第1章-移动通信基础知识

第1章移动通信

基础知识2023/2/412系统维护工程师文档和信息管理工程师安装督导工程师路测工程师无线网络优化工程师项目经理无线网络规划工程师系统网络优化工程师4无线网络优化方法

4.2无线网络优化项目组织结构2023/2/423项目经理工程项目的责任人全面负责工程项目的管理工作保证项目的正常实施路测工程师DT作业CQT作业安装督导工程师天馈的调整系统维护工程师负责维护网络中各个设备网元文档和信息管理工程师发布文档和软件版本信息，指导、支持工程项目实施过程中文档工作，整理、存档项目文档网络优化分析工程师分析网络中存在的问题，并给出整改方案4无线网络优化方法

4.2无线网络优化项目组织结构2023/2/43第1章移动通信基础知识1.1移动通信的概念1.2移动通信的工作频段1.3蜂窝移动通信系统的组成1.4移动通信中的多址技术1.5越区切换和位置管理

1.6蜂窝移动通信的信令技术2023/2/441.1移动通信的概念什么是移动通信？移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息交换的通信方式。移动通信可以是双向的，也可以是单向的。移动通信的特点就是有线、无线相结合的通信方式。第1章移动通信基础知识2023/2/45第1章移动通信基础知识1.2移动通信的工作频段

频率的分配和使用需在全球范围内制定统一的规则。目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段（CDMA），900MHz频段（AMPS、TACS、GSM），并开始使用1800MHz频段（GSM1800/DCS1800），该频段用于微蜂窝（Microcell）系统。第三代移动通信使用2.4GHz频段。目前3G的三大标准，CDMA2000用的是800MHz的频段，TD-SCDMA用的是1800MHz和2.1GHz的频段，而WCDMA也是用2.1GHz的频段。移动4G的频段是2.500-2.690GHz。2023/2/46第1章移动通信基础知识1.3蜂窝移动通信系统的组成

移动通信包括无线传输、有线传输，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、移动交换控制设备和移动终端设备。2023/2/47第1章移动通信基础知识1.3.1．移动通信系统的组成移动通信系统的组成包括：移动台（MobileStation，MS）、基站（BaseStation，BS）和构成网络节点的移动交换中心（MobileServiceSwitchingCenter，MSC）及与市话网PSTN相连接的中继线等。2023/2/48第1章移动通信基础知识图1.1移动通信系统的组成

2023/2/49第1章移动通信基础知识1.3.2大区制1、大区制的定义大区制是指一个基站覆盖整个服务区。2、适用范围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，但这总是有限的。因此，大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。2023/2/410第1章移动通信基础知识图1.2大区制示意图2023/2/411第1章移动通信基础知识1.3.3小区制

1、小区制的定义将整个服务区划分成若干个小无线区，每个小无线区分别设置一个基站负责本区的移动通信的联络和控制。同时又可在MSC的统一控制下，实现小区间移动通信的转接及与公众电话网的联系。2、覆盖的分类带状服务覆盖区面状区域服务覆盖区2023/2/412第1章移动通信基础知识（1）带状服务覆盖区用于覆盖公路、铁路、海岸等。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形。图1.3带状小区示意图2023/2/413第1章移动通信基础知识（2）面状区域服务覆盖

无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务需求。采用全向天线。

(a)理论形状(b)理想形状(c)实际形状图1.4面状区域覆盖示意图2023/2/414第1章移动通信基础知识一、蜂窝小区的概念基站若采用全向天线，其覆盖区理论上是圆形，为了不留空隙地覆盖整个平面，圆形覆盖区必定有交叠，因此实际的有效区是多边形。当考虑整个区域没有重叠，没有间隙时，其理论的几何形状有三种：正三边形，正方形，正六边形，图1.5三种面状区域覆盖组成2023/2/415第1章移动通信基础知识

据分析，以正六边形作为覆盖模型来分析系统覆盖和业务需求有以下优点：a) 用最小的小区数就能覆盖整个地理区域，所需基站最少，建设最经济；b) 该形状最接近于全向的基站天线和自由空间传播的全向辐射模式。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此，把小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。2023/2/416第1章移动通信基础知识（1）小区的分类根据不同制式系统和不同用户密度挑选不同类型的小区。超小区：小区半径r>20km，适于人口稀少的农村地区。宏小区：小区半径r=1km～20km，适于高速公路和人口稠密的地区。微小区：小区半径r=0.1km～1km，适于城市繁华区段。微微小区：小区半径r<0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。2023/2/417第1章移动通信基础知识（2）、无线区域的划分和组成的考虑因素

应根据地形地物情况、容量密度、通信容量、频谱利用率等因素综合考虑。

图1.6用户不等密度时的小区结构2023/2/418第1章移动通信基础知识1.7实际的无线区划和组成的实际例图

2023/2/419第1章移动通信基础知识二、频率复用

蜂窝系统的基站工作频率，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用。优点采用频率复用大大地缓解了频率资源紧缺的矛盾，提高频率利用率，增加了用户数目或系统容量。缺点同频干扰2023/2/420第1章移动通信基础知识1、区群的概念与构成（1）区群的定义一组彼此邻接，共同使用全部可用频率的N个区块称为一个区群。

图1.83频制（N=3）无线区群2023/2/421第1章移动通信基础知识（2）同频相邻小区选择原则

自某一小区Ａ出发，沿小区垂直移动j 个小区；再向左（或右）转600移动i个小区，就到达同信道小区A。

2023/2/422第1章移动通信基础知识（3）同频小区中心之间的距离其中N为无线区群中的小区数，r为小区半径。在满足所需同频复用距离前提下，N取最小值，使频率利用率最高。2023/2/423第1章移动通信基础知识图1.9蜂窝系统中同频相邻小区的定位2023/2/424第1章移动通信基础知识无线区群的构成条件是若干个无线区群能彼此邻接；相邻无线区群中的同频小区中心间隔距离相等，即可表示为：

N = i2

+

ij

+

j2则不同的N值得到各不相同的无线区群形状。2023/2/425第1章移动通信基础知识图1.10不同的N值区群组成的示意图2023/2/426第1章移动通信基础知识2、区群基站激励方式

（1）中心激励

基站设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区。

图1.11中心激励示意图2023/2/427第1章移动通信基础知识（2）顶点激励

基站设在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副1200扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域。图1.12顶点激励示意图2023/2/428第1章移动通信基础知识3、服务小区“扇区化”

扇区化即是将一个基站分成多个小区，每个小区都有自己的发射和接收天线，相当于一个独立的小区。扇区化的小区使用特制的定向天线，使该小区定向天线辐射某一特定的扇区。

图1.13扇区划分示意图2023/2/429第1章移动通信基础知识4、小区分裂

小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小的小区的方法。图1.14小区分裂的图例2023/2/430第1章移动通信基础知识分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂能够提高信道的复用次数，因而能提高系统容量。即通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区（叫做微小区），使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。2023/2/431第1章移动通信基础知识三、信道(频率)配置1、信道的定义通信网络中一条双向的信息传输通道称为信道。2、信道的分类话音信道、控制信道；有线信道、无线信道。

2023/2/432第1章移动通信基础知识3、什么是无线信道、下行信道和上行信道？（1）无线信道指移动台与基站间的一条双向传输通道，使用两个分开的无线频率，上下行信道间的载频间隔为双工间隔。（2）上行信道指由移动台发射，基站接收。（3）下行信道指由基站发射，移动台接收。

2023/2/433第1章移动通信基础知识4、什么是信道(频率)配置？信道(频率)配置是指导将给定的信道(频率)分配给一个区群内的各个小区。在CDMA系统中所有用户使用相同的工作频率，因此无需要进行频率配置。频率配置针对FDMA和TDMA系统。2023/2/434第1章移动通信基础知识四、多信道共用技术用户一般占用信道方式有独立信道方式和多信道共用方式。图1.17信道应用方式2023/2/435第1章移动通信基础知识什么是共用呼叫频道方式？共用呼叫信道方式是在系统中专门设立一个共用呼叫频道，它不作通话使用，仅处理呼叫和传送转频指令。系统内所有不通话的用户都停留在该频道上，处于守候状态。当用户需要通话而摘机时，通过该频道向基站发出呼叫请求，如系统有空闲频道，基站就通过该共用频道发出转频指令，使用户转入指定的空闲频道。当频道全部被占用时，则向用户示忙。当移动用户被叫时，基站也从共用呼叫频道发出选呼号码。被叫用户应答后，基站发出转频指令，使用户按指令转入指定的通话频道。

2023/2/436第1章移动通信基础知识1.3.4干扰1、同频干扰

同频干扰（也叫同道干扰）是指同频小区之间的信号干扰。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离。2023/2/437第1章移动通信基础知识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无关，而变为小区半径（R）和相距最近的同频小区中心间距离（D）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。参数Q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。对于六边形系统来说，Q可表示为：2023/2/438第1章移动通信基础知识Q的值越小则容量越大；而Q值大可以提高传播质量，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。2023/2/439第1章移动通信基础知识2、相邻信道的干扰

邻频干扰（也叫邻道干扰）是指来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰。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。离基站近的移动台的强信号干扰离基站远的邻道上的移动台的弱信号，要求移动台采用自动功率控制电路。2023/2/440第1章移动通信基础知识3、互调干扰互调干扰是指系统内由于非线性器件引起，它产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成的对有用信号的干扰。尤其在FDMA中明显，因此要求设备必须具有良好的选择性。2023/2/441第1章移动通信基础知识1.3.5移动通信网络系统的常见指标1、工作频段与频道间隔2、通信概率它是指保证服务质量的通话时间和地点的概率值。3、话音质量它是评估移动通信系统话音品质（可懂度和自然度）优劣的情况。

2023/2/442第1章移动通信基础知识表1.1

评分标准2023/2/443第1章移动通信基础知识4、呼叫话务量与忙时话务量

呼叫话务量是电话负荷大小的一种度量，又称话务负荷。一般指电话用户在某段时间内所进行的电话交换量。

Y=MC’TY为呼叫总话务量，M为用户数，C’为每小时每用户占用信道平均呼叫次数，T每小时每用户占用信道平均时间。单位为Erl。其中MC’=C看作每小时所有用户占用信道平均呼叫总次数，即Y=CT2023/2/444第1章移动通信基础知识

每用户忙时话务量是指最繁忙的一小时每个用户的平均话务量。

式中，每个用户忙时的平均话务量，C”为每个用户每小时平均呼叫次数，T为每次呼叫占用信道的平均时间单位为秒，K为集中率其定义如下:K反映了这个通信系统“忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。2023/2/445第1章移动通信基础知识5、容量

①每个信道所能容纳的用户数（m）为Y为总话务量，每个用户忙时话务量，n为共用信道数。②系统所能容纳的用户数（M）为：n为共用信道数,m为每个信道所能容纳的用户数，它们相乘即得到系统容量。2023/2/446第1章移动通信基础知识6、呼损率

在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率，记为Z。它是指系统全部信道被占用的再发生呼叫就出现呼损，因此呼损率即电话接不通的比率。Y0为呼叫不成功的话务量，Y总话务量，C0为呼叫失败次数，C为呼叫总次数。

2023/2/4472023/2/448呼损率不同，信道的利用率η也不同，表5.2给出了B、n、A和η之间的关系。2023/2/449第1章移动通信基础知识7、信道利用率

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Y1为呼叫成功而接通电话的话务量，n为共用信道数。A为话务量，B是呼损率。2023/2/450第1章移动通信基础知识例某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道时间平均为80s,忙时集中率K=0.125，问系统呼损率要求在10%的条件下，给定8个信道的系统能容纳多少用户。2023/2/451第1章移动通信基础知识解：①求出②根据信道数n,呼损率Z，查呼损表得Y=5.597③求m④求出系统容量2023/2/452第1章移动通信基础知识1.4移动通信中的多址技术1.4.1多址通信的概述

2023/2/453第1章移动通信基础知识1、多址接入技术

蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，以信道来区分，就是多址。许多用户同时通话，以不同的信道分隔，各用户信号通过在射频信道上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接，称为多址接入。解决多址接入问题的方法叫做多址接入技术。2023/2/454第1章移动通信基础知识（1）当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；（2）当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；（3）当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。

2023/2/455第1章移动通信基础知识图1.18FDMA、TDMA和CDMA的示意图2023/2/456第1章移动通信基础知识1.4.2多址通信方式的概念

1、FDMA方式（1）频分多路复用（FDM）技术将各路信号的频谱搬至互不重叠的频带上，同时在一个信道中传输。接收端通过不同中心频率的带通滤波器把各路信息信号分离出来。2023/2/457第1章移动通信基础知识图1.19FDM系统的工作示意图2023/2/458第1章移动通信基础知识(2)FDMA系统原理

信道每次只能传递一个电话如果一个FDMA信道没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用以增加共享容量。图1.20FDMA系统的工作示意图2023/2/459第1章移动通信基础知识(3)FDMA系统的特点A、FDMA信道每次只能传送一路电话，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；符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。B、移动台较简单，和模拟的较接近。C、基站复杂庞大，重复设置收发信设备。D、需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）。2023/2/460第1章移动通信基础知识E、FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。FDMA通常是窄带系统。F、FDMA频分多址采用调频的多址技术，业务信道在不同的频段分配给不同的用户。G、FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。

2023/2/461第1章移动通信基础知识2、TDMA方式

(1)时分多路复用（TDM）技术以时间作为分割信号的参量，使各路信号在时间上互不重叠。利用不同时隙来传送各路不同信号。图1.21TDM系统的工作示意图2023/2/462第1章移动通信基础知识(2)TDMA系统原理

TDMA是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），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户使用。

2023/2/463第1章移动通信基础知识图1.22TDMA系统的工作示意图2023/2/464第1章移动通信基础知识在GSM中时分多址技术即每个载频分成8个时隙，每个时隙为一个信道。多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。按照不同的用户提供不同的带宽。需要自适应均衡保护时隙。TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭。2023/2/465第1章移动通信基础知识(3)TDMA的帧结构

TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（Burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧。

图1.23TDMA帧结构2023/2/466第1章移动通信基础知识TDMA主要传输TDM的数字信号，每个MS占有时隙称为分帧或子帧。帧周期一般取话音PCM信号采样周期125或整数倍。2023/2/467第1章移动通信基础知识(4)TDMA系统的特点

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Kbit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NKbit/s；发射信号速率随N的增大而提高；TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器；基站复杂性减小；抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大；越区切换简单。2023/2/468第1章移动通信基础知识图1.24GSM的FDMA/TDMA结构2023/2/469第1章移动通信基础知识3、码分多址（CDMA）方式

码分复用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。2023/2/470第1章移动通信基础知识CDMA多址技术概念CDMA的基本思想是靠不同地址码来区分基站地址，每个基站配有不同地址码，各基站所发射的载波既受基带调制，又受地址码调制。接收时，只有确知其配给地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同无法解调出信号。2023/2/471第1章移动通信基础知识CDMA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。CDMA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重叠。为每一个用户分配唯一的序列码(地址码)，每站使用此码片序列m(m=64或128)进行编码传输,各码片必须不同。

2023/2/4721.5越区切换和位置管理

1.5.1越区切换1.5.2位置管理2023/2/473越区切换包括三方面的问题:（1）越区切换的准则;（2）越区切换如何控制;（3）越区切换时信道分配。

越区切换

指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称自动链路转移ALT(AutomaticLinkTransfer)。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一基站覆盖小区的情况下,为保持通信的连续性,将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。越区切换

2023/2/474越区切换2023/2/475

越区切换分类:硬切换、软切换、更软切换。硬切换在新的连接建立以前,先中断旧的连接。软切换既维持旧的连接,又同时建立新的连接,并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。（CDMA可实现BTS之间、BSC之间和MSC之间的软切换。）更软切换同一基站不同扇区之间的软切换称为更软切换。

越区切换

2023/2/476越区切换2023/2/477越区切换2023/2/478越区切换的准则相对信号强度准则具有门限规定的相对信号强度准则具有滞后余量的相对信号强度准则具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则点击查看动画越区切换

2023/2/479越区切换的控制策略包括：越区切换的参数控制、越区切换的过程控制。在移动通信系统中,过程控制的方式主要有三种:移动台控制的越区切换（PACS、DECT）网络控制的越区切换（TACS）移动台辅助的越区切换（GSM）越区切换

2023/2/480越区切换时的信道分配它解决当呼叫要转换到新小区时,新小区如何分配信道,使得越区失败的概率尽量小的问题。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。越区切换

2023/2/481为什么需要位置管理？移动系统中，用户在系统覆盖范围内任意移动。为能把一个呼叫传送给移动的用户，必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。现有的第二代移动系统中，位置管理采用两层数据库，即原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）。通常一个PLMN网络由一个HLR（它存储在其网络注册的所有用户信息，包括用户预定业务、记帐信息、位置信息等）和若干个VLR（一个位置区由一定数量的蜂窝小区组成，VLR管理该网络中若干位置区内的移动用户）组成。

位置管理2023/2/482

位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。位置管理追求目标：以尽可能小的处理能力和附加的业务量，最快地确定用户位置，以容纳尽可能多的用户。位置管理2023/2/483

位置管理任务：位置登记（LocationRegistration）呼叫传递（CallDelivery）位置登记步骤：在移动台实时位置信息已知情况下，更新位置数据库（HLR和VLR）和认证移动台。呼叫传递步骤：在有呼叫给移动台情况下，根据HLR和VLR中可用位置信息来定位移动台。位置管理2023/2/484与上述两个问题紧密相关两个问题是：位置更新（LocationUpdate）和寻呼(Paging)。当用户进入一个新的RA，将进行位置更新，位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。当有呼叫要到达该用户时，将在该RA内进行寻呼，以确定出移动用户在哪一个小区内。实际系统中，位置登记区越大，位置更新的频率越低，每次呼叫寻呼的基站数目就越多，用于寻呼的开销就非常大。反之，如果移动台每进入一个小区就发送一次位置更新信息，则这时用户位置更新的开销非常大，但寻呼的开销就很小。位置管理2023/2/485图5－28移动台位置登记过程位置登记过程位置管理2023/2/486图5－2９呼叫传递过程呼叫传递过程位置管理2023/2/487位置更新策略①基于时间的位置更新策略用户每隔ΔT秒周期性地更新其位置。ΔT的确定可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。②基于运动的位置更新策略当移动台跨越一定数量的小区边界（运动门限）以后，移动台就进行一次位置更新。③基于距离的位置更新策略当移动台离开上次位置更新时所在小区的距离超过一定的值（距离门限）时，移动台进行一次位置更新。最佳距离门限的确定取决于各个移动台的运动方式和呼叫到达参数。

位置管理2023/2/488

基于距离的位置更新策略具有最好的性能，但实现它的开销最大。它要求移动台能有不同小区之间的距离信息，网络必须能够以高效的方式提供这样的信息。而基于时间和运动的位置更新策略实现起来比较简单，移动台仅需要一个定时器或运动计数器就可以跟踪时间和运动的情况。位置管理2023/2/489第1章移动通信基础知识1.6蜂窝移动通信的信令技术1.6.1概述

1、信令（1）定义

和通信有关的一系列控制信号统称为信令。（2）分类A、接入信令：用户到网络节点间的信令；B、网络信令：网络节点之间的信令。在蜂窝移动通信中，接入信令是指移动台到基站之间的信令，网络信令称为7号信令系统（SS7）。

2023/2/490第1章移动通信基础知识2、信令网（1）组成：信令点（SP）、信令转接点（STP）和信令链（SL）A、信令点SP(SIGNALLINGPOINT):是消息的起源点和目的地点。

2023/2/491第1章移动通信基础知识B、信令转接点STP(SIGNALLINGTRANSMITPOINT):具有转接信令的功能，它可以将一条信令链的信令消息转接到另一信令点。STP可分两种：一种是只具有