（通信与信息系统专业论文）蜂窝移动通信系统信道分配策略研究.pdf

s t u d yo nc h a n n e la s s i g n m e n ts t r a t e g yf o rc e l l u l a rm o b i l e r n 一 。l 。e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b y w e i x i n g a n g b e ( s h a n d o n gi n s t i t u t eo fb u s i n e s sa n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry us h i c a i j u n e ，2 0 11 帅1 例8御8m 5 伽8舢8 j- 舢y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：魏鑫门i j 日期：p 年乡月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：观念日，j 导师签名：，一苦1 i 咿f 才 j 日期：如，年 日期：力年 月7日 万月，7 日 f 硕十学侍论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i v 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 2 本文的研究内容2 1 3 本文的组织结构3 第2 章蜂窝移动通信概述4 2 1 蜂窝移动通信的发展历程4 2 2 蜂窝移动通信系统的组成5 2 3 蜂窝移动通信特点6 2 4 蜂窝移动通信关键概念8 2 4 1 小区制8 2 4 2 频率复用8 2 4 3 多址技术1 0 2 4 4 干扰1 4 2 4 5 切换15 2 4 6 系统容量1 7 2 5 本章小结18 第3 章信道分配策略概述1 9 3 1 信道及信道分配的概念1 9 3 2 信道分配策略分类1 9 3 2 1 固定信道分配( f c a ) 1 9 3 2 2 动态信道分配( d c a ) 一2 l 3 2 3f c a 与d c a 的比较2 2 3 2 4 混合信道分配( h c a ) 2 3 3 2 5 其它信道分配策略2 4 3 - 3 信道分配策略的性能指标2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章保护信道和排队相结合的信道分配策略2 8 4 1 相关数学模型2 8 4 1 1 泊松流及泊松分布2 8 4 1 2 负指数分布2 8 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 4 1 3l i t t l e 定理2 9 4 2 系统模型2 9 4 3 性能分析3 0 4 4 仿真结果31 4 5 本章小结3 3 第5 章一种基于抢占优先的保护信道策略3 4 5 1 系统模型一3 4 5 2 性能分析3 4 5 2 1 语音呼叫性能分析一3 4 5 2 2 数据呼叫性能分析3 6 5 3 仿真结果与分析3 8 5 4 本章小结一4 0 总结与展望4 1 参考文献一4 3 致谢4 7 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文一4 8 硕十学位论文 摘要 移动通信用户数量的急剧增长以及用户对语音和数据业务需求的不断增加， 导致有限的频谱资源十分紧缺。如何提高现有频谱资源的利用率已成为制约移动 通信发展的重要因素，而良好的信道分配是解决这一问题的有效措施之一。从 2 0 世纪7 0 年代到现在，蜂窝移动通信系统的信道分配一直是研究的热点和难点。 在移动通信技术高速发展的今天，信道分配方面仍有许多课题值得去研究。 在信道分配的几种经典策略中，固定信道分配虽简单易行但不能处理热点问 题，动态信道分配和混合信道分配虽能较好地跟踪话务量的变化，但当不采用其 它优化措施时，仅在业务量较小时才有较低的呼叫阻塞率，并且具有较高的实现 复杂度。因此，一些新的策略被相继提出，如信道借用策略、速率拆分策略、保 护信道策略和排队策略等。本文基于可移动边界框架，对现有策略进行改进，提 出了两种新的信道分配策略：保护信道和排队相结合的策略、基于抢占优先的保 护信道策略。 在保护信道和排队相结合的策略中，为数据呼叫提供保护信道，降低数据呼 叫的阻塞率。同时，采取语音呼叫排队策略抑制数据保护信道引起的语音呼叫阻 塞率的恶化。为了进一步提高系统的性能，在策略中引入了不耐烦顾客，并建立 了带有不耐烦顾客的排队模型。 在基于抢占优先的保护信道策略中，为语音新呼叫和语音切换呼叫分配保护 信道以降低呼叫阻塞率，为了进一步提高系统承载的语音业务量，赋予语音呼叫 抢占优先权，语音呼叫可以抢占数据信道。另外，语音切换呼叫可以占用语音新 呼叫保护信道。并且为数据呼叫提供排队队列以降低数据呼叫阻塞率。 然后，利用排队论和随机过程等数学知识对两种信道分配策略建立了马尔科 夫链模型，对模型的性能进行了详尽的理论分析。最后对两种分配策略进行了仿 真实验。理论分析和仿真结果表明，所提出的策略能有效地降低阻塞率，改善系 统性能。 关键词：信道分配；保护信道；排队策略；切换；马尔科夫链；阻塞率 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 a b s t r a c t t h et r e m e n d o u sg r o w t ho fm o b i l eu s e r s p o p u l a t i o nc o u p l e dw i t ht h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so fv o i c ea n dd a t as e r v i c ef r o ms u b s c r i b e r s ，w h i c hr e s u l tt ot h el i m i t e d r a d i os p e c t r u mb e c o m em o r ea n dm o r es c a r c e h o wt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f r a d i os p e c t r u m ，a sa ni m p o r t a n tf a c t o r ，h a sr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s i tc a nb er e s o l v e db ym a k i n gg o o du s eo fc h a n n e la s s i g n m e n t t e c h n i q u e s s i n c e19 7 0 s ，c h a n n e la s s i g n m e n tf o rc e l l u l a rm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e mh a sb e e nah o ta n dd i f f i c u l t n o ws t i l lm a n yi s s u e sa r ew o r t hs t u d y i n g i ns e v e r a lc l a s s i cc h a n n e la s s i g n m e n ts t r a t e g i e s ，a l t h o u g hf i x e dc h a n n e l a s s i g n m e n t ( f c a ) i se a s ya n ds i m p l e ，i tc a nn o td e a lw i t hh o ti s s u e s d y n a m i c c h a n n e la s s i g n m e n t ( d c a ) a n dh y b r i dc h a n n e la s s i g n m e n t ( h c a ) c a nt r i c kt h e c h a n g e so ft r a f f i c ，b u tw i t h o u tu s i n go t h e ro p t i m i z a t i o nm e a s u r e s ，t h es y s t e mh a s l o w e rc a l lb l o c k i n gr a t eo n l yw h e nt h et r a f f i ci sf e w e r b e s i d e s ，i th a sh i g h e r c o m p l e x i t y o fi t s i m p l e m e n t a t i o n t h e r e f o r e ，s o m e n e wc h a n n e l a s s i g n m e n t s t r a t e g i e sw e r ep r e s e n t e d s u c ha s c h a n n e lb o r r o w i n gs t r a t e g y ( c b s ) ，g u a r d c h a n n e ls t r a t e g y ( g c s ) ，q u e u es t r a t e g y ( q s ) a n ds oo n b a s e do nm o v e a b l e b o u n d a r yf r a m e w o r k ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w on e wc h a n n e la s s i g n m e n ts t r a t e g i e s ，a c h a n n e la s s i g n m e n ts t r a t e g yc o m b i n i n gg u a r dc h a n n e la n dq u e u i n g ，a n dag u a r d c h a n n e ls t r a t e g yw i t hp r e e m p t i v ep r i o r i t yi nc e l l u l a rs y s t e m i nt h ef i r s ts t r a t e g y , t h es t r a t e g yp r o v i d e dg u a r dc h a n n e lf o rd a t ac a l lt or e d u c e b l o c k i n gp r o b a b i l i t y o fd a t ac a l l m e a n w h i l e ，v o i c ec a l l q u e u i n gs t r a t e g yw a s a d o p t e dt o r e s t r a i nv o i c ec a l l b l o c k a g ed e t e r i o r a t i o n c a u s e d b y g u a r dc h a n n e l s t r a t e g y t of u r t h e ri m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，i m p a t i e n tc u s t o m e r sw e r e i n t r o d u c e d a n daq u e u es y s t e mw i t hi m p a t i e n tc u s t o m e r sw a sg i v e n i nt h es e c o n ds t r a t e g y ，g u a r dc h a n n e l sa r ep r o v i d e df o rn e wv o i c ec a l l sa n d h a n d o f fv o i c ec a l l st or e d u c et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t of u r t h e ri m p r o v et h ev o i c e t r a f f i co ft h es y s t e m ，v o i c ec a l l sc a r r yp r e e m p t i v ep r i o r i t ya n dc a np r e e m p td a t a c h a n n e l s m e a n w h i l e ，n e wv o i c eg u a r dc h a n n e l sc a nb eo c c u p i e db yh a n d o f fv o i c e c a l l s b u f f e r sa r ep r o v i d e df o rd a t ac a l l st or e d u c et h ed a t ab l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h e n ，m a r k o vc h a i na n a l y s i sm o d e l sa r ee s t a b l i s h e du s i n gt h ek n o w l e d g eo n s t o c h a s t i cp r o c e s s e sa n dq u e u i n gt h e o r y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi si n s p e c t e d b yt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t e db yt h em a t l a b s o f t w a r e t h e o r e t i c a la n a l y s i s 硕十学位论文 a n ds i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h e p r o p o s e ds t r a t e g i e s c a nl o w e r b l o c k i n g p r o b a b i l i t i e sa n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c h a n n e la s s i g n m e n t ；g u a r dc h a n n e l ；q u e u i n gs t r a t e g y ；h a n d o f f ；m a r k o v c h a i n ；b l o c k i n gp r o b a b i l i t y i i i 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 插图索引 图2 1蜂窝移动通信系统6 图2 2正六边形蜂窝的区群结构一9 图2 3f d m a 的频道划分1 l 图2 4t d m a 的时隙划分1 2 图2 5c d m a 的编码序列划分1 3 图2 6 信号在两小区间的切换1 6 图3 1三层蜂窝系统示意图2 5 图4 1系统模型2 9 图4 2 状态转移图一3 0 图4 3仿真界面3 2 图4 4语音呼叫阻塞率一3 2 图4 5数据呼叫阻塞率3 3 图5 1系统模型3 4 图5 2语音呼叫状态转移图3 5 图5 3 状态转移图一3 6 图5 4 仿真界面一3 8 图5 5语音新呼叫阻塞率3 9 图5 6语音切换呼叫阻塞率一3 9 图5 7 数据呼叫平均传输延迟3 9 i v 硕士学位论文 附表索引 表3 1f c a 和d c a 的比较2 3 v 硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 任何人在任何地点、任何时间与任何人进行任何种类的信息交换和传递，是 全人类的一个共同梦想。移动通信便是实现这一梦想不可或缺的手段。在2 0 世 纪，移动通信技术的飞速发展和普及不断改变着整个社会的面貌和人们的生活方 式。 从2 0 世纪7 0 年代以来，移动通信系统在多个国家得到了迅猛发展。特别是 近几年来，随着移动通信技术的发展，移动通信用户的数量快速增长。在我国， 2 0 1 0 年移动电话用户净增1 1l7 9 万户，创历年净增用户新高，累计达到8 5 9 亿 户。其中，3 g 用户净增3 4 7 3 万户，累计达到4 7 0 5 万户。在电话用户总数中移 动电话用户所占的比重达到7 4 5 ，是固定电话用户的3 倍左右。目前，移动电 话普及率达到6 4 4 部百人，比2 0 0 9 年底提高8 1 个百分点。2 0 1 0 年，全国移 动电话通话时长累计达到4 3 2 6 1 亿分钟，同比增长2 2 4 t 。 仅从我国的移动电话用户总数及增长速度就可以看出，移动通信系统所能利 用的无线资源日渐紧张程度。另外，各种高速新业务的出现对运营商服务质量的 要求不断提高，而且需要支持不同种类不同速率业务的复用。在此情况下移动通 信系统都面临着一个亟待解决的问题，那就是如何有效充分地利用紧缺的频率资 源，扩大系统容量。寻求提高频率利用率的方法已经成为当前移动通信发展的关 键所在。当前，主要有以下几种提高频谱利用率的方法【2 】： ( 1 ) 开拓新频段。研究和开发移动通信所能够使用的高的频段，如l 一 2 g h z ，甚至3 0 6 0 g h z ，相应需要研究这些新频段电波传播特性，研制适用于新 频段的器件和设备等，在这方面的研究将是一个长期的过程。 ( 2 ) 频道窄带化。现在世界上很多国家正在研究将频道间隔由2 5 k h z 减小 到1 2 5 k h z 或者7 5 k h z ，甚至5 k h z 。此项研究需要占用大量的时间、资金和技 术人员。 ( 3 ) 利用蜂窝组网技术实现频率复用。这种技术又称为信道复用技术。目 前的研究重点是如何确定适中的小区半径，来增加同信道复用的次数，以提高信 道的利用率。 ( 4 ) 多信道共用技术。在一个无线小区内，所有移动台共用一组无线信道 叫做多信道共用，即任何用户均可选择其中任一空闲信道使用，一直到所有信道 都被占用完。多信道共用技术可以很好地提高频谱的利用率。 蜂窝移动通信系统倩道分配策略珂f 冗 近年来，多信道共用技术凭借实用、经济以及对现有通信系统影响较小等多 个优点，己经受到越来越多的关注。 本文的研究正是在蜂窝系统下基于多信道共用技术展开的。在各蜂窝小区话 务量分布不均匀、信道特性因干扰和信道衰弱而上下波动等条件下，灵活分配和 动态调整有限的无线信道资源，最大程度地提高信道利用率，防止新呼叫和切换 呼叫阻塞和维持尽可能小的信令负荷，通过合理分配信道来保证服务质量，提高 系统容量和频谱利用率成为蜂窝通信系统信道分配的首要问题。为了实现这些目 标，研究者们从不同的角度出发，已经提出了多种信道分配策略。目前，信道分 配正得到日益广泛的关注，成为移动通信领域最重要的研究方向之一。 1 2 本文的研究内容 为了充分利用无线频谱资源，必须要有一个既能增加用户容量又可以减小干 扰为目标的频率复用方案。为了达到这些目标，已经发展了各种不同的信道分配 策略。本文在前人研究的基础上，从通信系统所承载业务( 语音业务和数据业务) 的角度出发，对优先考虑切换呼叫的分配策略进行了深入研究，所做的主要工作 有以下三个方面： 第一，在课题的开始阶段，研究和分析了移动通信领域的现状和蜂窝无线网 络规划的理论基础，参阅了国内外关于蜂窝移动通信系统信道分配方面的大量资 料，认真学习了相关的论文及著作。研究了信道分配的各种策略1 3 j ，包括固定信 道分配策略、动态信道分配策略和混合信道分配策略，并进一步研究了改进的信 道分配策略。对信道分配的研究课题和研究现状有了较清晰、深刻的认识。从切 换优先的角度出发，对保护信道和切换优先方案进行了重点研究。认真学习了随 机过程和排队论的相关理论以及仿真软件m a t l a b 的知识，为理论分析和仿真 实验打下了坚实的基础。 第二，从保护信道的特点出发并结合排队理论的知识，提出了一种保护信道 和排队相结合的策略。在此策略中，为数据呼叫提供保护信道，降低数据呼叫的 阻塞率。同时，采取语音呼叫排队策略抑制数据保护信道引起的语音呼叫阻塞率 的恶化。为了进一步提高系统的性能，在策略中引入了不耐烦顾客，并建立了带 有不耐烦顾客的排队模型。 第三，结合抢占优先和保护信道的特点，提出了一种基于抢占优先的保护信 道策略。在该策略中，为语音新呼叫和语音切换呼叫分配保护信道以降低呼叫阻 塞率，为了进一步提高系统承载的语音业务量，赋予语音呼叫抢占优先权，语音 呼叫可以抢占数据信道。另外，语音切换呼叫可以占用语音新呼叫保护信道。并 且为数据呼叫提供排队队列以降低数据呼叫阻塞率。 2 硕十学位论文 1 3 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第l 章是绪论，介绍了本课题研究的背景及意义，以及本文所做的主要工作 和组织结构安排。 第2 章介绍了蜂窝移动通信的一般理论。阐述了蜂窝移动通信的发展历程、 组成以及特点，探讨了几个关键概念。 第3 章详细研究了几种经典信道分配策略，对它们的优缺点进行了比较。然 后讨论了几种其它改进的信道分配策略，最后给出了性能指标。 第4 章、第5 章以前人研究为基础，改进现有策略，分别提出了一种新的信道 分配策略：保护信道和排队相结合的策略、基于抢占优先的保护信道策略。对它 们分别建立了数学模型，进行了理论分析和仿真实验。 最后，对全文的工作进行了总结，并对将来的研究方向和目标进行了展望。 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 第2 章蜂窝移动通信概述 移动通信技术的发展，为人们带来了极大的便捷和自由。蜂窝移动通信的出 现，是移动通信的一次重大突破，它是通信领域中最有活力、最具发展前途的一 种通信方式，是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段。蜂窝移动通信的发 展与普及改变了整个社会的面貌和人们的生活方式，它已成为现代通信领域中不 可或缺的一部分。 2 1 蜂窝移动通信的发展历程 目前，移动通信技术的发展进入了其有史以来的黄金时期。最初，移动通信 缓慢地伴随技术的发展而发展。直到2 0 世纪六七十年代，美国贝尔实验室依据 电波传播损耗与传播距离的四次方成比例的客观依据提出了蜂窝系统的概念和 理论。无线电频谱资源十分有限，能用作移动通信的频段更加有限。在工作频段 受限的情况下，在相距一定距离的地方实现频率复用，并以此构造成一个个无线 覆盖小区，彼此相互无缝隙邻接，恰似蜂窝一样的移动通信覆盖区域，即使频谱 资源受限，理论上，这种移动通信网也可以覆盖全世界1 4 j 。 蜂窝移动通信概念的提出，开辟了频谱资源在地域上重复利用的新途径，从 而使公用陆地移动通信系统( p l m t s ) 的发展成为可能。2 0 世纪7 0 年代以后，大 规模集成电路、微处理器和微型计算机技术得到快速发展，这提供了实现蜂窝移 动通信的技术基础。2 0 世纪8 0 年代初美国提出了模拟系统的国家标准a m p s ， 与此同时，多种基于不同标准的模拟蜂窝移动通信系统也得到了较大的发展。如 英国的t a c s ，日本的n a m t s ，北欧的n m t s ，德国的n e t z c 等。这些系统在 2 0 世纪8 0 年代都得到了快速发展。这是第一代( 1 g ) 蜂窝移动通信系统，即模拟 蜂窝移动通信系统。虽然这些系统具有很多相似的特征，但并没形成一个全球通 用的标准。这一方面是由于公司集团的利益问题；另一方面，各个国家和地区都 选择了与之国情相适应的系统进行研究和无线配置，其中包括各个国家采用不同 的通信频率。我国的移动通信起步较晚，大约在2 0 世纪8 0 年代末。在2 0 世纪 9 0 年代才得到了快速发展，引进了a m p s 和t a c s 等模拟通信系统。 由于模拟系统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差等，已 使得模拟系统无法满足人们的需求了。2 0 世纪9 0 年代初期开发出了基于数字通 信的移动通信系统，即所谓的数字蜂窝移动通信系统，即为第二代( 2 g ) 移动通信 系统。其中有美国的d a m p s 系统和i s 9 5 c d m a 系统、英国的d c s 1 8 0 0 系统、 欧共体的泛欧数字蜂窝移动通信系统( 即g s m 系统) 和日本的p d c 系统。第二代 4 硕十学位论文 蜂窝移动通信系统克服了第一代模拟系统所存在的多个缺陷，因此2 g 系统在推 出初期就备受人们关注，并得到了迅猛的发展。短短的十几年内它几乎完全取代 了模拟移动通信系统，从而成为了全球范围的移动通信系统。目前，g s m 系统 和c d m a 系统是数字蜂窝系统中最具代表性的两个系统。 正当数字蜂窝移动通信系统在全球以前所未有的速度发展的时候，因特网在 全球得到了飞跃性的大发展。为了克服第二代系统因技术局限而无法提供宽带移 动通信业务的缺陷，适应社会经济的发展以及信息的个人化、业务的多样化和综 合化的需求，移动通信的第三代( 3 g ) 系统进入了研制阶段。对第三代移动通信系 统提出了更高的要求：全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖；实现高服务质 量、高保密性能、高频谱效率；提供从低速率的语音到高达2 m b s 的多媒体业 务。多种第三代蜂窝移动通信系统的技术标准被提出。主要包括美国的 c d m a 2 0 0 0 、欧洲的w c d m a 和我国的t d s c d m a 。3 g 采用更先进、更复杂的 技术，以实现更大的通信容量、更高的数据传输速率和多媒体综合业务服务。 然而，在第三代移动通信蓬勃发展之前，国内外移动通信专家们已经开始了 第四代( 4 g ) 移动通信系统的研究和开发工作。2 0 世纪9 0 年代初，欧洲就开始 4 g 移动通信系统的研究，其目标在2 0 1 0 年左右投入商用，速率是1 0 0 m b i t s 。2 0 0 0 年，日本成立了一个专门的委员会，领导日本的有关政府部门、工业部门和大学 研究机构从事4 g 移动通信系统的研究工作和制定4 g 移动通信的标准。4 g 移动通 信系统采用了很多先进技术，包括智能天线、宽带接收机、空时编码、先进的调 制解调技术、高性能的功率放大器等，同3 g 等数字移动通信系统相比，4 g 将具 有更好的业务质量、更高的数据速率、更高的频谱利用率、更高的智能性、更高 的安全性、更高的灵活性。 2 2 蜂窝移动通信系统的组成 蜂窝移动通信系统要实现移动用户与固定用户、移动用户与移动用户，以及 移动用户与互联网用户之间的通信，必须包括无线传输、有线传输以及信息的收 集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、交换控制设备和移动终端 设备等。 图2 1 是典型的蜂窝移动通信系统示意图。移动通信网包括交换网络子系统 ( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 和大量的移动台( m s ) 。移动通信服务是由许多正 六边形小区组成的，呈蜂窝状。 ( 1 ) 交换网络子系统( n s s ) 。交换网络子系统包括移动交换中心( m s c ) 、 归属位置寄存器( h l r ) 、拜访位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、短消息 中心( s m e ) 和操作管理中心( o m c ) 等部分。它是移动通信系统的集中控制 与交换中心，同时也是与公众网的接口。m s c 负责交换移动台( m s ) 各种类型 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 的呼叫，提供连接维护管理中j 心的接口，通过标准接口与基站( b s ) 和其他m s c 相连。移动交换中心控制的区域被叫做m s c 控制区。m s c 还具有支持移动台的 越区切换、支持m s c 控制区之间的漫游以及计费等功能。 图2 1蜂窝移动通信系统 ( 2 ) 基站子系统( b s s ) 。基站子系统包括一个基站控制器( b s c ) 和由它 控制的若干个基站收发信系统( b t s ) 。b s s 负责管理无线资源，实现固网与移 动网之间的通信连接，传送系统信号和用户信息。b s c 单元用来与m s c 进行数 据通信，与m s 在信道上进行数据传输。b t s 属于b s s 的无线部分，由基站控 制器( b s c ) 控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成b s c 与无线信道 之间的转换，实现b t s 与移动台( m s ) 之间通过空中接口的无线传输及相关的 控制功能。b t s 主要由基带部分、载频单元、控制单元三大部分组成，一个b t s 含有若干个收发信单元( t r x ) ，其数目与分配给该小区的载频数相同，与需要 同时通话的用户数有关。b s s 与m s c 之间采用p c m 链路传输数据信号，有时 也可利用光缆或数字微波中继方式传输。 ( 3 ) 移动台( m s ) 。移动台是移动通信系统的重要组成部分，它有车载式、 便携式、手持式等形式。移动台包括移动台物理设备和智慧部件两部分，由收发 信机、频率合成器、数字逻辑单元、拨号按钮和送受活器等组成。它可以自动 扫描基站载频、响应寻呼、自动更换频率和自动调整发射功率等。当移动用户和 固话用户建立呼叫时，移动台与最近的基站之间确立一个无线信道，并通过m s c 与固话建立连接。任何两个移动用户间也要通过m s c 建立连接。 2 3 蜂窝移动通信特点 ( 1 ) 移动通信的电波传播环境恶劣。移动台处在快速运动中，多径传播会 造成瑞利衰落( 又称快衰落) ，接收场强的振幅和相位会快速变化。移动台还经 常处于建筑物与障碍物之间，局部场强中值随地形环境而变动，气象条件的变化 同样会使场强中值随时间变动，这将导致接收信号的阴影衰落( 又称慢衰落) 。 另外，多径传播产生的多径时延扩展，等效为移动信道传输特性的畸变，对数字 6 硕十学何论文 移动通信影响较大。移动通信电波传播的理论基本模型是超短波在平面大地上的 直射波与反射波的矢量合成。 ( 2 ) 多普勒频移会产生附加调制。由于移动台处于运动状态中，因此接收 信号有附加频率变化，即多普勒频移厶，厶与移动体的移动速度有关。若电波 方向与移动方向之间的夹角为0 ，则有 厶= 丢c 。s 0 ( 2 1 ) 其中，1 ，为移动台的运动速度，元为波长。运动方向面向基站时，厶为正值； 反之，厶为负值。当运动速度较高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作 频率越高，频移越大。多普勒频移产生的附加调频或寄生调相均为随机变量，对 信号会产生干扰，在高速移动的电话系统中，多普勒频移影响3 0 0 h z 左右的语 音，足以产生令人不适的失真；多普勒频移对低速数字信号的传输不利，对高速 数字信号的传输则影响不大。一般在地面接收设备中采用锁相技术，以防止多普 勒效应。 ( 3 ) 移动通信受干扰和噪声的影响。移动通信网是多频道、多电台同时工 作的通信系统，当移动台工作时，往往受到来自其它电台的干扰。同时，还可能 受到工业干扰和各种噪声的影响。基站通常有多部收发信机同时工作，服务区内 的移动台分布不均匀，且位置随时在变化，干扰信号的场强可能比有用信号高几 十分贝。通常将近处无用信号压制远处有用信号的现象称为远近效应，这是移动 通信系统中的一种特殊干扰。在多频道工作的网络中，由于收发信机的频率稳定 度、准确度以及采用的调制方式等因素，使相邻或邻近频道的能量的一部分落入 本频道而产生邻道干扰。在组网过程中，为提高频谱利用率，在相隔一定距离后， 要重复使用相同的频率，这种同频道再用技术将带来同频干扰，同频干扰是决定 同频道再用距离的主要因素。移动通信系统中，还存在互调干扰问题，当两个或 多个不同频率的信号同时进入非线性器件时，器件的非线性作用将产生许多谐波 和组合频率分量，其中与所需频率相同或相近的组合频率分量会顺利地通过接收 机而形成干扰。 ( 4 ) 频谱资源紧缺。在移动通信中，用户数与可利用的频道数之间的矛盾 特别突出。为此，除开发新频段外，应该采用频带利用率高的调制技术。例如采 用各种窄带调制技术，以缩小频道间隔；在空间域上采用频率复用技术；在时间 域上采用多信道共用技术等。频率拥挤是影响移动通信发展的主要因素之一。 ( 5 ) 建网技术复杂。移动台可以在整个移动通信服务区域内自由运动，为 实现通信，交换中心必须知道移动台的位置，为此，需采用“位置登记”技术；移 动台从一个蜂窝小区进入另一个小区时，需进行频道切换( 亦称越区切换) ；移动 台从一个蜂窝网业务区移入另一个蜂窝网业务区时，被访蜂窝网也能为外来用户 7 蜂窝移动通信系统信道分配策略研究 提供服务，这种过程称为漫游。移动通信网为满足这些要求，必须具有很强的控 制功能，如通信的建立和拆除，频道的控制和分配，用户的登记和定位，以及越 区切换和漫游控制等。 2 4 蜂窝移动通信关键概念 2 4 1 小区制 早期的公用移动电话系统采用大区制工作方式，虽然服务半径大到几十公 里，但容纳的用户数有限，通常只有几百用户。为了解决有限频率资源与大量用 户的矛盾，提出了小区制的概念。 将一个大区制覆盖的区域划分成若干小区，由若干小区构成的覆盖区叫区群 ( c l u s t e r ) 。由于区群的结构酷似蜂窝，因此将小区制移动通信系统叫做蜂窝移 动通信系统。每个蜂窝小区中设置基站( b s ) 。b s 与处在本小区的移动台( m s ) 间建立通信。由于小区的覆盖半径比较小，因此可用较小的发射功率实现b s 和 m s 之间的双向通信。如果给每个基站提供一些信道，则每个小区可容纳的移动 用户数可达几十甚至几百个，这样，由若干小区构成的通信系统的总容量将大大 提高。 从理论上讲，可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源， 且频谱利用率很低。为了减少对频率资源的需求和提高频谱利用率，需要将相同 的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只要使用相同频率的小区( 同频小区) 之间的干扰足够小即可。 小区制蜂窝覆盖与大区制相比具有以下优点：( 1 ) 可将覆盖区域无限扩展， 使服务区不受地域限制。( 2 ) 可提高系统容量。以区群为蜂窝结构及逆行的频率 复用，可实现频率资源的有效利用。 2 4 2 频率复用 频率复用是蜂窝移动通信系统的核心概念。频率复用的原理是基于无线电波 传播路径损耗特性的，即如果两个基站之间距离足够大，那么用于一个基站的频 率可以在另一个基站上复用，这样可以大大提高频谱的利用率。 在频分制的蜂窝系统中，每个小区占有一定的频带，而且各个小区占用的频 带是不同的。假设每个小区分配一组载波频率，为避免相邻小区之间产生干扰， 各个小区的载波频率应不相同。因为频率资源是有限的，所以当小区覆盖不断扩 大，小区数日不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，在小区制蜂窝覆 盖结构中，采用了空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，以提高频率资 源的利用率。即将若干个小区组成一个区群，区群内的每个小区占有不同的频率。 别的区群可重复使用相同的频带。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频 8 硕十学位论文 干扰，但是，当同频小区之间的距离足够大时，可以消除同频干扰。因此，对区 群的划分有如下条件： ( 1 ) 区群由一组载波频率不同的小区组成； ( 2 ) 区群的几何形状可以构成无缝隙的更大的覆盖区域，并能够无限制扩 展； ( 3 ) 区群内的任何相邻小区的载波频率不同； ( 4 ) 区群间的同频小区间的距离应保持相等，且满足上述条件的区群结构 以及区群内的最大小区数n 应满足 n = a 2 + a b + 6 2( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，a 和6 为相邻同频道小区间的间隔小区数，均为非负整数，且 不同时为零。允许的区群数目n = 1 ，3 ，4 ，7 ，9 ，1 2 ，图2 2 给出了为不同值时的 正六边形蜂窝的区群结构。 n = 7n = 1 2 图2 2 正六边形蜂窝的区群结构 区群间同频小区间的距离d 由下式计算： d ：压而 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，为区群中的小区数，也叫频率复用系数；r 为小区的半径。 当频率复用时，因相邻通信小区应使用相同的载波频率，相互间所造成的通 信干扰叫做同道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。为保证通信质量，要求接收端处 的有用信号和干扰信号满足一定的载干比。影响载干比的因素是区群结构和小区 覆盖，若同信道小区的距离为d ，小区半径为r ，则可用同道干扰衰减因子g 来 表征，有 q = o r ( 2 4 ) 在系统设计时，本小区载波信号最大传播距离为r ，m 个同频小区干扰信 号的传播距离为d ，若路径损耗按距离的4 次方计算，则载干比c ，可表