第3章蜂窝移动通信的组网技术

1、第第3章章 蜂窝移动通信的组网技术蜂窝移动通信的组网技术本章提示本章提示v 组网过程中必须解决如下一系列技术问题，才能组网过程中必须解决如下一系列技术问题，才能使网络正常运行：使网络正常运行：v（1）频率资源的管理与频率的有效利用问题；）频率资源的管理与频率的有效利用问题；v（2）蜂窝网同频复用与同道干扰问题；）蜂窝网同频复用与同道干扰问题；v（3）多信道、多用户共用与多址接入问题；）多信道、多用户共用与多址接入问题；v（4）用户移动性与网络移动性的管理问题；）用户移动性与网络移动性的管理问题；v（5）有限的频率资源与越来越多的通信容量要求）有限的频率资源与越来越多的通信容量要求问题；问题；v

2、（6）PLMTS网与公用电话网、网与公用电话网、ISDN、PDN以及与以及与其他移动网的互联、互通问题；其他移动网的互联、互通问题；v（7）信令网与网络智能化问题等。）信令网与网络智能化问题等。第第3章章 蜂窝移动通信的组网蜂窝移动通信的组网技术技术v3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信通信v3.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖蜂窝小区的概念和区域覆盖v3.3 干扰和信道容量干扰和信道容量v3.4 移动通信中的多址技术移动通信中的多址技术v3.5 蜂窝移动通信的交换技术蜂窝移动通信的交换技术v3.6 蜂窝移动通信的信令技术蜂窝移动通信的信令技术v3.7

3、蜂窝移动通信网综述蜂窝移动通信网综述3.1 频率资源的有效利用和蜂窝频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信小区的组网通信 v3.1.1 频率资源的管理频率资源的管理v3.1.2 频率的有效利用技术频率的有效利用技术v3.1.3 多信道共用技术多信道共用技术3.1 频率资源的有效利用和蜂窝频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信小区的组网通信 v当前移动通信发展所遇到的最突出问题，就当前移动通信发展所遇到的最突出问题，就是是如何将有限的可用频率有秩序地提供给越如何将有限的可用频率有秩序地提供给越来越多的用户使用而不相互干扰来越多的用户使用而不相互干扰，这就涉及，这就涉及到频率的管理与有效利用。到频

4、率的管理与有效利用。 3.1.1 频率资源的管理频率资源的管理 v频率是一种特殊资源。它并不是取之不尽的。频率是一种特殊资源。它并不是取之不尽的。频率有一些特殊的频率有一些特殊的性质：性质：无线电频率资源不是消耗性的无线电频率资源不是消耗性的电波传播不分地区与国界电波传播不分地区与国界具有时间、空间和频率的三维性具有时间、空间和频率的三维性在空间传播时容易受到来自大自然和人为的在空间传播时容易受到来自大自然和人为的各种噪声和干扰的污染。各种噪声和干扰的污染。3.1.1 频率资源的管理频率资源的管理 v频率的分配和使用需在全球范围内制定统一的规则。频率的分配和使用需在全球范围内制定统一的规则。v

5、移动电话使用移动电话使用频段频段主要在主要在150MHz、450MHz和和900MHz、1800MHz、1900MHz频段。频段。v双工移动通信网规定工作在各频段的收、发双工移动通信网规定工作在各频段的收、发频差频差 分别为：分别为：VHF频段为频段为5.7MHz，UHF450MHz频段为频段为10MHz；UHF 900MHz频段为频段为45MHz。v同时规定基站对移动台（下行链路）为发射频率高，同时规定基站对移动台（下行链路）为发射频率高，接收频率低；反之，移动台对基站（上行链路）为接收频率低；反之，移动台对基站（上行链路）为发射频率低，接收频率高。发射频率低，接收频率高。3.1.2 频率的

6、有效利用技术频率的有效利用技术 v频率的有效利用就是从时间域、空间域和频频率的有效利用就是从时间域、空间域和频率域这三个方面采用多种技术，以设法提高率域这三个方面采用多种技术，以设法提高频率的利用率。频率的利用率。v（1）时间域的频率有效利用）时间域的频率有效利用v（2）空间域的频率有效利用）空间域的频率有效利用v（3）频率域的频率有效利用）频率域的频率有效利用3.1.2 频率的有效利用技术频率的有效利用技术 v频率域频率域的频率有效利用两种方法：的频率有效利用两种方法：v-信道的窄带化信道的窄带化v-宽带多址技术宽带多址技术v宽带多址技术：宽带多址技术： 频分多址（频分多址（FDMA） 时分

7、多址（时分多址（TDMA） 码分多址（码分多址（CDMA） 以及它们的组合等。以及它们的组合等。3.1.3 多信道共用技术多信道共用技术 v1呼叫话务量与忙时话务量呼叫话务量与忙时话务量 v话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。v话务量话务量是指单位时间内（是指单位时间内（1小时）进行的平均电话小时）进行的平均电话交换量。交换量。v话务量分为话务量分为流入话务量流入话务量和和完成话务量完成话务量。 1呼叫话务量与忙时话务量呼叫话务量与忙时话务量 v若话务量若话务量A表示，则表示，则 A=Ct0 C：每小时的平均呼叫次数（包括呼叫成功和失败的次数

8、）。：每小时的平均呼叫次数（包括呼叫成功和失败的次数）。 t0：每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续时间和通话时间）。每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续时间和通话时间）。p如果以如果以t0小时为单位，则话务量小时为单位，则话务量A的单位是的单位是Erl。p 如果一个小时内不断地占用一个信道，则其呼叫话如果一个小时内不断地占用一个信道，则其呼叫话务量为务量为1Erl(爱尔兰爱尔兰) ，是一个信道具有的最大话务，是一个信道具有的最大话务量。量。1呼叫话务量与忙时话务量呼叫话务量与忙时话务量 v用户忙时话务量用户忙时话务量是指一天中最忙的那个小时（即是指一天中最忙的那个小时（即“忙时忙时”），每个

9、用户的平均话务量，用），每个用户的平均话务量，用AB来来表示。表示。AB是一个统计平均值。是一个统计平均值。v将忙时话务量与全日话务量之比称为集中系数，将忙时话务量与全日话务量之比称为集中系数，用用K表示。因为表示。因为K反映了这个通信系统反映了这个通信系统“忙时忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。的比例。v 每个用户忙时话务量：每个用户忙时话务量： （Erl）vC为每个用户每天平均呼叫次数；为每个用户每天平均呼叫次数；T为每次呼叫为每次呼叫平均占用信道的时间（平均占用信道的时间（s）。）。3600BC KTA2容量容量 v在多信道

10、共用时，容量有两种表示法。在多信道共用时，容量有两种表示法。v系统所能容纳的用户数（系统所能容纳的用户数（M）为）为v每个信道所能容纳的用户数（每个信道所能容纳的用户数（m）为）为BAMABMAmnnA3呼损率呼损率 v在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼叫损失概率，简称呼损率呼损率，记为，记为B。v呼损率的计算方法呼损率的计算方法利用完成话务量利用完成话务量Erlang BErlang B公式公式3呼损率呼损率v利用完成话务量计算呼损率：利用完成话务量计算呼损率：v设设A为呼叫成功而接通电话的话务量，简称为呼叫成功而接通电话的话务量，简

11、称 完成话务量完成话务量。C0为为1小时内呼叫成功而通话的次小时内呼叫成功而通话的次数，数，t0为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成话务量为话务量为 A=C0t0v呼损率为呼损率为 B =0iCCCAAACC3呼损率呼损率 如果呼叫具有下列性质：如果呼叫具有下列性质：v每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性；每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性；v每次呼叫在时间上都有相同的概率；每次呼叫在时间上都有相同的概率；v每个用户选用无线信道是任意的，且是等概的，则呼损率可按下式每个用户选用无线信道是任意的，且是等概的，则呼损率可按下式计算：计算：v其中

12、，其中，n为共用信道数，即系统容量（电路数量）。为共用信道数，即系统容量（电路数量）。20!1.1!2!nnniniAAnnBAAAAni3呼损率呼损率v根据根据Erlang B公式，知道三个参数公式，知道三个参数A、B和和n中的任何两中的任何两个，就可以从爱尔兰呼损表查出需要的第三个参数。个，就可以从爱尔兰呼损表查出需要的第三个参数。B1%2 %5 %10 %20 %nAAAAA10.01010.0200.0530.1110.2551.3601.6572.2192.8814.010104.4605.0926.2167.5119.6852012.03113.18115.24917.16321.

13、635表表3-1 爱尔兰呼损表爱尔兰呼损表3呼损率呼损率 v呼损率也称通信网的服务等级。呼损率越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。小，成功呼叫的概率越大，服务等级越高。呼损率和话务量是相互矛盾的，也即服务呼损率和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。等级和信道利用率是矛盾的。4信道利用率信道利用率 v多信道共用时，信道利用率是指每个信道平多信道共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量。因此均完成的话务量。因此v如果已知如果已知B、n，根据表，根据表3-1可算出可算出A值，然后值，然后由上式求出由上式求出 。 (1)AAnnB3.2

14、蜂窝小区的概念和区域蜂窝小区的概念和区域覆盖覆盖 v3.2.1 蜂窝小区的概念蜂窝小区的概念v3.2.2 大区制小容量大区制小容量v3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统频率复用和小区制移动通信系统3.2.1 蜂窝小区的概念蜂窝小区的概念 v蜂窝的概念蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。内的一小部分覆盖。v移动通信网的区域覆盖方式分为两类：移动通信网的区域覆盖方式分为两类：v小容量的大区制小容量

15、的大区制v大容量的小区制大容量的小区制 3.2.2 大区制小容量大区制小容量 大区制是指一个基站覆盖整个服务区。大区制是指一个基站覆盖整个服务区。 如下图所示。如下图所示。 大区制移动通信示意图大区制移动通信示意图3.2.2 大区制小容量大区制小容量v为了增大通信用户量，大区制通信网只有增为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数（装备量也随之加大），但多基站的信道数（装备量也随之加大），但这总是有限的。这总是有限的。v大区制小容量制式的控制方式简单，设备成大区制小容量制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用

16、移动通信网可选用的制式。门，是发展专用移动通信网可选用的制式。3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v小区制小区制就是把整个服务区域划分为若干个小就是把整个服务区域划分为若干个小区，每个小区设置一个基站，负责本小区内区，每个小区设置一个基站，负责本小区内移动通信的联络和控制，同时还要在几个小移动通信的联络和控制，同时还要在几个小区间设置移动业务交换中心。区间设置移动业务交换中心。3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统 小区制移动通信示意图小区制移动通信示意图3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统小区制移动

17、通信系统的频率复用和覆盖有两种：小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种：v 带状服务覆盖区带状服务覆盖区 面状服务覆盖区面状服务覆盖区3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v 带状服务覆盖区带状服务覆盖区v带状服务区主要用于覆盖公路、铁路、海岸等。带状服务区主要用于覆盖公路、铁路、海岸等。v为克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配为克服同频干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配置，如图置，如图3-1所示：所示：图图3-1 双频组和三频组频率配置双频组和三频组频率配置 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1

18、3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v 面状服务覆盖区面状服务覆盖区v无线移动通信系统广泛使用无线移动通信系统广泛使用六边形六边形研究系统研究系统覆盖和业务需求。覆盖和业务需求。v实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。实际无线覆盖是一个不规则的形状。3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v小区构成小区构成（1 1）

19、小区图案）小区图案 由正多边形彼此邻接构成平面时只能是正三由正多边形彼此邻接构成平面时只能是正三角形、正方形和正六边形角形、正方形和正六边形 小区构成的几何图形小区构成的几何图形3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v1）小区间隔）小区间隔小区构成几何图形小区构成几何图形正三角形为正三角形为R R正方边形正方边形 正六边形正六边形 3R2R3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v2）小区面积与重叠面积）小区面积与重叠面积3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v重叠小区宽度：重叠小区宽度：v正三角形为正三角

20、形为Rv正四边形为正四边形为v正六边形为正六边形为(22)R重叠小区宽度的定义重叠小区宽度的定义(23)R3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统3 3）需要的最少无线频率数）需要的最少无线频率数 邻接小区会产生干扰，因此相邻小区不能使用同一频率。当邻接小区会产生干扰，因此相邻小区不能使用同一频率。当邻接小区使用不同频率时，需要的最少频率数目随构成小区邻接小区使用不同频率时，需要的最少频率数目随构成小区方法不同而异，正三角形需要方法不同而异，正三角形需要6 6种频率，正方形需要种频率，正方形需要4 4种，而种，而正六边形需要正六边形需要3 3种。种。3.2.3 频率

21、复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v各种图形综合比较各种图形综合比较3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机位置：当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机位置：中心激励小区：安置在小区的中心中心激励小区：安置在小区的中心顶点激励小区：安置在六边形顶点之中的三个上顶点激励小区：安置在六边形顶点之中的三个上3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v小区簇的意义小区簇的意义共同使用全部可用频率的共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇个小区叫做一簇同一个小区簇内，要使用不同的频率同一个小区簇

22、内，要使用不同的频率不同的小区簇间使用对应的相同频率不同的小区簇间使用对应的相同频率3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v小区簇的意义小区簇的意义 一个共有一个共有S S个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含N N个小个小区，每个小区分配区，每个小区分配K K个信道（个信道（kSkS） 那么那么 如果簇在系统中共同复制了如果簇在系统中共同复制了M M次，则信道的总数次，则信道的总数C C可作可作为容量的一个度量为容量的一个度量N N叫做簇的大小，典型值为叫做簇的大小，典型值为4 4、7 7或或1212。N N的值表现了移动台或基站在保证

23、通信质量的同时，可以承的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时，可以承受的干扰（主要是同频干扰）受的干扰（主要是同频干扰） NKSMSMKNC 3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v用六边形表示的一个个小区，可使相邻小区用六边形表示的一个个小区，可使相邻小区无空隙，每一个区群的小区数量无空隙，每一个区群的小区数量N满足下式：满足下式： N=i2+ij+j2 （3-3） （i和和j为正整数）为正整数）3.2.3 频率复用和小区制移动频率复用和小区制移动通信系统通信系统v同频相邻小区的找法同频相邻小区的找法图图3-3 在蜂窝小区中定位同频小区的方法在蜂窝小区中定位

24、同频小区的方法 i=3 j=2（N=19）3.3 干扰和信道容量干扰和信道容量 v干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。v在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即同同频干扰频干扰和和邻频干扰邻频干扰。 3.3 干扰和信道容量干扰和信道容量 v3.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量v3.3.2 相邻信道的干扰相邻信道的干扰v3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善3.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 v频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组

25、频率的小区，这些小存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区叫做区叫做同频小区同频小区。v同频干扰同频干扰（同道干扰）（同道干扰）-同频小区之间的同频小区之间的信号干扰。信号干扰。v为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分的隔隔开一个最小的距离，为传播提供充分的隔离。离。3.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 v如果每个小区的大小都差不多，基站也都发如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为无关，而变为小区半径（小区半径（R）和相距最

26、近的和相距最近的同频小区中心间距离（同频小区中心间距离（D）的函数。增加的函数。增加D/R的值，相对于小区的覆盖距离同频小区间的的值，相对于小区的覆盖距离同频小区间的空间距离就会增加，从而来自同频小区的射空间距离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小。频能量减小而使干扰减小。 3.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 v同频干扰抑制因子同频干扰抑制因子v参数参数Q叫做同频复用比例（也叫同频干扰抑叫做同频复用比例（也叫同频干扰抑制因子），与区群的大小有关。对于六边形制因子），与区群的大小有关。对于六边形系统来说，系统来说，Q可表示为可表示为3.3.1 同频干扰和系统容量同频

27、干扰和系统容量vQ的值越小则容量越大；而的值越小则容量越大；而Q值大可以提高值大可以提高 传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。3.3.1 同频干扰和系统容量同频干扰和系统容量 证明：证明：v小区中心到邻接小区的距离为r；v同频小区O0O1间距离为D;小区半径为R。v由余弦定理得：由余弦定理得：v根据根据又因为：又因为：22Nijij某小区与重复小区之间的关系某小区与重复小区之间的关系)(42222jijirDNrD224Rr233.3.2 相邻信道的干扰相邻信道的干扰 v来自

28、所使用信号频率的相邻频率的信号干扰来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做叫做邻频干扰邻频干扰（也叫邻道干扰）。（也叫邻道干扰）。v邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。v远近效应远近效应3.3.2 相邻信道的干扰相邻信道的干扰 v减少邻频干扰方法：减少邻频干扰方法：v-精确的滤波器精确的滤波器v-信道的分配信道的分配3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善v1小区分裂小区分裂 把拥塞的小区分为几个更小的小区，提高系把拥塞的小区分为几个更小的小区，提高系统容量。统容量。v 2

29、.划分扇区划分扇区 通过使用定向天线，减少同频干扰。通过使用定向天线，减少同频干扰。3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v小区分裂是频率复用外，提高蜂窝网容量及小区分裂是频率复用外，提高蜂窝网容量及频谱效率的又一重要概念。频谱效率的又一重要概念。v小区分裂是解决网中用户的增加，解决网中小区分裂是解决网中用户的增加，解决网中用户密度的不同的有效方法。用户密度的不同的有效方法。3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v选择小区分裂扩容发应遵循以下原则：选择小区分裂扩容发应遵循以下原则：（1）确保已建基站可继续使用；）确保已建基站可继续使用；（2）

30、应保持频谱复用方式的规则性与重复性；）应保持频谱复用方式的规则性与重复性；（3）尽量减少或避免过渡区；）尽量减少或避免过渡区；（4）确保今后可继续进行小区分裂；）确保今后可继续进行小区分裂；3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v全向小区分裂为全向小区的方法主要有：全向小区分裂为全向小区的方法主要有：v1：3分裂法；分裂法；1：4分裂法；全向小区分裂为分裂法；全向小区分裂为全向及定向小区的方法有：全向及定向小区的方法有：1：7分裂法；全分裂法；全向小区分裂为定向小区的方法有：向小区分裂为定向小区的方法有：134分裂法及分裂法及163分裂法；分裂法；v定向小区分裂为定向

31、小区的方法有：六角形定向小区分裂为定向小区的方法有：六角形边中心分裂法及六角形顶点分裂法。边中心分裂法及六角形顶点分裂法。3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v1：4分裂法：在原顶点激励的基础上展开，分裂法：在原顶点激励的基础上展开，在两个原基站连线的中心点上加设新的基站。在两个原基站连线的中心点上加设新的基站。3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v六角形顶点分裂法六角形顶点分裂法3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善小小区分裂区分裂v六角形中心分裂法六角形中心分裂法3.3.3 蜂窝小区容量的改善蜂窝小区容量的改善-小区分裂小区

32、分裂用户密度不等时的小区结构用户密度不等时的小区结构2扇区的概念扇区的概念v可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小蜂窝系统中的同频干扰，其中每个定向天线来减小蜂窝系统中的同频干扰，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。天线辐射某一特定的扇区。v由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。部分小区的干扰。v这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向（即扇区化）。容量的技术叫做裂向（即扇区化）。v同频干扰减小的因素决定

33、于使用扇区的数目。同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。 2扇区的概念扇区的概念v利用定向天线来改变同频干扰，一般用利用定向天线来改变同频干扰，一般用120度扇区或度扇区或60度扇区。度扇区。 图图3-5 扇区划分扇区划分3.4 移动通信中的多址技术移动通信中的多址技术 v3.4.1 多址通信的概念多址通信的概念v3.4.2 FDMA方式方式v3.4.3 TDMA方式方式v3.4.4 CDMA方式方式v3.4.5 SDMA方式方式3.4.1 多址通信的概念多址通信的概念 v问题描述：问题描述： 移动通信系统中基站的多路工作和移动台的单移动通信系统中基站的多路工作和移动台的单路工作形成了移动通

34、信的一大特点。路工作形成了移动通信的一大特点。 基站以怎么的信号传输方式发送信号，使各移基站以怎么的信号传输方式发送信号，使各移动台能从中识别发送给本移动台的信号？动台能从中识别发送给本移动台的信号？ 基站如何识别来自各个不同移动台的信号？基站如何识别来自各个不同移动台的信号？ 多址方式是移动通信网体质范畴，关系到系统多址方式是移动通信网体质范畴，关系到系统容量，小区构成，频谱和信道利用效率以及系统复容量，小区构成，频谱和信道利用效率以及系统复杂性。杂性。3.4.1 多址通信的概念多址通信的概念 v1多址接入多址接入v2多址接入方式多址接入方式v许多用户同时通话，以不同的信道分隔，防许多用户同

35、时通话，以不同的信道分隔，防止相互干扰，各用户信号通过在射频波道上止相互干扰，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接，称为通信的连接，称为多址连接多址连接。3.4.1 多址通信的概念多址通信的概念v分类分类多址接入方式多址接入方式建立多址接入时区分信道的依据建立多址接入时区分信道的依据频分多址方式（频分多址方式（FDMAFDMA）传输信号的载波频率不同传输信号的载波频率不同时分多址方式（时分多址方式（TDMATDMA）传输信号存在的时间不同传输信号存在的时间不同码分多址方式（码分多址方式（CDMACDMA）传输信号的码型

36、不同传输信号的码型不同3.4.1 多址通信的概念多址通信的概念图图3-6 FDMA、TDMA和和CDMA的示意图的示意图3.4.2 FDMA方式方式每个用户分配一个信道，即一对频谱每个用户分配一个信道，即一对频谱较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道必须同时占用必须同时占用2 2个信道（个信道（2 2对频谱）才能实现双工通信对频谱）才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号任意两个移动用户之间进行

37、通信都必须经过基站的中转任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转图图3-7 FDMA系统的工作示意图系统的工作示意图1FDMA系统原理系统原理v设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间，设有保护频隙用户频道之间，设有保护频隙图图3-8 FDMA系统频谱分割示意图系统频谱分割示意图2FDMA系统中的干扰问题系统中的干扰问题 干扰方式干扰方式起起 因因解决方法解决方法互调干扰互调干扰系统内非线性器件产生的各种组系统内非线性器件产生的各种组合频率成份落入本频

38、道接收机通合频率成份落入本频道接收机通带内带内选用无互调的选用无互调的频率集频率集邻道干扰邻道干扰相邻信道信号中存在的寄生辐射相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内落入本频道接收机带内加大频道间的加大频道间的隔离度隔离度同频干扰同频干扰相邻小区群中同信道信号的信号相邻小区群中同信道信号的信号造成的干扰造成的干扰适当选择同频适当选择同频道干扰抑制因道干扰抑制因子子Q Q3FDMA系统的特点系统的特点 v FDMA信道每次只能传送一路电话。信道每次只能传送一路电话。v 每信道占用一个载频，相邻载频之间的间每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。隔应满足传输信号带宽

39、的要求。v 实现简单，无需自适应均衡。实现简单，无需自适应均衡。v 移动台较简单，和模拟的较接近。移动台较简单，和模拟的较接近。3FDMA系统的特点系统的特点 v 基站复杂庞大，重复设置收发信设备。基站复杂庞大，重复设置收发信设备。v FDMA系统每载波单个信道的设计，使得系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰。从而限制邻近信道间的相互干扰。v 越区切换较为复杂和困难。越区切换较为复杂和困难。3.4.3 TDMA方式方式v时

40、分多址：时隙划分，时隙独享，频率共享。时分多址：时隙划分，时隙独享，频率共享。1TDMA系统原理系统原理v在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的v每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户v基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收发信号收发信号MS3MS2 时隙时隙帧帧时隙时隙N时隙时隙3时隙时隙2时隙时隙1保护比特保护比特信息数据信息数据同步

41、比特同步比特尾比特尾比特一个一个TDMATDMA帧帧图图3-9 TDMA系统工作示意图系统工作示意图图图310 TDMA帧结构帧结构2.TDMA系统的同步与定时系统的同步与定时v同步和定时是同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。移动通信系统正常工作的前提。vTDMA的帧同步和位同步是由帧结构的细节来保证的。的帧同步和位同步是由帧结构的细节来保证的。v位同步位同步针对每个时隙，是接收机正确解调的基础针对每个时隙，是接收机正确解调的基础v帧同步帧同步针对每个帧，进行复用针对每个帧，进行复用/解复用所需解复用所需v系统定时系统定时全网同步，时间基准全网同步，时间基准v主从同步主从同步v独立

42、时钟同步独立时钟同步3TDMA系统的特点系统的特点 v（1）突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码）突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为速率设为Rbit/s，共，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于将大于NRbit/s。v（2）发射信号速率随）发射信号速率随N的增大而提高。的增大而提高。v（3）TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。v（4）基站复杂性减小。）基站复杂性减小。v（5）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。v（6）越区切换

43、简单。）越区切换简单。v 3.4.4 CDMA方式方式vCDMA：码形划分，时隙、频率共享。：码形划分，时隙、频率共享。 MSC MS1 MS2 MS3 C1 C1 C2 C2 C3 C3 BS 1CDMA系统原理系统原理 vCDMA系统为每个用户分配了各自特定的地系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。址码，利用公共信道来传输信息。vCDMA系统的地址码相互具有准正交性，以系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。重叠。v优点：系统容量大，抗干扰、抗多径能力强。优点：系统容量大，抗干扰、抗多径能力强

44、。2正交正交Walsh函数函数 vWalsh函数有良好的互相关和较好的自相关特性。函数有良好的互相关和较好的自相关特性。v（1）Walsh函数波形函数波形连续连续Walsh函数波形图函数波形图2正交正交Walsh函数函数v（2）Walsh函数矩阵的递推关系式函数矩阵的递推关系式2正交正交Walsh函数函数2正交正交Walsh函数函数v利用利用Walsh函数矩阵的递推关系，可得到函数矩阵的递推关系，可得到6464阵列的阵列的Walsh序列。序列。v这些序列在这些序列在 Qualcomm-CDMA数字蜂窝移数字蜂窝移动通信系统中被做为前向码分信道。动通信系统中被做为前向码分信道。v因为是正交码，可

45、供码分的信道数等于正交因为是正交码，可供码分的信道数等于正交码长，即码长，即64个；并采用个；并采用64位的正交位的正交Walsh函函数来用做反向信道的编码调制，这是利用了数来用做反向信道的编码调制，这是利用了Walsh序列的良好的互相关特性。序列的良好的互相关特性。3m序列伪随机码序列伪随机码v（1）m序列的生成序列的生成vm序列是最长移位寄存器序列的简称，它是序列是最长移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。的一种序列。vm序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模及模2加法器组成的

46、。加法器组成的。 3m序列伪随机码序列伪随机码图图3-13 m序列产生电路序列产生电路3m序列伪随机码序列伪随机码v（2）m系列的特性系列的特性 vm系列有许多优良的特性，主要是它的随机系列有许多优良的特性，主要是它的随机性和自相关性。性和自相关性。 v m序列的性质序列的性质vm序列一个周期内序列一个周期内“1”和和“0”的码元数大致的码元数大致相等（相等（“1”比比“0”只多一个）。只多一个）。v这个特性保证了在扩频系统中，用这个特性保证了在扩频系统中，用m序列做序列做平衡调制实现扩展频谱时有较高的载波抑制平衡调制实现扩展频谱时有较高的载波抑制度。度。3m序列伪随机码序列伪随机码vm序列中

47、连续为序列中连续为“1”或或“0”的那些元素称为的那些元素称为游程。在一个游程中元素的个数称为游程长游程。在一个游程中元素的个数称为游程长度。度。vm序列和其移位后的序列逐位模序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的加，所得的序列还是序列还是m序列，只是相位不同。序列，只是相位不同。vm序列发生器中的移位寄存器的各种状态，序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全除全0外，其他状态在一个周期内只出现一次。外，其他状态在一个周期内只出现一次。3m序列伪随机码序列伪随机码v m序列的相关性序列的相关性v对于一个周期为对于一个周期为P=2n1的的m序列序列an（an取值取值1或或0），），m序列的自相关

48、函数如下所述。序列的自相关函数如下所述。 3m序列伪随机码序列伪随机码v设设m序列序列an与其后移与其后移t位的序列位的序列an+t逐位逐位模模2加所得的序列加所得的序列an+an+t中，中，“0”的位的位数为数为A（序列（序列an和和an+t相同的位数），相同的位数），“1”的位数为的位数为D（序列（序列an和和an+t不相同的不相同的位数），则自相关函数由下式计算：位数），则自相关函数由下式计算： 3m序列伪随机码序列伪随机码v式中式中A为为“0”位数或相同的位数；位数或相同的位数；D为为“1”位位数或不相同的位数。显然数或不相同的位数。显然P=A+D。 10( )10RP （3-10）

49、3m序列伪随机码序列伪随机码v有时伪随机码的码元用有时伪随机码的码元用1和和1表示，与表示，与0和和1表示法的对应关系是表示法的对应关系是“0”变成变成“1”、“1”变变成成“1”，即，即m序列序列an的取值是的取值是1或或1，此，此时时m序列的自相关函数可由下式计算：序列的自相关函数可由下式计算： 3m序列伪随机码序列伪随机码图图3-14 m序列自相关函数图序列自相关函数图3m序列伪随机码序列伪随机码v图图3-13所示电路产生的所示电路产生的m序列的自相关特性序列的自相关特性如表如表3-2所示。所示。 3m序列伪随机码序列伪随机码v 序列的互相关性序列的互相关性vm序列的互相关性是指相同周期

50、序列的互相关性是指相同周期P=2n1两个不同两个不同的的m序列序列an、bn一致的程度。其互相关值越接近一致的程度。其互相关值越接近于于0，说明这两个，说明这两个m序列差别越大，即互相关性越序列差别越大，即互相关性越弱；反之，说明这两个弱；反之，说明这两个m序列差别较小，即互相关序列差别较小，即互相关性较强。当性较强。当m序列用作序列用作CDMA系统的地址码时，必系统的地址码时，必须选择互相关值很小的须选择互相关值很小的m序列组，以避免用户之间序列组，以避免用户之间的相互干扰，减小多址干扰（的相互干扰，减小多址干扰（MAI）。）。 4CDMA系统的特点系统的特点 v CDMA系统的许多用户共享

51、同一频率。系统的许多用户共享同一频率。v 通信容量大。通信容量大。v 容量的软特性。容量的软特性。v 由于信号被扩展在一较宽频谱上从而可以由于信号被扩展在一较宽频谱上从而可以减小多径衰落。减小多径衰落。v 在在CDMA系统中，信道数据速率很高。系统中，信道数据速率很高。v 平滑的软切换和有效的宏分集。平滑的软切换和有效的宏分集。v 低信号功率谱密度。低信号功率谱密度。4CDMA系统的特点系统的特点vCDMA系统存在着两个重要的问题，一个问系统存在着两个重要的问题，一个问题是来自非同步题是来自非同步CDMA网中不同用户的扩频网中不同用户的扩频序列不完全是正交的，这种扩频码集的非零序列不完全是正交

52、的，这种扩频码集的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰（多址干扰（MAI），在异步传输信道以及多），在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重。径传播环境中多址干扰将更为严重。v另一个问题是另一个问题是“远远近近”效应效应。 3.4.5 SDMA方式方式v通过空间的分割来区别不同的用户通过空间的分割来区别不同的用户 常与常与FDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA结合使用结合使用工作原理工作原理应用：蜂窝系统中反向链路的困难应用：蜂窝系统中反向链路的困难自适应式阵列天线自适应式阵列天线3.4.5 SDMA方式方式 v使用定

53、向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束；使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束；v相同的频率（在相同的频率（在TDMATDMA或或CDMACDMA系统中）或不同的频率（在系统中）或不同的频率（在FDMAFDMA系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。图图3-15 SDMA系统的工作示意图系统的工作示意图 3.4.5 SDMA方式方式-蜂窝系统中蜂窝系统中反向链路的困难反向链路的困难反向链路的困难反向链路的困难原因原因解决方法解决方法用户端的发射功率用户端的发射功率必须必须动态控制动态控制各用户和基站间无各用户和基站间无线线传播路

54、径传播路径的不同的不同采用采用空分多空分多址方式址方式反向反向控制用户的控制用户的空间辐射能空间辐射能量量对用户端发射功率对用户端发射功率的的控制程度受限控制程度受限发射受到用户单元发射受到用户单元电池能量电池能量的限制的限制 3.4.5 SDMA方式方式-自适应式阵列自适应式阵列天线天线v自适应式天线提供了最理想的自适应式天线提供了最理想的SDMA SDMA 无穷小波束宽度无穷小波束宽度无穷大快速搜索能力无穷大快速搜索能力提供在本小区内不受其他用户干扰提供在本小区内不受其他用户干扰 的唯一信道的唯一信道克服多径干扰和同信道干扰克服多径干扰和同信道干扰3.4.6 系统容量系统容量v系统容量系统

55、容量定义定义在一定的频段内所能提供的最大信道数，或最大用户数，在一定的频段内所能提供的最大信道数，或最大用户数，或系统流入话务量总和。或系统流入话务量总和。与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、及基站设置方式有关。复用方式、及基站设置方式有关。v无线容量无线容量m m是衡量无线系统频谱效率的参数，取决是衡量无线系统频谱效率的参数，取决于载波干扰功率比于载波干扰功率比C/IC/I和带宽和带宽B Bc c。蜂窝系统的无线容量蜂窝系统的无线容量： 信道信道/ /小区小区B Bt t系统总频谱，系统总频谱， B Bc c信道带宽，信道

56、带宽，N N频谱重用小区数。频谱重用小区数。tCBmB N1FDMA和和TDMA蜂窝系统蜂窝系统的容量的容量 v对模拟对模拟FDMA系统来说，频率重用的小区数系统来说，频率重用的小区数为为N由所需的载干比来决定。即：由所需的载干比来决定。即：vFDMA的无线容量：的无线容量：N =23CI （3-16） m =tc23BBCI 信道/小区 （3-17） 1FDMA和和TDMA蜂窝系统蜂窝系统的容量的容量v对数字对数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小干比可以比模拟制的小45dB （因数字系统有纠（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离

57、可以再近一些。错措施），因而频率复用距离可以再近一些。TDMA的无线容量如下：的无线容量如下：v设载波间隔为设载波间隔为Bc，每载波共有，每载波共有M个时隙，则等效带个时隙，则等效带宽为宽为 ICBBmct32ccBBM 2CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量vCDMA系统的容量是系统的容量是干扰受限干扰受限的，而的，而FDMA和和TDMA系统的容量是系统的容量是带宽受限带宽受限的。的。v决定决定CDMA数字蜂窝系统容量的数字蜂窝系统容量的主要参数：主要参数：v处理增益、处理增益、 、语音负载周期（即语、语音负载周期（即语 音激活率）、频率再用效率以及基站天线扇音激活率）、频率再用效率以及基站

58、天线扇区数。区数。 b0EN2CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v对于一般的扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成对于一般的扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成 v式中式中Eb ： 信息的比特能量；信息的比特能量；Rb ：信息的比特速率；：信息的比特速率；N0：干扰功率谱密度；干扰功率谱密度； W是总频段宽度；是总频段宽度； Eb / N0类似于归一类似于归一化信噪比，决定于系统对误比特率或语音质量的要求；化信噪比，决定于系统对误比特率或语音质量的要求； W / Rb：系统的处理增益。：系统的处理增益。2CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v若若m m个用户共用一个无线频道，假设到达一个接

59、收机的信个用户共用一个无线频道，假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为：号强度和各干扰强度都相等，则载干比为：v如果考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表如果考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表示为：示为：v （信道（信道/ /小区）小区） v结果表明结果表明 在误比特率一定的条件下，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率降低热噪声功率，减小减小归一化信噪比归一化信噪比，增大系统的处理增益增大系统的处理增益都将有利于提高系都将有利于提高系统的容量。统的容量。11 mICCNERWmbb 012CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v（1）采用语音激活技术提高系统

60、容量）采用语音激活技术提高系统容量 v（2）利用扇区划分提高系统容量）利用扇区划分提高系统容量v（3）频率再用）频率再用2CDMA蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量 （1）采用语音激活技术提高系统容量）采用语音激活技术提高系统容量v在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）d d 通常通常小于小于35%35%，如果，如果CDMACDMA系统在话音停顿时停止信号发射，其系统在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会相应地平均减少他用户受到的干扰会相应地平均减少65%65%，从而使系统容，从而使系统容量提高到原来的量提高到原来的1/d=2.861/d=2