDMA,多址技术之FDMA,FDMA系统的特点,FDMA信道每次只能传送一个电话。每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。为了在有限的频谱中增加信道数量，系统均希望间隔越窄越好。FDMA信道的相对带宽较窄(25kHz或3OkHz)，每个信道的每一载波仅支持一个电路连接，也就是说FDMA通常在窄带系统中实现。符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。FDMA方式中，每信道只传送一路数字信号，信号速率低，一般在25kbit/s以下，远低于多径时延扩展所限定的100kbit/s。,多址技术之FDMA,移动台较简单，和模拟的较接近。基站复杂庞大，重复设置收发信设备。基站有多少信道，就需要多少部收发信机，同时需用天线共用器，功率损耗大，易产生信道间的互调干扰。FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制临近信道间的相互干扰。越区切换较为复杂和困难。因在FDMA系统中，分配好语音信道后，基站和移动台都是连续传输的，所以在越区切换时，必须瞬时中断传输数十至数百毫秒，以把通信从一频率切换到另一频率去。对于语音，瞬时中断问题不大，对于数据传输则将带来数据的丢失。,多址技术之TDMA,TDMA系统原理,TDMA是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。如图4.4所示，系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号(突发信号)，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。,图2.1.3 TDMA系统的工作方式,同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号(TDM信号)中把发给它的信号区分出来。所以TDMA系统发射数据是用缓存突发法，因此对任何一个用户而言发射都是不连续的。这就意味着数字数据和数字调制必须与TDMA一起使用，而不像采用模拟FMMA系统。,图2.1.4 TDMA系统的工作方式,多址技术之TDMA,TDMA的帧结构,TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发(bust)，各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如图4.5所示。,图2.1.5 TDMA的帧结构,从图中可以看出，1个TDMA帧是由若干时隙组成的，不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。,在TDMA/TDD系统中，帧信息中时隙的一半用于前向链路；而另一半用于反向链路。在T DMA/FDD系统中，有一个完全相同或相似的帧结构，要么用于前向传送，要么用于反向传送，但前向和反向链路使用的载频和时间是不同的。TDMA/FDD系统有目的的在一个特定用户的前向和反向时隙间设置了几个延时时隙，以便在用户单元中不需要使用双工器。在TDMA系统中，每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要问题：控制和信令信息的传输；信道多径的影响；系统的同步。在GSM系统中，TDMA帧和时隙的具体构成将在以后详细介绍。,多址技术之TDMA,TDMA系统的特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为R bit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NR bit/s。这是因为TDMA系统中需要较高的同步开销。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证。发射信号速率随N的增大而提高，如果达到100kbit/s以上，码间串扰就将加大，必须采用自适应均衡，用以补偿传输失真。TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。即使用FDD技术，在用户单元内部的切换器，就能满足TDMA在接收机和发射机间的切换，因而不需使用双工器。,多址技术之TDMA,基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机。互调干扰小。抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。越区切换简单。由于在TDMA中移动台是不连续的突发式传输，所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的。因为它可以利用空闲时隙监测其他基站，这样越区切换可在无信息传输时进行，因而没有必要中断信息的传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失。,TDMA系统的特点,多址技术之CDMA,CDMA系统原理,CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。,多址技术之CDMA,在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除了传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占有相同的频段和时间。,图2.1.6 CDMA的工作示意图,多址技术之CDMA,CDMA系统的特点,CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD还是FDD技术。通信容量大。从理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。因此一些能降低干扰功率的技术，如语音激活(voice activity)技术等，可以自然地用于提高系统容量。,多址技术之CDMA,容量的软特性。TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户；而DS-CDMA(直扩CDMA)系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落。如果频谱带宽比信道的相关带宽大，那么固有的频率分集将具有减少小尺度衰落的作用。在CDMA系统中，信道数据速率很高。因此码片时长很短，通常比信道的时延扩展小得多，因为PN（伪随机）序列有低的互相关性，所以大于一个码片宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自然抑制；另一方面，如采用分集接收最大合并比技术，可获得最佳的抗多径衰落效果。而在TDMA系统中，为克服多径造成的码间干扰，需要用复杂的自适应均衡，均衡器的使用增加了接收机的复杂度，同时影响到越区切换的平滑性。,多址技术之CDMA,平滑的软切换和有效的宏分集。DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。低信号功率谱密度。在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大大降低。由此可得到两方面的好处，其一，具有较强的抗窄带干扰能力；其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其他系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用。,多址技术之CDMA,CDMA系统存在的问题,来自非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全是正交的，这一点与FDMA和TDMA是不同的。FDMA和TDMA具有合理的频率保护带或保护时间，接收信号近似保持正交性，而CDMA对这种正交性是不能保证的。这种扩频码集的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰，在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重。,多址技术之CDMA,CDMA系统存在的问题,远-近效应。许多移动用户共享同一信道就会发生远-近 效应问题。由于移动用户所在的位置处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站的信号各不相同，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。这种现象被称为远-近效应。为了解决远-近效应问题，在大多数CDMA实际系统中使用功率控制。蜂窝系统中由基站来提供功率控制，以保证在基站覆盖区内的每一个用户给基站提供相同功率的信号。这就解决了由于一个邻近用户的信号过大而覆盖了远处用户信号的问题。基站的功率控制是通过快速抽样每一个移动终端的无线信号强度指示(RSSI：Radio Signal Strength Indication)来实现的。尽管在每一个小区内使用功率控制，但小区外的移动终端还会产生不在接收基站控制内的干扰。,多址技术之SDMA,SDMA系统原理,SDMA(空分多址)方式就是通过空间的分割来区别不同的用户。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，在不同用户方向上形成不同的波束。如图4.7所示，SDMA使用定向波束天线来服务于不同的用户。相同的频率(在TDMA或CDMA系统中)或不同的频率(在FDMA系统中)用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。扇形天线可被看作是SDMA的一个基本方式。,在极限情况下，自适应阵列天线具有极小的波束和极快的跟踪速度，它可以实现最佳的SDMA。将来有可能使用自适应天线，迅速地引导能量沿用户方向发送，这种天线看来是最适合于TDMA和CDMA的。,SDMA系统原理,多址技术之SDMA,SDMA系统遇到的技术难题,在蜂窝系统中，由于一些原因使反向链路困难较多：,第一，基站完全控制了在前向链路上所有发射信号的功率。但是，由于每一用户和基站间无线传播路径的不同，从每一用户单元出来的发射功率必须动态控制，以防止任何用户功率太高而影响其他用户。第二，发射受到用户单元电池能量的限制，因此也限制了反向链路上对功率的控制程度。如果为了从每个用户接收到更多的能量，通过空间过滤用户信号的方法，即通过SDMA方式反向可以控制用户的空间辐射能量，那么每一用户的反向链路将得到改善，并且需要更少的功率。,多址技术之SDMA,SDMA系统遇到的技术难题,用在基站的自适应天线，可以解决反向链路的一些问题。不考虑无穷小波束宽度和无穷大快速搜索能力的限制，自适应式天线提供了最理想的SDMA，提供了在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道。在SDMA系统中的所有用户，将能够用同一信道在同一时间双向通信。而且一个完善的自适应式天线系统应能够为每一用户搜索其多个多径分量，并且以最理想的方式组合它们，来收集从每一用户发来的所有有效信号能量，有效地克服了多径干扰和同信道干扰。尽管上述理想情况是不可实现的，它需要无限多个阵元，但采用适当数目的阵元，也可以获得较大的系统增益。,区域覆盖和信道分配,大区制,移动通信组网即若干个移动用户构成一个系统，系统内的用户可以在无线电波覆盖内的任何地方互相通信。现代的移动通信网大多还要求能和陆上的有线电话网的用通信。凡一个地区只用一个基站来覆盖全区的，不论是单工或双工工作，单信道或多信道，都称这种组网方式为大区制，以别于后面所称的小区制。大区制的特点是只有一个基站，服务（覆盖）面积大，因此所需发射功率也较大。但由于只有一个基站，其信道数有限，因此容量较小，一般只能容纳数百至数千个用户。所以大区制只是应用在最初的移动通信系统中。,区域覆盖和信道分配,小区制,为了使得服务区达到无缝覆盖，提高系统的容量，就需要采用多个基站来覆盖给定的服务区，每个基站的覆盖区域称为一个小区。从理论上讲，我们可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频谱利用率很低。为了减少对频率资源的需求和提高频谱利用率，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，只要使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小即可。,区域覆盖和信道分配,小区制,对于由小区制构成的网络，针对不同的服务区会有相应的小区结构和频率的分配方案。比较常见的有两种服务区：带状网 蜂窝网,带状网,带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如下图所示。带状网宜采用有向天线，使每个小区成扁圆形（图（a）。基站天线若全向辐射，覆盖区域则是圆形的（图（b）。,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（a），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（b），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；但从抗同频干扰而言，双频制差，还应考虑多频制。设n频制的带状网如图所示。每个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a，第n1区与第一区为同频小区。据此，可算出信号传输距离ds 和同频干扰传输距离d1 之比。若认为传输损耗近似于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如表2.1。由表可见，双频制最多只能获得19dB的同频干扰抑制比，这通常是不够的。,带状网,带状网,为了不留空隙的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，实际上每个辐射区域的有效覆盖区是一个多边形。根据交叠情况的不同，若每个小区相间120设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若每个小区相间90设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形；若每个小区相间60设置六个邻区，则有效覆盖区为正六边形；小区形状如图所示。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。,蜂窝网,小区结构,在辐射半径r相同的情况下，计算出三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2.2。,蜂窝网,小区结构,由上表可见，在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需要的基站数最少，也就是最经济。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此把小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。,蜂窝网,蜂窝网的概念,相邻小区显然不能用相同的频率。为了保证同频小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的频率。这些不同的频率的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行频率再用。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频率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：Ni2ijj2（21）式中，i,j为正整数。由此可算出N的可能取值如表2.3。相应的区群形状如图2.2.4,蜂窝网,区群的形成,蜂窝网,蜂窝网,群区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，这样就到达同频小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同频小区，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，则从图可以算出同频小区中心之间的距离为：,（22）,同频小区的距离,蜂窝网,图 2.2.5 同频小区的确定,可见群内小区数N越大，同频小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。例如：N=3，D/r=3；N=7，D/r=4.6；N=19，D/r=7.55。,同频小区的距离,蜂窝网,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，这就是所谓的“中心激励”方式，如图（a）。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,中心激励与顶点激励,图 4.16 两种激励方式,区由三副120扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”，如图（b）所示。采用120的定向天线后，所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3，因而可以减少系统的通道干扰。另外，在不同的地点采用多副定向天线可以消除小区内障碍物的阴影区。,蜂窝网,实际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。如图所示。另外，对于已设置好的蜂窝通信网，随着城市建设的发展，原来的低用户密度区可能变成了高用户密度区，这时相应地在该地区设置新的基站，将小区面积划小。解决以上问题可用小区分裂的方法。以120扇形辐射的顶点激励为例，如图所示，在原小区内分设三个发射功率更小一些的新基站，就可以形成几个面积更小一些地正六边形小区，如图中虚线所示。,小区的分裂,蜂窝网,图2.2.7 用户不等密度时的小区结构,图2.2.8 小区分裂,蜂窝网,频率复用与分组方式,前文中说到，无线电频谱是一种有限的自然资源，它广泛地使用于通信及其他一些领域中。因此，移动通信系统对频率的使用必须服从无线电管理局(或管理委员会)的规定和指配。对于蜂窝移动通信网来说，同一个区群内的小区都不能用相同的频率，但不同区群的小区则是可以使用相同的频率，只要保证同频小区之间有足够的距离即可。这样使用不同频率的小区便组成一个区群，不同区群的小区可以依照一定的规律使用相同的频率，这就叫频率复用。,蜂窝网,频率复用与分组方式,至于频率的分组，不管采取哪种分组分配方式，大致上仍遵循以下规则：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；小区内采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。对于初期的移动蜂窝网来说，常见的分组方式有：分区分组配置法等距离配置法,蜂窝网,分区分组配置法,设给定的频段以等间隔划分为频点，按顺序分别标明各频点的号码为：1，2，3，。若每个区群有7个小区，每个小区需6个频点，按上述原则进行分配，可得到：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 每一组频点分配给区群内的一个小区。这里使用42个频点就只占用了42个频点的频段，是最佳的分配方案。,蜂窝网,等距离配置法,等距离配置法是按等频率间隔来配置信道的，可根据群内的小区数N来确定同一频点组内各频点之间的频率间隔，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，则频点的配置为：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、20、27、34、第七组 7、14、21、28、35、这样同一频点组内的信道最小频率间隔为7个信道间隔，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。,蜂窝网,MRP配置法,实际上，网内的业务分布是不均匀的，每个小区对频点的需求也是不一样的。可以看到，对于以上两种分组方式来说，都是把数量固定的某一组频点固定配置给某一基站，这就会出现部分小区频点不够用、而部分小区的频点则比较空闲的情况。所以后来提出了一种改进的分组方式-MRP。,蜂窝网,MRP配置法,蜂窝网,频率复用与分组方式,以上三种分组方式都是将某一组频点固定配置给某一基站，这只能应付移动台业务分布相对固定的情况。事实上，移动台业务的地理和时间分布是经常会发生变化的。此时，若某一小区业务量增大，原来配置的频率可能不够用了，而相邻小区业务量小，原来配置的频率可能有空闲，小区之间的频率又无法相互调剂，因此频率的利用率不高，这就是固定频率配置的缺陷。专家后来提出了两种解决办法：一是“动态配置法”随业务量的变化重新配置全部信道；二是“柔性配置法”准备若干个信道，需要时提供给某一小区使用。前者如能理想的实现，频率利用率可提高2050，但要及时算出新的配置方案，且能避免各类干扰，电台及天线共用器等装备也要能适应，这是十分困难的。后者控制比较简单，只要预留部分信道使各基站都能共用，可应付局部业务量变化的情况，是一种比较实用的方法。,越区切换和位置管理,越区切换,现实中，经常会发生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。为了保持通信的连续性，此时需将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。越区切换(Handover或Handoff)是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT(Automatic Link Transfer)。越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。,越区切换包括三个方面的问题：越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；越区切换如何控制；越区切换时信道分配。,越区切换和位置管理,越区切换,研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。,越区切换和位置管理,越区切换的准则,在决定何时需要进入越区切换时，通常是根据移动台处接收的信号平均强度。也可以根据移动台处的信噪比（或信号干扰比）、误比特率等参数来确定。假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图所示。,图2.2.9 越区切换示意图,判定何时需要越区切换的准则如下：相对信号强度准则：在任何时候都选择具有最强接收信号的基站。如图中的A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是：在原基站仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。,越区切换和位置管理,越区切换的准则,具有门限规定的相对信号强度准则：仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图所示，在门限为T h2时，在B点将会发生越区切换。,越区切换和位置管理,越区切换的准则,在该方法中，门限选择具有重要作用。例如，在图中，如果门限太高取为Th1，该准则与准则1相同。如果门限太低取为Th3，则会引起较大的越区延时。此时，可能会因链路质量较差而导致通信中断，另一方面，它会引起对通道用户的额外干扰。,具有滞后余量的相对信号强度准则：仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多（即大于滞后余量：Hysteresis Margin）的情况下进行越区切换。例如图中的C点。该技术可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间来回重复切换，即“乒乓效应”。具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则：仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换。,越区切换和位置管理,越区切换的准则,越区切换控制包括两方面：一方面是越区切换的参数控制，另一方面是越区切换的过程控制。参数控制在上面已经提到，这里主要讨论过程控制。在移动通信系统中，过程控制的方式主要有三种：移动台控制的越区切换。在该方式中，移动台连续检测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。,越区切换和位置管理,越区切换的控制策略,网络控制的越区切换。在该方式中，基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过旧基站通知移动台并通知新基站。移动台辅助的越区切换。在该方式中，网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪个基站。,越区切换和位置管理,越区切换的控制策略,越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。这种做法的特点是：因新呼叫使可用信道数的减少，要增加呼损率，但减少了通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。,越区切换和位置管理,越区切换时的信道分配,在移动通信系统中，用户可在系统覆盖范围内任意移动。为了能把一个呼叫传送到一个随机移动用户，就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。在现有的第二代数字移动通信系统中，位置管理采用两层数据库，即原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）。通常一个PLMN网络由一个HLR（它存储在其网络内注册的所有用户的信息，包括用户预定的业务、记帐信息、位置信息等）和若干VLR个（一个位置区由一定数量的蜂窝小区组成，VLR管理该网络中若干位置区内的移动用户）组成。,越区切换和位置管理,位置管理,位置管理包括两个主要任务：位置登记（Location Registration）和呼叫传递（Call Delivery）。位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库（HLR和VLR）和认证移动台。呼叫传递的步骤是在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位移动台。与上述两个问题紧密相关的另外两个问题是：位置更新（Location Update）和寻呼（Paging）。位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区。,越区切换和位置管理,位置管理,位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络管理能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。位置管理所追求的目标就是以尽可能小的处理能力和附加的业务量，来最快地确定用户位置，以求容纳尽可能多的用户。,越区切换和位置管理,位置管理,在现有的移动通信系统中，将覆盖区域分为若干个登记区RA（Registration Area）（在GSM中，登记区称为位置区LALocation Area）。当一个移动终端（MT）进入一个新的RA，位置登记过程分为三个步骤：在管理新RA的新VLR中登记MT（T1），修改HLR中记录服务该MT的新VLR的ID（T2），在旧VLR和MSC中注销该MT（T3、T4）。具体过程请参阅图。,越区切换和位置管理,位置登记,越区切换和位置管理,位置登记,图2.2.10 移动台位置登记过程,越区切换和位置管理,呼叫传递,呼叫传递过程主要分为两步：确定为被呼MT服务的VLR及确定被呼移动台正在访问那个小区。如图所示。确定被呼VLR的过程和数据库查询过程如下：主叫MT通过基站向其MSC发出呼叫初始化信号；MSC通过地址翻译过程确定被呼MT的HLR地址，并向该HLR发送位置请求消息；HLR确定出为被叫MT服务的VLR，并向该VLR发送路由请求消息；该VLR将该消息中转给为被叫MT服务的MSC；,被叫MSC给被叫的MT分配一个称为临时本地号码TLDN(Temporary Local Directory Number)的临时标识，并向HLR发送一个含有TLDN的应答消息；HLR将上述消息中转给为主呼MT服务的MSC；主叫MSC根据上述信息便可通过SS7网络向被叫MSC请求呼叫建立。,越区切换和位置管理,呼叫传递,上述步骤允许网络建立从主MSC到被叫MSC的连接。但由于每个MSC与一个RA相联系，而每个RA又有多个蜂窝小区，这就需要通过寻呼的方法，确定出被叫MT在哪个蜂窝小区。,越区切换和位置管理,呼叫传递,图2.2.11 呼叫传递过程,越区切换和位置管理,位置更新,前面提到，在移动通信系统中，是将系统覆盖范围分为若干个登记区（RA）。当用户进入一个新的RA，它将进行位置更新。当有呼叫要到达该用户时，将在该RA内进行寻呼，以确定出移动用户在哪一个小区范围内。位置更新和寻呼信息都是在无线接口中的控制信道上传输的，因此必须尽量减少这方面的开销。在实际系统中，位置登记区越大，位置更新的频率越低，但每次呼叫寻呼的基站数目就越多。在极限情况下，如果移动台每进入一个小区就发送一次位置更新消息，则这时用户位置更新的开销就非常大，但寻呼的开销很小；反之，如果移动台从不进行位置更新，这时如果有呼叫到达，就需要在全网络范围内进行寻呼，用于寻呼的开销非常大。,由于移动台的移动性和呼叫到达情况是千差万别的，一个RA很难对所有用户都是最佳的。理想的位置更新和寻呼机制应能够基于每一个用户的情况进行调整。有以下三种动态位置更新策略：基于时间的位置更新策略：每个用户每隔T秒周期性地更新其位置。T的确定可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。基于运动的位置更新策略：当移动台跨越一定数量的小区边界(运动门限)以后，移动台就进行一次位置更新。,越区切换和位置管理,位置更新,基于距离的位置更新策略：当移动台离开上次位置更新时所在小区的距离超过一定的值(距离门限)时，移动台进行一次位置更新。最佳距离门限的确定取决于各个移动台的运