蜂窩通信原理.doc

1、第一章 蜂窩通信原理第一章蜂窩通信原理蜂窩通信原理概述蜂窩電話系統(tǒng)用于為移動臺MS（Mobile Station）與公共電話系統(tǒng)之間，或者和另一個蜂窩系統(tǒng)的移動臺之間建立連接。移動臺MS與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的信息通過無線電波傳送，這樣省去了傳統(tǒng)電話中的電話線，因此，移動用戶可以自由移動，比如在車上，或步行。蜂窩通信的優(yōu)點蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)與“陸地”電話網(wǎng)絡(luò)相比，有許多優(yōu)點，不僅對于移動用戶，對于網(wǎng)絡(luò)運營商來說也是一樣的。概述對于移動用戶的優(yōu)點h移動性h靈活性h方便對于網(wǎng)絡(luò)運營商的優(yōu)點h易于擴容h高收益率 h頻譜利用率高 h易于重新配置網(wǎng)絡(luò)組成GSM網(wǎng)絡(luò)包括移動業(yè)務交換中心MSC（Mobile Servic

2、es Switching Centres），基站系統(tǒng)BSS（Base Station System），以及移動臺MS（Mobile Station）。這三種網(wǎng)絡(luò)實體各自都還可以劃分成更小的實體，比如在BSS中就有基站控制器BSC（Base Station Controller），基站收發(fā)信臺BTS（Base Transceiver Station）和壓縮編碼器XCDR（Transcoder）。對于這些更小的網(wǎng)絡(luò)實體，在后面將會具體討論到。在MSC，BSS和MS組成的蜂窩系統(tǒng)中，移動用戶可以發(fā)起呼叫，接收呼叫，系統(tǒng)還會相應的計費，就如同一般的PSTN網(wǎng)絡(luò)能完成的功能一樣。唯一存在的問題是，MS發(fā)

3、起或接收呼叫都只能同其它的MS進行的，所以有必要把GSM網(wǎng)絡(luò)連到PSTN。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動臺處在“小區(qū)”中，這些小區(qū)由BSS提供，每個BSS能提供一個或多個小區(qū)，這取決于廠商的設(shè)備。小區(qū)一般被畫作六邊形，但實際上小區(qū)是不規(guī)則形狀，這主要是受周圍地形干擾的影響或是取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者的設(shè)計。 圖示的小區(qū)覆蓋 實際的小區(qū)覆蓋 網(wǎng)絡(luò)組成PSTNMSCBSSBSSMSMSBSSMSMSMSBSSBSSBSSMS(Public Switched Telephone Network) 公眾交換電話網(wǎng)PSTN(Mobile service Switching Centre) 移動業(yè)務交換中心MSC(Base S

4、tation System)基站系統(tǒng)BSS(Mobile Station)移動臺MS(Cell Coverage Area)小區(qū)覆蓋區(qū)域頻譜簡介頻譜非常擁擠，只有很窄的帶寬分配給了蜂窩通信。對面列出了分配給GSM，EGSM（Extended GSM），GSM1800（DCS1800）及PCS1800的頻譜一個絕對無線頻率信道編號ARFCN（Absolute Radio Frequency Number）或RF載頻實際是指一對頻率，一個用于發(fā)射，一個用于接收，這樣可以雙向的傳送信息。發(fā)射、接收頻率之間的頻率間隔稱為雙工間隔，GSM900和EGSM900的雙工間隔是45MHz，DCS1800的雙工

5、間隔是95MHz，PCS1900的雙工間隔是80MHz，GSM網(wǎng)絡(luò)中每個小區(qū)至少要分配一個ARFCN，當然也可以分配多個ARFCN用來提供更大的容量。每個GSM RF載頻支持8個TDMA（Time Division Multiple Access）時隙，所以理論上說每個RF載頻可以同時支持8個電話呼叫，在以后的課程中我們將可以看到，盡管這種理論上的情況是可能實現(xiàn)的，但實際上系統(tǒng)還需要傳信令，所以一個RF載頻可能同時只能支持六個到七個電話呼叫，減少了能支持的移動臺數(shù)。GSM網(wǎng)絡(luò)不同于PSTN網(wǎng)絡(luò)，在PSTN網(wǎng)絡(luò)中，每部電話都是通過一對固定的電話線連到陸地網(wǎng)絡(luò)，但在GSM網(wǎng)絡(luò)中，MS通過無線接口連

6、接到網(wǎng)絡(luò)，所以容易理解：一個RF載頻可以支持遠多于8個移動用戶。經(jīng)過統(tǒng)計，一個RF載頻可以支持15，20基至25個移動用戶。顯然這些移動用戶不能同時發(fā)起呼叫，而且一般也不會同時發(fā)起呼叫，這些移動用戶可在不同的時間使用相同的物理資源。頻率范圍GSM 900h接收(上行）890-915MHzi發(fā)射(下行)935-960MHzi124個獨立無線頻率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)EGSM 900i接收(上行）880-915MHzi發(fā)射(下行)925-960MHzi174個獨立無線頻率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency

7、Channels)GSM 1800(DCS1800)i接收(上行）1710-1785MHzi發(fā)射(下行)1805-1880MHzi374個獨立無線頻率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)PCS 1900i接收(上行）1850-1910MHzi發(fā)射(下行)1930-1990MHzi299個獨立無線頻率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)ARFCNi帶寬=200KHzi8 TDMA時隙PGSM:Chan Freq.=890.2-914.8MHzchan no.=1-124Chan Freq.=chan

8、no.*0.2+890MHzChan No.=(chan freq.-890)/0.2EGSM：Chan freq.=880.2-890MHzchan no.=975-1023,0Chan Freq.=chan no.*0.2+685.2MHzChan No.=(chan freq.-685.2)/0.20890MHzGSM1800:Chan Freq.=1710.2-1784.8MHz chan no.=512-885Chan Freq.=chan no.*0.2+1607.8MHzChan No.=(chan freq.-1607.8)/0.2小區(qū)的大小一個區(qū)域內(nèi)的小區(qū)數(shù)取決于該區(qū)域內(nèi)的移

9、動用戶數(shù)及該區(qū)域的地形（山、湖、建筑物等）。大的小區(qū) GSM最大的小區(qū)直徑達70km，但這和小區(qū)覆蓋區(qū)域的地形及MS的功率級有關(guān)。在GSM系統(tǒng)中，MS的發(fā)射功率可達8w，顯然MS的發(fā)射功率越高，小區(qū)可以越大。如果基站設(shè)在山上，而且周圍沒有什么障礙物，無線電波可以傳得很遠。如果基站設(shè)在城市中間，周圍高的建筑物會阻擋無線電波的傳播路徑。大的小區(qū)一般用在：i偏遠地區(qū)i海邊i用戶很少的區(qū)域i面積大但需要用最少的基站覆蓋的地方小的小區(qū) 小的小區(qū)用在MS數(shù)多的小區(qū)域，或者為了減小干擾而要求發(fā)射功率低的區(qū)域。小的小區(qū)一般覆蓋直徑為200m或以上。小的小區(qū)一般用在：i城區(qū)i要求低功率發(fā)射的區(qū)域iMS數(shù)多的區(qū)域

10、不同大小的小區(qū)混合使用選擇使用什么樣的小區(qū)沒有唯一方案案。網(wǎng)絡(luò)運營商希望使用大的小區(qū)，減少安裝維護費用，但又必須為用戶保證服務質(zhì)量，他們必須考慮到多種因素，比如地形，要求的發(fā)射功率，MS數(shù)等，這樣會不可避免的，會將不同大小的小區(qū)混合使用。大的小區(qū)最大 6070 km小區(qū)的大小小的小區(qū)頻率復用標準GSM共有124個頻點可用，大多網(wǎng)絡(luò)運營商并不能使用所有這頻點，而只能使用這124個頻點中的一部分。例如：某網(wǎng)絡(luò)運營商分配了48個頻點，需要用這些頻點覆蓋一個很大的區(qū)域，如英國。由前面可知，最大的小區(qū)其直徑約為70km，顯然這48個頻點無法覆蓋整個英國。為解決頻率受限的問題，網(wǎng)絡(luò)運營商必須將同一個頻率重

11、用一遍又一遍，這就稱為“頻率復用”。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者在做頻率復用規(guī)劃時必須考慮頻率的復用率及小區(qū)間的距離，否則會產(chǎn)生同信道干擾或鄰信道干擾，或者二者都有。網(wǎng)絡(luò)運營商還要考慮需要被覆蓋的區(qū)域的不同特性，在人口稠密的城區(qū)頻率復用率需要比較高，采用小的小區(qū)能提供高的容量；在人口稀少的農(nóng)村頻率復用率低可以較，采用大的小區(qū)，提供的容量也較小。同信道干擾如果使用相同頻率的兩個載頻離得過近，它們之間將會互相干擾，這種干擾稱為同信道干擾。鄰信道干擾 RF載頻受到另一個使用鄰近頻率的RF載頻的干擾，這種干擾稱為鄰 信道干擾。同頻干擾（C/I）: 模擬 18 dB GSM 9 dB (工程要求 12 dB)鄰頻干擾（C

12、/A）: 模擬 -23 dB GSM -9 dB (工程要求 -6 dB)第二鄰頻載干比： GSM -41 dB頻率復用頻率1頻率2頻率3頻率復用扇區(qū)化我們前面所說的小區(qū)都是指全向小區(qū)，即一個基站對應一個小區(qū)，有一根發(fā)射天線，將無線電波輻射到360度的范圍。如果采用全向小區(qū)，那么當同一地理區(qū)域內(nèi)的MS數(shù)增加時，應該相應的增加小區(qū)數(shù)以擴大容量。為了在該地理區(qū)域安裝更多的小區(qū)，必須減小小區(qū)的大小，而全向小區(qū)間的距離必須足夠遠，以防止同信道干擾和鄰信道干擾。這種沖突會降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。為了在同一地理區(qū)域內(nèi)獲得更大的容量，可以采用一種稱為“扇區(qū)化”的技術(shù)，扇區(qū)化即是將一個基站分成多個小區(qū)，每個小區(qū)都

13、有自己的發(fā)射和接收天線，相當于一個獨立的小區(qū)。扇區(qū)化的小區(qū)使用特制的定向天線，使該小區(qū)發(fā)射的天線電波集中在一個特定的方向上。這樣做有很多優(yōu)點，首先小區(qū)發(fā)射的無線電波能量集中到了一個更小的區(qū)域如60度，120度或180度，而不是以360度全向發(fā)射，這樣可以獲得更強的信號，有利于“室內(nèi)覆蓋”等。另外，同頻復用距離縮短，在同一地理區(qū)域可以有更多的小區(qū)，可以支持更多的移動用戶。3小區(qū)基站3副發(fā)射/接收天線小區(qū)扇區(qū)化（Sectorization）全向基站1副發(fā)射/接收天線6小區(qū)基站6副發(fā)射/接收天線使用扇區(qū)化的基站一方面為了避免干擾，需要讓使用相同頻率RF載頻的小區(qū)之間相距足夠遠，另一方面，為了獲得更高

14、的容量，需要盡量提高頻率復用率。在實際情況中，RF載頻分配及小區(qū)大小選擇的原則主要就是為了使以上二者之間達到平衡。從對面圖中可以看出，將基站扇區(qū)化之后，在相同的地理區(qū)域內(nèi)可以有更多的小區(qū)，更多的移動用戶可以接入并使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。一般對人口稠密地區(qū)或者移動用戶較集中區(qū)域（比如會議中心/商務建筑物）內(nèi)的基站扇區(qū)化4基站/3小區(qū)4基站/3小區(qū)是GSM中一種典型的頻率復用模式。例如：網(wǎng)絡(luò)運營商有36個頻點可用，如果他希望采用4基站/3小區(qū)的復用方式的話，可以將頻率劃分如下：Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell A1 A2

15、A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 在這種配置中每個小區(qū)共有3個載頻，每個基站共有9個載頻。 如果網(wǎng)絡(luò)運營商希望采用3基站/3小區(qū)的頻率復用方式的話，頻率的劃分將會是：Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

16、15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36從表中可以看出，現(xiàn)在每個小區(qū)中共有4個載頻，每個基站共有12個載頻，這樣在相同的地理范圍內(nèi)支持的用戶數(shù)會增加，但同時，同信道干擾和鄰信道干擾會有所增強。4基站/3小區(qū)交換與控制在全向和定向小區(qū)建立的無線覆蓋區(qū)域內(nèi)，我們來看一下MS移動時的情況（MS經(jīng)常是處在移動狀態(tài)的）。當MS移動時，可能會從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)。有多種原因會引起移動臺從一個小區(qū)到另一個小區(qū)的切換，如：“服務小區(qū)”的信號比“相鄰小區(qū)”的信號弱，或者MS在當前服務小區(qū)中的通話質(zhì)量不好，這時切換到相鄰小區(qū)可以改善通話質(zhì)量。不論是什么原因引起的切換，都需要由某些網(wǎng)絡(luò)實體來控制切換的完成。在GSM中，由移動業(yè)務交換中心MSC和BSS一起控制切換。為了完成切換，系統(tǒng)必須知道MS將要切換到哪個相鄰小區(qū)去，為保證MS能切換到信號最好的小區(qū)，MS須測量它周圍相鄰小區(qū)的信號強度并上報給