交通通信与监控老师选修第四章

交通通信与监控（第四章）王军利交通管理工程系

第四章移动通信的组网技术第一节工作方式第二节区域覆盖与网络结构第三节信道指配与选取控制第四节信令第五节交换

第四章移动通信的组网技术

移动通信组网即是将若干个移动用户构成一个系统，系统内的用户可以在无线电波覆盖的范围内的任何地方互相通信。现代的移动通信网大多还要求能和陆上的有线电话网的用户互相通信。

第四章移动通信的组网技术

最初的移动通信只是单一频率的组网，仅限于警用通信及稍候的汽车调度通信。因为主台大都是固定的，把主台的天线升高，可以扩大它的无线电覆盖范围。随移动通信技术的发展，出现了可自动与地面网拨号连接的全双工蜂窝式公众通信网。这种通信网能完成多点之间的信息传输，可容纳成千上万个用户，能跨城市，跨地区，甚至跨国联网，应用的领域也更加广泛。因此对移动通信的研究除了本身的规范外，还需考虑不同容量和用途的最佳组网方式。

第一节移动通信的工作方式1.1单工制单工制通信系统根据使用频率的情况分为同频单工和双频单工两种。同频单工是指基站使用相同的工作频率，它的操作采用“按一讲”开关方式。通常双方的接收机均处于守听状态，如果A方需要发话，则可按发话按钮，即关掉接收机而使其发信机处于工作状态，这时B方则处于守听状态，因而可实现A至B的通话。同理，也可实现B至A的通话。如下图所示。

第一节移动通信的工作方式

第一节移动通信的工作方式

这种通信方式设备简单，功耗小，但操作不方便，因为发话是必须按“按一讲”按钮，发话完毕又应立即放开按钮。收、发信机交替工作，相互影响小。

第一节移动通信的工作方式1.2半双工制半双工制是指一方如基站双工工作。另一方如移动台单工工作，信息的双向传输使用两个频率。基站的收发信机同时工作，收发信机可以各用一副天线，也可通过天线共用器合用一副天线。移动台的工作方式是双频单工，即它通常处于守听状态，仅在发话时才按发话钮，使发信机B工作。

第一节移动通信的工作方式

第一节移动通信的工作方式

这种方式的特点是，只要有足够的频率间隔，并采用一定的收发隔离措施，这就能够避免发射机对接收机的干扰，故基站可以多信道工作。此外，移动台的功耗小，设备简单。这种方式的缺点是操作不方便。

第一节移动通信的工作方式1.3双工制即任一方在发话的同时也能收听对方的话音，操作方便。但是采用这种方式需采用天线共用器，才能使收、发信机共用同一副天线，由于不论发话与否，发射机一直处于工作状态，所以这种经典式的双工系统耗电量较大，这对以电池为电源的移动台不利，为此在某些系统中，移动台发射机仍采用“按一讲”开关，这种方式称准双工。

第一节移动通信的工作方式

第二节区域覆盖与网络结构

任何移动通信网都有一定的服务区域，无线电波辐射必须覆盖整个区域，由VHF及UHF频段电波的传播性质可知，一个基站天线电波覆盖范围取决于天线高度、发射功率等因素，这样的无线电覆盖区简称为小区。根据服务范围及地形地物的分布，有时需要由若干个小区覆盖整个服务区。

第二节区域覆盖与网络结构

2.1大区制

在一个地区，只用一个基站覆盖整个服务区，无论是单工或双工工作、单信道或多信道都称这种组网方式为大区制。

第二节区域覆盖与网络结构

特点：

大区制的特点是只有一个基站，覆盖(服务)面积大，因此天线架设得高，发射功率大。所用频率为VHF段和UHF低段，由于150MHZ频段分配给移动通信的频带较窄，只有16MHZ的范围，因此，这个频段比较拥挤，现在多用450MHZ的频段。由于大区制只有一个基站，其信道数有限，因此容量较小，一般只能容纳数百至数千个用户，大区制实际上多用于专用网或小城市的公共网。

第二节区域覆盖与网络结构

在大区制中为保证覆盖范围，基站天线高架，需要较大的发射功率，但这只能保证移动台可以接收到基站的信号(下行信号)。反过来，当移动台发射时，由于受到移动台发射功率的限制，就无法保证基站能收到移动台发射信号(上行信号)，即上行和下行路径不是互通的。为了解决这个问题，可以在服务区内设若干个分级接收点与基站相连，利用分级接收来保证上行链路的通信质量。

第二节区域覆盖与网络结构分级接收点与基站相连

第二节区域覆盖与网络结构

实际应用的大区制设计方案应以使用方提供的使用要求为基础进行。使用要求一般包括:用户数，用户平均业务量，通话方式(单工，双工)，覆盖范围(尽可能提供地形地图)，要求的通信概率和服务等级。由于大区制的信道数不可能太多，用户数量不能太多，否则大区制无法承受。覆盖面积也不能太大，半径一般不超过30~40公里，否则发射功率将会过大或天线要求过高。

第二节区域覆盖与网络结构

2.2小区制

小区制是将整个服务区划分成若干小区，每一小区设立一个基站，每隔3—4个小区频率就可重复使用。而每个小区内，基站只需较小的功率，用户也较少。

第二节区域覆盖与网络结构

小区基站负责与小区内所有移动台的无线通信，同时设置一个移动交换中心，统一控制这些基站协调的工作，保证移动用户只要在其服务区内，不论在那个基站的辐射区都能正常的进行通信，并得到完善的服务。

第二节区域覆盖与网络结构

特点：采用空域频率复用技术，即相隔一定距离的小区可以同时使用相同的工作频率组，有效的提高了频率利用率，增加了用户容量。组网灵活，随着用户量不断增加，每个覆盖区可以继续划小，有效的解决了信道数有限和用户数量大的矛盾。由于相距一定的基站应用相同的频率，会形成同频干扰，随着小区覆盖范围的划小，许多移动用户同时跨越小区的边界，为保证通信不中断，必须能自动频繁切换频道，这种过境切换对控制系统提出更高的要求，使建网成本和复杂性增加了。

第二节区域覆盖与网络结构

一、带状网

当用户分布呈带状，如铁路，公路，狭长城市，沿海水域等，此时的服务区呈带状(条状)，相应的网络结构称为带状网。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆型。

第二节区域覆盖与网络结构带状网

第二节区域覆盖与网络结构

带状网可以进行频率再用。若以采用不同频道组的两个小区组成一个区群，则称为二频制；若为采用不同频道组的三个小区组成一个区群，称为三频制，如下图：

第二节区域覆盖与网络结构

从建网成本和频率利用率的角度来看，二频制是最好的，但同频干扰比多频制(三频制以上)严重。不论二频制，还是三频制相邻区域都有重叠，重叠区要有一定的深度，这样即使移动台收不到一个基站传来的信息，但可能收到另一个基站传来的信息，以保证通信的连续性，但重叠区过深，会导致越区干扰，所以在设计时要综合考虑。

第二节区域覆盖与网络结构

二、面状网当用户分布在一个广阔的平面时，此时服务区称为面状服务区。

1．小区的形状当基站采用无方向天线时，基站覆盖区(即小区)大体上是一个圆。当多个小区彼此邻接覆盖整个服务区时，就可以用圆的内接正多边形来近似。可以证明，能全面覆盖一个平面的正多边形有正三角形，正方形，正六边形。

第二节区域覆盖与网络结构

面状小区的形状

第二节区域覆盖与网络结构

通过计算比较出三种形状小区的相邻小区的中心间隔，小区面积，重叠区宽度，重叠区面积等参数。在服务区面积一定时，采用正六边形所需基站数最少，故所需频率组数也最少。因此，正六边形的小区组网是最经济的一种方式，由于正六边形的网络结构形同蜂窝，，故将其称为蜂窝网。

第二节区域覆盖与网络结构

2．区群的组成

为避免同频干扰，相邻小区显然不能用相同的信道。为保证信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能使用相同的信道，这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道再用。

区群的组成

第二节区域覆盖与网络结构3．同频小区的距离区群内小区数不同的情况，可用下列方法来确定同频小区之间的位置和距离。自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨j个小区，然后按逆时针方向转，再跨i个小区，这样就可以找到同频小区A，在六边形的6个方向上，可以找到6个相邻的同频小区。

同频小区的距离

第二节区域覆盖与网络结构4．中心激励与顶点激励在平坦宽广的平面，基站一般都设在小区的中央，用全方向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的中心激励方式。如果小区内有大的障碍物，如孤立的山丘或高大建筑物，中心激励方式难免会有辐射的阴影区。若改为在正六边形的三个顶点上设置基站，用120扇形辐射的定向天线，就可以避免阴影区的出现，这即是“顶点激励”方式。

第二节区域覆盖与网络结构中心激励与顶点激励

第二节区域覆盖与网络结构5．小区的裂变在蜂窝网移动通信系统的设计初期，总是认为服务区内各小区大小相同，各基站的信道数也相同，但随着用户数量的增加，服务区内用户数密度的分布有很大差异。例如，闹市区的用户密度大，话务量激增，郊区用户密度小，话务量也较少。为适应这种情况，在高密度用户地区，应将小区面积划小一些，这样就能保证分配给一定区域面积的频道数也相应的增加，以便满足话务量增大的需要，这种技术措施称为小区裂变。小区的裂变

第二节区域覆盖与网络结构2.3移动电话网的网路结构一、900MHZ蜂窝式移动电话网的本地网结构。一个移动交换区(可能对应于一个长途编号区，也可能对应几个不同的长途编号区)范围内的移动电话网称为本地网，本地网的网络结构如下图所示。在一个交换区内设立一个移动电话局，将整个服务区划分成许多蜂窝状小区，每个小区设立一个基站，各基站通过中继电路与长途局，市话汇接局相连接。本地网的网络结构

第二节区域覆盖与网络结构

二、900MHZ蜂窝式区域内联网的网路结构

所谓区域联网就是在服务区的移动交换机之间，建立信号和通话专线而形成的网络结构，区域联网的网络结构。

区域联网的网络结构

第三节信道的指配与选取控制3.1信道配置大区制单基站的通信网，根据用户量的多少，需设置若干个信道，这些信道需按一定规则配置，以避免相互干扰。小区制为多信道的通信网，对信道配置的要求更为严格。信道分配中涉及的三个问题是信道组的数目(即群内小区数)，每组(即每个小区)的信道数目和信道的频率指配。

第三节信道的指配与选取控制

信道的分配方法主要有两种：一是分区分组配置法；二是等频距配置法。一、分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小所占的总频段，以提高频率的利用率。为避免同频干扰，在同一个区群中，不能使用相同的信道。在每个无线小区中应选用无三阶互调的信道组以避免互调干扰。

第三节信道的指配与选取控制

二、等频距配置法等频距配置法是按等频率间隔来配置信道的，只要频距选的足够大，就可以有效避免邻道干扰。这样的频率配置却恰好满足产生互调的关系，但由于频距大，干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不会作用到非线性器件，这就避免了互调的产生。

第三节信道的指配与选取控制3.2多信道共用一对移动台用户在通话时需占用一对频道（双工制），为了有效地利用频率，提高系统的容量，不可能为每一对用户预留一个信道，而只可能设置一组信道，为小区内所有移动台共用，这样少量频道可供较多的用户使用。在用户数远远大于频道数的情况下，用户数与频道数的比例如何选择，或者平均多少用户使用一对频道最合理，这与用户使用电话的频率程度有关。为了进行定量的分析，下面引入呼损率、话务量、信道利用率的基本概念并进行计算。

第三节信道的指配与选取控制

一、呼损率在多信道共用移动通信系统中，用户何时摘机通话完全是随机的。某一时刻正在通话的用户多，就可能出现频道全部被占满的情况。这时用户再摘机，由于没有空闲频道就无法通话，即用户呼叫失败，我们将这种由于频道限制造成的呼叫失败的概率称为呼损率，用B用表示。

第三节信道的指配与选取控制

二、话务量话务量A是电话系统业务多少的度量，它与单位时间内的呼叫次数λ及呼叫平均占用频道的时间S成正比即，系统话务量A表示系统繁忙程度，它无量纲，单位为爱尔兰，Erlang，用符号Erl表示。

第三节信道的指配与选取控制

由于一般系统的用户数都远远大于频道数，所以呼损总是存在的，但系统的呼损率一般限制在20%以内。例如：公用网一般为5%，专用网在10%－20%之间。因此用户在大部分时间中呼叫都能占用上频道进行通话，即呼叫成功，这部分呼叫成功的话务量称为完成话务量或成功话务量，用表示。显然它与单位时间内呼叫成功的次数及呼叫平均占用频道时间（也称为平均通话时间）成正比，

第三节信道的指配与选取控制——完成话务量或成功话务量

——单位时间内呼叫成功的次数

——呼叫平均占用频道时间

若A为系统的总话务量，则为未完成话务量。所以，呼损率也可表示为：

第三节信道的指配与选取控制

三、频道利用率：移动通信系统的另一个重要参数是频道利用率，显然当频道数一定时，完成话务量越大说明频道利用的越好。因此频道利用率定义为每个频道完成话务量的多少，用η表示，则：

由图可见，呼损率越小，频道利用率越低。在呼损率相同的条件下，随着频道数的增加，起初频道利用率有显著提高，但当频道数增加到一定数值后，频道利用率的提高就很有限了。

第四节信令

在移动通信网中，完成一次通信除了传输用户的话音信号外，还需要传送很多非话音的控制信号，如摘机、挂机、空闲音、忙音、回铃等，以保证全网有序地工作。这些与通信有关的系统控制信号统称为信令。

在移动通信系统中，由于采用多信道共用的方式为用户指配信道，所以还需有表示无线信道状态的信令，如空闲或占用等，小区制通信网中，还要有基站与移动交换局之间的信令，以及过区切换信令，位置登记信令等。

第四节信令

信令传播的方式：一种为设