移动通信-组网技术

移动通信—组网技术天津大学电子信息工程学院2012-06-18天津大学电子信息工程学院概述主要内容1多址技术2区域覆盖和信道分配3网络结构4信令5越区切换和位置管理61概述本章将试图解决以下几个方面的问题对于给定的频率资源，大家如何来共享?即采用什么样的多址技术，使得有限的资源能传输更大容量的信息?基站如何部署，以覆盖某一区域如何将服务区内的各个基站互连起来，并且要与固定网络(如PSTN、ISDN、BISDN等)互连，从而实现移动用户与固定用户、移动用户与移动用户之间的互连互通?如何实现有效的越区切换?用户在移动网络中任意移动，网络如何管理这些用户，使网络在任何时刻都知道，该用户当前在哪一个地区的哪一个基站覆盖的范围内如何在用户和移动网络之间，移动网络和固定网络之间交换控制信息，从而对呼叫过程、移动性管理过程和网络互连过程进行控制，以保证网络有序运行天津大学电子信息工程学院1概述一个典型的数字蜂窝移动通信系统由下列主要功能实体组成(如图1-16所示)：移动台(MS)、基站分系统(BSS)(包括基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC))、移动交换中心(MSC)、原籍(归属)位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、设备标识寄存器(EIR)、认证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。天津大学电子信息工程学院EIRBSSMSCAUCHLRVLROMCMSCBTSBSCPSTNPDNISDN固定网MSMS2多址技术什么是多址？频分多址(FDMA)、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）天津大学电子信息工程学院2.1FDMA频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。在模拟移动通信系统中，信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽，如25kHz或30kHz。在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工(FDD)的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。天津大学电子信息工程学院2.1FDMA一个典型的FDMA频道划分方法天津大学电子信息工程学院2.1FDMA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。新用户接不通的概率多大？1.话务量与呼损率的定义在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间(1小时)内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道时间(含通话时间)S。显然λ和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为A=S·λ(5-1)天津大学电子信息工程学院式中：λ的单位是(次/小时)；S的单位是(小时/次)；两者相乘而得到A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位为“爱尔兰”(Erlang)。1.话务量与呼损率的定义一般地A1在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生“呼损”已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为λ，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了。设单位时间内成功呼叫的次数为λ0(λ0＜λ)，就可算出完成话务量：A0=λ0·S流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量。损失话务量占流入话务量的比率即为呼叫损失的比率，称为“呼损率”，也成为“通信网的服务质量”，用符号B表示，即天津大学电子信息工程学院00AAAB2.完成话务量的性质与计算设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为天津大学电子信息工程学院TC10完成话务量即为SCTSA1001式中，C1S即为观察时间T小时内的实际通话时间这个时间可以从另外一个角度来进行统计。若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(i＜n)个信道同时被占用的时间为ti(ti＜T)，那么可以算出实际通话时间为123n11123niiittttntCS2.完成话务量的性质与计算可得完成话务量天津大学电子信息工程学院niiniiTtitiTSCTA111011当观察时间T足够长时，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，iniPiA10由此可见，完成话务量是同时被占用信道数(是随机量)的数学期望。因此可以说，完成话务量就是通信网同时被占用信道数的统计平均值，表示了通信网的繁忙程度。2.完成话务量的性质与计算举例：某通信网共有8个信道，从上午8时至10时共两个小时的观察时间内，统计出i个信道同时被占用的时间(小时数)如表所示天津大学电子信息工程学院3.呼损率的计算多信道共用的移动通信网，根据话务理论，呼损率B、共用信道数n和流入话务量A的定量关系可用爱尔兰呼损公式表示。爱尔兰呼损公式为天津大学电子信息工程学院niiniAnAB1!/!/呼损率不同的情况下，信道利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即nBAnA)1(04.用户忙时的话务量与用户数以上都是以全网的流入话务量A来计算的，那么究竟这些流入话务量可以容纳多少用户的通信业务呢?这就要看每个用户的话务量多少才能决定。每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%~15%。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天)，每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k，则每用户的忙时话务量为天津大学电子信息工程学院36001kTCak表示有多少话务量在最忙的1小时内4.用户忙时的话务量与用户数在用户的忙时话务量a确定之后，每个信道所能容纳的用户数m就不难计算：天津大学电子信息工程学院kTCnAanAm3600/a=0.015.空闲信道的选取在移动通信网中，在基站控制的小区内有n个无线信道提供给n×m个移动用户共同使用。那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎样从这n个信道中选取一个空闲信道呢?空闲信道的选取方式主要可以分为两类：专用呼叫信道方式(或称“共用信令信道”方式)；这种方式是指在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。标明空闲信道方式。①循环定位。②循环不定位方式天津大学电子信息工程学院2.2时分多址(TDMA)时分多址是指把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)。在频分双工(FDD)方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。在时分双工(TDD)方式中，上下行帧都在相同的频率上。TDD的方式如图所示天津大学电子信息工程学院2.2时分多址(TDMA)不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。例如：GSM系统的帧长为4.6ms(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为10ms(每帧24个时隙)，PACS系统的帧长为2.5ms(每帧8个时隙)。TDMA系统既可以采用频分双工(FDD)方式，也可以采用时分双工(TDD)方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台接收；收发工作在相同频率上。天津大学电子信息工程学院2.2时分多址(TDMA)在TDMA系统中，每帧中的时隙结构(或称为突发结构)的设计通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。为了解决上述问题，采取以下四方面的主要措施：一是在每个时隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输。二是为了便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰，在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列。训练序列对接收端来说是确知的，接收端根据训练序列的解调结果，就可以估计出信道的冲击响应，根据该响应就可以预置均衡器的抽头系数，从而可消除码间干扰对整个时隙的影响。三是在上行链路的每个时隙中要留出一定的保护间隔(即不传输任何信号)，即每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度。这样可以克服因移动台至基站距离的随机变化，而引起移动台发出的信号到达基站接收机时刻的随机变化，从而保证不同移动台发出的信号，在基站处都能落在规定的时隙内，而不会出现相互重叠的现象。四是为了便于接收端的同步，在每个时隙中还要传输同步序列。同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一。天津大学电子信息工程学院2.2时分多址(TDMA)天津大学电子信息工程学院典型的时隙结构2.3码分多址(CDMA)1.FH-CDMA在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN)序列，动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变，该系统带宽通常要比各用户已调信号(如FM、FSK、BPSK等)的带宽宽得多。FH-CDMA类似于FDMA，但使用的频道是动态变化的。FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正交(或准正交)，即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同(或相同的概率非常小)，天津大学电子信息工程学院2.3码分多址(CDMA)2.DS-CDMADS-CDMA系统中，所有用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列。这些PN序列(或码字)相互正交，从而可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同用户一样，利用PN序列(或码字)来区分不同的用户天津大学电子信息工程学院2.3码分多址(CDMA)天津大学电子信息工程学院FH-CDMA和DS-CDMA示意图(a)FH-CDMA;(b)DS-CDMA2.3码分多址(CDMA)3.混合码分多址混合码分多址的形式有种多样，如FDMA和DS-CDMA混合，TDMA与DS-CDMA混合(TD/CDMA)，TDMA与跳频混合(TDMA/FH),FH-CDMA与DS-CDMA混合(DS/FH-CDMA)等等。天津大学电子信息工程学院2.4空分多址(SDMA)空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束.天津大学电子信息工程学院2.5随机多址1.ALOHA协议和时隙ALOHAALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。任何一个用户随时有数据分组要发送，就立刻接入信道进行发送。发送结束后，在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答。如果在一个给定的时间区间内，没有收到对方的认可应答，则重发刚发的数据分组。由于在同一信道上，多个用户独立随机地发送分组，就会出现多个分组发生碰撞的情况，碰撞的分组经过随机时延后重传。为了改进ALOHA的性能，将时间轴分成时隙，时隙大小大于等于一个分组的长度，所有用户都同步在时隙开始时刻进行发送。该协议就称为时隙ALOHA协议天津大学电子信息工程学院1.ALOHA协议和时隙ALOHA天津大学电子信息工程学院(a)ALOHA协议；(b)时隙ALOHA协议2.载波侦听多址(CSMA)在ALOHA协议中，各个节点的发射是相互独立的，即各节点的发送与否与信道状态无关。为了提高信道的通过量，减少碰撞概率，在CSMA协议中，每个节点在发送前，首先要侦听信道是否有分组在传输。若信道空闲(没有检测到载波)，才可以发送；若信道忙，则按照设定的准则推迟发送。天津大学电子信息工程学院3.预约随机多址预约随机多址通常基于时分复用，即将时间轴分为重复的帧，每一帧分为若干时隙。当某用户有分组要发送时，可采用ALOHA的方式在空闲时隙上进行预约