无线通信与网络10 蜂窝式无线网络ppt课件.pptx

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1、第10 章 蜂窝式无线网络,1,无线通信与网络(第2版) 作者 斯托林斯 何军等 译,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1 蜂窝式网络的原理,10.1.1 蜂窝网技术浪潮：计算机互联网移动互联网近年来，通信方面的最为革命性的进步。第一代(1G)：模拟移动电话摩托罗拉；第二代(2G) 、第三代(3G) ：数字，今天的主流；第四代(4G) ：最新的发展。蜂窝技术是许多技术的基础移动电话，无线Web ，地理位置服务，移动支付,10.1.1 蜂窝网,

2、在蜂窝网之前高功率无线电话，卫星电话容量低。蜂窝技术，增加容量区域分成多个蜂窝。每个蜂窝分配不同频段，以避免干扰或串音。相互间距离足够远的蜂窝，可以使用相同频段。缺点：需要基础设施基站。,伪装的基站,6,蜂窝小区形状,小区的形状有3种选择三角形， 正方形，正六角形。最终采用何种图形，要考虑以下几个因素：相邻小区的中心间隔大or小？单位小区的面积大or小？圆形天线，覆盖的重叠区面积大or小？,蜂窝小区形状,在小区半径R 和发射功率相同的情况下，正六边形具有以下优异特征：覆盖同样面积，所需小区个数最少，即基站数量最少；小区的中心间距最大，各基站间的干扰最小；最接近于圆的辐射模式，各个基站重叠区面积

3、最小。,8,1943年，匈牙利数学家陶斯证明，在所有正多边形中，达到同样面积，正六边形周长最小。最节省建筑材料。,蜂窝为什么六边形？,频率复用,蜂窝的频率复用增加容量：电波传播损耗，产生自然隔离，频率可以在相隔一定距离的另一小区重复使用。如右图所示相同颜色(数字)小区使用相同频率可以有多少颜色？,什么色,10, N种颜色（重用因子）频率总数K，每个蜂窝区有K/N个频率N必须符合N = i2 + ij +j2i、j为正整数，不能同时为零,频率复用,相同颜色蜂窝：最小中心距离由几何原理可得= 3 R: 蜂窝区的半径 N: 重用因子,10,频率复用,D,11,频率复用,N=4 N=7,12,频率复用

4、,增加容量,13,人口密集地区，频道不够用？1、增加新信道：系统固定后，难以增加；2、频率借用：从邻近蜂窝区借用闲置频率；3、蜂窝区分割： 将繁忙的蜂窝，分割为更小区域。原始蜂窝区约为6.5-13km。分割的最小值是1.5km。降低发射功率和天线高度。,增加容量,3、分割蜂窝区：扇区化把一个全向360的六边形小区分成3个120扇形 或 6个60 扇形每个扇区中的基站，使用定向天线发射。实际扇区未必是标准的几何形状。,例10.1：蜂窝区的大小对信道数量的影响。情况1：有32个半径为1.6 km的蜂窝区，总带宽336个信道，重用因子为N=7。问：覆盖形状是什么样的？每个蜂窝区有几个信道？它能并发处

5、理的呼叫数量是多少？答：32个半径为1.6 km的蜂窝区，覆盖213 km 2 每个蜂窝区信道数 336/7=48总信道容量扩展倍数,六边形面积半径是a,48X32=1536,1536/336=4.57倍,情况1:重用因子N=7,总带宽336,半径1.6,32个蜂窝情况2：分割为半径0.8 km的128个蜂窝区又如何？答：128个半径为0.8km的蜂窝区，覆盖213 km 2 每个蜂窝区信道：336/7=48总信道容量为：48X128=6144扩展倍数：6144/336=18.3倍,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效

6、果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1.2 蜂窝式系统的运行,18,移动用户单元,移动用户单元,移动电话交换局(MTSO)为多个基站提供服务。连到公共电话网。分配信道，越区切换，计费。,10.1.2 蜂窝系统的运行,基站 (BS, Base station)射频模块(RRU)。基带单元(BBU) 。,华为DBS3900 分布式基站2015.4，价格6000元http:/,2013年，全球通信设备厂商排名,华为 爱立信 思科 诺基亚西门子 阿朗 中兴,综合排名，评判维度无线网络产品、有线接入网设备、核心网设备与软件、传输网（光链路、路由、运营级以太网、微波

7、）设备、安全设备与软件、来自通信运营商的服务外包。,数据来源Infonetics,全球无线设备市场的份额,2015年4月15日，诺基亚以166亿美元收购阿尔卡特-朗讯，合并后份额35%爱立信40%华为20%中兴12.6%（此处是2009年数据）,10.1.2 蜂窝式系统的运行,一次典型呼叫的六个步骤1，信道设备初始化2，移动设备发起呼叫3，寻呼：MTSO寻找被叫4，接收呼叫5，保持呼叫6，越区切换,10.1.2 蜂窝式系统的运行,1，移动设备初始化 移动设备开机。扫描系统的控制信道。选择最强的信道，即”最近”的基站。移动设备通过基站和MTSO握手。MTSO确认用户的位置(提供位置服务)。如果移

8、动设备进入新蜂窝区，则连接新的基站。,10.1.2 蜂窝式系统的运行,2，移动设备发起呼叫通过正向信道(基站用户)的校验信息，移动设备先确认数据信道是空闲的。移动设备发起呼叫。在反向信道(用户基站)上发射信号。发送被叫设备的号码至基站。基站将请求送至MTSO。,10.1.2 蜂窝式系统的运行,3，寻呼(广播找人)MTSO根据被叫设备号码，将寻呼消息发送给某些基站。这些基站在它的信道上发射寻呼信号。寻找被叫设备。,10.1.2 蜂窝式系统的运行,4，接收呼叫(建立连接)被叫设备向基站做出响应。基站将响应送往MTSO。MTSO在主叫和被叫基站间建立一条链路。两个基站在蜂窝区分别选择一个可用信道。,

9、10.1.2 蜂窝式系统的运行,5，保持呼叫 (通话) 两个移动设备通过各自的基站，同MTSO交换话音或数字信号。,10.1.2 蜂窝式系统的运行,6，越区切换 如果在连接过程中，移动设备越出蜂窝区，进入另一个蜂窝区的范围，新基站分配一条信道给移动设备。系统自动完成更改，不需切断呼叫。,10.1.2 蜂窝式系统的运行,蜂窝网的其他功能,呼叫阻塞移动设备呼叫阶段，如果基站所有信道都忙，反复尝试失败后，将忙音返回用户。结束呼叫用户挂机时，MTSO 释放两基站的信道。掉话由于干扰或存在信号弱点，基站无法维持通话所需信号强度，通话关闭。,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2

10、 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1.3 移动无线电的传播效果,影响通话质量的因素信号强度手机与基站间距离的函数。必须够大，足以正确接收。不能太大，产生同频干扰。噪声：汽车点火、笔记本、各种电子设备。衰退（5.4 节讨论）,10.1.3 移动无线电的传播效果,设定蜂窝区大小的准则Hata模型不同环境下，路径损耗的经验公式。经验公式：由大量实验得到，没有完整的理论推导。城市环境，路径损耗为fc ：载波频率，单位为MHz，为150MHz-1500MHz。ht：基站天线高度，单位为m，为30m-300m。hr：

11、移动设备天线高度，单位为m，为1m-10m。d：天线间距离，单位为km，为l km20km 。A(hr)：移动天线高度的校正因子。,10.1.3 移动无线电的传播效果,Hata模型：在不同类型城市中小城市，校正因子：大城市，校正因子：,10.1.3 移动无线电的传播效果,例10.2：根据下面条件，计算中等城市损耗设fc=900MHz，ht=40 m, hr=5m，且d=l0 km。答：中等城市路径损耗A(hr)= (1.1*lg900-0.7)*5-(1.56*lg900-0.8)=8.95dBLdB = 69.55 + 26.16*lg 900-13.82*lg 40- 8.95+(44.9

12、 - 6.55*lg 40)*lg 10=150.14(dB),中小城市因子,如考给公式,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1.4 越区切换,越区切换：当移动设备从一个蜂窝移到另一个时，从原基站分配给另一个基站。何时越区切换？决策的主要参数：移动设备信号强度，一段时间的平均值/瞬时值？越区切换策略1，相对信号强度当B的信号强度第一次超过A时，切换。L1点可能带来乒乓效应,2，带阈值的相对信号强度切换条件：当前基站信号低于阈值，并且另一个基站的

13、信号是两者中较强的时。阈值Th1：阈值Th2：阙值Th3：,L1点，过高，与相对信号强度相同。,L2点，恰当。,L4点，过低，移动设备会移至更远，降低了通信质量，并可能导致呼叫中断。,如果基站从B向A移动时，阈值Th2切换点在哪里？,消除乒乓效应,3，带滞后的相对信号强度切换条件：只有新基站B比当前基站A的信号强，且差值SB-SAH时，即SB-HSA ，才切换。 此时，切换发生在？L3点也消除乒乓效应,4，带阈值加滞后的相对信号强度：切换条件：(I)当前基站的信号低于阈值(2)目的基站比当前基站，信号强度差大于H阈值是Th1 或Th2？L3点阙值是Th3 ？L4点,*华丽的分割线*华丽的分割线

14、*华丽的分割线*华丽的分割线*华丽的分割线*,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1.5 功率控制,基站和手机功率，大/小更好?功率大：保证接收信号质量。功率小：减少同频干扰降低对身体辐射节约电池能量在电梯里功率级别？,功率控制的两种策略开环功率控制(无反馈)基站发送一个导频信号给接收机。接收机决策，根据导频信号强度，调节功率。假定：正向和反向信道相关性强。优点：反应速度快，如当接收机从建筑物后面移出时，可以迅速降低功率。闭环功率控制(有反馈)

15、移动设备汇报信号质量，基站决策。基站命令：移动设备和基站，调整发射功率。,开环基站发送手机调节,闭环手机汇报基站调节,目录,10.1 蜂窝式网络的原理10.1.1 蜂窝网10.1.2 蜂窝系统的运行10.1.3 移动无线电的传播效果10.1.4 越区切换10.1.5 功率控制10.1.6 流量工程,10.1.6 流量工程,流量工程(QoS，服务质量)例：学校共3万学生，随时来机房上机都有位置，要多少台电脑？如果电脑不够多，没位置的概率？理想利用率：任意时刻：电脑数量=上机学生数，利用率100%。实际不可行，也不必要，电脑数量无法动态变化。研究流量工程的意义：根据需求计算供应数量，服务质量水平，

16、调整服务协议。,10.1.6 流量工程,系统容量参数系统容量N（最大同时处理用户数）潜在用户数L当L N 阻塞系统流量工程解答以下问题呼叫被阻塞的概率？为了达到略高于阻塞概率，需要多大容量？,10.1.6 流量工程,系统负载量参数：呼叫速率，单位时间呼叫数量(10次/分钟)h：每个成功呼叫，平均持续时间(2分钟)A= h：流量密度（20次）含义：单位时间内，平均的呼叫数（单位，厄兰）用来衡量系统负载，估算所需信道数量。,10.1.6 流量工程,例10.3：如果呼叫速率为20个/分钟，并且平均持续时间为3分钟，流量密度A=60厄兰。信道容量是以下情况时，估计结论：120个信道，大约利用一半。50

17、个信道，容量不足。60个信道，满足平均需要，有时是不足的。,例10.4：蜂窝区运行1小时，容量10个信道，呼叫速率=97/60=1.61次/分钟，平均持续时间h=294/97=3.03分钟。流量密度A=h=294/60=4.9厄兰。平均需要5个信道，结论在非阻塞(LN)状况成立。,10.1.6 流量工程,如何设置系统的容量？如果容量设为平均流量密度A，如果设为最大流量值，建议：设为忙时的平均流量密度如，一天中流量最高的60分钟，一年流量最大1个月。例：以图10.8为例设为1小时内最忙的5分钟的平均流量密度？A=4.9容量7最大9,会产生很多阻塞。,有的很少用，会浪费信道。,服务等级,P：服务等

18、级，呼叫被阻塞的概率P0.01，就被认为是相当好的。A：系统的流量密度（厄兰）。N：服务器数目。数学模型的假设用户无限：用户数量无限大。呼损清除：呼叫被阻塞后，用户立即挂断，等待随机时间，进行另一次呼叫。非呼损延迟：呼叫被阻塞后，在队列中，等待空闲。,结论1：对于给定的服务等级P，容量N大系统比较小系统，能处理的流量密度A，越多/越少？例10.5：1）2个蜂窝区，容量分别10个信道，合成容量20个信道。服务等级0.002时，合并能处理6.86厄兰的流量。2）1个蜂窝区，容量是20个信道，服务等级0.002时，单独能处理10.07厄兰的流量。大系统更好。,x2=6.86,结论2：对于容量N（大/

19、小？）的系统，提高流量密度A时，服务等级P更容易降低。1）蜂窝区容量10个信道，流量从3.43增至4.46厄兰，增加30%，服务等级由0.002降至0.01。2）蜂窝区容量70个信道，流量从51增至56.1厄兰，增加10%，服务等级由0.002降至0.01。大系统更易降低。,增加30%,增加10%,目录,10.2 第一代模拟系统10.2.1 频谱分配10.2.2 工作方式10.3 第二代TDMA 系统(2G)10.4 第二代CDMA 系统10.5 第三代系统（3G）,10.2 第一代模拟系统,第一代系统(1G)1970年代AT&T，高级移动电话服务AMPS摩托罗拉，马丁库帕发明大哥大。1980

20、年代早期，世界普及英国总访问通信系统TACS日本JTAGS西德C-Netz法国Radiocom意大利RTMI,10.2 第一代模拟系统,1987年，中国改革开放初期，引用欧洲TACS系统。当时售价15000元左右，普通人无法承受。,1998年，春晚小品回家主演：黄宏，宋丹丹,10.2.1 频谱分配,（两家公司合用）,带宽25MHz,北美AT&T高级移动电话服务,10.2.2 工作方式,AMPS的数值分配模块包括：服务提供商分配的电话号码。电话制造商分配的电话序列号(IMEI)。IMEI三码合一手机显示串码机身标签手机包装盒行货手机的标准之一。,*#06#,目录,10.2 第一代模拟系统10.3

21、 第二代TDMA 系统(2G)10.3.4 全球移动通信系统(GSM)10.3.5 GSM的网络结构10.3.6 无线电链路的几个方面10.4 第二代CDMA 系统10.5 第三代系统（3G）,10.3 第二代TDMA 系统(2G),第一代和第二代蜂窝系统，主要差别数字 or 模拟第一代系统几乎是纯模拟的。第二代系统几乎是纯数字的。加密方式第一代以明文传送，不提供安全性。第二代提供简单数字加密。,10.3 第二代TDMA 系统(2G),第一代和第二代蜂窝系统，主要差别错误检测第二代使用错误检测和纠正技术(第8章), 话音更清晰。信道接入技术第一代，FDMA，静态分配信道，在特定时间一个信道仅分

22、配给一个用户。第二代，GSM(FDMA混合TDMA)或CDMA，多个用户动态共享信道。,10.3 第二代TDMA 系统(2G),中国移动，中国联通,中国电信,CDMA,混合FDMA,10.3.4 全球移动通信系统(GSM),为什么”有了大哥大，走遍全球都不怕” ？GSM标准全球移动通信系统(Global System for Mobile communications) 1990年，欧洲电信标准组织ETSI制定标准。1991年，欧洲开始商业运营。全球超过200个国家，10亿人使用GSM电话。,10.3.5 GSM的网络结构,GSM系统组成标准边界接口：Um、Abis 和A，保证不同厂家设备能互

23、相操作。移动站基站子系统网络子系统,10.3.5 GSM的网络结构,移动站组成：射频收发器、数字信号处理器、用户识别模块(SIM卡)。SIM卡：用户号码、授权网络、密钥等。,10.3.5 GSM的网络结构,基站子系统功能：管理手机，在蜂窝区间越区切换和寻呼。组成：1个控制器：控制多个收发信站。多个收发信站：控制1个蜂窝区(半径100m35km)。包括，天线、收发器。,10.3.5 GSM的网络结构,网络子系统设备移动交换中心：连接基站和公共电信网。功能越区切换、验证账号、管理漫游、结算资费。数据库用户的电话号码用户的位置安全信息防盗信息,漫游的欢迎短信,10.3.6 无线电链路的几个方面,GS

24、M的信道特征最大移动速度250Km/h，火车速度。上行，移动890MHz915MHz。下行，基站935MHz960MHz。FDMA混合TDMAFDMA：25MHz分割125个信道，每个信道带宽200kHz。TDMA：200kHz的带宽，划分为8个逻辑信道，每个信道数据率22.8kb/s。,话音编码,线性预测编码器,循环冗余校验(CRC)卷积纠错,有效数据率22.8kbps,语音速率13kbps,总数据率33.75kbps,8用户=270.833kbps调制后占带宽200kHz,总带宽25MHz125个200kHz信道,目录,10.2 第一代模拟系统10.3 第二代TDMA 系统(2G)10.4

25、 第二代CDMA 系统10.4.1 码分多址10.4.2 软切换10.5 第三代系统（3G）,10.4 第二代CDMA 系统,CDMA (码分多址)所有用户使用同一频带在同一时间传输信号。利用不同用户码间的正交性来实现信号分割。,10.4.1 码分多址,CDMA的优点抗噪声：在一个更大的带宽上传播，突发噪音引起的损伤减小。多路阻抗：用户码之间互相正交，克服多径效应。保密：每个用户使用唯一用户码，可以保密。,10.4.2 软切换,手机切换基站方式：硬切换GSM直接更换新基站的频率。软切换 CDMA切换时与2个以上基站同时连接。移动交换中心同时向2个基站发送数据，移动单元合并这两个信号，恢复数据信

26、息。移动交换中心选择信号较强的一个新基站，明确连接。,硬切换,基站A,基站B,容易掉话！,基站A,基站B,基站A,基站B,运动员=基站接力棒=手机,直接更换,59,两个基站同时保持,软切换,基站A,基站B,基站A,基站B,浪费资源！,基站A 基站B,C,D,目录,10.2 第一代模拟系统10.3 第二代TDMA 系统(2G)10.4 第二代CDMA 系统10.5 第三代系统（3G）中国2G和3G的发展中国4G网络发展,中国3G和4G的发展,联通和移动信号哪个好？2G、4G时代，移动好 3G时代，联通好。联通发展历程（GSM和CDMA网络）在发展GSM初期，联通和移动基站数量差不多，1999左右

27、，中国为加入WTO与美国谈判。美国的条件之一是必须发展CDMA网络，背后有高通的专利，高通假意答应与中国企业合作发展CDMA技术。身为央企的联通接了这个吃力不讨好的担子，把一半资金发展CDMA，让移动在GSM上占了先机，信号质量一直落后于移动。,进入3G时代，联通的机遇2009年1月7日，工信部正式发放3G牌照。移动：TD-SCDMA技术与GSM不兼容，需重新建基站。联通：WCDMA技术，可以从2G基站直接升级，不需建立新基站，联通3G基站数量明显超过移动。业内人士普遍认为，2009年-2012年，联通发展3G有3年的窗口期，如果经营得当，就有望改写中国三大运营商的实力对比。联通有没有把握住？

28、,中国3G和4G的发展,中国3G和4G的发展,联通 WCDMA、电信CDMA2000、移动 TD-SCDMA2012年，中关村3G网速实测，联通一度领先白天：移动下行：91.43KB/s移动上行：17.55KB/s联通下行：426.13KB/s联通上行：83.77KB/s电信下行：70.42KB/s电信上行：89.28KB/s,晚上：移动下行：129.9KB/s移动上行：18.44KB/s联通下行：201.32KB/s联通上行：110.78KB/s电信下行：123.7KB/s电信上行：112.62KB/s,中国3G和4G的发展,2013年12月，工信部发放4G牌照。移动 TDD-LTE联通 FDD-LTE电信 FDD-LTE2015年第一季度手机总用户12.9亿4G用户1.62亿中国移动=88.3%联通+电信=11.7%,4G网速实测,中国3G和4G的发展,2008年，工信部电信业重组，合理竞争。原有3张固话网，实力：电信网通铁通原有3张移动网，实力：移动GSM联通GSM联通CDMA全业务模式：固话+有线宽带+移动网络中国移动=铁通固网+移动GSM网中国电信=联通CDMA网+电信固网联通CDMA网卖给了电信中国联通=联通GSM网+网通固网,83,作业10.7.1 练习题(5)、(9)、 (15),