五章GSM系統(tǒng)中的工程學(xué)

1、五章GSM系統(tǒng)中的工程學(xué)五章GSM系統(tǒng)中的工程學(xué)一、概述目的：將一個GSM蜂窩網(wǎng)在覆蓋面積和話務(wù)量的限制下組織得比較合理。移動通信2電子工程系李明一、概述移動通信4電子工程系李明組網(wǎng)時的問題：采用什么技術(shù)來提高共享資源的利用率？如何劃分蜂窩小區(qū)？小區(qū)內(nèi)的基站數(shù)量？互連互通性？如何保證移動臺的巡游？采用哪種信令系統(tǒng)？etc.移動通信3電子工程系李明組網(wǎng)時的問題：移動通信5電子工程系李明信令鏈路話音鏈路PSTN圖規(guī)范定義的GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)移動通信4電子工程系李明信令鏈路話音鏈路PSTN圖規(guī)范定義的GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)移二、幾個基本概念.通信中的話務(wù)量和呼損率話務(wù)量(traffic)：衡量話音通信中業(yè)務(wù)量大

2、小的指標(biāo)。分為流入話務(wù)量和完成話務(wù)量。流入話務(wù)量A：取決于單位時間(1小時)內(nèi)平均發(fā)生的呼叫次數(shù)和每次呼叫的平均占用信道時間S。移動通信5電子工程系李明二、幾個基本概念移動通信7電子工程系李明注意事項(xiàng)：在只有一臺機(jī)器時，以Erlang表示的話務(wù)量也是它被占用的概率，不可能超過1如果有一組L臺機(jī)器，每臺機(jī)器的話務(wù)量都是一樣的，那么總的話務(wù)量是它們的總和，不可能超過L移動通信6電子工程系李明注意事項(xiàng)：移動通信8電子工程系李明例題1：10000個用戶連接在同一臺程控交換機(jī)上。每個用戶有0.1Erlang的話務(wù)量。呼叫持續(xù)3分鐘。請問，在這個程控交換機(jī)上每小時有多少次呼叫？移動通信7電子工程系李明例題

3、1：10000個用戶連接在同一臺程控交換機(jī)上。每個用戶有移動通信8電子工程系李明移動通信10電子工程系李明完成話務(wù)量：假設(shè)單位時間內(nèi)成功的呼叫次數(shù)為0，完成的話務(wù)量為A0= 0 S。損失話務(wù)量：流入話務(wù)量A與完成話務(wù)量A0之差。呼損比：損失話務(wù)量占流入話務(wù)量的比率，又被稱為通信網(wǎng)的服務(wù)等級。移動通信9電子工程系李明完成話務(wù)量：假設(shè)單位時間內(nèi)成功的呼叫次數(shù)為0，完成的話務(wù)量.完成話務(wù)量的性質(zhì)與計(jì)算在T小時內(nèi)，全網(wǎng)共完成C1次通話，那么完成話務(wù)量為假設(shè)總的信道數(shù)為n，在時間T內(nèi)有i(in)個信道被同時占用的時間為ti(tT)，可以得到移動通信10電子工程系李明.完成話務(wù)量的性質(zhì)與計(jì)算移動通信12電

4、子工程系李明ti/T表示的是在n個信道中，有i個信道同時被占用的概率，用Pi表示，有完成話務(wù)量表示了通信網(wǎng)的繁忙程度。移動通信11電子工程系李明ti/T表示的是在n個信道中，有i個信道同時被占用的概率，用.呼損率的計(jì)算Erlang呼損公式(Erlang B)信道利用率：表示每小時每個信道的完成話務(wù)量，即移動通信12電子工程系李明.呼損率的計(jì)算移動通信14電子工程系李明.用戶忙時的話務(wù)量與用戶數(shù)集中系數(shù)k：最忙1小時內(nèi)的話務(wù)量與全天話務(wù)量之比，k的值一般在10%15%之間。移動通信13電子工程系李明.用戶忙時的話務(wù)量與用戶數(shù)移動通信15電子工程系李明假設(shè)通信網(wǎng)中每個用戶每天平均呼叫次數(shù)為C(次/

5、天)，每次呼叫的平均占用信道時間為T(秒/次)，集中系數(shù)為k，那么每個用戶的忙時話務(wù)量為每個信道所能容納的用戶數(shù)為移動通信14電子工程系李明假設(shè)通信網(wǎng)中每個用戶每天平均呼叫次數(shù)為C(次/天)，每次呼叫三、多址接入技術(shù)(Multiple Access)共享傳播介質(zhì)時，在保證通信質(zhì)量的前提下，如何使多用戶能夠進(jìn)行通信的技術(shù)，就是多址接入技術(shù)。常用的有：CSMA、CDMA、FDMA、TDMA、OFDMA等移動通信15電子工程系李明三、多址接入技術(shù)(Multiple Access)移動通信1頻分多址FDMA將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道信道，使不同的用戶在同一時間內(nèi)可以進(jìn)行通信的技術(shù)。頻分雙

6、工FDD：接收頻率f和發(fā)送頻率F不同，保證接收和發(fā)送可以同時進(jìn)行的技術(shù)。FDMA: Frequency Division Multiple AccessFDD: Frequency Division Duplex移動通信16電子工程系李明頻分多址FDMA移動通信18電子工程系李明圖FDMA示意圖移動通信17電子工程系李明圖FDMA示意圖移動通信19電子工程系李明時分多址TDMA將時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，使得多個用戶可以在同一頻率進(jìn)行通信。時分雙工TDD：允許上下行幀可以工作在相同的頻率上的技術(shù)。TDMA: Time Division Multiple AccessTDD

7、: Time Division Duplex移動通信18電子工程系李明時分多址TDMA移動通信20電子工程系李明圖TDMA示意圖移動通信19電子工程系李明圖TDMA示意圖移動通信21電子工程系李明在GSM中，每個載頻被分割成時隙(slot)。每個時隙為在時隙中傳輸?shù)男畔⒈环Q為突發(fā)(burst)。同一個載頻上，個時隙組成一個TDMA幀，移動通信20電子工程系李明在GSM中，移動通信22電子工程系李明.TDMA系統(tǒng)中，時隙設(shè)計(jì)需考慮的問題控制和信令信息的傳輸多徑傳播的影響系統(tǒng)的同步移動通信21電子工程系李明.TDMA系統(tǒng)中，時隙設(shè)計(jì)需考慮的問題移動通信23電子工程.應(yīng)采取的措施在每個時隙中，專門劃

8、出部分比特用于控制和信令信息的傳輸在時隙中插入自適應(yīng)均衡器所需的訓(xùn)練序列，來克服多徑傳播引起的碼間干擾在上行鏈路的每個時隙中預(yù)留一定的保護(hù)間隔，防止兩個連續(xù)的時隙出現(xiàn)重疊在每個時隙中插入傳輸同步序列移動通信22電子工程系李明.應(yīng)采取的措施移動通信24電子工程系李明三、傳播模式信號畸變的結(jié)果：頻率上(多普勒效應(yīng))幅度上(瑞利衰落或多徑傳播衰落)相位上(多徑傳播帶來的時間上的延遲)移動通信23電子工程系李明三、傳播模式移動通信25電子工程系李明通常考慮的幾個方面.路徑傳播損耗又叫Path Loss，和工作頻率以及傳播距離有關(guān)：L代表路徑傳播損耗，d代表收發(fā)端距離，f 代表無線電頻率，c代表光速；移

9、動通信24電子工程系李明通?？紤]的幾個方面移動通信26電子工程系李明或者，考慮線性衰減的情況下式中，Gain為信道的增益；為一常數(shù)，取值界于2和3.5之間(2對應(yīng)著無線電在自由空間的傳播)；k為一常數(shù)，根據(jù)不同的工作環(huán)境而取不同的值(比如說，當(dāng)k=1/5時，面積為1平方公里的蜂窩小區(qū)邊界的接收功率為-90 dB)。移動通信25電子工程系李明或者，考慮線性衰減的情況下移動通信27電子工程系李明.陰影效應(yīng)造成的慢衰落損耗由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的障礙物帶來的影響。視距傳播(Line Of Sight)：在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的直射途徑中沒有障礙物的存在非視距傳播(Non Line Of Sight)：在發(fā)

10、射機(jī)和接收機(jī)的直射途徑中有障礙物的存在移動通信26電子工程系李明.陰影效應(yīng)造成的慢衰落損耗移動通信28電子工程系李明.樹木帶來的損耗移動通信27電子工程系李明.樹木帶來的損耗移動通信29電子工程系李明.快衰落損耗主要是多徑傳播引起的。多徑傳播擴(kuò)展時延的計(jì)算：其中， 的單位是米，c代表光速。移動通信28電子工程系李明.快衰落損耗移動通信30電子工程系李明 宏蜂窩模式主要存在Hata和COST231-Hata(european Cooperation in the field of Scientific and Technical research)兩種模式。適用于蜂窩半徑1km或以上的蜂窩系統(tǒng)。

11、移動通信29電子工程系李明 宏蜂窩模式移動通信31電子工程系李明應(yīng)用的前提條件為：基站天線hb高度在30200米(含)之間移動臺天線hm高度在110米(含)之間移動臺和基站間的距離在120公里之間頻率的單位為MHz移動通信30電子工程系李明應(yīng)用的前提條件為：移動通信32電子工程系李明.Hata模式該模式適用于頻段1501000MHz(含)之間。在城市中，用dB表示的慢衰落Lc為:其中，移動通信31電子工程系李明.Hata模式移動通信33電子工程系李明對于中等城市來說，對于大城市來說，當(dāng)移動臺天線的高度小于(含)1.5米時，該修正指數(shù)可以忽略不計(jì)。移動通信32電子工程系李明對于中等城市來說，移動

12、通信34電子工程系李明對于小城市來說，對于農(nóng)村來說，可以視為沙漠(衰落記為Lro)或半沙漠地帶(衰落記為Lrqo)移動通信33電子工程系李明對于小城市來說，移動通信35電子工程系李明.COST 231-Hata模型使用的頻率范圍在15002000MHz(含)之間。在城市中，用dB表示的慢衰落Lc為：其中，對于中等城市來說對于中等城市和郊區(qū)Cm=0dB對于大城市Cm=3dB。移動通信34電子工程系李明.COST 231-Hata模型移動通信36電子工程系李在該模式下，對于農(nóng)村的處理和Hata模式一樣。移動通信35電子工程系李明在該模式下，對于農(nóng)村的處理和Hata模式一樣。移動通信37電133.1

13、+33.8lgd102.0+31.8lgd97.0+31.8lgd在1795 MHz頻率上的慢衰落123.6+33.8lgd95.9+31.8lgd90.9+31.8lgd在925 MHz頻率上的慢衰落50100100基站天線高度城市(中等)半遮擋的農(nóng)村無遮擋的農(nóng)村工作環(huán)境表與距離有關(guān)的慢衰落移動通信36電子工程系李明在1795 MHz頻率上的慢衰落在925 MHz頻率上的慢衰微蜂窩模式城市中，當(dāng)基站天線位于屋頂之下，并且發(fā)射功率比較弱時，被覆蓋的范圍可被視為“微蜂窩”。在視距傳播時，慢衰落可視為：該式適用于頻率在8002000MHz之間，移動臺天線高度在13米之間，基站天線高度在450米之間

14、時。當(dāng)移動臺位于街道另一端時，可以考慮再加上20dB的衰減。移動通信37電子工程系李明微蜂窩模式移動通信39電子工程系李明四、資源復(fù)用蜂窩小區(qū)：指的是在移動通信中，被一個天線覆蓋的地理范圍。移動通信38電子工程系李明四、資源復(fù)用移動通信40電子工程系李明典型的六邊型模式區(qū)群(motif)：包含了一組信道的、最小的蜂窩小區(qū)群。規(guī)范中建議：在一個蜂窩群，信道(同一頻率)僅僅只能出現(xiàn)一次(但是實(shí)際應(yīng)用中，一個小區(qū)中可以有數(shù)個頻率)。頻率再用距離：兩個使用同一頻率的發(fā)射機(jī)間的最小距離。移動通信39電子工程系李明典型的六邊型模式移動通信41電子工程系李明組成區(qū)群的條件：區(qū)群之間可以鄰接，且無空隙無重疊地

15、進(jìn)行覆蓋鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。移動通信40電子工程系李明組成區(qū)群的條件：移動通信42電子工程系李明圖N=4的區(qū)群111111111112222224444444444333333移動通信41電子工程系李明圖N=4的區(qū)群1111111111122222244載干比：C/(I+N)C：收到的信號功率I：同頻干擾和鄰頻干擾N：接收機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲載干比門限值越小，頻率再用距離就越小，區(qū)群就越小。移動通信42電子工程系李明載干比：C/(I+N)移動通信44電子工程系李明.規(guī)則的區(qū)群區(qū)群的大小N=i2+ij+j2其中，i和j為自然數(shù)或0。移動通信43電子工程系李明.規(guī)則的

16、區(qū)群移動通信45電子工程系李明表區(qū)群內(nèi)小區(qū)數(shù)N的取值移動通信44電子工程系李明表區(qū)群內(nèi)小區(qū)數(shù)N的取值移動通信46電子工程系李明同頻小區(qū)的再用距離：式中，N為區(qū)群中的小區(qū)數(shù)，R為小區(qū)的外接圓半徑。移動通信45電子工程系李明同頻小區(qū)的再用距離：移動通信47電子工程系李明11111111111圖再用距離DR移動通信46電子工程系李明11111111111圖再用距離DR移動通信48電子相對于一個蜂窩小區(qū)來說，和它使用同頻的蜂窩小區(qū)的中心都位于一個同心圓上。移動通信47電子工程系李明相對于一個蜂窩小區(qū)來說，和它使用同頻的蜂窩小區(qū)的中心都位于一常見的區(qū)群一般包含3、4、7、9、12、21、27個小區(qū)。在不

17、規(guī)則區(qū)群中，再用距離不會比規(guī)則區(qū)群更大。移動通信48電子工程系李明常見的區(qū)群一般包含3、4、7、9、12、21、27個小區(qū)。移.受噪聲限制的系統(tǒng)當(dāng)一個地區(qū)只需要很少的資源時，運(yùn)營商可以在整個區(qū)域只使用一個蜂窩小區(qū)。這時，同頻干擾和鄰頻干擾遠(yuǎn)小于系統(tǒng)噪聲IN，這種系統(tǒng)即為受噪聲限制的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的同頻再用距離非常大，通常被使用在人口稀少的農(nóng)村。移動通信49電子工程系李明.受噪聲限制的系統(tǒng)移動通信51電子工程系李明.受干擾限制的系統(tǒng)在最大限度地再用資源時，同頻干擾將遠(yuǎn)大于其他的影響NI，這種系統(tǒng)被稱為受干擾限制的系統(tǒng)。Bi為在移動臺接收頻率上發(fā)射的所有基站，Ik是來自于第一個同心圓上的第k個蜂窩

18、小區(qū)的干擾。移動通信50電子工程系李明.受干擾限制的系統(tǒng)移動通信52電子工程系李明典型模式的研究.TDMA/FDMA系統(tǒng)大多數(shù)的系統(tǒng)均為TDMA/FDMA，網(wǎng)絡(luò)的布置一般是根據(jù)基站的頻率來進(jìn)行的。移動通信51電子工程系李明典型模式的研究移動通信53電子工程系李明.使用定向天線在GSM中，每個天線覆蓋一個蜂窩小區(qū)。每個基站收發(fā)器BTS (Base Transceiver Station)采用三副120扇形輻射的定向天線。這三副天線在邏輯上由同一個BSC管理，它們使用不同的頻率。移動通信52電子工程系李明.使用定向天線移動通信54電子工程系李明圖GSM中4/12的區(qū)群GSM中常見的最小區(qū)群移動通信

19、53電子工程系李明圖GSM中4/12的區(qū)群GSM中常見的最小區(qū)群移動通.考慮陰影效應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)允許5%10%的手機(jī)的接收電平低于系統(tǒng)規(guī)定的門限值。GSM規(guī)范中規(guī)定保證正常運(yùn)作的C/I值為9dB。最小的區(qū)群所含小區(qū)數(shù)等于9。移動通信54電子工程系李明.考慮陰影效應(yīng)移動通信56電子工程系李明圖C/I值和區(qū)群大小的關(guān)系xP(C/Ix dB)假設(shè)陰影效應(yīng)帶來的衰減為7 dB和取值3.5移動通信55電子工程系李明圖C/I值和區(qū)群大小的關(guān)系xP(C/IC1在f1上，C/Ia1=C1/C2 -9 dB圖ACS的示意圖移動通信61電子工程系李明C1C2ABf1f2f1和f2為相鄰頻道：圖ACS的一般來說，在同一

20、個基站收發(fā)信機(jī)上的不同頻率間應(yīng)該有至少600kHz的間隔；并且避免在兩個相鄰的基站收發(fā)機(jī)上使用兩個相鄰頻道。移動通信62電子工程系李明一般來說，在同一個基站收發(fā)信機(jī)上的不同頻率間應(yīng)該有至少600.其他應(yīng)該考慮的因素區(qū)域中的人口密度、居民購買手機(jī)的欲望、通話高峰期、通話高峰的地點(diǎn)等移動通信63電子工程系李明.其他應(yīng)該考慮的因素移動通信65電子工程系李明五、影響系統(tǒng)容量的因素跳頻目的：對抗選擇性衰落和使干擾盡量平均出現(xiàn)在所有的載頻上，而不是在某些載頻的電平非常高后果：在基站必須布置更多的頻道移動通信64電子工程系李明五、影響系統(tǒng)容量的因素移動通信66電子工程系李明功率控制目的：在保證一定的通話質(zhì)量

21、前提下，減少同頻干擾和延長移動臺的續(xù)航時間后果：降低了發(fā)射能量功率控制是由基站控制器BSC (Base Station Control)完成的。移動通信65電子工程系李明功率控制移動通信67電子工程系李明間斷發(fā)射(DTX)每條話務(wù)信道的使用率平均約為40%。目的：在無線信道上降低發(fā)射能量，降低資源消耗和因發(fā)射而產(chǎn)生的干擾后果：在講話停頓時，可能會帶來可聞干擾移動通信66電子工程系李明間斷發(fā)射(DTX)移動通信68電子工程系李明六、GSM網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容內(nèi)在容量的增加系統(tǒng)的內(nèi)在容量：指的是在分配的頻段上，每個蜂窩小區(qū)能夠承載的Erlang數(shù)(話務(wù)量)。系統(tǒng)的內(nèi)在容量與蜂窩小區(qū)的大小無關(guān)，它與使用的區(qū)群

22、大小有關(guān)。移動通信67電子工程系李明六、GSM網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容移動通信69電子工程系李明.非整數(shù)區(qū)群要增加系統(tǒng)的內(nèi)在容量，應(yīng)該將區(qū)群數(shù)減小，采用不規(guī)則的區(qū)群，不同的區(qū)群中應(yīng)用不同數(shù)量的頻率。移動通信68電子工程系李明.非整數(shù)區(qū)群移動通信70電子工程系李明圖非整數(shù)區(qū)群示意圖區(qū)群為3區(qū)群為12區(qū)群為9區(qū)群=(12+3+9)/3=87.5(實(shí)際應(yīng)用中)移動通信69電子工程系李明圖非整數(shù)區(qū)群示意圖區(qū)群為3區(qū)群為12區(qū)群為9區(qū)群=案例分析：運(yùn)營商甲，有29.6MHz的頻段，48個雙工作業(yè)的載波，分布在規(guī)則的六邊形網(wǎng)絡(luò)中。采用的區(qū)群數(shù)為12 (4/12)，32個物理信道中，配置了29個TCH信道。假設(shè)每個蜂窩小

23、區(qū)的呼損率為2%，經(jīng)過計(jì)算得出總話務(wù)量是21Erlang。系統(tǒng)的內(nèi)在容量為21/(2 9.6)=1.1Erlang/MHz。移動通信70電子工程系李明案例分析：移動通信72電子工程系李明若：運(yùn)營商甲在每個蜂窩小區(qū)設(shè)置了(48/7.5) 6個頻率，即45個TCH信道，話務(wù)量為35.6Erlang。相對區(qū)群數(shù)為12的系統(tǒng)，容量增加了(35.6-21)/2170%。移動通信71電子工程系李明若：移動通信73電子工程系李明.綜合式跳頻暫時性負(fù)荷的系統(tǒng)假設(shè)不增加蜂窩小區(qū)的負(fù)荷提高系統(tǒng)容量=每個頻率被占用的概率減小=增加每個蜂窩小區(qū)中的頻率數(shù)不超過門限值?=通話質(zhì)量尚可以接受=提高系統(tǒng)容量移動通信73電子

24、工程系李明增加系統(tǒng)負(fù)荷移動通信75電子工程系李明改良設(shè)備TRX的數(shù)量小于蜂窩小區(qū)中被配置的頻率數(shù)，將頻率固定的TRX換成頻率不固定的TRX。移動通信74電子工程系李明改良設(shè)備移動通信76電子工程系李明簡單跳頻綜合跳頻該圖中沒有考慮信標(biāo)信道。圖跳頻的類型couplercoupler移動通信75電子工程系李明簡單跳頻綜合跳頻該圖中沒有考慮信標(biāo)信道。圖跳頻的類.Sectoring通過使用定向天線代替全向天線來實(shí)現(xiàn)。移動通信76電子工程系李明.Sectoring移動通信78電子工程系李明圖Sectoring移動通信77電子工程系李明圖Sectoring移動通信79電子工程系李明增加小區(qū)密度.分割小區(qū)運(yùn)

25、營商可以通過增加基站數(shù)量和將蜂窩小區(qū)分割成更小的來增加系統(tǒng)的容量。移動通信78電子工程系李明增加小區(qū)密度移動通信80電子工程系李明圖將蜂窩小區(qū)分割為更小的蜂窩小區(qū)移動通信79電子工程系李明圖將蜂窩小區(qū)分割為更小的蜂窩小區(qū)移動通信81電子工圖蜂窩小區(qū)的面積不能無限制縮小如果基站的密度太大，勢必對移動臺帶來很大的干擾。移動通信80電子工程系李明圖蜂窩小區(qū)的面積不能無限制縮小如果基站的密度太大，.布置微蜂窩小區(qū)和多層網(wǎng)絡(luò)見圖和圖。移動通信81電子工程系李明.布置微蜂窩小區(qū)和多層網(wǎng)絡(luò)移動通信83電子工程系李明micro-cellmicro-cellmicro-cell圖微蜂窩小區(qū)的布置移動通信82電子

26、工程系李明micro-cellmicro-cellmicro-cellmicro-cell layermacro-cell layer圖多層網(wǎng)絡(luò)移動通信83電子工程系李明micro-cell layermacro-cell lay在微蜂窩小區(qū)的BCCH信道上，通過廣播，禁止所有的移動臺接入到微蜂窩小區(qū)。在宏蜂窩小區(qū)的BCCH信道上，將微蜂窩小區(qū)的信標(biāo)信道加入到相鄰蜂窩小區(qū)的列表中。所有的呼叫都是在宏蜂窩小區(qū)建立的。在呼叫階段的起初幾秒(在SDCCH信令階段或者響鈴階段)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)SACCH信道發(fā)送的消息，可以確定移動臺是否在一個微蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)以及移動臺是否處于基本不動的狀態(tài)，從而決定是否將通信轉(zhuǎn)接給微蜂窩小區(qū)。移動通信8