移動(dòng)通信原理與技術(shù)第5章-組網(wǎng)技術(shù)課件

1、第5章組網(wǎng)技術(shù) 移動(dòng)通信網(wǎng)的基本概念5.1 移動(dòng)通信環(huán)境下的干擾5.2 區(qū)域覆蓋與信道配置5.3多址接入技術(shù)5.4蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量分析 5.5系統(tǒng)移動(dòng)性管理5.6本章解決的問題： (1)鄰道干擾和同道干擾 什么是鄰道干擾和同道干擾?產(chǎn)生的原因?本章解決的問題： (2)區(qū)域覆蓋技術(shù) 由于傳播損耗的存在，基站和移動(dòng)臺(tái)之間的通信距離總是有限的。因此，為了使用戶在某一個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的任意位置都能接入網(wǎng)絡(luò)，需要在該服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)置多少基站？對(duì)于給定的頻率資源，如何在這些基站之間進(jìn)行分配以滿足用戶容量的要求？本章解決的問題： (3)多址技術(shù) 對(duì)于給定的頻率資源，大家如何來共享，使得有限的資源能傳輸更大容量的

2、信息?本章解決的問題： （4）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量分析 通過對(duì)FDMA和TDMA蜂窩系統(tǒng)容量的分析，探討提高蜂窩系統(tǒng)容量有哪些方法 ？本章解決的問題： (5)移動(dòng)性管理 移動(dòng)通信的基本特點(diǎn)是用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)可任意移動(dòng)。因此，需要解決移動(dòng)性管理和越區(qū)切換兩個(gè)問題。 移動(dòng)性管理是指當(dāng)用戶在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中任意移動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)如何管理這些用戶，使網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)刻都知道該用戶當(dāng)前在哪一個(gè)地區(qū)的哪一個(gè)基站覆蓋的范圍內(nèi)? 越區(qū)切換是指當(dāng)移動(dòng)用戶從一個(gè)基站的覆蓋區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)基站的覆蓋區(qū)時(shí)，如何保證用戶通信過程的連續(xù)性? 5.1 移動(dòng)通信網(wǎng)的基本概念 移動(dòng)通信網(wǎng)是承載移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，主要完成移動(dòng)用戶之間、移

3、動(dòng)用戶與固定用戶之間的信息交換。一般來說，移動(dòng)通信網(wǎng)由空中網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)兩部分組成?？罩芯W(wǎng)絡(luò)又稱為無線網(wǎng)絡(luò)，主要完成無線通信；地面網(wǎng)絡(luò)又稱為有線網(wǎng)絡(luò)，主要完成有線通信。 空中網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)通信網(wǎng)的主要部分，主要包括： （1）多址接入 （2）頻率復(fù)用和區(qū)域覆蓋 1）無線蜂窩式小區(qū)覆蓋和小功率發(fā)射。 2）頻率復(fù)用：指相同的頻率在相隔一定距離的另一個(gè)小區(qū)重復(fù)使用。 3）多信道共用和越區(qū)切換。 （3）切換和位置更新地面網(wǎng)絡(luò)主要包括：（1）服務(wù)區(qū)內(nèi)各個(gè)基站的相互連接。（2）基站與固定網(wǎng)（PSTN、ISDN、數(shù)據(jù)網(wǎng)等）。5.2 移動(dòng)通信環(huán)境下的干擾 干擾是限制移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的主要因素。干擾來源包括相鄰小區(qū)中

4、正在進(jìn)行通信、使用相同頻率的其他基站、或者無意中滲入系統(tǒng)頻帶范圍的任何干擾系統(tǒng)。 話音信道上的干擾會(huì)導(dǎo)致串話，使用戶聽到背景干擾。信令信道上的干擾則會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)發(fā)送上的錯(cuò)誤，而造成呼叫遺漏或阻塞。5.2.1 鄰道干擾 鄰道干擾（Adjacent Channel Interference, ACI ）:是一種來自相鄰或相近的頻道的干擾，即干擾臺(tái)信號(hào)功率落入相鄰或相近接收機(jī)接收頻帶內(nèi)造成的干擾。 鄰道干擾包括兩方面： 一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產(chǎn)生的干擾；二是指移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)，一組空間離散的鄰近工作頻道引入的干擾。解決領(lǐng)道干擾的措施包括： （1） 降低發(fā)射機(jī)

5、落入相鄰頻道的干擾功率，即減少發(fā)射機(jī)帶外輻射。 （2）提高接收機(jī)的鄰道選擇性。 （3）在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，避免相鄰頻道在同一小區(qū)或相鄰小區(qū)內(nèi)使用。5.2.2 同道干擾 同道干擾（Co-Channel Interference， CCI ）：是指所有落在接收機(jī)通帶內(nèi)的與有用信號(hào)頻率相同的無用信號(hào)的干擾，惡劣的天氣、過度擁擠的頻譜或不合理的頻率規(guī)劃等都可能導(dǎo)致同道干擾。 頻率復(fù)用意味著在一個(gè)給定的覆蓋區(qū)域內(nèi)，存在許多使用同一組頻率的小區(qū)，這些小區(qū)叫做同頻小區(qū)。頻率復(fù)用帶來的問題就是同頻干擾。復(fù)用距離越近，同頻干擾就越大；復(fù)用距離越遠(yuǎn)，同頻干擾就越小，但頻譜利用率就會(huì)降低。為避免同頻干擾和保證接收質(zhì)量，必

6、須使接收輸入端的信號(hào)電平同同頻干擾電平之比（通常是功率或場(chǎng)強(qiáng)之比）大于或等于射頻保護(hù)比（Radio-Frequency Rrotection Ratio）。 射頻保護(hù)比是達(dá)到規(guī)定接收質(zhì)量時(shí)所需的射頻信號(hào)對(duì)同頻無用射頻信號(hào)的比值，它不僅取決于通信距離，還和調(diào)制方式、電波傳播特性、通信可靠性、無線小區(qū)半徑、選用的工作方式等因素有關(guān)。 為了提高頻率利用率，在滿足一定通信質(zhì)量的條件下，允許使用相同頻道的無線區(qū)域之間的最小距離稱為同頻道再用的最小安全距離，簡稱同頻道復(fù)用距離或共道復(fù)用距離。 圖5.1給出了同頻道復(fù)用距離的示意圖。 圖5.1 同頻道復(fù)用距離示意圖 由圖可知 D=DI+Ds= DI + (5

7、.1) 通常，定義同頻復(fù)用系數(shù)為 (5.2) 由式 (5.1)可得同頻復(fù)用系數(shù) (5.3) 假定各基站與移動(dòng)臺(tái)的設(shè)備參數(shù)相同，地形條件也理想，同頻道再用距離與下列因素有關(guān)。 （1）調(diào)制方式。為達(dá)到規(guī)定的接收信號(hào)質(zhì)量，對(duì)于不同的調(diào)制方式，所需的射頻保護(hù)比是不同的。 （2）電波傳播特性。假定傳播路徑是光滑的地平面，路徑損耗L可由式(5.4)近似確定 (5.4)其中，d是收發(fā)天線之間的距離，ht和hr分別表示發(fā)射天線與接收天線的高度。如果d的單位是km，ht和hr的單位是m，則 （dB） (5.5) （3）基站覆蓋范圍或小區(qū)半徑 。 （4）通信方式?？梢苑譃橥l單工通信和異頻雙工通信。 （5）要求的

8、可靠通信概率。 互調(diào)干擾是由傳輸設(shè)備中的非線性電路產(chǎn)生的。它指兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)作用在通信設(shè)備的非線性器件上，產(chǎn)生同有用信號(hào)頻率相近的組合頻率，從而對(duì)通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾的現(xiàn)象。5.2.3 互調(diào)干擾 產(chǎn)生互調(diào)干擾的基本條件是：（1）幾個(gè)干擾信號(hào)的頻率（ ， ， ）與受干擾信號(hào)的頻率（ ）之間滿足 或 的條件。（2）干擾信號(hào)的幅度足夠大。（3）干擾（信號(hào)）站和受干擾的接收機(jī)都同時(shí)工作。1.產(chǎn)生互調(diào)干擾的條件 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，互調(diào)干擾分為發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾和接收機(jī)互調(diào)干擾兩類。減少發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾的措施有： 1）加大發(fā)射機(jī)天線之間的距離。 2）采用單向隔離器件和采用高品質(zhì)因子的諧振腔。 3）提高發(fā)射機(jī)的互調(diào)轉(zhuǎn)換

9、衰耗。2.互調(diào)干擾的分類減少接收機(jī)互調(diào)干擾的措施有： 1）提高接收機(jī)前端電路的線性度。 2）在接收機(jī)前端插入濾波器，提高其選擇性。 3）選用無三階互調(diào)的頻道組工作。 3. 在設(shè)臺(tái)組網(wǎng)中對(duì)抗互調(diào)干擾的措施 （1）蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)。由于需要的頻道多和采用空腔諧振式合成器，所以可采用互調(diào)最小的等間隔頻道配置方式，并依靠具有優(yōu)良互調(diào)抑制指標(biāo)的設(shè)備來抑制互調(diào)干擾。 （2）專用的小容量移動(dòng)通信網(wǎng)。主要采用不等間隔排列的無三階互調(diào)的頻道配置方法來避免發(fā)生互調(diào)干擾。當(dāng)需要的頻道數(shù)較多時(shí)，頻道（信道）利用率很低，不適用于蜂窩網(wǎng)。 當(dāng)外界存在一個(gè)離接收機(jī)工作頻率較遠(yuǎn)，但能進(jìn)入接收機(jī)并作用于其前端電路的強(qiáng)干擾信號(hào)時(shí)，

10、由于接收機(jī)前端電路的非線性而造成對(duì)有用信號(hào)增益降低或噪聲增高，使接收機(jī)靈敏度下降的現(xiàn)象稱為阻塞干擾。 這種干擾與干擾信號(hào)的幅度有關(guān)，幅度越大，干擾越嚴(yán)重。當(dāng)干擾電壓幅度非常大時(shí)，可導(dǎo)致接收機(jī)收不到有用信號(hào)而使通信中斷。5.2.4 阻塞干擾 當(dāng)基站同時(shí)接收從兩個(gè)距離不同的移動(dòng)臺(tái)發(fā)來的信號(hào)時(shí)，距基站近的移動(dòng)臺(tái)B（距離d2）到達(dá)基站的功率明顯要大于距離基站遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)A（距離d1，d2 d1）的到達(dá)功率，若二者頻率相近，則距基站近的移動(dòng)臺(tái)B就會(huì)造成對(duì)接收距離遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)A的有用信號(hào)的干擾或抑制，甚至將移動(dòng)臺(tái)A的有用信號(hào)淹沒。這種現(xiàn)象稱為近端對(duì)遠(yuǎn)端干擾，又稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。5.2.5 近端對(duì)遠(yuǎn)端的干擾克服近端

11、對(duì)遠(yuǎn)端干擾的措施主要有兩個(gè)： （1）使兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)所用頻道拉開必要間隔；（2）移動(dòng)臺(tái)端自動(dòng)（發(fā)射）功率控制（APC），使所有工作的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站功率基本一致。由于頻率資源緊張，幾乎所有的移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站和移動(dòng)終端都采用APC工作。5.3 區(qū)域覆蓋與信道配置 5.3.1 區(qū)域覆蓋 1大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域覆蓋圖5.2 大區(qū)制移動(dòng)通信示意圖 大區(qū)制方式的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)簡單、成本低，一般借助市話交換局設(shè)備和很高的天線，將基站的收發(fā)信設(shè)備與市話交換局連接起來，為一個(gè)大的服務(wù)區(qū)提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，如圖5.2所示 。 為了擴(kuò)大覆蓋范圍，往往可將圖5.2的無線系統(tǒng)重復(fù)配置，借助于控制中心接入市話交換局，如圖5.

12、3所示。 圖4.3 借助控制中心的大區(qū)制移動(dòng)通信示意圖 覆蓋區(qū)域的劃分取決于系統(tǒng)的容量、地形以及傳播特性等。 覆蓋區(qū)域的半徑則由以下因素確定。 （1）在正常的傳播損耗時(shí)，地球的曲率半徑限制了傳輸?shù)臉O限范圍。 （2）地形環(huán)境影響，例如山丘、建筑物的阻擋，信號(hào)傳播可能產(chǎn)生覆蓋盲區(qū)。 （3）多徑、干擾等限制了傳輸距離。 （4）基站發(fā)射功率受限導(dǎo)致覆蓋范圍有限。 （5）移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率很小，上行（MS至BS）信號(hào)傳輸距離有限，限制了BS與MS的互通距離。 圖5.4通過描述移動(dòng)臺(tái)與基站的不同相對(duì)位置，說明上、下行傳輸增益差是決定大區(qū)制系統(tǒng)覆蓋區(qū)域大小的重要因素 。圖5.4 非對(duì)稱的上、下行鏈路（1）設(shè)置分

13、集接收臺(tái)。在業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)立分集接收臺(tái)Rd，如圖5.5所示。 圖5.5 設(shè)置分集接收臺(tái)示意圖（2）在大的覆蓋范圍內(nèi)，用同頻轉(zhuǎn)發(fā)器（又稱為直放站）掃除盲區(qū)，如圖5.6所示。 圖5.6 用同頻轉(zhuǎn)發(fā)器的示意圖（3）基站采用全向天線發(fā)射和定向天線接收，可以獲得810dB的接收增益。（4）基站采用分集接收的天線配置方案，獲得接收分集增益。（5）提高基站接收機(jī)的靈敏度，以接收微弱的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)。2小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域覆蓋 為了增大服務(wù)區(qū)域，從頻率復(fù)用的觀點(diǎn)出發(fā)，可以將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分成若干個(gè)半徑為220km的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)中設(shè)置基站，負(fù)責(zé)小區(qū)內(nèi)移動(dòng)用戶的無線通信，這種方式稱為小區(qū)制。 小區(qū)制具有以下

14、優(yōu)點(diǎn)。 （1）可以提高頻率利用率。 （2）具有組網(wǎng)的靈活性。2小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的地域覆蓋 針對(duì)不同的服務(wù)區(qū)，需要不同的小區(qū)結(jié)構(gòu)以及頻率分配方案。（1）帶狀網(wǎng) 帶狀網(wǎng)主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸等。 帶狀網(wǎng)中，基站天線若用全向輻射，覆蓋區(qū)形狀是圓形的（圖（a）；基站天線若宜采用有向天線，使每個(gè)小區(qū)呈扁圓形（圖（b）。圖5.7 帶狀網(wǎng)帶狀網(wǎng)可進(jìn)行頻率再用。若將使用不同頻道的兩個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群（在一個(gè)區(qū)群內(nèi)的不同小區(qū)使用不同的頻道，不同的區(qū)群可使用相同的頻率）如圖5.7（a）所示，稱為雙頻制。若將使用不同頻道的3個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群，如圖5.7（b）所示，稱為3頻制。表5.1 帶狀網(wǎng)的同頻道干擾圖

15、5.8 帶狀網(wǎng)的同頻干擾設(shè)n頻制的帶狀網(wǎng)如圖5.8所示。（2）蜂窩網(wǎng) 小區(qū)的形狀 全向天線輻射的覆蓋區(qū)是個(gè)圓形。為了不留空隙地覆蓋整個(gè)平面的服務(wù)區(qū)，一個(gè)個(gè)圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，每個(gè)輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)多邊形。根據(jù)交疊情況不同，有效覆蓋區(qū)可為正三角形、正方形或正六邊形。圖5.9 小區(qū)的形狀 理論證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個(gè)平面的區(qū)域，可取的形狀只有正三角形、正方形或正六邊形這三種。表5.2 三種形狀小區(qū)的比較 區(qū)群的組成相鄰小區(qū)不能用相同的信道。為了保證同信道小區(qū)之間有足夠的距離，附近的若干小區(qū)都不能用相同的信道。這些不同信道的小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群，只

16、有不同區(qū)群的小區(qū)才能進(jìn)行信道再用。 可以證明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)應(yīng)滿足下式（5.4） 區(qū)群的組成滿足兩個(gè)條件： 1) 若干個(gè)單位無線區(qū)群正六邊形彼此鄰接組成蜂窩式服務(wù)區(qū)。 2) 鄰接單位無線區(qū)群中的同頻無線小區(qū)的中心間距相等。 區(qū)群的組成圖5.10 區(qū)群的組成 同頻小區(qū)的距離同頻小區(qū)位置和距離的確定方法：自某一小區(qū)A出發(fā)，沿邊的垂線方向跨j個(gè)小區(qū)后，向左(或向右)轉(zhuǎn)60，再跨i個(gè)小區(qū)，便到達(dá)同頻道小區(qū)A。圖5.11 同頻道小區(qū)的確定 同頻小區(qū)的距離 假設(shè)小區(qū)的半徑（即正六邊形外接圓的半徑）為r，則相鄰?fù)l道小區(qū)中心之間的距離為 （5.5）例:試計(jì)算當(dāng)天線小區(qū)半徑r=8km，同頻復(fù)用距離D=40km

17、時(shí)，采用蜂窩移動(dòng)小區(qū)組網(wǎng)，此時(shí)無線區(qū)群小區(qū)個(gè)數(shù)N為多少？試畫出區(qū)群的構(gòu)成圖。 基站激勵(lì)方式 基站設(shè)在小區(qū)的中央，用全向天線形成圓形覆蓋區(qū)，這種激勵(lì)方式稱為中心激勵(lì)（如圖5.12（a）所示）。 基站設(shè)在小區(qū)的三個(gè)頂點(diǎn)上，每個(gè)基站采用三副120扇形輻射的定向天線，分別覆蓋三個(gè)相鄰小區(qū)的各三分之一區(qū)域，每個(gè)小區(qū)由三副120扇形天線共同覆蓋，這種激勵(lì)方式稱為頂點(diǎn)激勵(lì)。（如圖5.12（b）所示）圖5.12 基站激勵(lì)方式 小區(qū)分裂在用戶密度均勻的情況下，每個(gè)小區(qū)的大小是相同的。事實(shí)上，服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶密度是不均勻的，例如城市中心商業(yè)區(qū)的用戶密度高、居民區(qū)和市郊區(qū)的用戶密度低。為了適應(yīng)這種情況，在用戶密度高的

18、市中心區(qū)可使小區(qū)的面積小一些，在用戶密度低的市郊區(qū)可使小區(qū)的面積大一些。圖5.13 用戶密度不等時(shí)的小區(qū)結(jié)構(gòu) 5.3.2 信道配置 信道配置又稱頻率配置，主要解決將給定的信道如何分配給在一個(gè)區(qū)群的各個(gè)小區(qū)的問題。 信道配置主要針對(duì)FDMA和TDMA系統(tǒng)，而CDMA系統(tǒng)中，所有用戶由于使用相同的工作頻率而無需進(jìn)行信道配置。 頻道配置是頻率復(fù)用的前提，頻道配置包含兩個(gè)基本含義：一是頻道分組，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要將全部頻道分成若干組；二是頻道指配，以固定或動(dòng)態(tài)分配的方法將頻道指配給蜂窩網(wǎng)的用戶使用。 頻道分組需遵循以下原則。 （1）根據(jù)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選擇雙工方式、載頻中心頻率值、頻道間隔、收發(fā)間隔等參數(shù)。

19、 （2）確定無互調(diào)干擾或盡量減小互調(diào)干擾的分組方法。 （3）考慮有效利用頻率資源、降低基站天線高度和發(fā)射功率，在滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量射頻保護(hù)比的前提下，盡量減小同頻復(fù)用的距離，從而確定頻道分組數(shù)。 頻道指配時(shí)需注意以下問題。 （1）在同一頻道組中不能有相鄰序號(hào)的頻道，以避免鄰道干擾。 （2）相鄰序號(hào)的頻道不能指配給相鄰小區(qū)或相鄰扇區(qū)。 （3）應(yīng)根據(jù)移動(dòng)通信設(shè)備抗鄰道干擾能力來設(shè)定相鄰頻道的最小頻率及空間間隔。 （4）按照規(guī)定的射頻保護(hù)比建立頻率復(fù)用的頻道指配圖案。 （5）頻率參數(shù)、遠(yuǎn)期規(guī)劃、新規(guī)劃的網(wǎng)和重疊網(wǎng)頻率指配的協(xié)調(diào)一致。1帶狀網(wǎng)的固定頻道分配當(dāng)同頻復(fù)用比D/r0確定后，就能確定相應(yīng)的頻道組數(shù)。

20、例如，若D/r0=6（或8），至少應(yīng)有3（或4 ）個(gè)頻道組，如圖5.14所示。圖5.14 帶狀網(wǎng)的固定頻道分配2蜂窩狀網(wǎng)的固定頻道分配 應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)的固定頻道分配方法有兩種：分區(qū)分組分配法和等頻距分配法。（1）分區(qū)分組分配法 分區(qū)分組配置法遵循3個(gè)原則： （1）盡量減小占用的總頻段，以提高頻段的利用率。 （2）同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道，以避免同頻干擾。 （3）小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)干擾。 假設(shè)給定的頻段按照等間隔劃分，各信道的編號(hào)分別為1、2、3；每個(gè)區(qū)群有7個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)需6個(gè)信道，則采用分區(qū)分組配置法分配的結(jié)果為： 第一組 1， 5， 14， 20， 34，36

21、 第二組 2， 9， 13， 18， 21，31 第三組 3， 8， 19， 25， 33，40 第四組 4， 12，16， 22， 37，39 第五組 6， 10，27， 30， 32，41 第六組 7， 11，24， 26， 29，35 第七組 15，17，23， 28， 38，42（2）等頻距分配法 等頻距分配法是按照等頻率間隔來配置頻道的，只要頻距選得足夠大，就可以有效避免鄰道干擾。 等頻距配置法根據(jù)區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N來確定同一信道組內(nèi)各信道之間的頻率間隔。 例如N=7 ，則信道的配置為： 第一組 1， 8， 15， 22， 29， 第二組 2， 9， 16， 23， 30， 第三組 3

22、， 10，17， 24， 31， 第四組 4， 11，18， 25， 32， 第五組 5， 12，19， 26， 33， 第六組 6， 13，20， 27， 34， 第七組 7， 14，21， 28， 35， 對(duì)于采用定向天線進(jìn)行頂點(diǎn)激勵(lì)的小區(qū)制，每個(gè)基站需要配置三組信道，向三個(gè)方向輻射。 例如 N =7， 每個(gè)區(qū)群需配置21個(gè)信道組。圖5.15 三頂點(diǎn)激勵(lì)的信道配置 為了提高頻率利用率，使信道的配置能隨移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，有兩種方法：一是“動(dòng)態(tài)配置法”，即根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化重新配置全部信道；二是“柔性配置法”，即準(zhǔn)備若干個(gè)信道，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)提供給某個(gè)小區(qū)使用。 由于無線通信具有大面

23、積無線電波覆蓋和廣播信道的特點(diǎn)，移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)一個(gè)用戶發(fā)射的信號(hào)其他用戶均可以接受，為了使眾多用戶能夠合理而方便地共享通信資源，有效地實(shí)現(xiàn)通信，需要有某種機(jī)制來決定資源的使用權(quán)，這就是多址接入控制技術(shù)。5.4 多址接入技術(shù) 多址方式的基本類型包括頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）。 5.4.1 頻分多址 1FDMA原理 頻分多址：FDMA（Frequency Division Multiple Access）是將給定的頻帶劃分為若干個(gè)等間隔的頻道（或信道），并將這些頻道分配給不同的用戶使用。 圖5.16 頻分多址采用FDMA存在的問題：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中

24、的實(shí)際用戶數(shù)少于已經(jīng)劃分的頻道數(shù)時(shí)，寶貴的頻率資源就白白浪費(fèi)了；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的頻段已經(jīng)分配完畢，即使這時(shí)已經(jīng)分配到頻道的用戶沒有進(jìn)行通信，其他用戶也不能夠占用其頻道資源，從而導(dǎo)致一些用戶由于無法獲得信道資源而無法進(jìn)行通信。保護(hù)頻帶的作用：防止同一用戶的發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。做法：當(dāng)基站的發(fā)射機(jī)在高頻段的某一頻道中工作時(shí)，其接收機(jī)必須在低頻段的某一頻道中工作；與之對(duì)應(yīng)，移動(dòng)用戶的接收機(jī)要在高頻段相應(yīng)的頻道中接收來自基站的信號(hào)，而其發(fā)射機(jī)則要通過低頻段相應(yīng)的頻道向基站發(fā)送信號(hào)。圖5.17 雙工通信方式下頻分多址示意圖 在FDMA系統(tǒng)中，收發(fā)頻段是分開的。由于所有移動(dòng)臺(tái)均使用相同的接收和發(fā)送頻段，因而

25、移動(dòng)臺(tái)到移動(dòng)臺(tái)之間不能直接通信，而必須經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)接。FDMA系統(tǒng)原理圖1）每信道占用一個(gè)載頻，相鄰載頻之間的間隔應(yīng)滿足傳輸信號(hào)帶寬的要求。2）符號(hào)時(shí)間遠(yuǎn)大于平均延遲擴(kuò)展。3）基站復(fù)雜龐大，重復(fù)設(shè)置收發(fā)信設(shè)備。基站有多少信道，就需要多少部收發(fā)信機(jī)，同時(shí)需用天線共用器，功率損耗大，易產(chǎn)生信道間的互調(diào)干擾。2. FDMA的特點(diǎn)：4）FDMA系統(tǒng)的接收設(shè)備中必須使用帶通濾波器允許指定信道里的信號(hào)通過，濾除其他頻率的信號(hào)，從而限制鄰近信道間的相互干擾。5）越區(qū)切換較為復(fù)雜和困難。5.4.2 時(shí)分多址 1. TDMA原理 時(shí)分多址：TDMA（Time Division Multiple Access）是

26、一種典型的固定多址接入?yún)f(xié)議。它把時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，幀與幀（或時(shí)隙與時(shí)隙）之間互不重疊。然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)用戶只能在指定的時(shí)隙內(nèi)向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站能夠分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而不混擾。 圖5.18 TDMA時(shí)隙分配 圖5.18給出了時(shí)分復(fù)用幀時(shí)隙分配的示意圖，由圖可見，多個(gè)用戶共享相同的頻帶資源，TDMA幀以相同的結(jié)構(gòu)沿著時(shí)間軸上不斷重復(fù)。圖5.19 TDMA系統(tǒng)工作原理 TDMA（時(shí)分多址）應(yīng)用在數(shù)字蜂窩電話系統(tǒng)通信中。例如，應(yīng)用在北美數(shù)字式先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)（D-AMPS），全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）和個(gè)人數(shù)字

27、蜂窩系統(tǒng)（PDC）中。它將每個(gè)蜂窩信道劃分為三個(gè)時(shí)隙，這樣就可以增加信道上負(fù)載數(shù)據(jù)的總量。2. TDMA的幀結(jié)構(gòu) 不同系統(tǒng)的幀長度和幀結(jié)構(gòu)是不一樣的，典型的幀長在幾毫秒到幾十毫秒之間。例如：GSM系統(tǒng)的幀長為4.6 ms(每幀8個(gè)時(shí)隙) 。幀結(jié)構(gòu)與通信系統(tǒng)的雙工方式有關(guān)。移動(dòng)通信系統(tǒng)的雙工方式有頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）和時(shí)分雙工（Time Division Duplex，TDD）之分。 頻分雙工是指基站（或移動(dòng)臺(tái)）的收發(fā)設(shè)備工作在兩個(gè)不同的頻率上，并且這兩個(gè)頻率之間要有足夠的保護(hù)間隔。 圖5.20 頻分雙工的幀結(jié)構(gòu) 時(shí)分雙工是基站（移動(dòng)臺(tái)）的收發(fā)設(shè)

28、備工作在相同的頻率上。通常將幀的時(shí)隙分成兩部分，前一半的時(shí)隙用于基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送，另一半的時(shí)隙用于移動(dòng)臺(tái)向基站發(fā)送，如此交替轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖5.21 時(shí)分雙工的幀結(jié)構(gòu) 在TDMA系統(tǒng)中，每幀中的時(shí)隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常要考慮三個(gè)問題：一是控制和信令信息的傳輸；二是多徑衰落信道的影響；三是系統(tǒng)的同步。圖4.22 TDMA系統(tǒng)的時(shí)隙結(jié)構(gòu) 圖5.22給出了一種時(shí)隙結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到，為了防止不同時(shí)隙的信號(hào)由于時(shí)延不同而與相鄰時(shí)隙的信號(hào)發(fā)生混疊，通常在時(shí)隙末尾（或開頭）設(shè)置一定的保護(hù)時(shí)間。該保護(hù)時(shí)間對(duì)上行傳輸?shù)臅r(shí)隙是不可缺少的，保護(hù)時(shí)間的大小可以根據(jù)最大通信距離估算，在保護(hù)時(shí)間內(nèi)不發(fā)送信息

29、。 TDMA系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)。 基站復(fù)雜性減小。 TDMA系統(tǒng)不存在頻率分配問題，對(duì)時(shí)隙的管理和分配通常要比對(duì)頻率的管理和分配更簡單、更經(jīng)濟(jì)。3.TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn) 因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)只在指定的時(shí)隙中接收基站發(fā)給它的信息，因此在一幀的其他時(shí)隙中，可以測(cè)量其他基站發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度，或檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送的廣播信息和控制信息，這對(duì)于加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的控制功能和保證移動(dòng)臺(tái)的越區(qū)切換都是有利的。 TDMA系統(tǒng)必須有精確的定時(shí)和同步。 發(fā)射信號(hào)速率隨N的增大而提高，如果達(dá)到100kbit/s以上，碼間串?dāng)_就將加大，必須采用自適應(yīng)均衡，以補(bǔ)償傳輸失真。 抗干擾能力強(qiáng)，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大。例5.2 假

30、定某個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)前向信道帶寬為50MHz的TDMA/FDD系統(tǒng)，并且將50MHz分為若干個(gè)200kHz的無線信道。當(dāng)一個(gè)無線信道支持16個(gè)語音信道，并且假設(shè)沒有保護(hù)頻隙時(shí)，試求出該系統(tǒng)所能同時(shí)支持的用戶數(shù)。 解：在GSM中包含的同時(shí)用戶數(shù)N為： N=（50000kHz/200kHz）16=4000 因此，該系統(tǒng)能同時(shí)支持4000個(gè)用戶。 1碼分多址的原理 碼分多址：CDMA（Code Division Multiple Access）是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。5.4.3 碼分多址 在CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號(hào)不是靠頻率不同或時(shí)隙不同來區(qū)分，而

31、是用各自不同的碼字來區(qū)分，或者說是靠信號(hào)的不同波形來區(qū)分。 在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中，用戶之間的信息傳輸也是由基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸各使用一個(gè)頻率，即通常所說的頻分雙工。 CDMA是一種擴(kuò)頻多址數(shù)字式通信技術(shù)，通過獨(dú)特的代碼序列建立信道，可用于二代和三代無線通信中。此外，CDMA還是一種多路方式，多路信號(hào)只占用一條信道，極大地提高了帶寬使用率，可應(yīng)用于800MHz和1.9GHz的超高頻（UHF）移動(dòng)電話系統(tǒng)。圖5.23 碼分多址2.CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的多址干擾與功率控制CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾分為兩種情況： 一是基站在接收某一特定移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)時(shí)，會(huì)受到本

32、蜂窩以及鄰近蜂窩其他移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)的干擾。（圖5.24(a)） 二是移動(dòng)臺(tái)在接收所屬基站發(fā)送信號(hào)時(shí)，會(huì)受到鄰近小區(qū)基站發(fā)給其他移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)的干擾；（圖5.24(b)） CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址干擾都屬于通信系統(tǒng)本身存在的內(nèi)部干擾。在各種干擾中，對(duì)蜂窩系統(tǒng)的容量起主要制約作用的是系統(tǒng)本身存在的自身干擾。圖5.24 CDMA蜂窩系統(tǒng)的多址干擾 功率控制需要遵循的原則：當(dāng)信道的傳播條件突然改善時(shí)，功率控制應(yīng)做出快速反應(yīng)（如幾微秒），以防止信號(hào)突然增強(qiáng)而對(duì)其他用戶產(chǎn)生附加干擾；反之，當(dāng)傳播條件突然惡化時(shí)，功率調(diào)整的速度可以相對(duì)慢一些。 在CDMA通信系統(tǒng)中，由于許多電臺(tái)共用一個(gè)頻率發(fā)送信號(hào)或接收

33、信號(hào)，近地強(qiáng)信號(hào)會(huì)壓制遠(yuǎn)地弱信號(hào)，這一現(xiàn)象稱為“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。遠(yuǎn)近效應(yīng)是一個(gè)非常突出的問題，主要發(fā)生在反向傳輸鏈路上。 克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的方法：根據(jù)通信距離的不同，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射機(jī)的輻射功率，即功率控制。 反向功率控制 反向功率控制也稱上行鏈路功率控制。 主要目的是實(shí)時(shí)調(diào)整各移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，使處于小區(qū)中任一位置的移動(dòng)臺(tái)，其信號(hào)在到達(dá)基站的接收機(jī)時(shí)，具有相同的電平，而且恰好達(dá)到信干比門限要求。 正向功率控制 正向功率控制也稱下行鏈路功率控制。 目的是調(diào)整基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的功率，使處于小區(qū)中任一位置的移動(dòng)臺(tái)，其接收到的基站信號(hào)電平都恰好達(dá)到信干比門限要求。 5.4.4 空分多址 空分多址：SDMA

34、（Space Division Multiple Access）通過空間的分割對(duì)不同的用戶進(jìn)行區(qū)分。 移動(dòng)通信中，能實(shí)現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線，在不同的用戶方向上形成不同的波束。圖5.25 SDMA示意圖5.5 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量分析 系統(tǒng)容量用每個(gè)小區(qū)的可用信道數(shù)（ch/cell）即每小區(qū)允許同時(shí)工作的用戶數(shù)（用戶數(shù)/cell）來度量。此數(shù)值越大，系統(tǒng)的通信容量也越大。 此外，還可以用每個(gè)小區(qū)的愛爾蘭數(shù)（erl/cell）、每平方公里的用戶數(shù)（用戶數(shù)/km2），或每平方公里小時(shí)的通話次數(shù)（通話次數(shù)/h/km2）等進(jìn)行度量。 蜂窩系統(tǒng)的無線容量可定義為 (5.6) 式中，

35、mc 是無限容量大??；Bt 是分配給系統(tǒng)的總頻譜寬度；Bc 是信道帶寬；N是區(qū)群中的小區(qū)數(shù)。 蜂窩通信系統(tǒng)由若干個(gè)小區(qū)（Cell）構(gòu)成。 在蜂窩通信系統(tǒng)中，使用同一組頻率的小區(qū)稱為共道（或同道）小區(qū)，共道小區(qū)之間存在的相同頻率上的相互干擾稱為共道（或同道）干擾。區(qū)群的小區(qū)數(shù)越小，相鄰區(qū)群的地理位置靠的越近，共道干擾就越強(qiáng)，這說明共道干擾是限制區(qū)群中小區(qū)個(gè)數(shù)的重要約束條件。 圖5.26 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的共道小區(qū)分布 當(dāng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)每個(gè)區(qū)群含7個(gè)小區(qū)，各基站均用全向天線時(shí)，其共道小區(qū)的分布如圖5.26所示。 令小區(qū)半徑為r，兩個(gè)相鄰共道小區(qū)之間的距離為D，為了將共道干擾控制在允許的數(shù)值范圍內(nèi)而需要的D/r值

36、稱為共道干擾抑制因子（或共道再用因子），用 表示，即（5.7）根據(jù)圖5.26，可得載干比的表達(dá)式 (5.8) 其中，C是信號(hào)的載波功率，n是環(huán)境噪聲功率（這里可忽略不計(jì)），Ii是來自第i個(gè)通道小區(qū)的干擾功率。 圖5.27 共道干擾示意圖共道干擾分兩種情況：一種是基站受到的來自共道小區(qū)移動(dòng)臺(tái)的干擾；二是移動(dòng)臺(tái)受到來自共道小區(qū)基站的干擾。5.5.1 FDMA和TDMA蜂窩系統(tǒng)容量 對(duì)于模擬FDMA系統(tǒng)來說，如果采用頻分復(fù)用的小區(qū)數(shù)為N，根據(jù)對(duì)同頻干擾和系統(tǒng)容量的討論可知，對(duì)于小區(qū)制蜂窩網(wǎng) (5.9)式中，C是載波信號(hào)功率；I是干擾信號(hào)功率。由此可求得FDMA的無線容量如下 信道/小區(qū) (5.10)

37、 對(duì)于數(shù)字TDMA系統(tǒng)來說，由于數(shù)字信道所要求的載干比可以比模擬制的小4-5倍（因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)有糾錯(cuò)措施），因而頻率復(fù)用距離可以再近一些。所以可以采用比7小的區(qū)群，例如一個(gè)區(qū)群內(nèi)含3個(gè)小區(qū)的區(qū)群。則可求得TDMA的無線容量如下： 信道/小區(qū) (5.11) 式中， 為等效帶寬。若設(shè)載波間隔為Bc，每載波共有K個(gè)時(shí)隙，則等效帶寬為 (5.12) 在現(xiàn)代數(shù)字TDMA通信系統(tǒng)中十分注意采用先進(jìn)的技術(shù)措施，以提高系統(tǒng)的通信容量。其中最基本也是最有效的辦法是采用先進(jìn)的語音編碼技術(shù)，這種編碼技術(shù)不僅要降低語音編碼的數(shù)據(jù)速率，而且要有效地進(jìn)行差錯(cuò)防護(hù)。 5.5.2 CDMA蜂窩系統(tǒng)容量 CDMA系統(tǒng)的容量是干擾

38、受限的，而FDMA和TDMA系統(tǒng)的容量是帶寬受限的。因此，干擾的減少將導(dǎo)致CDMA容量的增加。這使得CDMA系統(tǒng)容量的計(jì)算比模擬FDMA系統(tǒng)和數(shù)字TDMA系統(tǒng)要復(fù)雜得多。不考慮蜂窩系統(tǒng)的特點(diǎn)，只考慮一般擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，接收信號(hào)的載干比是有用信號(hào)的功率與干擾功率的比值，可以寫成（5.13） 決定CDMA蜂窩系統(tǒng)容量的主要參數(shù)是：處理增益、Eb/N0、語音負(fù)載周期、頻率復(fù)用效率以及基站天線扇區(qū)數(shù)。 若N個(gè)用戶共用一個(gè)無線頻道，顯然，每一個(gè)用戶的信號(hào)會(huì)受到其余N-1個(gè)用戶信號(hào)的干擾。 假設(shè)到達(dá)某一接收機(jī)的有用信號(hào)強(qiáng)度與各個(gè)干擾強(qiáng)度相同，則載干比為（5.14）或（5.15）(5.16) 結(jié)果說明，在誤比

39、特率一定的條件下，所需歸一化信干比Eb/I0越小，系統(tǒng)可以同時(shí)容納的用戶數(shù)越多。 以上討論使用的假設(shè)條件是對(duì)單小區(qū)系統(tǒng)（沒有鄰近小區(qū)的干擾）而言，是指正向傳輸時(shí)，如果基站向各個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的信號(hào)不進(jìn)行任何功率控制，移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)接收到的信號(hào)和干擾就會(huì)滿足這樣的條件。 實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)CDMA蜂窩通信系統(tǒng)的特征對(duì)以上得到的公式逐步進(jìn)行修正。 令G為扇區(qū)數(shù)，CDMA系統(tǒng)的容量公式可被修正為 (5.17) CDMA小區(qū)扇化有很好的容量擴(kuò)充作用。利用120扇形覆蓋的定向天線把一個(gè)蜂窩小區(qū)劃分成三個(gè)扇區(qū)時(shí)，處于每個(gè)扇區(qū)中的移動(dòng)用戶是該蜂窩的三分之一，相應(yīng)的各用戶之間的多址干擾分量也就減少為原來的三分之一，從而

40、系統(tǒng)的容量將增加約3倍。 5.6 系統(tǒng)移動(dòng)性管理 當(dāng)某個(gè)移動(dòng)用戶在隨機(jī)接入信道上呼叫另一個(gè)移動(dòng)用戶或某個(gè)固定網(wǎng)用戶時(shí)，或者某個(gè)固定網(wǎng)用戶呼叫移動(dòng)用戶時(shí)，PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）就開始了一系列操作。 當(dāng)移動(dòng)用戶從一個(gè)位置區(qū)漫游到另一個(gè)位置區(qū)時(shí)，也將引起網(wǎng)絡(luò)各個(gè)功能單元的一系列操作。 5.6.1 位置登記 位置登記又稱注冊(cè)，指的是通信網(wǎng)為了跟蹤移動(dòng)臺(tái)的位置變化而對(duì)其位置信息進(jìn)行登記、刪除和更新的過程。 位置信息存儲(chǔ)在歸屬位置寄存器(HLR)和訪問位置寄存器(VLR)中。GSM蜂窩通信系統(tǒng)把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域劃分為許多位置區(qū)，并以不同的位置區(qū)

41、標(biāo)志進(jìn)行區(qū)別。如圖5.28中的LA1，LA2，LA3，。圖5.28 位置區(qū)劃分示意圖 系統(tǒng)中某個(gè)移動(dòng)用戶首次入網(wǎng)時(shí)，必須通過移動(dòng)交換中心(MSC)在相應(yīng)的歸屬位置寄存器(HLR)中登記注冊(cè)，把與其有關(guān)的參數(shù)(如移動(dòng)用戶識(shí)別碼、移動(dòng)臺(tái)編號(hào)及業(yè)務(wù)類型等)全部存放在這個(gè)位置寄存器中。圖5.29 位置登記過程舉例5.6.2 越區(qū)切換 越區(qū)切換（Handover或Handoff）是指將當(dāng)前正在進(jìn)行的移動(dòng)臺(tái)與基站之間的通信鏈路從當(dāng)前基站轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基站的過程。 該過程也稱為自動(dòng)鏈路轉(zhuǎn)移（Automatic Link Transfer，ALT）。 越區(qū)切換分為硬切換和軟切換兩類： 硬切換是指在新的連接建立以前