移动通信组网原理

1、第三章 移动通信组网原理 3.1 多信道共用技术 3.1.1 话务量与呼损率 1.话务量 话务量：是度量通信系统业务量或繁忙程 度的指标，是指单位时间内（1小时）进 行的平均电话交换量。 话务量分为流入话务量和完成话务量。 若话务量A表示，则 A=S （2-88） S：每次呼叫平均占用信道的时间，单位为“小 时/次”。 ：每小时的平均呼叫次数（流入话务量），单 位为 “次/小时”。 话务量A是无两纲的量，命名为“爱尔兰”简 称Erl。 如果一个小时内不断地占用一个信道，则其呼 叫话务量为1爱尔兰，是一个信道具有的最大 话务量。 设在100个信道上，平均每小时有2100次呼 叫，平均每次呼叫时间

2、为2分钟，则这些 信道上的呼叫话务量为 2. 呼损率 设完成话务量用A0表示，则 A0=0S (2-89) 0：单位时间内呼叫成功的次数。 ErlA70 60 22100 则呼损率B为 呼损率也称通信网的服务等级。呼损 率越小，成功呼叫的概率越大，服务等 级越高。但是，呼损率和流入话务量是 相互矛盾的，也即服务等级和信道利用 率是矛盾的，使呼损率变小，只有让流 入的话务量小，要折中处理。 )902( 00 A AA B 如果呼叫有以下性质： 1.每次呼叫相互独立，互不相关（呼叫具有随 机性）； 2.每次呼叫在时间上都有相同的概率；并假定 移动通信系统的信道数为n； 则呼损率可用爱尔兰呼损公式计

3、算 该式就是电话工程中的爱尔兰公式。 )912( !/ !/ 1 n i i n iA nA B 信道的利用率：每小时每信道的完成话 务量。 利用率提高可以使呼损率B加大，利用 率的提高要与呼损率综合考虑。 )922( )1 ( 0 n BA n A 呼损率和话务量与信道数及信道利用率 的关系如书 P128表5-2， 由表可见，B一 定的条件下，随n的增大，A不断增加。 随n 的加大而增长； n6时， A随n接近线性规律增长； n8之后，增长很慢； 因此同一基站的共用信道数不宜过多。 3. 用户忙时的话务量 繁忙小时集中度k（集中系数）：忙时 话务量与全日的话务量之比。 设最忙的时间为1小时，

4、则k取10%至15%， 每用户的忙时话务量为 全日话务量 忙时话务量 k )932( 3600 1 kTCa C：通信网中每一用户每天平均呼叫次数 （次/天）。 T：每次呼叫的平均占用信道时间(秒/次）。 3.1.2 每个信道能容纳的用户数 每个信道所能容纳的用户数m为 )942( 3600 / kTC n A a nA m 由书中P129表5-3可以看出，增加呼损率B， 能够容纳更多的用户（加大流入的话务 量）,但服务等级下降。 3.2 移动通信环境下的干扰 在移动通信的无线网设计中，解决无线 覆盖区和无线电干扰是两大难题。 无线电干扰一般分为同频道干扰、邻频 道干扰、互调干扰、阻塞干扰和近

5、端对 远端的干扰等 。 1. 同频道干扰：所有落在收信机通带内的 与接收信号频率相同或相 近的干扰信号。 基本措施：是通过基站站址布局（保持 同频复用距离）、合理的覆盖区设计及 频道配置。 2. 邻频道干扰 工作在频道的接收机受到工作于土1 频道的信号的干扰，即邻道(k土频道） 信号功率落入频道的接收机通带内造 成的干扰称为邻频道干扰。 解决措施： (1）降低发射机落入相邻频道的干扰功 率，即减小发射机带外辐射； (2) 提高接收机的邻频道选择性； (3) 在网络设计中，避免相邻频道在同一小 区或相邻小区内使用。 互调干扰 在专用网和小容量网中，互调干扰 可能成为组网较关心的问题。 两类互调干

6、扰：发射机互调干扰和接收 机互调 干扰。 （1）发射机互调于扰 一部发射机发射的信号进入了 另一部发射机，并在其末级功放的 非线性作用下与输出信号相互调制， 产生不需要的组合干扰频率，对接 收信号频率与这些组合频率相同的 接收机造成的干扰，称为发射机互 调干扰。 （2）接收机互调干扰 当多个强干扰信号进入接收机 前端电路时，在器件的非线性作用 下，干扰信号互相混频后产生可落 入接收机中频频带内的互调产物而 造成的干扰称为接收机互调干扰。 三阶互调干扰 一般非线性器件输出电流ic与电压的关 系为 ak： 非线性器件的特性系数，通常 a1a2a3 假设有两个信号同时作用于非线性器件， 即 tBtA

7、u BA coscos 3 3 2 210 uauauaaic ic式 失真项为 在n=3 三阶失真项中，会出现 这两种组合干扰对接收机的影响比较大， 并称为三阶互调干扰。 , 4 , 3 , 2)coscos( ntBtAa n BA n n 0 0 2 2 AB BA 4 阻塞于扰 当外界存在一个离接收机工作频率 较远，但能进入接收机并作用于其前端 电路的强干扰信号时，由于接收机前端 电路的非线性而造成对有用信号增益降 低或噪声增高，使接收机灵敏度下降的 现象称为阻塞干扰。这种干扰与干扰信 号的幅度有关，幅度越大，干扰越严重。 当干扰电压幅度非常强时，可导致接收 机收不到有用信号而使通信中

8、断。 5. 近端对远端的于扰 当基站同时接收从两个距离不同的 移动台发来的信号时，距基站近的移动 台（距离2)到达基站的功率明显要大 于距离基站远的移动台 （距离 1， d2d1）的到达功率，若二者频率相近， 则距基站近的移动台就会造成对距基 站远的移动台的有用信号的干扰或仰 制，甚至将移动台的有用信号淹没。 这种现象称为近端对远端干扰（远近效 应）。 3.3 区域覆盖和信道分配 移动通信网：是承接移动通信业务的网 络，主要完成移动用户之间、移动用户 与固定用户之间的信息交换。信息交换 包括话音、数据、传真和图象等。 移动通信网的服务区域覆盖可分为两类： 1. 小容量的大区制； 2. 大容量的

9、小区制（蜂窝系统）。 3.3.1 大区制 大区制：在一个服务区域内只有一个或 几个基站(BS)。 基站作用：负责移动通信的联络和控制。 大区制移 动通信 R： 分 集 接 收 站 特点：天线架设得高；发射机输出功率 大（200W)；服务区内所有频道都不能重 复；覆盖半径大约为30km至50km。 优点：组成简单，投资少，见效快。 缺点：服务区内的所有频道（一个频道 包含收、发一对频率）的频率都不能重 复，频率利用率和通信容量都受到了限 制。 适用范围：主要用于专网或用户较少的 地域。 3.3.2 小区制 小区：把整个服务区域划分为若干个无 线小区（cell)，每个小区分别设置一个基 站。半径2

10、至20km，小的1至3km、500m. 功率：5至20W. 基站作用：负责本区移动通信的联络和 控制，又可在移动业务交换中心（ ）的统一控制下，实现小区之间移动 用户通信的转接，以及移动用户与市话 用户的联系。 区群：由采用不同信道的若干小区 组成的覆盖区域。 频率复用：将相同的频率在相隔一 定距离的小区中重复使用。 要求：使用相同频率的小区（同频 小区）之间干扰足够小，只有不同 区群中的小区才能进行频率复用 （或信道再用）。 n频制：称采用不同信道的n个小区 组成的区群为n频制。 1. 带状网 适用范围：用于覆盖铁路、公路和海岸线 等 a：采用有向天线 b. 采用全向天线 带状网的同频干扰

11、r ：小区半径； ds：信号传输距离； n ：一个区群内小区的个数。 a ：相邻小区的交叠宽度； d1 ：同频干扰传输距离； I/S：干扰信号比。 最不利情况下，同频干扰： 2. 蜂窝网 (1) 小区形状 正多边形无空隙、无重叠小区覆盖的三种 形状。 三种形状小区比较 在服务区域一定的情况下，用正六边形 小区所需的基站最少。 蜂窝网：小区形状为正六边形的移动通 信网。 蜂窝移动通信网 (2) 区群组成 组成：由采用不同信道的若干小区 组成。区群附近的若干小区 不能用相同的信道。 应满足的两个条件： a. 区群之间可以相邻，且无空隙、无 重叠覆盖； b. 保证各相邻小区之间的距离相等。 区群内的

12、小区数应满足： i, j：正整数。 22 jijiN （3）同频小区的距离 同信道小区中心之间的距离 R：小区辐射半径；N： 小区数。 区群内小区数N越大，D越大，抗干扰强。 rN rjiji iijrD 3 )(3 )2/3()2/(3 22 22 j i (4) 中心激励与顶点激励 a.中心激励 （采用全向天线） b. 顶点激励 （采用定向天线） 采用定向天线可以减少同道干扰；消除 小区内障碍物的阴影区。 （5）小区的分裂 无线小区还可以继续划小为微小区 （Microcell)和微微小区(Piccell)以不断适 应用户数增长的需要。 若系统中 所有小区都按原小区半径的 一半分裂，则理论上

13、，系统容量增长接 近4倍。 根据服务区内用户的密度不同，在用户 密度高的区域，将小区面积划小，采用 小区分裂的方法。 小区制的优点： 1. 提高了频谱利用率（最大的优点）； 2. 基站的功率减小，使相互间的干扰减少； 3. 小区的服务范围可根据用户的密度确定 定，组网灵活。 3.3.2 信道配置 信道(频道)配置：主要解决将给定的信 道（频率）如何分配给在一个区群的各 小区。（针对FDMA、TDMA系统） 信道配置的方式：分区分组配置法和等 频间距配置法 1. 分区分组配置法 配置原则： （1） 尽量减少占用的总频段。 （2） 同一区群内不能使用相同的信道； （3） 小区内采用无三阶互调的相容

14、信道。 相容信道：无三阶互调干扰的信道。 例如：假设频段以等间隔划分为信道，按 顺序标明信道的号码N=1,2,3,4,，若每 个区群7个小区，每个小区6个信道，按 上述原则进行分配，可得： 可以利用频道序号的差值有无相同，判 别一组频道中是否存在三阶互调干扰。 如果存在三阶互调干扰，则 di,x=dk,j i,j,k,x：；频道序号； di,x ，dk,j：频道序号差值。 利用计算机搜索来得到无三阶互调干 扰的相容信道。上面的例题使用42信道 并且只占用42信道的频段，是最佳的分 配方案。（在很多方案中占用信道数大 于需要信道数。） 缺陷：由于出发点是避免三阶互调干扰， 没考虑同一信道组的频率

15、间隔，可能会 出现较大的邻道干扰。 2. 等频距配置法 等频距配置法：按等频率间隔来配置信道。 只要频距选得足够大，就可以有效地 避免道干扰和互调干扰（虽然这样的频率 配置可能正好满足产生互调的频率关系 di,x=dk,j，但频距大，接收机滤波器可以滤 除干扰）。 若需要个信道，将其分为个信 道组，则每个信道组中有M/N个信 道，(小区个数)个信道组的信道序 列号可以确定如下： K+jN =1,2,3,N；j =0,1,2,3,， (M/N)-1 K：信道组的序列号。 例如=，则信道的配置为； 第一组 、 第二组 、 第三组 、 、 第四组 、 、 第五组 、。 、 第六组 、 、 第七组 、

16、 、 最小频率间隔为 个信道间隔，若 信道间隔为 25kHz，则最小频率间 隔可达175kHz，接收机的输入滤波 器便可有效地抑制邻道干扰和互调 干扰。 我国GSM网和TACS网均采用了这种 方法 若采用定向天线，每个基站应配置 三组信道，例如 =7，每个区群就 需有 个信道组。 3.3.3信道分配策略 两类信道分配策略：固定的信道分配策略 和动态的信道分配策略。 1. 固定的信道分配策略：将一组信道固定 配置给某一基站。 优点：控制方便，投资少。 缺点：信道利用率低。 2. 动态的信道分配策略:信道不固定或部分 不固定地配置给各基站。 可分为动态配置和柔性配置。 1. 动态配置：随业务量的变

17、化重新配置全 部信道（信道全部不固定） 。 2. 柔性配置：准备若干个信道，需要时提 供给某小区（信道部分不固定）。 动态配置法的优、缺点： 优点：频率利用率高； 缺点：控制复杂。(考虑各类干扰、计算、 存储和设备因素） 3.4 网络结构 3.4.1 基本结构 移动用户基站交换机固定网络固定用 移动用户基站交换机基站移动用户 通常每个基站要同时支持50路话音呼叫， 每个交换机可以支持近100个基站，交换 机到固定网络之间需要5000个话路的传 输容量。 交换机组成和基本原理 (a) 交换机的组成(b)交换机的基本原理 交换机（移动交换中心MSC)功能：除具 备常规交换机的功能外，还负责移动性

18、管理和无线资源管理。如越区切换、漫 游、用户位置登记管理等。 基站的组成 模拟蜂窝移动通信网由三大部分组成： 移动交换局(MTSO)（移动交换中心(MSC)）、 基站(BS)和移动台(MS). 公众通信网 MS BS BS MS BS BS MSC MSC 移动交换中 心或 移动电话交 换局MTSO 基站移动台 移动通信网 MS MS 3.4.2 数字蜂窝移动通信网的网络结构 1. 网络功能示意图 基站子系统网络子系统 2. 网络移动管理示意图 服务区 服务区 MSC MSC 位置区 位置区 基站 基站 移动通信网 PLMN PLMN 公用陆地移动通 信网 二级移动汇接局 一级移动汇接局 二级

19、移动汇接局二级移动汇接局 移动端局移动端局 移动端局 3. 多服务区的网络结构 移动台（MS）：移动通信设备； 基站收发信台（BTS）：由无线收发机 及多块用于无线电接口的信号处理模块 组成； 基站控制器（BSC）：主要任务是实现 频率管理及BTS的控制和交换功能，主 要有无线信道的安排和释放，切换的安 排。它监视和控制几个基站； 基站分系统（BSS）：包括基站收发信台 （BTS）和基站控制器（BSC）； 原籍位置寄存器（HLR）：用于移动用 户的数据库。每一个移动网有一个HLR。 HLR所存储的用户信息分为两类： （1）永久信息。如用户的类别、业务信息、 用户的各种号码、识别码(IMSI)和

20、用 户的保密参数等。 （2）用户当前位置的临时信息。如移动用 户临时识别码(TMSI)、移动用户的漫游 号(MSRN)、VLR地址等，用于建立至移 动台的呼叫路由。存储在HLR中的数据 由授权维护人设置 HLR的主要责任： 对在HLR中登记的移动台(MS) 的所有用户参数的管理、修改等； 计费管理； VLR的更新。 访问位置寄存器（VLR）：是访问者位 置登记器，存储用户位置的动态数据库。 包含当前MSC服务的移动用户的所有有 关数据，通常一个移动交换(MSC)区有一 个VLR。VLR的永久数据与HLR中的相 同，临时性数据略有不同。临时性信息 包括当前已激活的特性、临时用户识别 号(TMSI

21、)、移动台漫游号(MSRN)、所在 位置区的标志以及向用户提供的服务参 数等， 是动态数据库。 主要责任： 移动台漫游号管理； 临时移动台标识管理； 访问的移动台用户管理； HLR的更新； 管理MSC区，位置区及基站区； 管理无线信道（如信道分配表、 动态信道分配管理、信道阻塞状 态）。 认证中心（AUC）：认证移动用户的身 份以及产生相应认证参数的功能实体。 参数包括随机号码（RAND)、期望的响 应(SRES)和密钥KC等。 设备标志寄存器（EIR）：存储有关移 动台设备参数的数据库。实现对移动台 设备的识别、监视、闭锁等功能，防止非 法移动台使用。 操作维护中心（OMC）：网络操作维护

22、人员对全网进行监控和操作的功能实体。 接入MSC和BSC，处理来自网络的错误 报告，控制BSC和BTS的业务负载。 OMC通过BSC对BTS进行设置并允许操 作者检查系统的相连部分。 移动交换中心（MSC）；是无线电系统 与公共电话交换网之间的接口设备，完 成所有必须的信令功能，以建立与移动 台的往来呼叫。主要责任是： （1）路由选择管理； （2）计费和费率管理； （3）业务量管理； （4）向原籍位置寄存器(HLR)发送有关业 务量信息和计费信息。 公共交换电话网（PSTN）； 综合业务数字网（ISDN）； 公共数据网（PND）。 蜂窝移动通信系统接口 接口的主要功能： Sm：用户与移动网之间

23、的接口，也称人 机接口。在移动设备中包括键盘、 液晶显示以及实现用户身份识别 功能的部件(SIM卡)。 Um：移动台与基站收发信机之间的无线 接口，也称无线接口或空中接口。 它包含信令接口和物理接口两方面 的含义。无线接口的不同是数字移 动网与模拟移动网的主要区别之一。 A接口：基站与移动交换中心之间的接口， 此接口所传递的主要信息有基 站管理、呼叫处理与移动特 性管理等。 A-bis：基站控制器(BSC)与基站收发信机 (BTS)之间的接口。此接口支持所 有向用户提供的服务，并支持对 BST无线设备的控制和对无线资源 的分配。 B接口：移动交换中心(MSC)与访问 位置寄存器(VLR)之间的

24、接口。当 MSC需要知到某个移动台的当前位 置时，就查寻VLR；当移动台启动 与某个MSC有关的位置更新程序时， MSC 就会通知存储着有关信息的 VLR；当用户使用特殊的附加业务 或改变相关的业务信息时，MSC也 通知VLR，需要时，更新相应的 HLR。 接口：移动交换中心(MSC)与归属位置 寄存器(HLR)之间的接口，此接口用于传 递管理与路由选择的信息。呼叫结束时， 相应的MSC向HLR发送计费信息。 接口：归属位置寄存器(HLR)与访问位 置寄存器(VLR)之间的接口。此接口用于 有关移动台位置和用户管理的信息交换。 为支持移动用户在整个服务区内发起或 接收呼，两个位置寄存器问必须交

25、换数 据。VLR通知HLR某个归属它的移动台 的当前位置，提供该移动台的漫游号码； HLR向VLR发送支持对该移动台服务所 需要的所有数据。当移动台漫游到另一 个VLR服务区时，HLR应通知原先为此 移动台服务的VLR消除有关信息。当移 动台使用附加业务，或者用户要求改变 某些参数时，也要用接口交换信息。 接口：移动交换中心之间的接口。此 接口主要用于MSC之间交换有关越区切 换的信息。 接口：移动交换中心(MSC)与设备标志 寄存器(EIR)之间的接口。此接口用于 MSC与EIR之间交换有关移动设备管理的 信息，例如国际移动设备识别码等。 接口：访问位置寄存器VLR之间的接 口。当某个移动台

26、使用临时移动台标识 号(TMSI)在新的VLR中登记时，G接口用 于在VLR之间交换有关信息。此接口还 用于向分配TMSI的VLR检索此用户的国 际移动用户识别码(IMSC)。 Um接口协议模型举例 未来移动通信网络结构应分为三个层次： 1. 最底层为通用信息接入网络，它能使人 们利用各种空中接口标准，在不同的环 境下（如室内、室外、卫星等）都能接 入到网络中； 2. 宽带信息传输网络（也称为核心交换网 络），它能有效地运载大量用户的多种 类型多种速率的业务和高效地处理高密 度和高速移动的用户的呼叫，同时还能 运载和处理大量的用户移动性管理等的 控制和管理负荷； 3. 最高层为业务管理（控制）

27、网络，它不 仅能过提供现有网络的管理，还能为用 户提供生成自行设计的新业务的能力和 在网络中迅速引入这些新业务的能力. 两个支持网路： 1. 智能信令控制网络，它提供用户和网络 之间的虚电路/信道的连接和同步。、 智能路由和特殊的网络业务； 2. 统一的网络管理，它提供全网的运行、 维护和管理，对保证服务质量和无限资 源的最佳监测和使用是必要的。 3.5 信令 信令：为使通信网有序地工作所传输的 控制信号。 信令作用：信令在通信网的不同环节 （BS、MS和MSC)之间传输，各环节进 行分析处理并通过交互作用形成一系列 的操作和控制，保证用户信息有效、可 靠地传输。 信令分两种： 接入信令: 用

28、户到网络节点间的信令,在 移动通信中是指移动台到基站之间的信 令； 网络信令: 网络节点之间的信令,在移动 通信中网络信令称7号信令(SS7)。 3.5.1 接入信令 信令按信号形式可分为数字信令和音频信 令(模拟信令)。 一、数字信令 主要用于模拟系统，经调制后，在无线信 道上传输。 P SWA或DSP 常用的信令格式 二、音频信令 音频信令是由不同音频信号组成的。分单 音频信令、双音频信令和多音频信令。 1. 带内单音频信令 带内单音频信令：用0.33kHz范围内不同 的单音作为信令。 2.带外亚音频信令 带外亚音频信令：采用低于0.3kHz的单音 作为信令。 3. 双音频拨号信令 拨号信

29、令：移动台主叫时发往基站的信令。 拨号信令常采用的方式有单音频脉冲和 双音频脉冲。 单音频脉冲方式：用拨号盘使2.3kHz的 单音按脉冲方式发送。 双音频脉冲：采用两个不同频率范围的 单音频脉冲组合。 十取一：用话带内的10个单音，每一个 单一音代表一个十进制的数。 五取二：用话带内的5个单音，每次同时 选播两个单音。共有C52=10种组合，每 一组和代表一个十进制数。 43方式(双音多频DTMF方式):：用话带 内的7个单音，把它们分为高音群和低音 群，用高音群的一个单音和低音群的一 个单音来代表一个十进制数，进行发送。 三、信令传输协议 数字蜂窝移动通信系统链路层信息帧格式 GSM链路层信

30、息帧控制字段构成 N(R)：接收机序列号； N(S)：发射机序列号； S：监督功能比特； U：无序号功能比特； P/F：查询/终止比特。发送命令时为查询比 特，发送响应时为终止比特。 信令的传输方式有两种： (1)无证实（无应答）信息传输方式； (2)有证实(应答)信息传输方式. 3.5.2 网络信令 7号信令：主要用于交换机之间、交换机与 数据库（如HLR、VLR和 AUC)之间交换 信息。 三个组成部分： (1)信令点（SP -Packet Switched Public Data Network )包括业务交换点（SSP- Service Switching Point )和业务控制点 （SCP-Service Control Point ) (2)信令链路 (3)信令转移点(STP) 7号信令网 HLR-Home Loca