无线通信基础详细分析

第4章组网技术第4章组网技术4.1多址技术4.2区域覆盖和信道分配4.3越区切换和位置管理4.4信令4.5信道复用4.6信道选择方式4.7天线共用器第4章组网技术知识点—移动通信的多址技术—大区制、小区制、频率分配—信令的形式—信道复用及话务量—天线共用器难点—信道分配方法—信道选择方式—话务量计算要求掌握：—FDMA、TDMA、CDMA概念—小区制的构成及信道分配理解：—信道自动选择方式了解：—天线共用器的组成原理第4章组网技术4.1多址技术4.1.1FDMA方式1.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：Frequencydevideduplex）系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱。第4章组网技术一个频谱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对频谱）才能实现双工通信。它们的频谱分割如图4.3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。第4章组网技术图4.2FDMA系统的工作示意图图4.3FDMA第4章组网技术2.FDMA系统的特点FDMA系统有以下特点：(1)FDMA信道每次只能传送一个电话。(2)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。(3)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。第4章组网技术(4)移动台较简单，和模拟的较接近。(5)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。(6)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。(7)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。在模拟蜂窝系统中，采用FDMA方式是唯一的选择。而在数字蜂窝中，则很少采用纯FDMA的方式。第4章组网技术4.1.2TDMA方式1.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。第4章组网技术同时，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4.4TDMA系统的工作方式第4章组网技术2.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4.5TDMA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。第4章组网技术典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间，例如：GSM系统的帧长为4.6ms(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为1Oms(每帧24个时隙)。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TDMA/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：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。在GSM系统中，TDMA帧和时隙的具体构成将在以后详细介绍。第4章组网技术3.TDMA系统的特点TDMA系统有以下特点：(1)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Rbit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NRbit/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。(2)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。(3)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。第4章组网技术(4)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。(5)抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。(6)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。有些系统综合采用FDMA和TDMA技术，例如IS－136数字蜂窝移动通信标准采用30kHzFDMA信道，并将其再分成6个时隙，用于TDMA传输。第4章组网技术4.1.3CDMA方式1.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。第4章组网技术在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4.6是CDMA通信系统的工作示意图。图4.6CDMA第4章组网技术2.CDMA系统的特点CDMA系统有以下特点：(1)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。(2)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(voiceactivity)技术等，可以自然地用于提高系统容量。第4章组网技术(3)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。(4)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。(5)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。第4章组网技术(6)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。(7)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。CDMA系统存在着两个重要的问题，一个问题是来自非同步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，第4章组网技术而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。另一个问题是远-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：RadioSignalStrengthIndication)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。第4章组网技术4.1.4SDMA方式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。第4章组网技术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。图4.7SDMA系统的工作示意图在蜂窝系统中，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，从第4章组网技术每一用户单元出来的发射功率必须动态控制，以防止任