《現代移動通信》課件第6章

6.1蜂窩技術6.2移動性管理6.3多址接入6.4多信道共用技術第6章組網技術6.1蜂窩技術

6.1.1蜂窩的概念

蜂窩的概念是20世紀60～70年代首先由Bell實驗室提出的，1978年Bell實驗室研制成功了采用蜂窩進行網絡覆蓋的AMPS系統，該系統于1983年首先在美國芝加哥商用，隨后同屬于1G系統的TACS，以及2G、3G系統均采用了蜂窩結構進行網絡覆蓋，我們將其稱為蜂窩移動通信系統。

1.區(qū)域覆蓋的發(fā)展

在蜂窩概念出現之前，移動通信系統采用的網絡覆蓋方式是大區(qū)制，蜂窩小區(qū)就是相對于大區(qū)制而言的，大區(qū)制移動通信系統通過使用大功率發(fā)射機(50～200W)、架設很高的天線(>30m)而獲得一個大面積的覆蓋范圍。大區(qū)制具有覆蓋面積大、網絡結構簡單且無需移動交換機(直接與PSTN相連)等優(yōu)點，但也有服務性能較差、頻譜利用率低及用戶容量有限等缺點。圖6-1帶狀覆蓋

2.蜂窩小區(qū)的形狀

一個蜂窩小區(qū)就是一個基站所覆蓋的有效面積。蜂窩小區(qū)就形狀而言，由于無線電波傳播受地形地物的影響，它的形狀是不規(guī)則的。若不考慮地形地物的影響且采用全向天線，那么理想化的蜂窩小區(qū)形狀就是一個圓。為了避免在服務區(qū)出現盲區(qū)，我們必須用小區(qū)進行不留空隙地覆蓋，這樣相鄰圓形小區(qū)之間必然存在交疊部分。在考慮了交疊之后，每個小區(qū)的有效覆蓋區(qū)域等效為一個圓內接多邊形。圖6-2小區(qū)的形狀比較圖6-3中心激勵方式圖6-4頂點激勵方式

3.蜂窩小區(qū)的分類

1)宏蜂窩

2)微蜂窩

3)微微蜂窩6.1.2頻率復用

1.頻率復用的概念

頻率復用就是相同頻率的重新使用。

2.區(qū)群

1)區(qū)群的結構

區(qū)群是由若干小區(qū)構成的，而且各小區(qū)要求鄰接，因此同一區(qū)群內各小區(qū)均要求使用不同的頻率組，而任一小區(qū)所使用的頻率組在其他區(qū)群相應的小區(qū)中還可以再次使用，這就是頻率復用。區(qū)群是頻率復用的基本單位。圖6-5區(qū)群結構示意圖圖6-64×3復用模式

2)區(qū)群中小區(qū)的數目

單位無線區(qū)群的構成應滿足以下兩個條件：

(1)無線區(qū)群應彼此相鄰接。

(2)相鄰無線區(qū)群內任意兩個同頻復用小區(qū)的中心距離應該相等。

滿足以上兩個條件的情況下，構成單位無線區(qū)群的小區(qū)個數N為

N=i2+ij+j2

(6.1)

3)同頻小區(qū)之間的距離

同頻小區(qū)可通過以下兩步尋找：沿著任何一條六邊形邊垂直移動i個小區(qū)；順時針(或逆時針)旋轉60°再移動j個小區(qū)。圖6-7中，i=2，j=1(N=7)。

設小區(qū)的輻射半徑(即六邊形外接圓的半徑)為R，則由圖

6-7可求出

(6.2)圖6-7區(qū)群的組成若每個小區(qū)的大小都差不多，基站也都發(fā)射相同的功率，則同頻干擾比例與發(fā)射功率無關，而變?yōu)樾^(qū)半徑(R)與同頻小區(qū)距離(D)的函數。定義同頻復用因子Q為

(6.3)6.1.3蜂窩系統容量的改善

1.小區(qū)分裂

小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小小區(qū)的方法，每個小區(qū)都有自己的基站，并相應地降低天線高度，減小發(fā)射機功率，因而能提高系統容量。這樣通過設定比原小區(qū)半徑更小的新小區(qū)和在原有小區(qū)間安置這些小區(qū)(叫做微小區(qū))，提高了信道的復用次數，增加了單位面積內的信道數目，從而增加了系統容量。圖6-8按小區(qū)半徑的一半進行小區(qū)分裂示意圖

2.裂向

如前所述，小區(qū)分裂通過增加單位面積內的信道數來獲

得系統容量的增加。另一種提高系統容量的方法是保持小區(qū)

半徑不變，而尋找辦法來減小同頻復用因子D/R。在這種方

法中，首先使用定向天線來提高信干比(SignaltoInterferenceRatio，SIR)，而容量的提高是通過減小區(qū)群中小區(qū)數量N來實現的。但是為了做到這一點，需要在不降低發(fā)射功率的前提

下減小干擾。圖6-9扇區(qū)劃分

3.智能小區(qū)

1)功率傳送型

在傳統的蜂窩系統中，當一個移動用戶進入一個小區(qū)(或一個扇區(qū))時，基站發(fā)出的功率將覆蓋整個小區(qū)(或扇區(qū))，系統容量取決于同頻距離D。

如果僅將功率傳送到移動臺附近小區(qū)域內，或者說，發(fā)射功率僅足以覆蓋移動臺附近的小區(qū)域，則發(fā)射功率和同頻干擾就會大大降低。該智能功率傳送方案要求：

(1)必須知道移動用戶的確切位置。

(2)必須能夠將功率傳送給移動用戶。

實現該方案的一個實例如圖6-10所示。圖6-10智能功率傳送方案舉例

2)自適應天線陣列型

自適應天線陣列型智能小區(qū)與功率傳送型智能小區(qū)的想法類似，它利用陣列天線，自適應地形成跟蹤移動用戶的波束，而在干擾方向上形成零點，如圖6-11所示。圖6-11自適應天線陣列型智能小區(qū)在自適應天線陣列型智能小區(qū)中，一個重要的參數就是基站處形成的波束夾角α，表示為

(6.4)

3)處理增益型

處理增益型智能小區(qū)的基本思想與功率傳送型智能小區(qū)剛好相反，它是與干擾共存，而不是限制干擾。其基本思想是允許大量干擾存在的情況下通過提高處理增益來提高正確接收能力。處理增益型智能小區(qū)不僅適用于DS-CDMA系統，也適用于快速跳頻系統和窄脈沖位置調制系統(脈沖寬度小于1ns)。在這類擴頻系統中，一方面，如果處理增益足夠高，就可以使每個小區(qū)的信道數足夠大；另一方面，如果干擾得到充分的降低，則系統容量也會明顯增加。此外，如果引入功率控制，使得發(fā)射的功率到達接收機時剛好達到接收機的門限要求，則也可以顯著提高容量。

6.2移動性管理

6.2.1位置管理

位置管理就是移動通信網絡跟蹤移動臺的位置變化，對移動臺位置信息進行登記、刪除和更新的過程。

1.位置登記

蜂窩網的覆蓋區(qū)域分為若干個位置區(qū)LA，每個LA與一個MSC相連并有一個位置區(qū)識別碼LAI。MS從一個位置區(qū)移到另一個位置區(qū)時，必須在對應LA的VLR中進行登記。也就是說，一旦MS發(fā)現其存儲器中的位置識別碼LAI與接收到的LAI發(fā)生了變化，便執(zhí)行登記。

2.位置更新

1)基于時間的位置更新方式

2)基于運動的位置更新方式

3)基于距離的位置更新方式

3.位置更新的不同情況

MS從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時，根據位置區(qū)的所屬不同，有以下三種不同情況下的位置更新：兩個小區(qū)同屬一個位置區(qū)時的位置更新、同一個MSC/VLR業(yè)務區(qū)內兩個小區(qū)間的位置更新、不同MSC/VLR業(yè)務區(qū)內兩個小區(qū)間的位置更新。圖6-12所屬MSC/VLR與小區(qū)之間的關系

1)兩個小區(qū)同屬一個位置區(qū)時的位置更新

開機后處于空閑狀態(tài)下的MS，被鎖定于一個已定義的無線頻率，即某個小區(qū)的BCCH(廣播控制信道)載頻上。

2)同一個MSC/VLR業(yè)務區(qū)內兩個小區(qū)間的位置更新

當在同一個MSC/VLR的不同位置區(qū)之間發(fā)生位置更新時，如圖6-12中的小區(qū)2和小區(qū)3，這兩個小區(qū)屬于同一個MSC/VLR管理的業(yè)務區(qū)，但不屬于同一位置區(qū)。

3)不同MSC/VLR業(yè)務區(qū)內兩個小區(qū)間的位置更新

當MS從小區(qū)3移向小區(qū)5時，BTS5通過新的BSC把位置區(qū)信息傳到新的MSC/VLR。這就是不同MSC/VLR業(yè)務區(qū)間的位置更新。圖6-13位置更新的網絡方案6.2.2越區(qū)切換

1.定義

越區(qū)切換是指移動臺(MS)在通信過程中從一個基站(BS)覆蓋區(qū)移動到另一個基站覆蓋區(qū)，或者由于外界干擾造成通話質量下降時，將原有信道轉接到一條新的空閑信道，以保持與網絡持續(xù)連接的過程。切換應盡可能少地出現，切換過程中應盡量保證移動用戶的通信質量。

2.越區(qū)切換的準則

在決定何時需要進行越區(qū)切換時，通常根據移動臺處接收的平均信號強度來確定，也可以根據移動臺處的信噪比(或信號干擾比)、誤比特率等參數來確定。假定移動臺從基站1向基站2運動，其信號強度的變化如圖6-14所示。判定何時需要越區(qū)切換的準則如下:

(1)相對信號強度準則(準則1)。

(2)具有門限規(guī)定的相對信號強度準則(準則2)。

(3)具有滯后余量的相對信號強度準則(準則3)。

(4)具有滯后余量和門限規(guī)定的相對信號強度準則(準則4)。圖6-14越區(qū)切換示意圖

3.越區(qū)切換的控制策略

越區(qū)切換控制包括兩個方面：一方面是越區(qū)切換的參數控制，另一方面是越區(qū)切換的過程控制。參數控制在上面已經提到，這里主要討論過程控制。

1)移動臺控制的越區(qū)切換(MCHO)

移動臺完成自動鏈路轉換(ALT，兩個基站之間的切換)和時隙轉換(TST，同一個基站中兩個信道之間的切換)的組合控制，這樣可以達到如下效果：

(1)減輕網絡的切換控制負荷。

(2)如果無線信道突然變差，則可以重新連接兩個呼叫來保證無線連接的穩(wěn)固性。

(3)控制ALT和TST，防止兩個過程的同時激發(fā)。

2)網絡控制的越區(qū)切換(NCHO)

在該方式中，基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質量，當信號低于某個門限后，網絡開始安排向另一個基站的越區(qū)切換。網絡要求移動臺周圍的所有基站都監(jiān)測該移動臺的信號，并把測量結果報告給網絡。網絡從這些基站中選擇一個基站作為越區(qū)切換的新基站，把結果通過舊基站通知移動臺并通知新基站。第一代蜂窩系統一般采用網絡控制的越區(qū)切換，如AMPS和TACS系統。

3)移動臺輔助的越區(qū)切換(MAHO)

在該方式中，網絡要求移動臺測量其周圍基站的信號質量并把結果報告給舊基站，網絡根據測試結果決定何時進行越區(qū)切換以及切換到哪一個基站。第二代數字蜂窩移動通信系統

中的IS-95CDMA和GSM采用了該方式。

4.越區(qū)切換時的信道分配

越區(qū)切換時的信道分配是解決當呼叫要轉換到新小區(qū)時，新小區(qū)如何分配信道，使得越區(qū)失敗的概率盡量小的問題。常用的做法是在每個小區(qū)預留部分信道專門用于越區(qū)切換。這種做法的特點是：新呼叫使可用的信道數減少，雖增加了呼損率，但減少了通話被中斷的概率，從而符合人們的使用習慣。

5.越區(qū)切換的分類

1)硬切換

硬切換是指不同頻率的BS或扇區(qū)之間的切換。

2)軟切換

軟切換是指同一頻率不同BS之間的切換。

3)更軟切換

在CDMA系統中，MS在同一基站(小區(qū))不同扇區(qū)之間的軟切換稱為更軟切換。

4)接力切換

TD-SCDMA系統采用的是一種基于智能天線的接力切換方式。

6.3多址接入

多址接入技術的目標是在保證一定的信息傳輸質量的基礎上，盡可能提高通信資源的利用率。6.3.1多址接入的概念

多址接入技術所要解決的問題是多個用戶如何共享公共通信資源。蜂窩系統向用戶提供的通信資源包括時間、頻率、空間和編碼方式(碼序列)，它們分別屬于時域、頻域、空域和碼域。為了高效地利用通信資源，需要對一部分資源進行共享，而將另一部分資源進行分割，共享可以提高系統的容量，而通過分割可以區(qū)分出不同的信道，提供給不同的用戶使用，這便形成了多址。通過對通信資源的不同分割方式，也就形成了不同的多址方式，理想的分割應使信道上傳輸的用戶信號滿足正交的要求。正交的數學機理如下：

設用戶i的信號波形為xi(t)(i=1，2，…)，xi(t)的傅立葉變換為Xi(f)，xi(t)的偽隨機碼波形為ci(t)，那么如果滿足

(6.5)或

(6.6)

或

(6.7)則用戶之間是正交的。滿足以上正交化過程的多址方式分別是TDMA、FDMA和CDMA。但一般很難達到數學上如此理想的實現方式，在實際應用中，三種多址方式有著各自的實現方法。圖6-15三種基本多址方式示意圖6.3.2三種多址方式的特點

1.FDMA方式的特點

(1)每個信道占用一個載頻，相鄰載頻之間的間隔應滿足傳輸信號帶寬的要求。

(2)符號時間與平均延遲擴展相比較是很大的。

(3)基站復雜龐大，重復設置收發(fā)信設備。

(4)FDMA系統每載波單個信道的設計，使得在接收設備中必須使用帶通濾波器允許指定信道里的信號通過，濾除其他頻率的信號，從而限制臨近信道間的相互干擾。

(5)越區(qū)切換較為復雜和困難。

2.TDMA方式的特點

(1)突發(fā)傳輸的速率高，遠大于語音編碼速率，每路編碼速率設為Rb/s，共N個時隙，則在這個載波上傳輸的速率將大于NRb/s。

(2)發(fā)射信號速率隨N的增大而提高。

(3)TDMA用不同的時隙來發(fā)射和接收，因此不需要雙工器。

(4)基站復雜性減小。

(5)抗干擾能力強，頻率利用率高，系統容量大。

(6)越區(qū)切換簡單。

3.CDMA方式的特點

(1)CDMA系統的許多用戶共享同一頻率，不管使用的是TDD還是FDD技術。

(2)通信容量大。

(3)容量的軟特性。

(4)由于信號被擴展在一較寬頻譜上，因而可以減小多徑衰落。

(5)在CDMA系統中，信道數據速率很高。

(6)平滑的軟切換和有效的宏分集。

(7)低信號功率譜密度。6.3.3三種多址方式的比較

1.業(yè)務支持的靈活性

完全采用FDMA方式的系統主要是早期的模擬系統，用來支持語音業(yè)務。

2.傳輸性能

獨立采用FDMA方式的系統一般是模擬系統，其傳輸性能受到傳輸環(huán)境的影響較大，而改進其傳輸性能的技術手段卻不多。

3.系統容量

從理論上看，給定的通信資源無論采用何種分配方式，其系統容量應該是相同的，但不同的多址方式在利用給定通信資源的機制和方法上有很大區(qū)別，將給定通信資源轉化為系統可用資源的效率也是不同的，這導致了實際系統中，CDMA容量>TDMA容量>FDMA容量。以下對實際容量進行分析比較。蜂窩系統的無線容量可定義為

(6.8)

1)FDMA蜂窩系統的容量

對于模擬FDMA系統來說，如果采用頻率復用的小區(qū)數為N，根據對同頻干擾和系統容量的討論可知，對于小區(qū)制蜂窩網

(6.9)即頻率復用的小區(qū)數N由所需的載干比來決定。可求得FDMA的無線容量如下：

(6.10)

2)TDMA蜂窩系統的容量

對于數字TDMA系統來說，由于數字信道所要求的載干比可以比模擬制的小4～5dB(因數字系統有糾錯措施)，因而頻率復用距離可以再近一些。所以可以采用比N=7小的復用圖案，例如N=3的復用圖案?？汕蟮肨DMA的無線容量如下：

(6.11)

其中，B為載頻間隔，K為每個載頻包含的時隙數。

3)CDMA蜂窩系統的容量

CDMA系統的容量是干擾受限的，而FDMA和TDMA系統的容量是帶寬受限的。決定CDMA數字蜂窩系統容量的主要參數包括處理增益、Eb/N0

、語音負載周期(即語音激活率)、頻率再用效率以及基站天線扇區(qū)數等。載波功率可表示為C=Rb×Eb，干擾功率可表示為I=W×N0。式中Rb為信號比特速率，Eb為每比特的信號能量，W為擴頻后的信號帶寬，N0為干擾功率譜密度。接收信號的載干比為

(6.12)如果M個用戶共用一個無線信道，顯然每一用戶的信號都受到其他M－1個用戶信號的干擾。假設到達一個接收機的信號強度和各干擾強度都相等，則載干比為

(6.13)

所以CDMA系統容量可表示為

(6.14)

如果把背景熱噪聲η考慮進去，則能夠接入此系統的用戶數可表示為

(6.15)

采用語音激活技術，則必須引入d(占空比)來修正

(6.16)采用扇區(qū)化后，還必須引入因子G(扇區(qū)分區(qū)系數)來修正

(6.17)

考慮到頻率復用，所有用戶共享一個無線頻率，任何一個小區(qū)的移動臺都會受到相鄰小區(qū)基站的干擾，任何一個小區(qū)的基站都會受到相鄰小區(qū)的移動臺干擾，這些干擾的存在必然

會影響系統容量，再引入因子F(信道復用效率)

(6.18)

6.4多信道共用技術

多信道共用就是多個無線信道為許多移動臺所共用，或者說，網內大量用戶共享若干無線信道。多信道共用技術可以提高無線電信道的利用率，提高系統容量。6.4.1技術指標

1.呼叫話務量與忙時話務量

1)呼叫話務量

話務量是度量通信系統通話業(yè)務量或繁忙程度的指標。其性質如同客流量，具有隨機性，只能用統計方法獲取。所謂呼叫話務量，是指單位時間(一小時)內的平均電話交換量，可表示為

(6.19)

2)忙時話務量

實際上在一天24小時中，每小時話務量是不可能相同的。例如，在我國，上午8~9點最忙，而在發(fā)達國家一般晚上7點左右最忙。一天中話務量分布的不均衡對于通信系統的建設者、設計者和管理者都很重要。只要“忙時”信道夠用，那么非忙時就不成問題了。

因此，在這里我們引入忙時話務量這一概念。忙時話務量是指一天中最忙的那個小時(即“忙時”之意)每個用戶的平均話務量，定義為

(6.20)

2.容量

在多信道共用時，容量有兩種表示法。

1)系統所能容納的用戶數(Ms)

系統所能容納的用戶數Ms為

(6.21)