第3章移动通信的关键技术

第2章蜂窝移动通信的关键技术第2章蜂窝移动通信的关键技术2.1组网技术2.2编码技术2.3多址接入技术2.4调制技术2.5均衡和分集技术2.6天线技术第2章蜂窝移动通信的关键技术2.1移动通信的组网技术要实现移动用户在大范围内进行有序的通信，就必须解决组网过程中的一系列技术问题。下面主要介绍移动通信的组网方式、正六边形无线区群结构、多信道共用技术等内容。第2章蜂窝移动通信的关键技术2.1.1组网方式根据服务区覆盖方式的不同，可将移动通信网分为大区制和小区制。1．大区制移动通信网大区制是指在一个服务区(如一个城市或地区)只设置一个基站(BaseStation，BS)，并由它负责移动通信网的联络和控制。第2章蜂窝移动通信的关键技术大区制移动通信示意图BSRRRRf1f2f3f4MS1MS2服务区第2章蜂窝移动通信的关键技术TRXTX:10～25WMS覆盖半径25～45km30～200mTX:25～200WTRXBS1.大区制第2章蜂窝移动通信的关键技术⑴系统及控制简单⑵容量小例：设大区制系统共有12个频道（信道ch：channel），每信道可容纳10个移动用户，求系统用户容量。解：系统容量=12(ch)×10(用户/ch)=120个用户►大区制特点：第2章蜂窝移动通信的关键技术大区制的主要优点是：建网简单、投资少、见效快，在用户数较少的地域非常合适。缺点：服务区内的所有频率均不能重复使用，因而频谱利用率及用户数都受到了限制。第2章蜂窝移动通信的关键技术为了满足用户不断增长的需求，在频率有限的条件下，必须采用小区制的组网方式。第2章蜂窝移动通信的关键技术2．小区制移动通信网小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区，每个无线小区中分别设置一个基站，负责本小区移动通信的联络和控制。同时还要在几个小区间设置移动业务交换中心(MSC)。移动业务交换中心统一控制各小区之间用户的通信接续，以及移动用户与市话网的联系。例如，将大区制图的服务区域一分为五，如图所示。第2章蜂窝移动通信的关键技术小区制移动通信示意图MS5BS1BS2BS4BS3MS1MS2MS3MS4f1f2f3f4f4f3f1f2f5f612435BS5第2章蜂窝移动通信的关键技术小区制的核心思想是：用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机，每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。第2章蜂窝移动通信的关键技术例：设信道总数为12个（同大区制），4个小区为1区群，共100个区群，每信道容纳10个用户,求系统用户容量。解：·每组信道数＝12ch/4＝3ch·小区容量＝3ch×10用户/ch＝30用户·每区群容量＝4×30＝120用户（=原大区制容量120用户）·总容量＝100×120＝12000用户第2章蜂窝移动通信的关键技术图中每个小区各设一个小功率基站(BS1～BS5)，发射机的输出功率一般为5～10W，覆盖半径一般为2～20km。可给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频谱利用率降低。为了提高频谱利用率，需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，例如小区1与小区4、小区2与小区3就可以使用相同的频率而不会产生严重的干扰。在一个较大的服务区中，同一组信道可以多次重复使用，这种技术称为同频复用。此外，随着用户数目的增多，小区还可以进一步划小，即实现“小区分裂”，以适应用户数的增加。第2章蜂窝移动通信的关键技术采用小区制最大的优点是有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。其次是由于基站功率减小，也使相互之间的干扰减小了。所以，公用移动电话网均采用这种体制。在这种体制中，从一个小区到另一个小区通话，移动台需要经常更换工作频道，这样对控制交换功能的要求提高了，加上基站的数目增多，建网的成本增加，所以小区范围不宜过小，要综合考虑而定。第2章蜂窝移动通信的关键技术1、带状网带状网主要用于覆盖公路、铁路和海岸等。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形；采用有向天线，则使每个小区呈扁圆形。小区制移动通信网的地域覆盖A铁路小区BAB(a)小区河道ABC(b)第2章蜂窝移动通信的关键技术带状网可进行频率复用。若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，称为双频制。若以采用不同信道的三个小区组成一个区群，称为三频制。从造价和频率资源的利用而言，当然双频制最好；但从抗同频干扰而言，双频制最差，还应考虑多频制。A铁路小区BAB(a)小区河道ABC(b)第2章蜂窝移动通信的关键技术2.面状服务区(1).小区形状确定小区形状的准则：①无空隙覆盖全部服务区。②在服务区总面积相同时，小区（BS）数最少，系统最经济。第2章蜂窝移动通信的关键技术满足准则①的小区形状有如下三种：虚线：小区形状：BS圆形：BS辐射覆盖区域；r为辐射半径。正三角形正方形正六边形rrr第2章蜂窝移动通信的关键技术满足准则②的小区为正六边形：因为正六边形最接近圆形(BS辐射区)，重叠小，在服务区总面积相同时，小区数最少。正六边形构成的区域复盖形同蜂窝，故称为蜂窝网。第2章蜂窝移动通信的关键技术表2.1三种形状小区特性比较小区形状正三角形正方形正六边形邻区距离rr2r3小区面积1.3r22r22.6r2交叠区宽度r0.59r0.27r交叠区面积1.2πr20.73πr20.35πr2最少频率个数643第2章蜂窝移动通信的关键技术通过表2.1的比较结果可以看出，正六边形小区的中心距离最大，覆盖面积也最大，重叠区面积最小，即对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，从而所需的频率个数也最少，因此采用正六边形组网是最经济的方式。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称为移动蜂窝网。基于蜂窝状的小区制是目前公共移动通信网的主要覆盖方式。第2章蜂窝移动通信的关键技术2.1.2小区制的组网技术1.信道复用技术信道复用技术：相邻小区不使用相同的信道组，但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道。区群：不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群。第2章蜂窝移动通信的关键技术ABCDEGFABCDEGFABCDEGFABCDEGF第2章蜂窝移动通信的关键技术区群的构成应满足两个条件：①无线区群之间彼此邻接并且无空隙地覆盖整个面积；②相邻无线区群中，同频小区之间的距离相等且为最大。第2章蜂窝移动通信的关键技术满足上述两个条件的区群形状和区群个数不是任意的。可以证明，区群内的小区数满足下式：abbaK22式中：a、b均为正整数，且不同时为0。a、b取不同值代入可确定K = 3，4，7，9，12，13，16，19，21，…。不同区群内同频小区之间最小距离为，其中K为区群内小区数量，R为小区辐射半径。KRD3第2章蜂窝移动通信的关键技术K=3,b=1a=1K=4,b=2a=0K=7,b=2a=1……第2章蜂窝移动通信的关键技术2．激励方式移动通信网中各小区的基站可以设置在小区的不同的两个位置上，因此就产生了两种不同的激励方式。(1)中心激励：基站设置在小区的中央，采用全向天线实现无限区的覆盖，如图(a)所示。(2)顶点激励：基站设置在每个小区相间的三个顶点上，并采用三个互成120°扇形覆盖的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各1/3区域，每个小区由三幅120°扇形天线共同覆盖，如图(b)所示。第2章蜂窝移动通信的关键技术无线小区的两种激励方式(a)中心激励；(b)顶点激励第2章蜂窝移动通信的关键技术3.无线小区模型的确定目前GSM网络广泛采用的无线小区模型有4×3复用方式和3×3复用方式等。4×3复用方式：每4个基站为一区群，每个基站分成3个120°扇区，共需12组频率。第2章蜂窝移动通信的关键技术4.直放站技术在组网时，出于经费或地形地物等方面的考虑，会出现无线电波覆盖不到的地区，称之为盲区或死区，如图所示。为了实现整个服务区内的通信，使死区变活，消除盲区，通常在适当的地方建立直放站，以沟通盲区和死区内的移动台与基站之间的通信。第2章蜂窝移动通信的关键技术基地站反向天线前向天线移动台直放机第2章蜂窝移动通信的关键技术5.多信道共用技术所谓多信道共用，就是指移动通信网内的大量用户共享若干无线信道(频率、时隙、码型)，这与市话用户共享中继线相类似。这种占用信道的方式相对于独立信道来说，可以显著提高信道利用率。第2章蜂窝移动通信的关键技术例如，一个无线小区有10个信道，110个用户，用户也分成10组，每11个用户被指定一个信道，不同的信道内的用户不能互换信道，如图(a)所示。这就是独立信道方式。在这种情况下，只要有一个用户占用了本组内的信道，同组的其余10个用户均不能再占用了，在它通话结束前，这10个用户都处于阻塞状态，无法通话。但是，如果其他组的信道处于空闲状态，而又得不到利用，显然，信道利用率很低。第2章蜂窝移动通信的关键技术多信道共用方式如图(b)所示。在这种方式下，该小区内的10个信道被110个用户共用。当k(k  10)个信道被占用时，其他需要通话的用户可以选择剩下的(10-k)中的任意一个空闲信道通信。因为任何一个移动用户选择空闲信道和占用空闲信道的时间都是随机的，所以，所有10个信道被同时占用的概率远小于一个信道被占用的概率。因此，多信道共用方式可大大提高信道利用率。第2章蜂窝移动通信的关键技术信道使用方式(a)独立信道方式；(b)多信道共用方式第2章蜂窝移动通信的关键技术2.2编码技术信源编码及信道编码技术是移动通信中的两个重要的技术领域。语音编码技术属于信源编码，可提高系统的频谱利用率和信道容量；信道编码技术可提高系统的抗干扰能力，从而保证良好的通话质量。第2章蜂窝移动通信的关键技术语音编码是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的语音质量的前提下，尽可能地降低语音编码的比特率。信源编码的目的是为了提高系统的有效性。第2章蜂窝移动通信的关键技术移动通信对数字语音编码的要求如下:·速率较低,纯编码速率应低于16kb/s;·在一定编码速率下的音质应尽可能高;·编码时延要短,要控制在几十毫秒之内;·编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能稳定;·编码器应便于大规模集成。第2章蜂窝移动通信的关键技术语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。第2章蜂窝移动通信的关键技术1．波形编码波形编码是将随时间变化的信号直接变换为数字代码，尽量使重建的语音波形保持原语音信号的波形形状。其基本原理是对模拟语音波形信号进行抽样、量化、编码而形成的数字语音信号。解码是与其相反的过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。第2章蜂窝移动通信的关键技术为了保证数字语音信号解码后的高保真度，波形编码需要较高的编码速率，一般为16～64kb/s。通信原理中讲过的脉冲编码调制(PCM)、增量调制(ΔM)以及它们的各种改进形式—自适应增量调制(ADM)、自适应差分编码调制(ADPCM)等都属于波形编码技术。波形编码有比较好的语音质量和成熟的实现方法，但其所用的编码速率比较高，占用的带宽比较宽，因此波形编码多用于有线通信中。第2章蜂窝移动通信的关键技术2．参量编码参量编码是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法，因此也称之为声码器编码。参量编码由于只传送语音的特征参量，因此可实现低速率的语音编码，其编码速率一般为1.2～4.8kb/s。线性预测编码(LPC)及其变形均属于参量编码。参量编码的语音可懂度较好，但有明显的失真，不能满足商用语音通信的要求。第2章蜂窝移动通信的关键技术3．混合编码混合编码是基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技术，它将波形编码和参量编码结合起来，力图保持波形编码语音的高质量与参量编码的低速率。在混合编码信号中，既包括若干语音特征参量，也包括部分波形编码信息。其比特率一般为4～1