2011-移动通信-第5章-组网技术

第五章组网技术方朝曦浙江万里学院电子信息学院前章内容回顾信号从发射端到接收端的变化情况前两节内容回顾：电磁波的传播移动信道中无线电信号传播方式直射，反射，绕射，散射对信号传播产生的影响？慢衰落：传播损耗(路径损耗)快衰落：多径效应(瑞利衰落)信号衰减有多严重？前两节内容回顾：移动信道的传播损耗1自由空间传播损耗2根据地形地物查表得到相应的衰减，并给予必要的修正3综合上述两项即为传播损耗中值2011/5/172010-3-12浙江万里学院电子信息学院方朝曦浙江万里学院电子信息学院4［Lfs］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)2010-3-12浙江万里学院电子信息学院5前两节内容回顾：测量统计损耗1地形分类中等起伏地形不规则地形丘陵孤立山岳斜坡水陆混合2地物分类市区郊区开阔地前两节内容回顾：传播损耗模型2010-3-12浙江万里学院电子信息学院6图表查阅比较麻烦直接用数学公式计算传播损耗中值模型Hata模型，COST-231模型室内环境路径损耗模型多径信道冲激信道模型GSM模型，COST-207模型IMT-2000多径模型Hata模型：Lurban(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd本章讨论内容多个手机如何实现同时通信?5.2多址技术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。基站位置如何规划？5.3区域覆盖/信道配置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?5.4网络结构本章讨论内容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?5.5信令系统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?5.6.1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?5.6.2位置管理5.组网技术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2010-3-12浙江万里学院电子信息学院10双工技术：双工：两个终端之间如何实现双向通信频分双工(FDD)时分双工(TDD)2010-3-12浙江万里学院电子信息学院11多址技术多址技术：多个用户如何共享给定的频谱资源多用户通信系统中需要采用一定的双工和多址技术来实现双向实时通信下行上行5.2多址技术常用多址技术频分多址(FDMA)时分多址(TDMA)码分多址(CDMA)空分多址(SDMA)随机多址(ALOHA)5.2.1频分多址(FDMA)FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)频分多址(FDMA)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第一代模拟移动通信系统中采用FDMA技术在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5.2.1频分多址(FDMA)图5-1FDMA的频道划分方法模拟蜂窝系统一览表5.2.2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。5.2.2时分多址(TDMA)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)图5-2TDD-TDMA示意图思考：FDD-TDMA示意图?5.2.2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5.2.2时分多址(TDMA)图5-3典型的时隙结构5.2.3码分多址(CDMA)CDMA：每个用户分配一个不同的码字1.跳频FH-CDMA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2.直接序列扩频DS-CDMA每个用户利用各自的伪随机(PN)序列对信息进行直接扩频调制3.混合码分多址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。5.2.3码分多址(CDMA)图5-4FH-CDMA和DS-CDMA示意图(a)FH-CDMA;(b)DS-CDMA5.2.4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5.2.4空分多址(SDMA)图5-6空分多址示意图5.2.5随机多址1ALOHA协议是世界上最早的无线电计算机通信网1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字，目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。ALOHA是夏威夷人表示致意的问候语2011/5/172010-3-12浙江万里学院电子信息学院方朝曦浙江万里学院电子信息学院245.2.5随机多址1.ALOHA协议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。ALOHA协议2011/5/172010-3-12浙江万里学院电子信息学院方朝曦浙江万里学院电子信息学院26ALOHA协议要使当前分组传输成功，必须在当前分组到达时刻的前后各一个分组长度内没有其他用户的分组到达，即易损区间为2倍的分组长度。假定分组的长度固定，信道传输速率恒定，到达信道的分组服从Poisson分布的情况，则ALOHA协议的最大通过量Smax=1/2e=0.1839。时隙ALOHA协议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时隙ALOHA与ALOHA协议相比，将易损区间从2倍的分组长度减少到一个时隙，从而提高了系统的通过量。在到达分组服从Poisson分布的情况下，时隙ALOHA协议的最大通过量Smax=1/e=0.3679。图5-7ALOHA和时隙ALOHA(a)ALOHA协议；(b)时隙ALOHA协议5.2.5随机多址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。图5-8CSMA协议示意图5.2.5随机多址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。如果预约成功，它将无碰撞地占用每一帧所预约的时隙，直至所有分组传输完毕。用于预约的时隙可以是一帧中固定的时隙，也可以是不固定的。预约时隙的大小可与信息传输时隙相同，也可以将一个时隙再分为若干个小时隙，每个小时隙供一个用户发送预约分组。5.2.5随机多址有线局域网:CSMA/CD载波侦听多点接入/冲突检测（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）无线局域网:CSMA/CA载波侦听多点接入/避免冲撞（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）5.2.6话务量与呼损率通过一定多址方式，系统给定n个信道，究竟可以支持多少个用户？5.2.6话务量与呼损率1.话务量与呼损率的定义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)S5.2.6话务量与呼损率定义流入话务量A为A=S·λ(5-1)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)。A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数例如，全通信网平均每小时发生10次呼叫，即λ=10(次/小时)5.2.6话务量与呼损率平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即)/(201)/(3次小时次分S代入式(5-1)，可得爱尔兰5.020110A这就表示，1小时的平均呼叫10次所要求的总通话时间为0.5小时，所以流入话务量等于0.5爱尔兰。5.2.6话务量与呼损率最大话务量从一个信道看，它充其量在1个小时之内不间断地进行通信，那么它所能完成的最大话务量也就是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，所以一个信道实际所能完成的话务量必定小于1爱尔兰。也就是说，信道的利用率不可能达到百分之百。A0=λ0·S(5-2)5.2.6话务量与呼损率呼损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5.2.6话务量与呼损率呼损率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”，用符号B表示，即00AAAB(5-3)显然，呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级(或业务等级)。5.2.6话务量与呼损率2.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TC10(5-4)完成话务量即为SCTSA1001(5-5)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SCnttttinii13211321(5-6)将式(5-6)代入式(5-5)，可得完成话务量niiniiTtitiTSCTA111011(5-7)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，式(5-7)就可改写为5.2.6话务量与呼损率iniPiA10(5-8)5.2.6话务量与呼损率由此可见，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。例如，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5-1所示。表5-15.2.6话务量与呼损率利用(5-7)式，有5.3)1.081.071.062.054.045.033.022.01(210