移动通信(电子信息类本科)第5章

第5章组网技术第5章组网技术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第5章组网技术5.1概述物理层(PHL)确定无线电参数，如：频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。物理层将无线电频谱分成若干个物理信道，划分的方法可以按频率、时隙或码字或它们的组合进行，如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等。物理层在介质接入控制层(MAC)的控制下，负责数据或数据分组的收发。第5章组网技术介质接入控制层(MAC)的主要功能有介质访问管理和数据封装等。具体地讲，第一功能是选择物理信道，然后在这些信道上建立和释放连接；第二个功能是将控制信息、高层的信息和差错控制信息复接成适合物理信道传输的数据分组。介质接入控制层通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。例如，欧洲数字无绳电话系统(DECT)的MAC层为高层提供三个独立的业务：广播业务、面向连接的业务和无连接业务。第5章组网技术数据链路控制层(DLC)的主要功能是为网络层提供非常可靠的数据链路。例如，在DECT中，将DLC层分为两个平面：控制平面和用户平面。控制平面为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路，采用标准的链路接入步骤(LAPC)来提供完全的差错控制。在用户平面，提供了一组可供选择的业务，如供语音传输的透明无差错保护的业务，具有不同差错保护的支持电路交换模式和分组交换模式数据传输的其它业务。　网络层主要是信令层。它确定了用于链路控制、无线电资源管理、各种业务(呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务)管理和移动性管理的各种功能。第5章组网技术5.2多址技术5.2.1频分多址(FDMA)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，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。第5章组网技术图5-1FDMA的频道划分方法信道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）第5章组网技术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SA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　)。第5章组网技术已知1小时内平均发生呼叫的次数为λ(次)，用式(5-1)可求得:A(爱尔兰)=S(小时/次)·λ(次/小时)可见这个A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。　例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即　　λ=20(次/小时)平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即次）（小时次）分/201/(3S120120A爱尔兰第5章组网技术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，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SA00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00AAAB第5章组网技术呼损率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)。例如，某通信网的服务等级为0.05(即B=0.05)，表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折衷处理。第5章组网技术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SCTSA1001完成话务量即为式中，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第5章组网技术SCtnttttinnii13211321niiniiTtitiTSCTA111011niiPiA10当观察时间T足够长，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(5-7)第5章组网技术例如，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5-1利用(5-7)式，有5.3)1.081.071.062.054.045.033.022.01(210A(爱尔兰)0.10.10.10.10.20.40.30.20.1ti876543210I第5章组网技术这说明在总共8个信道中，在2小时的观察时间内平均有3.5个信道同时被占用。每信道每小时的平均被占用时间为3.5/8=0.4375小时。因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰，因此它的平均信道利用率就是43.75%　。第5章组网技术3.呼损率的计算niiniAnAB1!/!/nBAnA)1(0呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即第5章组网技术表5–2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系第5章组网技术表5–2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系第5章组网技术4.用户忙时的话务量与用户数每个用户在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60031kTCa第5章组网技术例如，C=3(次/天)，T=120(秒/次)，k=10%，则用上式可算得a=0.01(爱尔兰/用户)。国外资料表明，公用移动通信网可按a=0.01设计，专业移动通信网可按a=0.05设计。由于电话使用的习惯不同，国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少，建议公用移动通信网按a=0.02~0.03设计，专业移动通信网按a=0.08设计。　kTCnAanAm6003/全网的用户数为m·n。第5章组网技术表5–3用户数的计算以a=0.01(爱尔兰/用户)计算出每信道的用户数如表5-3所示(在a值不同时，则需另行计算)。第5章组网技术5.空闲信道的选取空闲信道的选取方式主要可以分为两类：一类是专用呼叫信道方式(或称“共用信令信道”方式)；另一类是标明空闲信道方式。(1)专用呼叫信道方式。这种方式是在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守候。(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”.第5章组网技术5.2.2时分多址(TDMA)　图5–2TDMA示意图第5章组网技术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。　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。第5章组网技术图5–3典型的时隙结构时隙123……N同步控制信息保护信息训练信息保护典型结构1典型结构2一帧第5章组网技术5.2.3码分多址(CDMA)1.FH-CDMA图5–4FH-CDMA和DS-CDMA示意图　(a)FH-CDMA;(b)DS-CDMA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)第5章组网技术图5-5DS-CDMA系统逻辑信道示意图　(a)基站到移动台的下行链路；(b)基站到移动台的上行链路导频信道同步信道W0W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道业务信道业务信道业务信道W31W33W6317N2425551业务数据控制子信道接入信道接入信道业务信道业务信道1n1255用户地址码(a)(b)业务信道第5章组网技术3.混合码分多址　混合码分多址的形式有多种多样，如FDMA和DS-CDMA混合，TDMA与DS-CDMA混合(TD/CDMA)，TDMA与跳频混合(TDMA/FH),FH[CD*2]CDMA与DS-CDMA混合(DS/FH-CDMA)等等。第5章组网技术5.2.4空分多址(SDMA)图5–6空分多址示意图第5章组网技术5.2.5随机多址1.ALOHA协议和时隙ALOHAALOHA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，他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。第5章组网技术A1B1B1A2碰撞用户A：用户B：(b)(a)tB1碰撞A2A1A2随机重传时延易损间隔用户A：用户B：图5–7ALOHA和时隙ALOHA协议示意图　(a)ALOHA协议；(b)时隙ALOHA协议第5章组网技术对于随机多址协议而言，其主要性能指标有两个：一是通过量(S)(指单位时间内平均成功传输的分组数)；二是每个分组的平均时延(D)。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。第5章组网技术2.载波侦听多址(CSMA)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。　在CSMA协议中，影响系统的两个主要参数是检测时延和传播时延。检测时延是指接收机判断信道空闲与否所需的时间。假定检测时延和传播时延之和为τ，如果某节点在t时刻开始发送一个分组，则在t+τ时刻以后所有节点都会检测到信道忙。因此只要在［t,t+τ］内没有其他用户发送，则该节点发送的分组将会成功传输，如图5-8所示　。第5章组网技术AtBtt2t1t2+τt3t3+τ“碰撞”分组到达时刻tC发送分组接收分组*ABC之间的距离相等τ图5–8CSMA协议示意图第5章组网技术当检测到信道忙时，有几种处理办法：一是继续检测信道直至信道空闲，一旦信道空闲则以概率1发送分组，该协议称为1-坚持CSMA；二是随机时延一段时间，然后重新检测信道，直至检测到空闲信道，该协议称为非坚持CSMA；三是继续检测信道直至信道空闲，此时以概率p发送分组，以1-p推迟发送，该协