移动通信第五章组网技术

第五章移动通信组网技术目录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越区切换和位置管理系统容量(2)由于传播损耗的存在，基站和移动台之间的通信距离总是有限的。如何使得用户在服务区内的任一点都能接入网络，这就是区域覆盖问题。(3)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?也就是说，移动通信应采用什么样的网络结构?5.1概述5.1概述在前面几章的讨论中，我们主要解决了在移动环境下，点对点的传输问题。本章将试图解决以下几个方面的问题：(1)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?BSMSMSMS5.1概述(4)移动通信的基本特点是用户在网络覆盖的范围内可任意移动。这就要解决下面两个问题：一是当移动用户从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区时，如何保证用户通信过程的连续性，即如何实现有效的越区切换?二是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，即如何解决移动性管理的问题?(5)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，即在移动通信网中应采用什么样的信令系统?5.2多址技术一.频分多址(FDMA)5.2多址技术频分多址是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。在单纯的FDMA系统，通常采用频分双工(FDD)的方式来实现双工通信。BSMSMS发/BS收MS收/BS发5.2多址技术信道2信道1………信道N信道1………信道N收发间隔信道带宽功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）FDD(频分双工）BSMSMS发/BS收MS收/BS发电信业务流量和服务等级话务量和服务等级移动通信的频率资源十分紧张，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（小区）内的所有移动台共用，这就是多信道共用问题。？一个基站所覆盖的范围内，用户对通信系统的通信业务需求程度是怎样的？n个信道能为多少用户提供服务？怎么说明通信系统的繁忙程度？共用信道后必然会遇上所有信道均被占用的情况，而新的呼叫不能接通的情况，发生这种情况的概率有多大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所共用。但基站最多只能同时保障n个用户进行通信。电信业务流量和服务等级电信业务流量和服务等级一.话务量和呼损率的概念1.流入话务量小时）（次次）（小时（爱尔兰）//SAλ（次/小时）：单位时间（1小时）内平均发生的呼叫次数。S（小时/次）：每次呼叫平均需要占用信道时间。A物理含义：1小时内所有用户要求通话总时间，也就是1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。A反映的是用户对通信网的话音方面业务量的需求程度。2.完成话务量在信道共用的情况下，通信网是无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，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，有的呼叫失败。设单位时间内成功呼叫的次数为λ0，就可计算出完成话务量:次）（小时小时）（次（爱尔兰）//00SA电信业务流量和服务等级A0物理含义：实际上，1小时内所有共用信道被占用的总小时数。A0反映的是通信网完成的话音方面的业务量。电信业务流量和服务等级从一个信道来看，它充其量在一个小时之内不间断地进行通信，那么它所能完成地最大话务量就是1爱尔兰。由于用户发起呼叫是随机的，不可能不间断地持续利用信道，即信道利用率不可能是百分之百，所以一个信道实际所能完成的话务量小于1爱尔兰。从一个信道来看，它所能完成的最大话务量为多少呢？从两个信道来看，它所能完成的最大话务量为多少呢？2爱尔兰。从n个信道来看，它所能完成的最大话务量为多少呢？n爱尔兰。电信业务流量和服务等级3.呼损率（服务等级）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”，用符号B表示：00BAAA呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同。信道利用率η可用每小时每信道完成话务量来计算，即：nBAnA10＝呼损率可以反映用户的满意程度。电信业务流量和服务等级二.呼损率的计算假设呼叫具有如下性质：独立，用户数量为无限大；概率相等，呼叫分布服从泊松分布；呼叫请求到达无记忆性；可用的信道数目有限；用户占用信道的概率服从指数分布。niii!An!AB1爱尔兰公式：爱尔兰公式表见书：P184电信业务流量和服务等级三.用户忙时的话务量与用户量用户最忙1小时内的需要通话时间与全天需要通话时间之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%~15%。每个用户的忙时话务量需要统计的办法确定。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，则每个用户的忙时话务量为：36001CakT＝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：nMkTCnAanAm3600/nmM电信业务流量和服务等级例：某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫10次，每次占用信道平均时间为80s，呼损率要求10％，忙时集中率为0.125，问给定8个信道能容纳多少用户。解：1）根据呼损率要求及信道数，求总话务量：n=8，B=10％，查表得：5.5972)每个用户忙时的话务量：a=10×80×0.125/3600=0.0278Erl3)每个信道能容纳的用户数为m系统能容纳的用户数：M＝m×n=A/a=201.3≈201空闲信道的选取空闲信道的选取在移动通信网中，假如在基站控制的小区内有n个无线信道，这n个信道最多提供给n个用户同时使用。假设现在有些信道以被占用，有些没有被占用（空闲信道），那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎样从n个信道中选取一个空闲信道来使用呢?空闲信道的选取方式主要可以分为两类：1.专用呼叫信道方式(或称“共用信令信道”方式)；2.标明空闲信道方式。空闲信道的选取(1)专用呼叫信道方式。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。呼叫信道空闲信道空闲信道空闲信道BSMS上行/反向下行/前向特点：呼叫速度快，但信道利用率不高，适合大容量通信网。公用移动通信网主要采用这种方式。（2）标明空闲信道方式。标明空闲信道方式可分为“循环定位”、“循环不定位”、“标明多个空闲信道的循环分散定位”和“标明多个空闲信道的循环不定位”等多种方法。①循环定位。空闲信道空闲信道空闲信道BSMS上行/反向下行/前向占用临时呼叫信道发空闲信号临时呼叫信道发空闲信号特点：信道利用率高，呼叫处理速度快，但容易发生同抢。②循环不定位方式。空闲信道空闲信道空闲信道BSMS上行/反向下行/前向占用发保持信号所有循环扫描的MS锁定在此信道占用特点：信道利用率高，减小同抢概率，但呼叫处理速度慢一些。5.2多址技术二.时分多址(TDMA)将时间划分为周期性的帧，再将帧划分为若干个时隙，在每帧内不同时隙分配给不同的用户传输信息。在FDD双工方式下，上行链路（MS发）和下行链路（MS收）在不同的频率上，可以同时进行。在TDD方式下，上行帧（MS发）和下行帧（MS收）在一个频率上，在时间上是区分开的。BSMSMS发/BS收MS收/BS发TDD（时分双工）5.2多址技术BSMSMS发/BS收MS收/BS发5.2多址技术三.码分多址(CDMA)2.FH-CDMA3.1.DS-CDMACDMA系统是基于扩频通信基础上的，利用不同码序列来实现不同用户的信息传输。5.2多址技术用户1用户2…用户N频率时间f0f1Bfn信道1信道2………信道N码字频率时间(a)(b)FH-CDMADS-CDMA5.2多址技术DS-CDMA系统的特点：1.存在自身多址干扰2.必须采用功率控制方法克服远近效应。远近效应：在基站覆盖区内，移动台是随机分布的。如果所有移动台都以相同的功率发射，则由于移动台到基站的距离不同，在基站接收到的各用户的信号电平会相差甚远，这就会导致强信号抑制弱信号的接收。这种现象称为“远近效应”。5.2多址技术四.空分多址(SDMA)五.随机多址5.3区域覆盖和信道配置一.概念1.大区制区域覆盖指在一个服务区域（一个城市或一个地区）内只设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。优点：组网简单、投资少，在用户密度不大或业务量较少的区域使用。缺点：服务区的频率不能重复使用，无法满足大容量通信的要求。5.3区域覆盖和信道配置5.3区域覆盖和信道配置2.小区制指将整个服务区划分为若干个无线小区（小块的区域），每个小区分别设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。其基本思想是用小功率发射机（小覆盖区域）来代替单个大功率发射机（大覆盖区域），相邻的小区分配不同的频率。优点：可以同频复用。缺点：设备复杂。以管理和设备的复杂为代价换来高的频率利用率5.3区域覆盖和信道配置大区制小区制举例：5.3区域覆盖和信道配置二.服务区的划分方法1.带状网：用于覆盖公路、铁路、海岸等。基站采用有向天线，是每个小区呈扁园形。带状网也可使用同频复用。5.3区域覆盖和信道配置2.面状网（蜂窝网）1）小区的形状选择从邻近小区的中心距离、单位小区的有效面积、交叠区宽度和交叠区面积考虑，六边形最优。所以用正六边形组网方式来覆盖面状服务区是最好的，又称为蜂窝网。5.3区域覆盖和信道配置2）区群的组成为什么要使用区群？小区频率使用要隔开，避免同频干扰。相邻小区不能用相同频率，必须间隔一定距离或跳过若干小区后，同一频率才能再用。将若干个相邻小区组成一个区群，并将可供使用的频率分成若干组。区群内的各个小区使用不同的频率组，而每个区群能使用所提供的全部无线频道。用相同频率配置区群来覆盖整个服务区。5.3区域覆盖和信道配置区群组成需要满足的条件：A区群之间邻接，且无空隙无重叠地覆盖服务区B邻接的区群中的同频小区的中心间距相等构成无线区群的小区个数：N＝a2＋ab＋b2比如：N=3N=4N=7N=9N=125.3区域覆盖和信道配置3）同频小区的距离：设小区的辐射半径（即正六边形外接圆的半径）为r，区群内的小区数为N，则同频再用距离为同频小区中心之间的距离：rND3可见：群内小区数N越大，同频小区的距离越远，抗同频干扰的性能也就越好。5.3区域覆盖和信道配置例：一个蜂窝电话系统，带宽为33MHz，使用两个25kHz得单向信道作为双向的语音和信令信道，计算系统为（1）4小区复用；（2）7小区复用；（3）12小区复用时，每一小区得可用信道数量。解：已知：总带宽＝33MHz，信道带宽＝25kHz×2＝50kHz/双向总共可用信道＝33000/50=660个信道（1）N＝4每小区得可用信道数量＝660/4=165个信道（2）N＝7每小区得可用信道数量＝660/7=95个信道（1）N＝12每小区得可用信道数量＝660/12=55个信道5.3区域覆盖和信道配置4）激励方式中心激励：基站安装在小区的中心，采用全向天线形成圆形覆盖区。顶点激励：将基站设置在每个小区六边形的三个顶点上，每个顶点上的基站采用三副120o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。每个小区有三副120o扇形定向辐射天线共同覆盖。5.3区域覆盖和信道配置信道配置一.分区分组配置法5.3区域覆盖和信道配置二.等频距配置法5.4网络结构网络结构一.基本网络结构交换机交换机固定网络基站基站基站基站5.4网络结构基站与交换机之间、交换机与固定网络之间可采用有线链路(如光纤、同轴电缆、双绞线等)也可以采用无线链路(如微波链路、毫米波链路等)。这些链路上常用的数字信号(DS)形式有两类标准：一类是北美和日本的标准系列：T-1/T-1C/T-2/T-3/T-4),可同时支持24/48/96/672/4032路数字话音(每路