第5章组网技术

5.1概述5.2多址技术5.3区域覆盖和信道配置5.4网络结构5.5信令5.6移动性管理习题第5章组网技术

本章内容：(1)

多址技术（多用户/共用多信道/接入系统的技术）对有限的频率资源，用户如何共享，以便能传输更大容量的信息——信道的构成方式及多用户共用多信道接入系统的技术。(2)区域覆盖区域的大小，小区的形状，区群的组成，小区频道分配。(3)网络结构移动通信网的基本设备及互连方式，与固定网（PSTN、PDN、ISDN等）的互连。(4)移动台（用户）的移动性管理

•位置登记与更新，呼叫传递与寻呼。

•越区切换。(5)信令与信令系统（通信系统的“神经系统”）5.1概述5.2多址技术

概述5.2.1频分多址（FDMA）5.2.2时分多址（TDMA）

5.2.3码分多址（CDMA）

5.2.4空分多址（SDMA）

5.2.5随机多址

1.多址技术的主要类型(1).FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)频分多址（频分多信道、多用户接入）(2).TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)时分多址（时分多信道、多用户接入）(3).CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)码分多址（码分多信道、多用户接入）(4).SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)空分多址（空分多信道、多用户接入）概述2.多址技术的含义：多用户/共用多信道/接入系统的方式

⑴多信道的构成

FD:按频率划分信道

TD:按时隙划分信道

CD:按正交码划分信道

SD:按空间划分信道⑵多用户共用多信道接入系统的方式

①.呼叫及通话信道的设置方式

②.通话信道的分配（选取）方式5.2.1FDMA

2.

多信道共用方式：四种

3．多信道共用性能分析专用呼叫信道（信令信道）方式循环分散定位标明空闲信道方式循环定位循环不定位1.

多信道构成1.多信道构成

频分多信道（FDMA）：

t、s重叠，由f区分信道频分双工FDD(FrequencyDivisionDuplex）MS发f（频率）CH1

S

（空间）t（时间）频道带宽2…N…双工频率间隔BS发CH12…N…(1).专用呼叫信道（信令信道）方式空闲MS守候于CHCALL（逻辑关系）…CH3CH2CH1CHn…MS空闲忙（通话）

MS：

BS的CHi收发信机：空闲忙（通话）呼叫信道CHCALL图中，呼叫应答分配通话信道CH3…空闲MS守候于CHCALL（逻辑关系）CH3CH1CHnCH2…(1).专用呼叫信道（信令信道）方式空闲忙（通话）

MS：

BS的CHi收发信机：空闲忙（通话）呼叫信道CHCALL图中，MS特点：(1).呼叫速度快，容量大，适用于大容量的系统。(2).CHCALL不能用于通话，在系统信道总数n小时，频道利用低。(2).循环定位MS循环扫描，锁定、守候在示闲信道…CH3MSCH2CHn…CH1示闲信道空闲信号…CH3MSCH2CHn…CH1(2).循环定位呼叫应答示闲信道空闲信号CH3MSCH2CHn…………空闲信号…(2).循环定位MS守候在示闲信道CH1示闲信道特点：

a.

信道利用率高。

b.

由于一次呼叫后，所有空闲移动台要扫描新的空闲信道，所以总体呼叫速度慢。适用于小容量系统。

c.MS主呼碰撞概率大。工作原理：循环使用各信道作为当前呼叫信道，呼叫接续完成后将该信道作为通话信道。MS循环扫描各空闲信道，搜索被呼信号。⑶循环不定位MSCH3CH2CHn…空闲信号CH1①MS守候状态：⑶循环不定位MSCH3CH2CHn…CH1②MS主呼：⑶循环不定位CHnMSCH3CH2…CH1②MS主呼：呼叫应答MS搜索到一个空闲信道后发出呼叫，呼叫完成后使用该信道通话。⑶循环不定位…MSCH3CH2CHn…③MS被呼保持信号:保证所有MS扫描锁定于本信道CH1⑶循环不定位…MSCH3CH2CHn…③MS被呼呼叫应答CH1⑶循环不定位…MSCH3CH2CHn…③MS被呼BS在某空闲信道上发保持信号，保证所有空闲MS扫描锁定于本信道，然后发出呼叫。呼叫完成后用该信道通活。其它MS又开始扫描信道。CH1………特点：

a.信道利用率高

b.

呼叫速度慢（尤其是MS被呼）

c.MS主呼碰撞概率小

d.BS信道发射机功耗大⑷循环分散定位MSCH3CH2CHn…CH1特点：a.信道利用率高

b.主呼/被呼都呼叫速度快

c.MS主呼碰撞概率小

d.BS信道发射机功耗大系统性能：a.

容量（系统能容纳得用户数）

b.

呼损率（呼叫不通的概率）：服务质量(1).

话务量与呼损率的定义：话务量分为流入话务量和完成话务量。流入话务量

A=λ·S式中，A：流入话务量。即1小时内，全体用户占用信道的总时间（小时/小时＝Erlang，爱尔兰或Erl）

λ：1小时内平均发生的呼叫次数（次/小时）

S：每次呼叫平均占用信道时间（小时/次）例：A=2Erl表示全体用户1小时内占用信道总时间为2小时。3．多信道共用性能分析完成话务量例：B=1%呼叫100次，有1次因无信道可用而无法通话，呼叫失败。

B=5%呼叫100次，有5次因无信道可用而无法通话，呼叫失败。

S：每次呼叫平均占用信道时间。

λ0：1小时内成功呼叫次数（λ0<λ

，未完成的呼叫称为呼损）。A0：完成话务量(小时/小时)式中，呼损率呼损率表示通信系统对用户的服务等级。式中，B：呼损率

A：对应于给定呼损率B的流入话务量，称为允许流入话务量。

n：共用信道数讨论：①求解如下问题(2).呼损率的计算

爱尔兰呼损公式②爱尔兰呼损公式数值表B5%10%20%nAη（％）

A

η（％）

Aη（％）10.0535.00.11110.00.2520.020.3818.10.59526.81.0040.041.52536.22.04546.02.94553.984.53453.95.59763.07.36973.691611.54468.513.50075.916.80784.03讨论：

①B、A、n三个参数，已知二个可求第三个。

②

B选定后，n↑则A↑n选定后，B↑则A↑

③信道利用率η：每信道完成话务量

n↑则η↑：共用信道愈多，信道的利用率(频谱利用率)愈高。式中，C为每个用户每天平均呼叫次数（次/天）

T为每次呼叫平均占用信道时间（秒/次）

(3).系统容量系统容量包括二个方面：(a).

系统允许的用户总数M=A/a,a为用户话务量(b).

每信道允许的用户数m=M/n

①用户话务量

用户平均话务量(小时/小时)统计数据：用户忙时话务量a(小时/小时)式中，，忙时集中系数。，即显然，则可得，系统（允许）用户数即系统容量M=A/a

。

又可得，每信道（允许）用户数②系统容量由(爱尔兰呼损公式)，A可求

n

B1369125%53049606610%114263737920%25648595100多信道共用可提高信道利用率和系统容量。B一定时，n↑则m↑，，M=n·m↑↑，每信道用户数m（a=0.01）讨论：↑(1).专用即m=1，则M=n×m=12×1=12用户。(2).单信道共用（B=5%）则可求得m=5，得M=12×5=60个用户。(3).多信道共用（B=5%）则可求得m=66，得M=12×66=792个用户。(注：n为话务信道数，不包括信令信道）。例：系统有12个信道，用户忙时话务量求以下条件下系统容量。MSCH1BS上行下行下行频道(正向频道)与上行频道(反向频道)1.信道构成：按时隙划分信道。时分双工TDD(TimeDivisionDuplex)帧帧SftCH

1…2NCH12…N…时隙…N个信道帧上行下行上行5.2.2时分多址（TDMA）构成TDMA/FDMA混合多址，例GSM、ADC、JDC

实际上一般有多对双工载频…Sft1NN2……21上行帧上行帧

上行载频…FDD频分双工下行帧下行帧1NN2……21下行载频…2.多信道共用方式(1).

信道数＝频道数×时隙数(2).多信道共用方式：专用信令信道方式

•专用信令信道：多个，传递共路信令

•业务信道：多个，传送用户信息及随路信令(3).多信道共用性能（A，B、n、M、m）：同FDMA.(注：n为业务信道数）码分多址有以下二类：(1).DS-CDMA(DirectSequenceSpreadSpectrum-CodeDivisionMultipleAccess)

直扩码分多址；(2).FH-CDMA(FrequencyHopping-CodeDivisionMultipleAccess)

跳频码分多址。DS-CDMA基本原理

1.正交码(1).定义：设Ci，i=1、2…N是重复周期为T（一周内子码元数为P，子码周期为TP=T/P）的一组码序列。若它们的互相关函数为0，即则称为正交码序列组，可作为DS-CDMA系统的地址码。5.2.3码分多址（CDMA）具有尖锐自相关峰的码序列称之为PN码(Pseudo-Noisesequence）.为便于收端实现地址码同步，它们应具有尖锐的自相关峰，即满足τP(>>1)TP0-1(m序列)(2).常用正交码①Walsh(沃尔什)序列：在τ=0时刻严格正交(Ri,j(0)=0)，自相关不好。②m序列：τ任意值时都准正交(Ri,j(τ)<<Ri(0)=P)，自相关很好。③Gold序列：τ任意值时都准正交(Ri,j(τ)<<Ri(0)=P)，自相关很好。例：4阶Walsh序列组如下所示（一个序列周期），码序列互相正交。显然，（0、1)域1－1…Tt（+1、-1)域1－1…t1－1…t1－1…Tt，设收端同步很理想2.DS-CDMA通信系统原理地址码同步DK解调采样载波同步时钟同步相关检测扩频信码D1(Rb)地址码C1(Rp=KRb)载波fC……S(t)S’(t)解扩DNCNfCfCC1调制调制

3.DS-CDMA示意图各信道时域、频域重叠，由不同的地址码构成不同信道（逻辑信道）。

FDD频分双工上行CH1CH2CHN…ft码字CH1CH2…下行CHN5.2.4空分多址（SDMA）2.关键技术：自适应阵列天线(1).极窄的波束；(2).极快的跟踪速度；(3).多波束。3.特点：相当于有线通信(1).

有效克服多径干扰和同频道干扰；(2).

天线及控制复杂。1.信道构成：按空间划分信道MS2MS1BS全向天线自适应阵列天线1.ALOHA随机接入(1).

纯ALOHA（不分时隙）有数据待发送立刻就发（随机发送），发生碰撞后随机延时一段时间再发。(2).时隙ALOHA按时隙随机发送。2.载波侦听随机接入（CSMA）有数据待发送时，先进行载波侦听，无其它电台发送才发送。5.2.5随机多址(计算机通信网中用到的方式)5.3区域覆盖和信道配置5.3.1区域覆盖5.3.2信道(频道)配置

区群划分方式：大区制：系统容量小。小区制：可频率再用，系统容量大。

以下专门研究小区制。

1.带状网（线状服务区）(2).三频制（三组频率）：A、B、C(1).双频制（二组频率）：A、B铁路、河道……ABAB5.3.1区域覆盖2.蜂窝网（面状服务区）(1).小区形状

确定小区形状的准则：

①无空隙覆盖全部服务区。②在服务区总面积相同时，小区（BS）数最少，系统最经济。

满足准则①的小区形状有如下三种：虚线：小区形状：BS园形：BS辐射覆盖区域；r为辐射半径。正三角形正方形正六边形rrr

满足准则②的小区为正六边形：

因为正六边形最接近园形(BS辐射区)，重叠小，在服务区总面积相同时，小区数最少。正六边形构成的区域复盖形同蜂窝，故称为蜂窝网。

式中，N为区群内小区数；i、j为正整数。由此式得出的各种区群形状如下：N=3,j=1i=1N=4,j=2i=0N=7,j=2i=1……(2).区群的组成

区群组成要求：

①无空隙覆盖全部服务区。

②相邻同信道小区距离相等，则同道再用距离最大。

可以证明，满足以上要求的区群组成应满足下式(3).同频道(信道)小区距离D（以N=19,

j＝3,i＝2为例来推导）jir60o正六边形小区平行边之间的距离(r为小区辐射半径)D

①N↑,D↑,同频道干扰I↓,S/I↑.②N↓，区群数↑，频道再用率↑，系统容量↑。例：设系统小区总数为90，信道总数为50，试求N=9及N=3时系统容量。解：·每个区群容量≈2500(N=9时)/3700(N=3时)(用户)·N=9时,区群数=90/9=10,

系统容量=10×2500=25000(用户)·N=3时,区群数=90/3=30,系统容量=30×3700=111000(用户).

讨论：同频道小区距离

(S/I)S愈小，即系统抗干扰能力强，则D小，从而N小，系统容量大。第四章

第五章(S/I)S─→D─→N─→系统容量③系统N设计方法：说明：设系统总频道数为NT，为常数；系统小区总数为常数；区群小区数为N。再研究系统容量与N的关系。

∵每小区频道数n=NT/N

∴

N↓则n↑，小区用户数↑，系统用户数(容量)↑。(4).

中心激励与顶点激励

顶点激励120度扇形天线BSBS：全向天线中心激励顶点激励优点

①

同频干扰功率为全向天线系统的1/3.BS②.

消除小区内障碍物的阴影区BSMS中心激励MS顶点激励BSBSBS结论：蜂窝网一般都采用顶点激励。小区分裂可提高系统容量。顶点激励系统小区分裂比较方便。(5).小区分裂

CDMA系统中，至少同一小区使用相同频率（最简单的情况是整个系统所有小区用同一个频率），小区内无需进行频道配置。频道配置主要针对FDMA和TDMA系统。

频道配置方式有二种：(1).

无三阶互调配置法；(2).等频距（无邻道干扰）配置法。5.3.2信道(频道)配置1.无三阶互调配置法（分区分组配置法）

配置原则(1).

小区内采用无三阶互调频道组；(2).区群内无相同频道；(3).系统占用总频带尽量小。例：已知，①可选用等间隔频道，序号为1、2、3、4…②每区群有3个小区（N=3），每小区3个频道。试按无三阶互调配置法配置各小区频道。解：第一组（1号小区）：1、3、7。第二组（2号小区）：2、6、8。第三组（3号小区）：4、5、9。结论：满足三个配置原则，但第三组有邻道干扰。2.等频距配置法

配置原则：(1).

小区内频道等频距；(2).

区群无相同频道；(3).系统占用总频带尽量小。

例：设区群内有7个小区，试用等频距法配置频道。解：第1组：第2组：第3组：第4组：第5组：第6组：第7组：1234567、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21…………………讨论：①满足配置原则。

同一小区无邻道干扰。

②同一小区内频道等间隔，可能产生三阶互调干扰。克服三阶互调的方法(详见第四章)：频距＝N×Δf大，BPF隔离度高(1).TX(共用天线BS)加高Q谐振腔BPF和/或单向环形器BPFBPF............(2).RX(BS、MS)

等频距配置法的特点设计简单，无邻道干扰，互调干扰又能有效消除，所以是常用方法。BPF高放混频平方律器件fLfIF…5.4网络结构5.4.1基本网络结构5.4.2数字蜂窝移动通信网的网络结构5.4.1基本网络结构BSBSMSC…BSBSMSC……固定网:PSTNPDNISDNMSMS…BS(BaseStation)：基站

MS(MobileStation)；移动台

MSC(MobileSwitchCenter)：移动交换中心（移动交换机）

PSTN(PublicSwitchTelephoneNetwork)：公用电话网

PDN(PublicDataNetwork)：公用数据网

ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)：综合业务数字网。

端局关口局(GMSC:GatewayMSC)汇接局其中，MSC图中，5.4.2数字蜂窝移动通信网的网络结构

1.网络结构固定网:PSTNPDNISDNMSCMSCVLRHLRAUCEIRBSMS……UmOMC……BCDAE图中，由MSC分离出一些数据库等功能设备：

VLR(VisitorLocationRegister)：访问用户位置寄存器

HLR(HomeLocationRegister)：原籍用户位置寄存器

AVC(AuthenticationCenter)：登权中心

EIR(EquipmentIdentityRegister)：设备识别寄存器

OMC(OperationandMaintenanceCentre)：操作维护中心及A、B、C、D、E、Um等接口

2.各部分主要功能：(1).MSC(移动交换中心)：移动交换机---交换、接续

①路由选择及交换（要访问HLR、VLR）。②计费（然后存入HLR）。(2).HLR（原籍位置寄存器）：移动用户入网注册登记数据库

①在HLR入网登记的移动用户（MS）参数管理、修改②计费管理（存储、处理等）③移动台当前所在VLR更新(3).VLR(访问位置寄存器)：MSC辖区内工作的移动用户数据库

①访问本MSC辖区移动台登记、管理（包括移动台漫游号、临时移动台号管理）②更新访问用户所在HLR的数据③管理MSC区、位置区及基站区④管理无线信道(4).AUC(鉴权中心)、EIR(设备识别寄存器)：用户鉴权及认证，是否为合法用户，能否入网。(5).OMC(操作维护中心)：对各设备进行操作和维护。概述5.5.1接入信令（MSBS空中信令）5.5.2网络信令5.5信令1.信令定义：在通信系统中传输的除用户信息（例如话音）以外的其它一切控制信号称为信令。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息有效且可靠的传输。例：有线电话网的拨号音、忙音、拨号、振铃、回铃等。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统，共同构成整个通信系统。信令系统可以看成整个通信系统的神经中枢。

概述

2.信令分类(1).按信令传输通道是否独立分类

①

随路信令：与用户信息时分或频分共用传输通道。

②

共路信令：使用独立的传输通道。(2).按信号类型分类

①

模拟信令。

②

数字信令。(3).按信令传输位置分类

①

接入信令：用户终端←→网络节点。

②

网络信令：网络节点之间。

位同步：0101…，01交替的码，便于收端实现位同步。

帧同步（字同步）：有尖锐自相关峰的码序列，便于收端确定有效数据的开始位置。

纠(检)错编码：提高有效数据传输的可靠性。有以下两类；(1).

分组码：奇偶校验码、BCH码等。(2).卷积码一.数字信令

1.典型数字信令帧结构位同步帧同步有效数据纠(检)错编码监督位纠(检)错编码5.5.1接入信令（MS←→BS空中信令）

基于纠(检)错编码的数据传输差错控制技术：

(1).

前向纠错FEC(ForwardErrorCorrection)：发端发送一帧或多帧纠(检)错编码信令后不再管了，由收端纠(检)错。(2).检错重发，又称为自动请求重发ARQ(AutomaticRepeatRequest)：收端发端消息应答“收到数据错”发端重发“收到数据对”发端不重发降低信息传输速率，来提高可靠性二.模拟信令

㈠直流信号：例，有线电话摘、挂机使用户线上环流发生有、无变化。㈡音频信令

1.带内单音信令话音频带（300～3400Hz）内的一组单音（单频信号）

2.带外亚音频信令低于话音最低频率（300Hz）的单音

3.双音多频（DTMF:DualToneMulti-Frequency）与有线电话音频拨号信令相同DTMF信号的频率及表示的数字、符号

高频群1209HZ1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*(E)0#(F)D低频群三.信令传输协议

以后只研究，“消息”在对等层之间的传输。数字蜂窝网的空中信令按OSI参考模型分为三层第一层物理层第二层链路层第三层网络层MSMSC填充段信息段长度指示段控制字段地址段信息帧消息物理层

与PSTN相连的公用蜂窝网与PSTN统一采用7号信令。7号信令是共路信令，是与PSTN平行的独立信令网络。它由三个部件组成：

(1).

信令点SP(SignalingPoint)：收/发信令的设备，它包括①业务交换点SSP②业务控制点SCP(2).

信令链路：信令传输通路(3).

信令转移点STP(SignalingTransferPoint)：信令传输网络的“交换机”。5.5.2

网络信令用户信息传输系统与信令系统STPSSP交换机STPSSPMSCSCPBSMS移动网PSTN用户信息传输系统（接入信令）用户线中继线7号信令网络双机并行(HLR,VLR)（接入信令）空中接口TEL信令系统A链路ADA讨论：(1).例：TEL→MS呼叫接续过程。(2).信令网络中，各种链路按各自协议传送信令。(3).在后面的研究中，不再画出信令网络，只画出信令中的消息在各设备间的传输及控制过程。这样较简洁、清晰。5.6

移动性管理

5.6.1

越区切换

5.6.2

位置管理5.6.1越区切换包含三个方面的问题：

1.

越区切换的启动条件（准则）；2.越区切换由谁控制；3.越区切换信道分配。

通话中移动台跨越小区时，通话信道从一个小区切换到另一个小区。BS1BS2CH1iCH2j(1).相对信号强度准则

SBS1<SBS2

切换（A点切换）缺点：①SBS1可能还很强，不必要的切换。②S微小的起伏会引起切换抖动。1.越区切换准则BS2Th1Th2Th3SBS1SBS2hABCDBS1MSMS接收的BS信号强度SMS位置(2).具有门限规定的相对信号强度准则

SBS1<SBS2,且SBS1<Th切换（设Th=Th2，则B点切换）特点：①克服了(1)的缺点。②二个条件不相关，Th难以选得很合适。BS2Th1Th2Th3SBS1SBS2hABCDBS1MSMS接收的BS信号强度SMS位置(3).具有滞后余量的相对信号强度准则

SBS1<SBS2,且SBS2-SBS1>h(h>0)切换（C点切换）特点：①克服了(1)、(2)的缺点。

②二个条件等效于一个条件：SBS2-SBS1>h(h>0)BS2Th1Th2Th3SBS1SBS2hABCDBS1MSMS接收的BS信号强度SMS位置(4).具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则

SBS2-SBS1>h,且SBS1<Th切换（若Th=Th2,在C点切换；若Th=Th3,在D点切换）.

特点：克服了(1)、(2)的缺点。BS2Th1Th2Th3SBS1SBS2hABCDBS1MSMS接收的BS信号强度SMS位置结论：(1)、(2)不可取