第1章 移动通信网络的构成(PPT)

移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。顾名思义，移动通信就是通信双方至少有一方在运动状态中进行信息交换。例如，移动体（车辆、船舶，飞机或行人）与固定点之间，或者移动体之间的通信都属于移动通信范畴。第1章移动通信网络的构成移动通信是在移动中进行通信，它与传统的固定通信有着截然不同的特点，其分类也是种类繁多。1.1移动通信的特点和分类1.电波衰落现象2.远近效应3.干扰大4.多普勒效应5.环境条件差1.1.1移动通信的特点1.按设备的使用环境分类,主要有三种类型：陆地移动通信、海上移动通信、航空移动通信。2.按服务对象分类,有公用移动通信和专用移动通信。3.按系统组成结构分类,有蜂窝移动电话系统、集群调度移动电话系统、无中心个人无线电话系统、公用无绳电话系统。1.1.2移动通信的分类移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两大类，而双向通信方式又分为单工、双工通信方式和半双工通信方式三种。1.2移动通信的工作方式所谓单向通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号，而另一方只能发送信号，不能互逆。收信号方不能对发信号方直接进行信息反馈。移动通信中的无线寻呼系统就是采用这种工作方式。寻呼机只能收信而不能发信，反馈信息只能通过打电话间接地来完成。1.2.1单向通信方式所谓双向通信方式就是通信双方都可以接收信号和发送信号。双向通信又可分为单工、双工、半双工等三种通信方式。1.2.2双向通信方式单工通信方式异频单工同频单工双工通信方式半双工通信方式1.3移动通信系统的组成移动通信系统一般由移动台（MS）、基站（BSS）和移动业务交换中心（MSC）组成。1.4移动通信的多址方式从移动通信网的构成可以看出，移动通信具有广播和大面积覆盖的特点。大部分移动通信系统都有一个或几个基站。基站要和许多移动台同时通信，所以基站通常是多路同时工作的，有多个信道；而每个移动台只为一个移动用户使用，是单路工作的。这样，基站的多路工作和移动台的单路工作形成了移动通信的一大特点。在移动通信业务区内，移动台之间或移动台与市话用户之间，通过基站同时建立各自的信道，以实现双向通信的连接，称为多址连接。在移动通信系统中，常用的三种多址方式是频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道），供不同的用户使用。接收方根据载波频率的不同来识别发射地址，从而完成多址连接。1.4.1频分多址（FDMA）时分多址是把时间分割成周期的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后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送信号。1.4.2时分多址（TDMA）TDMA方式的特点1.TDMA系统中几个用户共享单一的载频，其中，每个用户占用彼此不重叠的时隙。2.TDMA系统中的数据发射不是连续的而是以突发的方式发射。由于用户发射机可以在不同的时间（绝大部分时间）关掉，因而耗电较少。3.同FDMA信道相比，TDMA系统的传输速率一般较高，故需要采用自适应均衡。4.由于TDMA系统发射是不连续的，移动台可以在空闲的时隙里监听其他基站，从而使其越区切换过程大为简化。5.TDMA必须留有一定的保护时间（或相应的保护比特）。6.由于采用突发式发射，TDMA系统需要更大的同步报头。7.TDMA系统必须有精确的定时和同步，在码分多址中，发射载波大多受到两种调制：一种是地址调制（扩频调制）；另一种是射频调制。所有移动台使用相同载频，并且可以同时发射，发射信号往往占有极宽的有时甚至是移动通信频段的全部频带。每个移动台都有自己的地址码。接收时，对某一地址码，只有相同地址码的接收机才能检测出信号，而其他接收机检测出的却是呈现为类似高斯过程的宽带噪声。1.4.3码分多址（CDMA）1.CDMA系统中许多用户共享同一频率。2.与TDMA或FDMA不同，CDMA系统容量极限是软极限。3.由于信号扩展到较大的频谱范围，多径衰落的影响会显著减小。扩频频带一般总大于信道的相干带宽，其内在的频率分集会降低频率选择性衰落的影响。4.由于移动台的位置不固定，CDMA移动通信系统肯定会产生远近效应（即近处无用信号压制远处的有用信号的现象）。所以，必须采取严格的功率控制技术，以保证到达基站的各移动台的信号强保持一致。CDMA方式的特点最早的移动通信是移动体之间或移动体与固体之间点对点的通信，只要将电台设定在同一无线电频道上即可通信，随着经济的发展，移动通信应用日益广泛，有限的无线频率要提供给越来越多的用户共同使用，频道拥挤，相互干扰已成为阻碍移动通信发展的首要问题。解决这一问题的办法就是按一定的规范组成移动通信网络，保障网内用户有秩序地通信。1.5组网技术无线通信是利用无线电波在空间传递信息的。无数的用户共用同一个空间，因此，不能在同一时间、同一场所、同一方向上使用相同频率的无线电波，否则就会形成干扰。当前移动通信发展所遇到的最突出问题，就是有限的可用频率如何有秩序地提供给越来越多的用户使用而不互相干扰，这就涉及到频率的管理与有效利用。1.5.1频率管理与有效利用技术频率是人类所共有的一种特殊资源，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，诸如：无线电频率资源是消耗性的，用户只是在某一空间和时间内“占用”，用毕之后依然存在，不使用或使用不当都是浪费；电波传播不分地区国界；它具有时间、空间和频率的三维性，可以从这三方面对其实施有效利用，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。基于这些特点，频率的分配使用需在全球范围制定统一的规则。频率管理频率的有效利用是根据其时间、空间和频率域的三维性质，从这三个方面采用多种技术来设法提高它的利用率。频率有效利用的最终评价准则是频率利用率。它的定义为η=A÷(WST)其中η代表频率利用率，A代表通信话务量，W代表使用的频带宽度，S代表占有的物理空间大小，T代表使用时间。由此可见，为提高频率利用率，应压缩信道带宽，减小电波辐射空间的大小，并使信道经常处于使用状态。频率的有效利用技术任何移动通信网都有一定的服务区域，无线电波必须覆盖整个区域。由VHF和UHF的传播特性知道，一个基站只能在其天线高度的视距范围内为移动用户提供服务。这样的覆盖区称为一个无线小区，或简称小区。如果网络的服务范围很大，或地形复杂，则需用几个小区才能覆盖整个服务区。一般来说，移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制。1.5.2区域覆盖大区制是指一个基站覆盖整个服务区。为了增大单基站的服务区域，天线要架设高，发射功率要大。但是这只能保证移动台可以接收基站的信号。反过来，当移动台发射时，由于受到移动台发射功率的限制，就无法保障通信了。为了解决这个问题，可以在服务区内设若干分集接收点与基站相连，利用分集接收来保证上行链路的通信质量。也可以在基站采用全向辐射天线和定向接收天线，从而改善上行链路的通信条件。大区制小区制是将整个服务区划分为若干小区，每一小区设一基站负责与小区内所有移动台的无线电通信。同时设置一个移动交换中心，统一控制这些基站协调地工作，保证移动用户只要在其服务区内，不论在哪一个基站的辐射区都能正常进行通信，提供完善的服务。小区制1.6蜂窝网的应用公用移动电话系统也称为蜂窝移动通信系统，它采用了小区制覆盖方案，有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。全天线辐射的覆盖是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个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度设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若相间90度设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形；若相间60度设置六个邻区，则有效覆盖区为正六边形；小区形状如图1­12 所示。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面的区域，可取的形状只有这三种，1.6.1小区形状相邻小区显然不能使用相同的信道，为了保证同信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的信道。这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道复用。区群的组成应满足两个条件：一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相同信道小区之间的距离相等。满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数应满足下式：N=i2+ij+j2式中i和j为正整数。1.6.2区群的组成1.6.3同信道小区的距离基站设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓“中心激励”方式。假设小区内有大的障碍物，如孤立的山丘或高大建筑物，中心激励方式难免会出现辐射阴影区，若改为在正六边形的三个顶点上设置基站，用120度扇形辐射的定向天线就可以避免阴影区的出现，这就是所谓的“顶点激励” 。顶点激励除对消除障碍物阴影有利外，对来自天线方向除主瓣之外的干扰也能有一定的隔离度，因而允许同信道小区的距离可以减小些，进一步提高频率资源的利用率，对简化设备、降低成本都有好处，但控制将复杂一些。1.6.4中心激励与顶点激励1.6.5小区的分裂不论是大区制还是小区制的移动通信网，只要基站为多信道工作，都需要研究信道配置的问题。大区制单基站的通信网，根据用户业务量的多少，需设置若干个信道，这些信道应按一定的规则配置，以避免互相干扰。小区制多个基站的通信网，对信道的配置有更为严格的限制。信道分配中要解决三个问题，即信道组的数目（即群内小区数）、每组（即每个小区）的信道数目和信道的频率指配。1.7信道配置分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小占用的总频段，以提高频段的利用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避免同频道干扰；小区内采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰，1.7.1分区分组配置法等频距配置法是按频率间隔来配置信道的，只要频距选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰，这样的频率配置正好满足产生互调的频率关系，但正因为频距大，干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用到非线性器件，这也就避免了互调的产生。1.7.2等频距配置法1.7.3多信道共用移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为小区内每一个移动台欲留一个信道，只能配置好一组信道，为小区所有移动台共用。这就是这里要讨论的多信道共用问题，这是一种在时间域内有效利用频率资源的技术。话务量在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间（如1小时）内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道的时间（含通话时间）S，显然λ和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为A=S×λ式中，λ的单位是（次/小时），S的单位是（小时/次），两者相乘而得到的A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位为“爱尔兰”（Erl）。完成话务量的性质与计算设在观察时间T小时内，全网共完成M次通话，则每小时完成的呼叫次数为λ0=M/T完成话务量即为A0=S×λ0=1/T×M×S式中，M×S即为观察时间T小时内的实际通话时间。1.7.4空闲信道的选取1.专用呼叫信道方式2.循环定位方式3.循环不定位方式4.循环分散定位方式1.8信令在移动通信网中，除了传输用户信息（通常就是话音信号）之外，为了全网有序地工作，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要的频道分配、用户登记管理、呼叫与应答、越区频道切换和发射机功率控制等信号。这些和通信有关的一系列控制信号统称为信令。1.8.1数字信令常用的信令格式下表所示，它包括前置码（P）、字同步码SW）、地址或数据（A或D）、纠错码（SP）等4部分。SPA或DSWP1.8.2音频信令音频信令是用不同的音频信号组成的。目前常用的有单音频信令和多音频信令。用0.3KHz～3KHz范围内不同的单音作为信令的称为带内单音频信令,。多音频信令都用于移动通信的选呼。每一