蜂窝移动通信组网技术

移动通信第2章数字移动通信的关键技术组网技术编码技术多址技术均衡技术信令移动通信网按照服务区域覆盖方式分为：大区制小区制一、组网技术1.区域覆盖方式大区制•由一个基站(发射功率为50～100W)覆盖整个服务区，该基站负责服务区内所有移动台的通信与控制。大区制的覆盖半径一般为30～50km。•采用这种大区制方式时，由于采用单基站制，没有重复使用频率的问题，因此技术问题并不复杂。只需根据所覆盖的范围，确定天线的高度，发射功率的大小，并根据业务量大小，确定服务等级及应用的信道数。•但也正是由于采用单基站制，因此基站的天线需要架设得非常高，发射机的发射功率也要很高。即使这样做，也只可保证移动台收到基站的信号，而无法保证基站能收到移动台的信号。因此这种大区制通信网的覆盖范围是有限的，只能适用于小容量的网络，一般用在用户较少的专用通信网中。一、组网技术大区制可以在适当的地点设立若干个分集接收站来改善上行传输。一、组网技术小区制•小区制是指将整个服务区划分为若干小区，在每个小区设置一个基站，负责本小区内移动台的通信与控制。•小区制的覆盖半径一般为2～10km，基站的发射功率一般限制在一定的范围内，以减少信道干扰。•同时还要设置移动业务交换中心，负责小区间移动用户的通信连接及移动网与有线网的连接，保证移动台在整个服务区内，无论在哪个小区都能够正常进行通信。•由于是多基站系统，因此小区制移动通信系统中需采用频率复用技术。在相隔一定距离的小区进行频率再用，可以提高系统的频率利用率和系统容量，但网络结构复杂，投资巨大。尽管如此，为了获得系统的大容量，在大容量公用移动通信网中仍普遍采用小区制结构。一、组网技术小区制一、组网技术PSTN另一有线网另一有线网MSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSC8小区频率重复再用37516324356175243612774251314小区制根据服务对象和地形的不同对服务区域划分为：带状服务区面状服务区一、组网技术带状服务区•这种区域的无线小区，按横向排列覆盖整个服务区，整个系统由许多细小的无线小区相连而成。•基站天线使用全向辐射，覆盖区形状是圆形；可进行频率复用；为防止同频干扰，相邻区域不能使用同一频率；•适用范围：一般应用在铁路、公路、沿海和内河航道的移动通信系统。一、组网技术•为防止同频干扰，相邻区域不能采用统一频率，可采用二频组、三频组或四频组的频率配置•双频组和三频组的频率设置的示意图如下：一、组网技术面状服务区•在平面区域内划分小区。•全向天线的覆盖区是圆形的。为不留空隙覆盖整个服务区，各覆盖区之间一定要重叠。考虑重叠后，每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形。•考虑覆盖整个区域而没有重叠和间隙的几何形状，分为正三角形、正方形和正六边形一、组网技术正六边形aa正方形a正三角形•其中六边形在三种几何形状中具有最大的中心间隔和覆盖面积，而重叠区域宽度和重叠区域的面积又最小。所以小区都采用正六边形小区结构，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。•蜂窝网每区各使用一个无线电频率，但隔几区容许使用同一频率，不会互相干扰。一、组网技术3、单位无线区群的构成应满足以下两个条件：•1、若干单位无线区群能彼此邻接•2、相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离dg是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：N=a2+ab+b2•式中N为构成单位无线区群的正六边形的数目。a及b均为正整数，包括零在内，但a、b不能同时为零。•按照以上条件，可确定N有如下数值•a=1b=1N=3•a=2b=0N=4•a=2b=1N=7•a=2b=2N=12•a=3b=0N=9•|||•|||N=3a=1b=1(dg/r0)=3N=4a=2b=0(dg/r0)=3.46N=7a=2b=1(dg/r0)=4.58N=12a=3b=2(dg/r0)=6N=13a=3b=1(dg/r0)=6.24N=9a=3b=0(dg/r0)=5.2dg是同频小区中心距离r0是小区半径dg/r0=√3N1123456711111r0dgN=7,a=2,b=1事实上服务区内的用户密度是不均匀的。因而在用户密度高的市中心可以使小区面积小一点，而在郊区小区的面积可以大一些一、组网技术对于已设置好的蜂窝通信网，随着城市的发展，原来低用户密度区可能变成高密度区，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方法。一、组网技术小区分裂小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个小区都有自己的基站，并相应地降低天线高度和减小发射功率。由于小区分裂提高信道的复用次数，使得单位面积内的信道数目增加，因而能提高系统容量。如果分裂后小区半径为原小区半径的一半，则是1:4的分裂。一、组网技术无线小区的分裂（1:3）一、组网技术无线小区的分裂（1:4）一、组网技术扇区化我们前面所说的小区都是指全向小区，即一个基站对应一个小区，有一根发射天线，将无线电波辐射到360度的范围。如果采用全向小区，那么当同一地理区域内的MS数增加时，应该相应的增加小区数以扩大容量。为了在该地理区域安装更多的小区，必须减小小区的大小，而全向小区间的距离必须足够远，以防止同信道干扰和邻信道干扰。这种冲突会降低蜂窝网络的性能。为了在同一地理区域内获得更大的容量，可以采用一种称为“扇区化”的技术，扇区化即是将一个基站分成多个小区，每个小区都有自己的发射和接收天线，相当于一个独立的小区。一、组网技术60°扇形三叶草形三角形120°扇形三种主要的无线区图形60°扇形三叶草形三角形120°扇形•天线基本功能–辐射和接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。•通信天线种类–按方向性：全向、定向天线–按结构特性：线状天线、面状天线天线技术小区1小区2小区3小区4小区5小区6小区7蜂窝组网小区、扇区、载频的示意图小区分布全向小区全向天线蜂窝组网小区、扇区、载频的示意图扇区1扇区2扇区3小区1频点1频点2频点3扇区载频3扇区载频1扇区载频2扇区载频4扇区载频7扇区载频5扇区载频8扇区载频6扇区载频9三扇区分布S3/3/3（9扇区载频）定向天线2.多信道共用•信道是通信网络传递信息的通道。•在移动通信网的一个无线区内假设有n个信道，m个用户，m个用户对这n个信道的使用有两种方式：独立信道方式和多信道共用方式。•独立信道方式：设一个无线区内有n个信道，对区域内的每个用户分别指定一个信道，不同信道内的用户不能互换信道。一、组网技术独立信道方式示意图信道1用户12345678信道2用户910111213141516......信道n用户m-7m-6m-5m-4m-3m-2m-1m一、组网技术信道1用户12345678910111213141516……………m-1m信道2...信道n共用信道方式示意图一、组网技术两种方式的比较:•独立信道方式在信道分配原则上简单，但是信道不能充分利用，即信道利用率低；•多共用信道方式在相同多的用户的信道的情况下，会使用户通话的阻塞概率明显下降，即可明显提高信道的利用率。多信道共用可使用户数目明显增加。但也不是无止境的，否则将使阻塞率增加而影响质量。一、组网技术•采用多信道共用方式，在保持一定通话质量的情况下，一个信道究竟平均分配多少用户才合理？？？•这就是我们要讨论的话务量和呼损问题。一、组网技术呼叫话务量☆概念：指单位时间内（1小时）进行的平均电话交换量。☆公式表示：A=Ct0•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的单位是爱尔兰(Erl)。一、组网技术呼损率☆概念：当多个用户共用时，会出现许多用户虽然发出呼叫，但因无信道而不能通话（即呼叫失败）。在一个通信系统中，造成呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称为呼损率（B）。☆设A’为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。Co为一小时内呼叫成功而通话的次数，t0为每次通话的平均占用信道时间。则完成话务量为：A’=C*t0于是呼损率为：B=（A-A'）/A*100%=（C-Co）/C*100%其中（A-A’）为损失话务量。☆物理意义：损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。一、组网技术•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（或业务等级）。•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。一、组网技术繁忙小时集中度(K)K=忙时话务量/全日话务量K一般为8%~14%忙时话务量（a）☆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），K为繁忙小时集中度，则每个用户忙时话务量为：a=C*T*K*(1/3600)☆物理意义：a为最繁忙的那个小时的话务量，是统计平均值。一、组网技术TCH拥塞率•TCH拥塞率有两种定义，一种是包括切换因素所产生的TCH拥塞率，一种是不包括切换因素所产生的TCH拥塞率。其定义公式如下:TCH拥塞率(包括切换)=TCH占用失败次数(包括切换)/TCH占用请求次数(包括切换)*100%TCH拥塞率(不包括切换)=TCH占用失败次数（不包括切换）/TCH占用请求次数不包括切换*100%3.越区切换和位置管理越区切换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移到另一个基站的过程。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。一、组网技术39越区切换的分类按照切换处理过程的不同，即按照当前链路是在新链路建立之前还是之后释放可将越区切换类型分为硬切换、软切换和更软切换三种。一、组网技术1.信源编码：在数字通信系统中传输的是数字信息，信源编码就是信源信号的模数（A∕D）变换，即将模拟的信源信号转化成适于在信道中传输的数字信号形式。信源编码的作用(1)实现模数（A∕D）变换，使之适合于在信道中传输；(2)进行信息压缩编码，提高信息传输的有效性。二、编码技术2.信道编码•以提高信息传输的可靠性为目的的编码•增加信源的冗余度来实现•采用的办法：增大码率或带宽，与信源编码正好相反。二、编码技术•信道编码技术的分类：•按照纠正差错的类型：纠正随机错误、纠正突发错误•按照信息码元和监督码元之间的约束方式分：分组码、卷积码•按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系：线性码、非线性码•按照码字的结构不同：系统码、非系统码•按照码字中每个码元的取值：二进制码、多进制码二、编码技术1.基站如何识别用户？2.用户如何识别基站发给自己的信号？BSMS1MS2MS3多个用户共享信道，区分用户的方式称为多址技术三、多址技术解决办法——多址技术：不同用户台要有各自的特征基站发出的信号也要赋予不同的特征频率资源有限的情况下，提高通信系统的容量。•多址方式的分类：•频分多址（FDMA—FrequencyDivisionMultipleAccess）•时分多址(TDMA—TimeDivisionMultipleAccess)•码分多址(CDMA—CodeDivisionMultipleAccess)•空分多址(SDMA)三、多址技术•FDMA就是从若干信道频率中为一个用户指定一个信道。1、频分多址--FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess）时间功率频率25kHz2、时分多址--TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)•TDMA是从时间上把一个信道频率指定给若干个用户，各时间分配单位叫做时隙。时间频率功率123456200kHz3、码分多址--CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)•CDMA是很多用户使用相同的宽带无线信道，每个用户使用一个特殊的识别数据信号