移动通信课件-第2章

第2章移动通信网2.1引言2.2移动通信体制2.3移动通信的信道结构2.4移动通信网的频率配置2.5移动通信环境下的干扰2.6蜂窝移动通信网络的频率规划2.7多信道共用技术2.8移动通信的交换技术2.9信道自动选择方式2.1引言移动通信网就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。这里的“信息交换”不仅仅指双方的通话业务，还包括数据、传真和图像等通信业务。分为公用移动电话网和专用移动通信网。例如，工业企业中的无线电调度网、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网。2.2移动通信体制2.2.1大区制移动通信网大区制：在一个服务区域(如一个城市)内只有一个或几个基站（BaseStation，BS），并由它负责移动通信的联络和控制，如图2-1所示。

通常为了扩大服务区域的范围，基站天线架设得都很高，发射机输出功率也较大(一般在200W左右)，

其覆盖半径大约为30～50km。

图2-1大区制移动通信示意图2.2.2小区制（蜂窝）移动通信网小区制：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，负责本区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心（MSC）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。把图2-1中的服务区域一分为七，如图2-2所示。每个小区（半径为0.2～20km，目前小的有1～3km，有的城市为500m）各设一个小功率基站(BS1～BS7)，发射功率一般为5～20W，

以满足各无线小区移动通信的需要。

图2-2小区制(蜂窝)移动通信网在实际中，用小区分裂（CellSplitting）、小区扇形化（Sectoring）和覆盖区域逼近（CoverageZoneApproaches）等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将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。每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率。若系统中所有小区都按原小区半径的一半分裂，则理论上，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。图2-3按小区半径的一半进行小区分裂示意图小区形状：要实现无空隙、无重叠覆盖一片区域，则有效覆盖区是正多边形，且可取形状只有三种。比较三种形状小区可知，在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也最经济。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。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。条件：区群之间可以相邻，且无空隙、无重叠覆盖；保证各相邻同信道小区之间的距离相等。区群内的小区数应满足：i，j为正整数。同频小区的距离确定同频小区位置的方法：自某一小区A出发，沿边的垂线方向跨j个小区，再向左（或右）转60度，再跨i个小区，到达同信道小区。确定同频小区中心间距离：（r：小区辐射半径；N：区群内小区数。）区群内小区数N越大，D越大，抗干扰强。×62×15376××15×××76×41××4DJI中心激励与顶点激励中心激励：基站设在小区中央并采用全向天线。顶点激励：基站设在小区的三个顶点上并采用1200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。也叫小区扇形化，通常一个小区划分为3个120°的扇区或是6个60°的扇区。

小区制的优点：提高了频谱利用率（最大的优点）；基站的功率减小，使相互间的干扰减少；小区的服务范围可根据用户的密度确定，组网灵活。缺点：在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，建网的成本就提高了，所以无线小区的范围也不宜过小。通常需根据用户密度或业务量的大小来确定无线小区半径，目前，宏小区半径一般为1～5km左右。

2.3移动通信的信道结构2.3.1话音信道(VC)：主要用于传递话音信号。还传递一些其他信息，包括：

1.检测音(SAT)在模拟蜂窝系统(AMPS和TACS)中，检测音(SAT)是指在话音传输期间连续发送的带外单音。MSC通过对SAT的检测，可以了解话音信道的传输质量。当话音信道单元发射机启动后，就会不断在带外(话音频带为300~3400Hz)发出检测音(5970Hz或6000Hz或6030Hz)。SAT由BS的话音信道单元发出，经移动台MS环回。2.数据例：在越区切换时，通话将暂时中断(模拟蜂窝系统要求限定在800ms之内)，可利用这段时间在话音信道中，以数据形式传递必要的指令或交换数据。3.信号音(ST)信号音为线路信号。是由移动台发出的单向信号。例如，在BS寻呼MS过程中，如果BS收到MS发来的ST，就表示振铃成功。在切换过程中，原BS收到MS发来的ST信号，则表示MS对切换认可。ST是带内信号，一般在0~300Hz之间。2.3.2控制信道(CC)1.寻呼：下行当移动用户被呼时，就在控制信道的下行信道发起呼叫移动台信号，所以将该信道称为寻呼信道(PC)。2.接入：上行当移动用户主呼时，就在控制信道的上行信道发起主呼信号，所以将该信道称为接入信道(AC)。2.4移动通信网的频率配置表2-1我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率系统或使用部门上行频率/MHz下行频率/MHz中国电信CDMA1X825~835870~880中国移动GSM室内分布系统885~890930~935中国移动GSM900890~909935~954中国联通GSM900909~915954~960中国移动DCS18001710~17201805~1815中国联通DCS18001745~17551840~18502.5移动通信环境下的干扰2.5.1同频道干扰同频再用：相隔一定距离后重复使用同一频率。同频干扰：能构成同频道干扰的频率范围为f0±BI/2,f0为载波频率，BI为接收机的中频带宽。包括：（1）同频再用带来同频干扰；（2）同频无用信号、近频（通带内）无用信号。1.同频道干扰保护比指标（射频防护比）同频道干扰保护比：接收机输出端有用信号达到规定质量的情况下，在接收机输入端测得有用射频信号与同频无用射频信号之比的最小值。对模拟蜂窝移动通信网：（1）静态同频道干扰保护比。三级话音质量对应的射频防护比为8dB；四级话音质量对应12dB。（2）同频道干扰概率。规定为10%。（3）考虑衰落影响、干扰概率和静态射频保护比后的同频道干扰保护比。如表2-2所示。当有快衰落和慢衰落时，通常的做法是在静态同频道干扰保护比（P）上加上同频道干扰余量（ZP），即P+ZP（dB）。表2-2干扰概率为10%时的P+ZP话音等级P/dBZP/dBP+ZP/dBσL=6dBσL=12dBσL=6dBσL=12dB三级话音质量814.522.822.530.8四级话音质量1214.522.826.534.82.同频道复用保护距离系数D/r在蜂窝网中，使两个同频小区保持必要的距离是保证同频道干扰保护比达到指标要求的主要办法。设A、B基站发射功率均为PT，干扰信号和有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，则图2-4同频道复用保护距离系数表2-3同频道复用保护距离系数D/rP+ZP/dB22.530.826.534.8D/r4.77.35.68.92.5.2邻频道干扰邻频道干扰：工作在k频道的接收机受到工作于k±1频道的信号的干扰，即邻道（k±1频道）信号功率落入k频道的接收机通带内造成的干扰。解决邻频道干扰的措施包括：（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，以增加同频道防护比。2.5.3互调干扰产生互调干扰的基本条件是：（1）几个干扰信号（ωA、ωB、ωC）与受干扰信号的频率（ωS）之间满足2ωA-ωB=ωS或ωA+ωB-ωC=ωS

的条件；（2）干扰信号的幅度足够大；（3）干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作。1.发射机互调干扰：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。减少发射机互调干扰的措施有：（1）加大发射机天线之间的距离；（2）采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔；（3）提高发射机的互调转换衰耗。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。减少接收机互调干扰的措施有：（1）提高接收机前端电路的线性度；（2）在接收机前端插入滤波器，提高其选择性；（3）选用无三阶互调的频道组工作。无三阶互调的频道组含义：分配频率时，合理选用频道组中的频率，使其三阶互调产物不等于同组频道中任一工作频率。产生三阶互调干扰的频率：结论：列出差值序列，有相同的差值就说明存在三阶互调，称为不相容频道组；反之，称为相容频道组。例：12个频道中，选1,3,5,7,9号作为一个无线区使用的频道，试判别无线区内是否存在三阶互调干扰。3.在设台组网中对抗互调干扰的措施（1）蜂窝移动通信网。采用等间隔频道配置方式，并依靠设备优良的互调抑制指标来抑制互调干扰。（2）专用的小容量移动通信网。采用无三阶互调的频道配置方法来避免发生互调干扰。表2-4列出无三阶互调的频道序号。由表2-4可见，当需要的频道数较多时，频道利用率很低，故不适用于蜂窝网。表2-4无三阶互调干扰的信道组2.5.4阻塞干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断。2.5.5近端对远端的干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B（距离d2）到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台A（距离ｄ１，ｄ２<<ｄ1）的到达功率，若二者频率相近，则距基站近的移动台B就会造成对接收距离距基站远的移动台A的有用信号的干扰或仰制，甚至将移动台A的有用信号淹没。这种现象称为近端对远端干扰。克服近端对远端干扰的措施主要有两个：一是使两个移动台所用频道拉开必要间隔；二是移动台端加自动（发射）功率控制（APC），使所有工作的移动台到达基站功率基本一致。由于频率资源紧张，几乎所有的移动通信系统对基站和移动终端都采用APC工作方式。2.6蜂窝移动通信网络的频率规划2.6.1等频距分配法等频距分配法按频率等间隔分配信道，这样可以有效地避免邻道干扰。若需要M个信道，将其分为N个信道组，则每个信道组中有M/N个信道，而N个信道组的信道序列可以确定如下：K+jN

K=1，2，3，…，N；j=0，1，2，…，(M/N)-1式中，K为信道组的序列号，最大为K=N，j为信道序号的取值。我国GSM网和TACS网均采用了这种方法。如果基站采用了无方向性激励时，通常以12个无线小区（基地区）作为一个簇（cluster），即区群。按K+jN的规律，可以确定各信道组的信道序列如下：第一信道组，K=1，j=0~12，故有（1，13，25，…）第二信道组，

K=2，j=0~12，故有（2，14，26，…）第三信道组，K=3，j=0~12，故有（3，15，27，…）第四信道组，K=4，j=0~12，故有（4，16，28，…）第五信道组，K=5，

j=0~12，故有(5，17，29，…)第六信道组，K=6，

j=0~12，故有（6，18，30，…）第七信道组，K=7，

j=0~12，故有（7，19，31，…）第八信道组，K=8，

j=0~12，故有(8，20，32，…)第九信道组，K=9，j=0~12，故有(9，21，33，…)第十信道组，K=10，j=0~12，故有(10，22，34，…)第十一信道组，K=11，j=0~12，故有(11，23，35，…)第十二信道组，K=12，j=0~12，故有(12，24，36，…)这样同一信道内的最小间隔为12，保证了对邻道干扰的抑制。图2-512个无线小区为一个簇的信道组配置图2-64个基站24个扇形无线小区为一个簇的信道组配置采用4个基站、6个顶点为60°的扇形定向天线，则每个基站应有6组信道，每个簇（区群）有24个信道组，共96个频点，其信道分配为：BS1选用的六个信道组为（1，25，49，73）；（5，29，53，77）；…；(21，45，69，93)；BS2选用的六个信道组为（2，26，50，74）；（6，30，54，78）；…；(22，46，70，94)；BS3选用的六个信道组为（3，27，51，75）；（7，31，55，79）；…；(23，47，71，95)；BS4选用的六个信道组为（4，28，52，76）；（8，32，56，80）；…；(24，48，72，96)。

图2-77个基站、21个扇形无线小区为一个簇的信道组配置2.6.2信道分配策略分为两类：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的话音信道。控制方便，投资少。但信道的利用率较低。动态信道分配方法不是将信道固定地分配给某个基站，而是实现信道动态分配，其频谱的利用率大约可提高20%。缺点是干扰（同频干扰和邻道干扰）比较严重。2.7多信道共用技术资源共享方式：多信道共用含义：移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域（称为小区）内的所有移动台共用。这就是多信道共用问题。

问题：在多信道共用的情况下，一个基站若有n个信道同时为小区的全部移动用户使用，n个信道能为多少用户提供服务？所有信道均被占用后，新呼叫不能接通的概率有多大？话务理论2.7.1话务量与呼损1.呼叫话务量话务量是度量通信系统业务量或繁忙程度的指标。呼叫话务量A，是指单位时间内（1小时）进行的平均电话交换量。公式表示：C——每小时平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫失败的次数）；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）。若t0以小时为单位，则话务量A的单位是爱尔兰(Erlang，占线小时，简称Erl)。如果在一个小时内不断地占用一个信道，则其呼叫话务量为1Erl。它是一个信道具有的最大话务量。例如，设在100个信道上，平均每小时有2100次呼叫，平均每次呼叫时间为2分钟，则这些信道上的呼叫话务量：2.呼损率当多个用户共用时，通常总是用户数大于信道数。一部分用户虽然发出呼叫，但因无信道而不能通话称做呼叫失败。若C为总呼叫的次数；C0为一小时内呼叫成功而通话的次数;t0为每次通话的平均占用信道时间；完成话务量A′：呼叫成功而接通电话的话务量。损失话务量：A-A′呼损率（B）：在一个通信系统中，造成呼叫失败的概率。呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。结论：呼损率B愈小，成功呼叫的概率越大，用户就越满意。因此，呼损率也称为系统的服务等级GOS（theGradeOfService）。对于一个通信网来说，要想使呼损减少，只有让呼叫流入的话务量减少，即容纳的用户数少一些，这是不希望的。可见呼损率和话务量是一对矛盾，即服务等级和信道利用率是矛盾的。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；并假定移动电话通信服务系统的信道数为n；则呼损率B可用爱尔兰呼损公式计算如下：信道的利用率：每小时每信道的完成话务量表2-5Erl损失概率表表2-5Erl损失概率表表2-5Erl损失概率表表2-5Erl损失概率表3.繁忙小时集中度(K)繁忙小时集中度K一般为8%~14%。4.每个用户忙时话务量（Aa）假设每一用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道的时间为T（单位为秒），忙时集中率为K，则每个用户忙时话务量为：Aa为最忙时间的那个小时的话务量，它是统计平均值。一些移动电话通信网的统计数值表明，对于公用移动通信网，每个用户忙时话务量可按0.01Erl计算；对于专用移动通信网，由于业务的不同，每个用户忙时话务量也不一样。一般可按0.06Erl计算。2.7.2每个信道能容纳的用户数每个信道所能容纳的用户数m由下式决定：每个信道的m与在一定呼损条件下的信道平均话务量成正比，而与每个用户忙时话务量成反比。（2-7）(1)根据呼损的要求及信道数(n=7)，求总话务量A：（可以利用公式，也可查表。）求得A=4.666Erl。(2)求每个用户的忙时话务量Aa：(3)求每个信道能容纳的用户数m：(4)系统所容纳的用户数：例：某移动通信系统一个无线小区有8个信道(1个控制信道，7个话音信道)，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道平均时间为80秒，呼损率要求10%，忙时集中率为0.125。问该无线小区能容纳多少用户？2.8移动通信的交换技术2.8.1无线信道上的通话监视1.SAT信杂比：当基站开始工作时，由话音信道单元连续发送的监测音SAT，经移动台接收并环回到基站后，与无线信道上的杂音的对比。在与MSC初始化规定的门限值(见图2-8)比较后，话音信道控制单元判断传输质量是否可以接受。如果信杂比低于要求越区频道转换的信杂比门限值SNH，就发出越区切换请求。如果达到呼叫释放门限值SNR，呼叫就被释放。

图2-8储存在话音信道控制单元中的信杂比门限值2.射频(RF)信号强度话音信道接收机连续地对自己的无线频率进行信号强度测试。如果信号强度高于请求降低功率的信号强度值SSD时，BS的控制单元就自动命令移动台（由话音信道）降低功率。如果信号强度低于请求提高功率的信号强度值SSI时，BS的控制单元就发出增加功率命令。当移动台输出功率已达到最高，测量结果仍低于SSH时，BS的控制单元就向MSC发出越区切换请求。阻塞的信号强度值SSB只在话音信道空闲时（当前没有通话）使用。

图2-9储存在话音信道控制单元中2.8.2位置登记与一齐呼叫通常以一个MSC服务小区为位置区。或者在一个MSC服务区，人为地把它所管辖的无线小区划分为若干个位置区。

图2-10一种位置登记示意图图2-11另一种位置登记示意图图2-10中，假定MS在BSB4小区，这时的位置登记过程如下；(1)MS通过BSB4向MSCB报告（即进行位置登记）。(2)被访MSCB根据MS的原籍区号及用户识别码等，通过数据线，找到原籍MSCA的原籍位置寄存器进行咨询，查出该用户识别码，并把给MS的新区位置号存入原籍位置寄存器（在原籍MSCA中）。(3)与此同时，位置信息也在被访问MSCB的被访问位置寄存器中存入，以备MS被呼时使用。(4)移动台中有动态存储器，可存储新接收的区域号（AID），即使移动台在一段时间内关机（不得超过24个小时），存储器也不会失去记忆，一旦移动台开机时，将立即进行区域位置登记。图2-11中，MS由BSA6小区向BSA1小区行进时的位置登记过程如下：(1)MS通过BSA1向原籍MSCA报告（即进行位置登记）。(2)原籍MSCA中的原籍位置寄存器存入变更后的新区域号，以备市话用户寻呼时，能在位置区内一齐呼叫。(3)MS的动态存储器中区域号变为新号。2.8.3呼叫过程1.移动台被呼市话用户先拨被叫移动台号码，信令进入MSC在HLR进行鉴权，如鉴权成功，MSC通过数据信道将寻呼信号送至该用户所在位置登记区。由该位置区内所有BS通过寻呼信道向MS一起呼叫移动台识别码，如图2-12所示。

图2-12移动用户被呼过程示意图2.移动台主呼平时移动台停靠在信号最强的控制信道上收听。当发起呼叫时，先拨被叫用户号码，然后按发送（摘机）键。在控制信道中发出移动台系列号、识别码及被叫用户号码等，如图2-13所示。

图2-13移动用户主呼过程示意图3.呼叫释放：通话完毕，MS挂机后的控制过程MS挂机可通过按压挂机键或合上手机翻盖完成。

图2-14移动用户呼叫释放过程示意图2.8.4定位和越区切换1.定位BS装有信号强度接收机（SSR）监视其系统内所有的反向话音信道的信道能量，以确定在相邻无线小区内有切换可能的移动台的位置。SSR也称为定位单元。SSR由接收机和控制单元组成。

图2-15信号强度接收机2.越区切换和越局切换1)越区切换为保证通话的连