第2章移动通信(第五版)(章坚武)

第2章移动通信网第2章移动通信网2.1引言2.2移动通信体制2.3移动通信的信道结构2.4蜂窝移动通信系统的频率配置2.5移动通信环境下的干扰2.6蜂窝移动通信网络的频率规划2.7多信道共用技术2.8移动性管理2.9无线资源管理技术2.10信道自动选择方式第2章移动通信网2.1引言移动通信网就是承接移动通信业务的网络，主要完成移动用户之间、移动用户与固定用户之间的信息交换。这里的“信息交换”不仅仅指双方的通话业务，还包括数据、传真和图像等通信业务。一些移动通信网直接向社会公众提供移动通信业务，与公共交换电话网（PSTN）联系密切，并经专门的线路进入公共交换电话网，我们称之为公用移动电话网，简称公网。第2章移动通信网也有的移动通信网是一些专用网，并不对公众开放，不进入电话网，或与PSTN的互连较少，如工业企业中的无线电调度、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网，通常称之为专用移动通信网，简称专网。第2章移动通信网2.2移动通信体制2.2.1大区制就是在一个服务区域(如一个城市)内只有一个或几个基站（BaseStation，BS），并由它负责移动通信的联络和控制，如图2-1所示。通常为了扩大服务区域的范围，基站天线架设得都很高，发射机输出功率也较大(一般在200W左右)，其覆盖半径大约为30～50km。第2章移动通信网图2-1大区制移动通信示意图第2章移动通信网由于电池容量有限，通常移动台发射机的输出功率较小，因此移动台距基站较远时，移动台可以收到基站发来的信号(即下行信号)，但基站收不到移动台发出的信号(即上行信号)。为了解决两个方向通信不一致的问题，可以在服务区域中的适当地点设立若干个分集接收站，如图2－1中的虚线所示，以保证在服务区内的双向通信质量。第2章移动通信网在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道(一个频道包含收、发一对频率)的频率都不能重复。比如，移动台MS1使用了频率f1和f2，那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了;否则，将产生严重的同频干扰。因而，这种体制的频率利用率和通信容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。大区制的优点是组成简单，投资少，见效快，主要用于专网或用户较少的地域。例如，在农村或城镇，为节约初期工程投资，可按大区制设计考虑。但是，从远期规划来说，为了满足用户数量增长的需要，提高频率的利用率，还需采用小区制的办法。第2章移动通信网2.2.2小区制（蜂窝）小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区（Cell），每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心（MSC）的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。比如，可以把图2-1中的服务区域一分为七，如图2-2所示。每个小区（半径为2～20km，目前小的有1～3km，有的城市为500m）各设一个小功率基站(BS1～BS7)，发射功率一般为5～20W，以满足各无线小区移动通信的需要。第2章移动通信网随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小为微小区（Microcell）和微微小区（Picrocell），以不断适应用户数增长的需要。在实际中，用小区分裂（CellSplitting）、小区扇形化（Sectoring）和覆盖区域逼近（CoverageZoneApproaches）等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂提高了信道的复用次数，因而使系统容量有了明显提高。假设系统中所有小区都按小区半径的一半来分裂，如图2-3所示，理论上，系统容量增长接近4倍。小区扇形化依靠基站的方向性天线来减少同频干扰以提高系统容量，通常一个小区划分为3个120°的扇区或是6个60°的扇区。第2章移动通信网图2-2小区制(蜂窝)移动通信网第2章移动通信网采用小区制不仅提高了频率的利用率，而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了。此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。采用小区制最大的优点是有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。所以，公用移动电话网均采用这种体制。但是这种体制在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，建网的成本就提高了，所以无线小区的范围也不宜过小。通常需根据用户密度或业务量的大小来确定无线小区半径，目前，宏小区半径一般为（1～5）km。第2章移动通信网图2-3按小区半径的一半进行小区分裂示意图第2章移动通信网当基站采用全向天线时，基站覆盖区大致是一个圆。当多个无线小区彼此连接并覆盖整个服务区时，可以用圆的内接正多边形来近似。能全面覆盖一个平面的正多边形有正三角形、正方形、正六边形三种。在这三种小区结构中，正六边形小区的中心间隔和覆盖面积都是最大的，而重叠区域宽度和重叠区域面积又最小。这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。由于小区采用了正六边形小区结构，形成蜂窝状分布，因此小区制亦称蜂窝制。由于公用移动电话网均采用这种体制，因此，公用移动电话也称为蜂窝移动通信(CellularMobileTelecommunications)。在移动通信系统中，对基站进行选址以及分配信道组的设计过程叫做频率规划（FrequencyPlanning）。第2章移动通信网当用正六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机可安置在小区的中心（中心激励方式）或者安置在六个小区顶点之中的三个点上（顶点激励方式）。通常，中心激励方式采用全向天线，顶点激励方式采用扇形天线。第2章移动通信网2.3移动通信的信道结构2.3.1话音信道(VC)1.检测音(SAT)在模拟蜂窝系统(AMPS和TACS)中，检测音(SAT)是指在话音传输期间连续发送的带外单音。MSC通过对SAT的检测，可以了解话音信道的传输质量。当话音信道单元发射机启动后，就会不断在带外(话音频带为300~3400Hz)发出检测音(5970Hz或6000Hz或6030Hz)。SAT由BS的话音信道单元发出，经移动台MS环回。第2章移动通信网2.数据在一定情况下，在话音信道上还可传递数据。例如，在越区切换时，通话将暂时中断(模拟蜂窝系统中一般要求限定在800ms之内)，可利用这段时间在话音信道中，以数据形式传递必要的指令或交换数据。3.信号音(ST)信号音为线路信号。它是由移动台发出的单向信号。例如，在BS寻呼MS过程中，如果BS收到MS发来的ST，就表示振铃成功。在切换过程中，原BS收到MS发来的ST信号，则表示MS对切换认可。ST是带内信号，一般在0~300Hz之间。第2章移动通信网2.3.2控制信道(CC)1.当移动用户被呼时，就在控制信道的下行信道发起呼叫移动台信号，所以将该信道称为寻呼信道(PC)。2.接入当移动用户主呼时，就在控制信道的上行信道发起主呼信号，所以将该信道称为接入信道(AC)。在控制信道中，不仅传递寻呼和接入信号，还传递大量的其他数据，如系统的常用报文、指定通话信道、重试(重新试呼)等信号。第2章移动通信网2.4移动通信网的频率配置第2章移动通信网由表2-1可以看出，对于频分双工（FDD）蜂窝移动通信系统，900MHz频段收发频差为45MHz，1800MHz频段收发频差为95MHz，2000MHz频段收发频差为90MHz。注意：对于450MHzFDD专用移动通信系统，收发频差为10MHz；对于150MHzFDD专用移动通信系统，收发频差为5.7MHz。以中国联通GSM900为例，6MHz带宽，收发频差为45MHz，载波间隔为200kHz，即200kHz一个载波频点，共30个载波频点，除去工作频点首尾各一个保护频点，共28个频点。第2章移动通信网在3G频段分配方面，中国移动TD-SCDMA获得的频谱为（1880~1900）MHz，共20MHz，之前TD-SCDMA试验网还曾获得（2010~2025）MHzTD-SCDMA共获得35MHz。（1900~1920）MHz频段目前尚被中国联通及中国电信小灵通(PHS)使用。2009年2月，政府主管部门明确要求所有（1900~1920）MHz频段无线接入系统应在2011年底前完成清频退网工作，以确保不对（1880~1900）MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。第2章移动通信网中国电信cdma2000除了原先使用的800MHz频段外，获批的是（1920~1935）MHz(上行)、（2110~2125）MHz(下行)；中国联通WCDMA获得的是（1940~1955）MHz(上行)、（2130~2145）MHz(下行)。它们分别获得30MHz，而且无论上行还是下行，中间都相隔了5MHz，以免相互干扰。此外，目前运用的800MHz/900MHz/1800MHz频段的2GFDD频谱也为未来3GFDD使用频谱。对于早期的模拟蜂窝系统，不同设备的信道（载波）间隔不同。北美为30kHz，如AMPS系统的信道间隔为30kHz；德国为20kHz；日本、英国、北欧和中国都是25kHz，如TACS系统的信道间隔为25kHz。第2章移动通信网2.5移动通信环境下的干扰2.5.1同频道干扰1.同频道干扰保护比指标接收机输出端有用信号达到规定质量的情况下，在接收机输入端测得有用射频信号与同频无用射频信号之比的最小值，称为同频道干扰保护比。该指标与网络提供的话音质量有关。话音质量通过用户平均意见得分（MOS，MeanOpinionScores)进行评价，分为1~5级，级越高越好。第2章移动通信网（1）静态同频道干扰保护比。对于三级话音质量其下限信噪比为14dB。对应的有用信号与干扰信号之比为8dB。所以，为了维持三级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于8dB。四级话音质量其下限信噪比约为25dB。为了维持四级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于12dB。（2）同频道干扰概率。同频道干扰概率规定为10%。第2章移动通信网（3）考虑衰落影响、干扰概率和静态射频保护比后的同频道干扰保护比。当有快衰落和慢衰落时，通常的做法是在静态同频道干扰保护比（P）上加上同频道干扰余量（ZP），即P+ZP（dB）。表2-2列出干扰概率为10%时的P+ZP值。第2章移动通信网2.同频道复用保护距离系数D/r在蜂窝网中，使两个同频小区保持必要的距离是保证同频道干扰保护比达到指标要求的主要办法。在全向基站区中，同频道复用保护距离系数由图2-4定义。为了满足表2－2的同频道干扰保护比指标，所需要的系数可由式（2-1）计算，其结果列于表2－3。rrDZPPlg40式中，D/r为同频道复用保护距离系数。(2-1)第2章移动通信网图2-4同频道复用保护距离系数第2章移动通信网第2章移动通信网2.5.2邻频道干扰工作在k频道的接收机受到工作于k±1频道的信号的干扰，即邻道（k±1频道）信号功率落入k频道的接收机通带内造成的干扰称为邻频道干扰。解决邻频道干扰的措施包括：（1）降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机带外辐射；（2）提高接收机的邻频道选择性；（3）在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。第2章移动通信网2.5.3互调干扰在专用网和小容量网中，互调干扰可能成为设台组网较关心的问题。产生互调干扰的基本条件是：（1）几个干扰信号（ωA、ωB、ωC）与受干扰信号的频率（ωS）之间满足2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS的条件。（2）干扰信号的幅度足够大。（3）干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作。互调干扰分为发射机互调干扰和接收机互调干扰两类。第2章移动通信网1.发射机互调干扰一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需