蜂窝移动通信的组网技术.ppt

第4章 蜂窝移动通信的组网技术,4.1 频率资源的管理与有效利用技术 4.2 区域覆盖与网络结构 4.3 蜂窝移动通信的多址接入技术 4.4 多址方式与系统容量 4.5 蜂窝移动通信的交换技术 4.6 蜂窝移动通信的信令技术 4.7 蜂窝移动通信网的连接 习题,4.1 频率资源的管理与有效利用技术,4.1.1 频率资源的管理 频率是一种特殊资源，它并不是取之不尽的。与别的资源相比，它有一些特殊的性质，例如：无线电频率资源不是消耗性的，用户只是在某一空间和时间内占用，用完之后依然存在，不使用或使用不当都是浪费；电波传播不分地区与国界；它具有时间、空间和频率的三维性，可以从这三方面实施其有效利用，提高其利用率；它在空间传播时容易受到来自大自然和人为的各种噪声和干扰的污染。,4.1.2 频率的有效利用技术 频率的有效利用就是从时间域、空间域和频率域这三个方面采用多种技术，以设法提高频率的利用率。1.时间域的频率有效利用 在某一地区，如果某一用户固定占用了某一信道，但事实上它不可能占用全部时间。在该用户空闲的时间内，任何其它用户都无法再使用这个信道，只能让它闲置着，这是很大的浪费。,2.空间域的频率有效利用 在某一地区(空间)使用了某一频率之后，只要能控制电波辐射的方向和功率，在相隔一定距离的另一地区可以重复使用这一频率，这就是频率复用。蜂窝移动通信网就是根据这一概念组成的。在频率复用的情况下，会有若干电台使用同一频率。,3.频率域的频率有效利用 频率域的频率有效利用有两种方法：信道的窄带化和宽带多址技术。信道窄带化的方法从基带方面考虑可采用频带压缩技术，如低速率语音编码等；从射频调制频带方面考虑可采用各种窄带调制技术，如窄带和超窄带调频、插入导频振幅压扩单边带调制以及各种窄带数字调制技术。应用窄带化技术减小信道间隔后，可在有限的频段内设置更多的信道，从而提高频率的利用率。,宽带多址技术有频分多址(FDMA，即在频率域上划分信道)，每一用户占用一定的频带、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及它们的组合等。综上所述，频率的有效利用技术如表4-1所列。,表 4-1 频率的有效利用技术,频率有效利用的评价准则是频率利用率。它定义为,(频率利用率)=,通信业务量,使用频谱空间的大小,通信业务量以话务量A表示，则,4.1.3 多信道共用技术 1.多信道共用的概念 多信道共用，就是多个无线信道为许多移动台所共用，或者说，网内大量用户共享若干无线信道。这与有线用户共享中继线的概念相似，目的也是为了提高信道利用率。我们先看下面三种不同方案组成的三个系统。,方案一：一个移动台配置一个无线信道。方案二：88 个移动台，配 8 个信道。方案三：88 个移动台，8 个信道，但移动台不分组，即这8个信道同属于这88个移动台。,2.多信道共用的特点 1)呼叫话务量与忙时话务量 话务量是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。其性质如同客流量，具有随机性，只能用统计方法获取。所谓呼叫话务量，是指单位时间(一小时)内的平均电话交换量，可用下面关系式表示 ACt0(4-1),图 4-1 我国话务量日分布图,图 4-2 广东某市的蜂窝网日话务量分布图,用户忙时话务量是指一天中最忙的那个小时(即“忙时”之意)，每个用户的平均话务量，用AB来表示。AB是一个统计平均值。同时，将忙时话务量与全日话务量之比称为集中系数，用K表示。因为 K反映了这个通信系统“忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。通常，K为7%15。这样，我们便可以得到每个用户忙时话务量的表达式,(4-2),2)容量在多信道共用时，容量有两种表示法。系统所能容纳的用户数(M),(4-3),每个信道所能容纳的用户数(m),(4-4),3)呼损率 M个用户共用n个信道时，由于用户数远大于信道数，即Mn，因此，会出现超过n个用户同时要求通话而信道数不足的情况。这时，只能保证n个用户通话。而另一部分用户虽然发出呼叫，但因无信道而不能通话，称为呼叫失败。在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率，记为B。,设A为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。C0为 1 小时内呼叫成功而通话的次数，t0为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成话务量为,(4-5),(4-6),于是呼损率为,如果呼叫具有下列性质：每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性；每次呼叫在时间上都有相同的概率；每个用户选用无线信道是任意的，且是等概的。则呼损率可按下式计算：,(4-7),这就是电话工程中的第一爱尔兰公式，也称爱尔兰B公式。它以解析式的形式反映了系统呼损率(B)、信道数(n)和总话务量(A)三者的关系。通过计算可得出目前话务工程计算中广泛使用的爱尔兰呼损表，如表 4 2(略)所示。,(1)严格地说，移动通信系统并不完全满足推导此公式的三个前提条件，尤其是在小话务量时偏差较大。但是，作为一般的估算，这个公式及其损失概率表还是可用的。因此，它在移动通信工程中一直被广泛地使用。,(2)表中的A是损失制的总话务量，它由完成话务量和损失话务量两部分组成。从该表所给出的数据可以清楚地看出：当呼损率一定的条件下，总话务量A随信道数n的增加而增加；而在信道数n一定的条件下，总话务量随呼损率B的增加而增加。,3.信道利用率 多信道共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量。因此,(4-8),从图4-3可以看出，采用多信道共用，信道的利用率有明显的提高，但是，当共用信道数超过 10 个后，信道利用率曲线将趋向平缓。,图 4-3 共用信道数与其信道的利用率的关系,4.举例 设每个用户的忙时话务量AB=0.01Erl，呼损率B=10，现有8个无线信道，采用两种不同技术，即多信道共用和单信道共用组成的两个系统，试分别计算它们的容量和利用率。,图 4-4 无线电信道转换效应,图4-4的先决条件是每个移动台忙时话务量为0.01 Erl。当忙时话务量不是0.01 Erl时，虽不可直接利用此曲线，但可间接使用这个曲线。因为知道B和n后，可以利用图4-4查出m。根据式(4-4),将m、n和AB(=0.01 Erl)代入上式就可求出总话务量A。根据爱尔兰B公式，总话务量A仅取决于B和n，与忙时话务量无关。因此，仅当忙时话务量由AB-0.01Erl变成AB时，每个信道所能容纳的移动台数(记为m)，可由下式求得,(4-9),5.空闲信道的选取 1)专用呼叫信道方式 这种方式是在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫，向用户发出选呼，指定通信用的语音信道等。,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。(1)循环定位。这种方式不设置专门的呼叫信道，所有的信道都可供通话，选择呼叫与通话可在同一信道上进行。,(2)循环不定位方式。为了减小同抢概率，移动台循环扫描而不定位是有利的。该方式是基站在所有的空闲信道上都发出空闲标志信号，不通话的移动台始终处于循环扫描状态。,(3)标明多个空闲信道的循环分散定位方式。上面说的定位方式是基站标明了一个空闲信道，所有没通话的移动台都定位在这同一个信道，当移动台主呼时的同抢概率大。(4)标明多个空闲信道的循环不定位方式。上面说的不定位方式是基站在所有的空闲信道上都发出空闲标志，也就是说所有空闲信道的发射机都要开机。,4.2 区域覆盖与网络结构,4.2.1 区域覆盖 任何移动通信网都有一定的服务区域，无线电波辐射必须覆盖整个区域。由VHF和UHF的传播特性可知，一个基站只能在其天线高度的视距范围为移动用户提供服务。这样的覆盖区称为一个无线电区，或简称小区。网的服务范围若很大，或者地形复杂，则需几个小区才能覆盖整个服务区。例如，公路、铁路、海岸等就需用若干个小区的带状网络才能进行覆盖，如图4-5所示。,图4-5 带状网络,1.带状网 基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用定向天线，使每个小区呈扁圆形。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，如图4-5(a)所示，称为双频制。若以采用不同信道组的三个小区组成一个区群小区，如图4-5(b)所示，称为三频制。从造价和频率资源的利用而言，双频制最好；但从抗同道干抗而言，则双频制最差，还应考虑多频制。设n频制的带状网络如图4-6所示。,图 4-6 带状网的同道干扰,表 4-3 带状网的同频干扰,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，若在周围相间120设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若相间90设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形，若相间60设置6个邻区，则有效覆盖区为正六边形，小区形状如图4-7所示。,图 4-7 小区的形状,表 4-4 三种形状小区的比较,2)正六边形无线区群的构成(1)构成的条件。蜂窝式移动电话网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干无线区群构成整个服务区。为了防止同频干扰，要求每个区群(即单位无线区群)中的小区，不得使用相同频率，只有在不同的无线区群中，才可使用相同的频率。,单位无线区群的构成应满足以下两个基本条件：若干单位无线区群彼此邻接组成蜂窝式服务区域；邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相等。在满足条件的情况下，构成单位无线区群的小区个数N为 N=a2+ab+b2,图 4-8 各种单位无线区群的结构图形,(2)激励方式。在划分区域时，若基地站位于无线小区的中心，则采用全向天线实现无线区的覆盖，通常称这种方式为“中心激励”，前述内容均属这种方式。,图 4-9 顶点激励方式,图 4-10 常用无线小区结构示意图,(3)无线小区模型。瑞典爱立信公司(ERICSSON)建议采用三叶草形 21 个无线小区模型，如图4-11所示。,图4-11 三叶草形21个无线,市区密度高一些，郊区就低一些。针对这种情况，用户密度高的地区(如市区)，应将无线小区划得小一些，或分配的信道数多一些。对于密度低的地区，小区就可划得大一些或配给的信道数少一些。一个实际的服务区域小区划分的结构，如图4-12所示，图中的数字表示信道数。,图4-12 用户密度不等时，服务区划分的举例,考虑到用户数随时间的增长而不断增加，当原有无线小区的用户密度高到出现话务阻塞时，可以将原有无线小区进一步细分(一分为二或一分为四)，以增大系统的容量和密度，如图4-13所示。,图4-13 无线区分解的示意图,(4)直放站。在组网布局时，出于经费及地形、地物等方面的考虑，会出现覆盖不到的地域，通常称为盲区或死角，如图4-14所示。,图 4-14 蜂窝移动网的盲区(死角),即使不考虑经费问题，在设计布局时，也不可避免地会出现盲区，如城市高大建筑群、会议大厅、地铁车站、高速公路等。为了使死角变活，消除盲区，通常在适当地方建立直放站，以沟通盲区移动台与基地站的通信。直放站实际上就是一个同频放大的中继站，通过它把基地站部分信道引过来，以实现接收和转发来自基地站和移动台的信号，如图4-15所示。,图 4-15 蜂窝网中的直放站,4.2.2 移动通信网的组成 1.小区制移动通信网络的结构 为了实现移动用户和移动用户之间或移动用户和市话用户之间的通信，移动通信网必须具有交换控制功能。通信网络结构不同，所需的交换控制功能及交换控制区域组成亦不同。在大区制中，移动用户只要在服务区内，无论移动到何处，信息交换和控制都是通过一个基地站进行的，所以比较简单。但在小区制移动通信网中，基地站很多，而移动台又没有固定的位置。为了便于控制和交换，通常采用如图4-16所示的移动通信网结构。,图 4-16 移动通信网的结构,2.蜂窝网的同频复用与同道干扰问题 采用蜂窝结构时，由于频率复用会产生所谓同信道干扰。这是一种可以听懂的干扰，或称为串话，影响到通信的保密。所以，频率复用必须进行周密设计，使同信道干扰在所允许的水平之下。最常用的频率复用设计是每 7 个蜂窝为一组，其中各个蜂窝具有互相不同的一组频点，共有7组频点。其它 7 个蜂窝里重复使用这7组频率，如图4-17(a)所示。其它的设计规则还有如图4-17(b)、(c)、(d)所示的几种。,图 4-17 频率复用设计,3.频率复用距离 频率复用距离D是指最近的两个同频点小区中心之间的距离。如图4-17所示，在一个小区中心或相邻小区中心作两条与区的边界垂直的直线，其夹角为120。此两直线分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为I和J。于是，频率复用距离为 D2=I2+J2-2IJ cos120=I2+IJ+J2(4-10)I=2iH，J=2jH 式中，H是区中心到边的垂直距离,(4-11),式中，R是小区半径。因而,将I，J式代入式(4-10)，并令 N=i2+j2+ij(4-12)可得,(4-13),4.同道干扰 由于采用同一频点的两个信道会相互产生可懂的干扰，称为同道干扰。可懂干扰的影响是更大的，因为可懂干扰更容易干扰注意力而且引起失密。因此，解决同信道干扰是组网的一个重要问题。,假定小区的大小相同，这决定于规定信号强度的覆盖范围。这也就是说手机的接收门限按小区的大小调节。于是，在某一小区中接收机接收到它的基站的最小载波强度C与小区半径的幂R成反比，即 CR-(4-14),式中，是传播路径损耗的斜率，一般取4。同时，该接收机接收到的同信道干扰I是它所在小区周围的各个同频点小区的干扰之和。由于来自各小区的干扰与频率复用距离Dl成反比，有,(4-15),图 4-18 第一层同信道干扰,如果只考虑第一层的干扰，如图4-18所示，L=6(L为第一层同频小区数)，Dl=D(l=1,2,6)，则式(4-15)变为 I6D-(4-16)若不考虑本小区中的局部干扰，则载波干扰比为,(4-18),(4-17),4.3 蜂窝移动通信的多址接入技术,4.3.1 概述 1.多址接入的概念 在无线通信环境中的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的联接，这便是多址联接问题。在移动通信中，也称多址接入问题。,2.多址接入方式 在移动通信系统中，基站覆盖区内存在许多移动台，移动台必须能识别基站发射的信号中哪一个是发往本地址的信号，基站也必须能从众多移动台发射的信号中识别并区分出每一个移动台所发射的信号，这样才能建立通信。,多址(接入)技术的基础是信号正交原理。无线电信号可表达为时间、频率和码型的函数，即可写作 s(c，f，t)=c(t)s(f，t)(4-21)式中，c(t)为码型函数，s(f，t)为一般的时间(t)、频率(f)的函数。当c(t)=1时 s(c，f，t)=s(f，t)(4-22)这就是常见的信号表达式。,图4-19 三种多址方式示意图(a)FDMA;(b)TDMA；(c)CDMA,(1)频分多址(FDMA)。图4-19(a)所示为时间-频率域上的频分多址(FDMA)示意图。信号的频分多址正交条件为,(i,j=1,2,，k)(4-23),(2)时分多址(TDMA)。图4-19(b)所示为时间-频率域上的时分多址(TDMA)示意图。信号的时分多址正交条件为,(i,j=1,2,，k)(4-24),(3)码分多址(CDMA)。图4-19(c)所示为时间、频率和码型的三维空间中的码分多址(CDMA)示意图。信号的码分多址正交条件为,(i,j=1,2,，k)(4-25),3.多址接入与信道(1)物理信道。信道是传输信息的通道，依传输媒介的不同，信道可分为有线信道和无线信道两大类。(2)数字蜂窝移动通信的信道。由于频分多址技术发展较早也最为成熟，因此早期的蜂窝移动通信系统是建立在频分多址的基础之上。,4.3.2 FDMA系统原理 1.原理 在FDMA系统中，每一个移动用户分配有一个地址，即在一个射频频带内，每个移动用户分配有一个频道，且这些频道在频域上互不重叠。图4-20所示为一个基站BS与k个移动台MS构成的FDMA系统。移动台的发射频道即移动台向基站方向的信道叫作反向信道。它们的频谱分割如图4-21所示。,图 4-20 FDMA示意图,图 4-21 FDMA的频道划分,2.FDMA系统的特点 FDMA蜂窝通信系统具有以下特点：以频率复用为基础的蜂窝结构；以每一频道为一个话路的模拟或数字信号传输；以频带或频道的划分来构成宏小区、微小区、微微小区；由于FDMA蜂窝系统是以频道来分离用户地址的，所以它是频道受限和干扰受限的系统；,FDMA系统需要周密的频率计划；对发射信号功率控制的要求不严格；基站的硬件设备取决于频率计划和频道的配置；基站是多部不同载波频率发射机同时工作的。,3.FDMA系统中的干扰问题 FDMA系统是基于频率分划信道，每个用户在一对频道(f-f)中通信。1)互调干扰 互调干扰是指系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。,2)邻道干扰 邻道干扰是指相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。当邻道干扰功率足够大时，将对有用信号造成损害。,图 4-22 邻道干扰的模型,移动环境下电波传播的路径损耗与距离的次方成反比，因此，距d1、d2对基站接收机引入的相对附加损耗为,(4-26),若基站接收机中频滤波器的阻带特性为,(4-27),(4-28),3)同频道干扰 同频道干扰是指相邻区群中同波道小区的信号造成的干扰。它与蜂窝结构和频率计划密切相关。,4.3.3 TDMA系统原理 1.原理 TDMA系统是基于时间分割信道。每个移动用户分配有一个地址，即在一个时间段(时帧)内每个移动用户分配有一个时隙，如图4-23所示，MS1占用时隙1，MS2占用时隙2，MSk占用时隙k，且这些时隙在时域上互不重叠。,图 4-23 TDMA示意图,前向传输和反向传输可以采用频分的方法，也可以采用时分的方法。前者，前向信道与反向信道的载波频率不同，叫频分双工通信。频分双工TDMA系统的帧结构如图4-24所示。后者，前向信道与反向信道的载波频率相同，叫时分双工通信。时分双工TDMA系统的帧结构如图4-25所示。,图 4-24 频分前向/反向信道的帧结构,图 4-25 时分前向/反向信道的帧结构,2.TDMA时帧结构 TDMA帧是TDMA系统的基本时帧单元，它是由时隙组成的，如图4-26所示。在时隙内传送的信号叫突发或叫子帧。为保证相邻时隙中的突发不发生重叠，设有保护时间Tg。突发的内容包括报头和报文(消息)。,图 4-26 TDMA的帧结构,3.TDMA系统的同步与定时(1)TDMA系统突发定时关系。由于移动台的运动，使得通信双方的距离每时每刻都是变化的，各移动台与基站距离的随机变化会给突发定时带来偏差。各移动台按原来分配的时隙发送的突发信号会因距离的变化而引起传播时延的变化，时延的不同将会造成基站所接收的来自不同移动台的突发之间发生重叠，造成严重干扰。图4-27示出两个移动台MS1和MS2因传播时延不同对TDMA系统反向信道突发定时的影响。,图 4-27 TDMA系统反向信道突发定时关系,(2)TDMA的系统定时。系统定时也称网同步，它是TDMA系统建立通信的关键。通常，TDMA系统定时可采用独立时钟法，也可采用主-从时钟法。独立时钟法要求系统内的每一个终端都设有高精度时钟，经过全网定时校正后，利用时钟的高稳定性保持系统的高精度定时同步。也可利用全球定位系统(GPS)，由各个终端配备的GPS接收机获得的GPS时基使全网定时同步。,(3)定时保护时间。定时保护时间是根据基站覆盖小区半径和电波传播时延来确定的。若小区半径为R，光速为c，则电波传播时延为,(4)TDMA系统的特点。TDMA蜂窝通信系统有如下特点：窄带TDMA系统是以频率重用为基础的蜂窝结构；小区内以TDMA方式建立信道；以每一时隙为一个话路的数字信号传输；由于TDMA蜂窝系统是以时隙来分离用户地址的，所以它是时隙受限和干扰受限的系统；,TDMA系统需要严格的系统定时同步；对发射信号功率控制的要求不严格；基站发送设备在单一载波上工作，时隙(信道)的动态配置只取决于系统软件；由于移动台只在指配的时隙接收来自基站的信号，可在其它时隙中接收网络信息或接收来自相邻基站的信号，有利于网络管理和越区切换。,4.3.4 CDMA系统原理 1.原理 FDMA是以频道的不同来区分地址的，其特点是频带独占，而时间资源共享。TDMA是以时隙的不同来区分地址的，其特点是时隙独占，而频率资源共享。CDMA系统是基于码型分割信道。每个移动用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠。其特点是频率和时间资源均为共享。,图 4-28 CDMA示意图,图 4 28 CDMA码分道信,在有中心站的CDMA系统中，例如，在由基站-移动台构成的蜂窝通信系统中，采用频率划分前向/反向信道的方式。在无中心站的CDMA系统中，前向反向信道均采用码型划分的方式，如图4-30所示。,图 4-30 无中心站CDMA系统码分信道,2.CDMA蜂窝系统的码分选址与码序列 CDMA的基本原理是基于扩展频谱技术，这里结合数字蜂窝移动通信系统讨论其具体的应用。在码分多址数字蜂窝移动通信系统中，利用PN序列作为码分序列可实现如下功能：码分基站站址识别；码分信道识别；用户身份识别。,3.正交Walsh函数(1)Walsh函数波形。连续 Walsh函数的波形如图4-31所示。利用Walsh函数的正交性，可作为码分多址的地址码。若对图中的Walsh函数波形在 8 个等间隔点上取样，可得到离散Walsh函数，用88的Walsh函数矩阵表示。,0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 0 00 0 1 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 1 00 1 1 0 1 0 0 10 1 0 1 1 0 1 00 1 0 1 0 1 0 1,图4-31所示Walsh函数对应的矩阵可写作,图 4-31 Walsh函数波形,(2)Walsh函数矩阵的递推关系。,(4-29),4.CDMA系统的特点 CDMA蜂窝通信系统有如下特点：窄带CDMA系统是以频率重用为基础的蜂窝结构。每个基站只需一个无线电台。小区内以 CDMA方式建立信道。以每一码型为一个话路的数字信号传输，不需设置保护时隙或保护频带。由于CDMA蜂窝系统是以码型来区分用户地址的，所以它仅是干扰受限的系统。,CDMA系统需要系统的定时同步，但与TDMA系统相比，系统的同步要求不严格。CDMA系统对移动台的发射信号功率控制要求非常严格。移动用户可随时接入信道，并建立通信。系统具有一定的过载能力，即软系统容量。移动台并行处理 CDMA信号，除接收来自本小区基站的信号外，可同时接收来自相邻基站的信号，有利于选择最佳信号进行可靠的越区切换，并且，这种越区切换只改变地址码，而不改变载波频率，即所谓软切换。,10便于采用语音激活技术来减少同道干扰，增加系统容量。11 CDMA系统的相关接收具有抗多径能力。不像FDMA、TDMA系统那样，当传输速率大于10 kb/s 时，需要信道均衡。12扇区化的目的是为了增加系统容量，而FDMA、TDMA系统中扇区化是为了减少干扰。13CDMA扩展频谱的宽带信号在移动环境中，特别是在城市移动通信环境中，衰落对信号的影响较小。,14 模拟系统/CDMA数字系统双模式工作时，易于系统间转换。15 不需频率或时隙的动态分配和管理。,4.4 多址方式与系统容量,4.4.1 载干比 CI与系统容量 通信质量的指标可用载干比 CI作度量。模拟系统接收端射频的 CI是与基带 SN密切相关，而 SN决定着语音质量。在数字系统中，CI是与基带 EbI0 密切相关。且有,(4-30),4.4.2 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 同信道干扰是对蜂窝系统容量的制约因素。因为FDMA的频道和TDMA中的时隙只能指配给一个呼叫，在此期间是不允许其它呼叫共享该频道或该时隙的。同信道干扰来自于距离Ds=qR的同频小区。假设在6个同信道干扰源的最恶劣的环境，路径损耗按4次方规律考虑，可得到以每小区信道数为单位的无线电容量m，对于FDMA和TDMA蜂窝系统容量可表示为,(4-31),4.4.3 CDMA蜂窝系统的容量 蜂窝系统采用CDMA的主要目的是为了获得大的容量。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，由于在 相邻小区可以使用相同的无线频道，在小区内也可共用一个无线频道，所以它存在两种同信道干扰，即相邻小区同信道干扰和本小区同信道干扰。,图 4-32 CDMA系统中两种同道干扰减少因子,1.载干比与系统用户数 对于CDMA蜂窝系统而言，式(4-30)的Bc即是CDMA信号带宽，而(BcRb)是CDMA系统的扩频因子，它表征系统的扩频处理增益。对于有M个用户的扩频系统，假设每一用户的信号都受到其它M-1个用户信号的干扰，并假定到达接收机的有用信号功率和各个无用信号功率都相等，则接收信号的载干比可定义为一个有用信号和M-1个无用信号的功率比，即,(4-32),若M1时，上式可写作CI=1M，考虑到式(4-30)，可得系统用户数M的表达式为,(4-33),1)考虑语音激活因子的系统用户数 因为CDMA系统是多用户共享频谱资源和时间资源的系统，特别适合人类语音间歇激活的自然性质。语音激活期只占35，将减少共信道干扰，即可增加系统容量10.35倍。若引入语音激活因子d，式(4-33)则变为,(4-34),2)考虑扇区化因子和语音激活因子的系统用户数 用方向性天线将小区分成扇形覆盖区，称为扇区化。在CDMA系统中，扇区化的目的是为了增加系统容量。系统容量的增加由扇区化因子G来表征。例如，一个小区分成 3 个扇区将使系统容量增加 3 倍，即G=3。引入扇区化因子后，式(4-34)则变为,(4-35),3)考虑频率复用效率、扇区化因子和语音激活因子的系统用户数 CDMA系统是多用户共享频谱资源的系统。从理论上讲，频率复用效率F可为1。但是，在给定CI条件下，共信道干扰的影响将使频率复用效率小于1并接近1，它比FDMA和TDMA的频率复用效率都大。考虑到频率复用效率F因素后，式(4-35)则变为,(4-36),2.CDMA蜂窝所需的(CI)s 若已知Rb=8 kb/s，Bc=1.25MHz，由式(4-30)知，CI=(EbI0)(RbBc)，故有RbBc=-21.9dB，当EbI0=7dB时，则有(CI)s=7-21.9=-14.9dB 当EbI0=4.5dB时，则有(CI)s=4.5-21.9=-17.4dB,3.依前向链路可计算出系统的无线容量(m)1)系统无功率控制的情况 蜂窝结构与多址干扰的影响如图4-33所示。图中，移动台受多址干扰的小区数目分别为：本小区1个；近邻小区2个；中环小区3个；远环小区6个。假定各小区同时工作的用户数目都为M，各基站的发射功率均相同，且均遵循4次方的传播损耗规律，则移动用户接收端的信号干扰比 CI可表示为,(4-37),图 4-33 CDMA系统中的多址干扰,2)系统具有功率控制的情况 采用适当的功率控制方案，可以增加无线电容量。采用前向信道功率控制，可以减少对相邻小区的干扰。如果可以忽略所有相邻小区的干扰的话，则可得到,(4-39),由上式，若(CI)s=0.32，可求得 M=32.25若(CI)s=0.1792，则有 M=56.8,(1)情况一：移动台靠近基站时所需的前向功率。假设基站对第j个移动台发送的功率是Pj，它正比于rnj，可写作,(4-40),(4-41),图 4-34 小区内均匀分布的移动用户数目,假设M移动台的呼叫被M个信道服务，且移动台在小区内为均匀分布。若在小区的中心以不同半径画圆，分成如图4-34 所示的由1到L个相等的环形区域，且有0riR，1iL，则均匀分布可表示为 p(Mi)=kri，0riR(4-42),(4-43),式(4-43)表明，靠近基站内圈的移动台数目较少，靠近外圈的移动台数目较多。由式(4-42)有,(4-44),当小区划分的环形区域数目L趋向无穷大时，令ri+1-ri=r，则有r=r dr。已知rL=R，则式(4-44)可写成积分形式,(4-45),同理，由式(4-43)给出的总的移动台数M，可写成积分表达式,(4-46),利用式(4-42)，则有,(4-47),(4-48),(4-49),(2)情况二：移动台靠近小区边界处，可减少总功率。移动台处于边界时，距基站为R，类似于式(4-37)，可得载干比为,(4-50),3)CDMA系统远近干扰比的减少 在CDMA系统中，小区内的所有移动台共用一个无线信道，为了避免远-近效应，要求所有移动台不管处在小区的什么地方，它们所发送的信号到达基站接收端的电平都应相等。当移动台处于小区边缘处时，即有rj=R，则,可写成,(1)只考虑小区内的干扰。当忽略来自邻小区的干扰时，基站接收来自第j个移动台的CI比为,(4-51),(4-52),(2)考虑来自相邻小区的干扰。当考虑到来自相邻小区的干扰时，则有如图4-35所示的情况。CDMA系统中基站(反向链路)所受干扰的来源是：,图 4-35 小区基站受干扰的示意图,基站受本小区移动用户的干扰，为(M-1)；基站受第一层6个小区的移动用户的干扰，为 6 M1；基站受第二层 12个小区的移动用户的干扰，为12 M2，且21；基站受第三层的18个小区用户的干扰为18 M3，且3 2 1，i为干扰系数，i=1，2，3，。,若仅考虑来自三层小区的干扰，则有,(4-53),4.4.4 三种系统容量的比较 1.FDMA系统容量 已知总带宽 Bt1.25MHz，若FDMA调频信号的信道带宽(即频道带宽)Bc=30kHz，则可求出总信道(频道)数为,(信道/小区),2.TDMA系统容量 若已知总带宽,若每个TDMA载波信号占用的频带宽度为Bc=30 kHz，又知一个 TDMA载波容纳 3个TDMA时隙(Time Slots)，即相当于每信道占用带宽为10 kHz，则可求出总信道数为,(信道/小区),3.CDMA系统容量 若已知总带宽Bt1.25MHz，则CDMA载波信号占用的频带宽度Bc=1.25MHz。根据扩展频谱CDMA信号的宽带信号特性，信道带宽等于CDMA载波信号带宽，而信道数等于同时工作(激活)的总用户数，从而总用户数与系统的门限信干比有关。当给定信干比为EbI0=7dB时，有总用户数M=9.736。若考虑到同频小区的频率重用的影响，可取K=1.33，即可求出CDMA系统的每小区的信道数，即无线电容量为,(信道/小区),当信干比为EbI0=4.5dB时，总用户数M=17.15，则有,(信道/小区),当EbI0=7dB时，考虑系统采用到功率控制后，总用户数,(信道/小区),若再计入语音激活因子等于3，扇区化因子等于3时，则总的每小区的信道数为 mCDMA=1333120(信道/小区)比较三种系统容量的m值，可得 mCDMA 4mTDMA=20mFDMA,4.5 蜂窝移动通信的交换技术,4.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 公共电话交换技术已有专门课程详细讲述，在此不必重复。众所周知，蜂窝移动通信网总是通过移动业务交换中心(MSC)与公用电话网互连互通的，因此，蜂窝移动通信网也是一种交换式通信网。,通信网上两个终端每次成功的通信都包括三个阶段，即呼叫建立、消息传输和释放，蜂窝移动通信的交换技术也包括这三个过程。但是蜂窝移动通信网的用户是移动的，特别是在快速行驶的交通工具上的移动通信，移动用户没有固定的位置。,4.5.2 蜂窝移动通信呼叫建立过程 蜂窝移动通信呼叫建立过程如下：(1)移动台主呼。移动台首先搜索专用控制信道，当获悉控制信道空闲时，即可通过此信道发出呼叫信号(包括其自身的识别号码、被呼用户号码等)。,(2)移动台被呼。移动控制交换中心收到受呼信号之后，经识别并确认被呼用户此时不在通话，则在该中心控制区的所有基站，通过专用控制信道一齐发出呼叫信号(包括被呼移动台的识别号码和信道指配代号等)。(3)位置登记。呼叫移动用户时，应当根据被呼用户的位置进行，以免无效的呼叫。(4)通话过程中的越区信道切换。通话中，基站不断对移动台的通话信道进行监测。,4.5.3 越区切换 越区(过区)切换(Hand-over或Hand-off)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)。,越区切换通常发生在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下，为了保持通信的连续性，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。,图 4-36 越区切换示意图,1.越区切换的准则 在决定何时需要进行越区切换时，通常是根据移动台处接收的平均信号强度来确定，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4-36所示。判定何时需要越区切换的准则如下。,(1)相对信号强度准则(准则1)：在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如图4-36中的A处将要发生越区切换。(2)具有门限规定的相对信号强度准则(准则2)：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。,(3)具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3)：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。(4)具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则(准则4)：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。,2.越区切换的控制策略 越区切换控制包括两个方面：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以下三种。(1)移动台控制的越区切换。(2)网络控制的越区切换。(3)移动台辅助的越区切换。,3.越区切换时的信道分配 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。,4.6 蜂窝移动通信的信令技术,4.6.1 概述 在移动通信网中，除了传输用户信息(如语音信息)之外，为使全网有秩序地工作，还必须在正常通话的前后和过程中传输很多其它的控制信号，诸如一般电话网中必不可少的摘机、挂机、空闲音、忙音、拨号、振铃、回铃，以及无线通信网中所需的频道分配、用户登记与管理、呼叫与应答、过区切换和发射机功率控制等信号。,4.6.2 接入信令(移动台至基站之间的信令)在空中接口Um协议中，第三层包括三个模块：呼叫管理、移动管理和无线资源管理。它们产生的信令，经过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，有的设有专用控制信道，有的不设专用控制信道。前者适用于大容量的公用通信网，后者适用于小容量的专用网络。,1.数字信令 随着移动通信网容量的扩大以及微电子技术的发展，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。,图 4-37 典型的数字信令格式,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。字同步码(SW)：字同步码用于确定信息(报文)的开始位，相当