移动通信第五章 组网技术教材课件.ppt

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1、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

2、。 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?,5.1 概述,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

3、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。,5.2 多址技术,FDD(频分双工）,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

4、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, （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

5、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 ，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0，就可计算出完成话务量:,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

6、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：,呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同。信道利用率可用每小时每信道完成话务量来计算，即：,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

7、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。,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：,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：,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

8、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：5.597 2) 每个用户忙时的话务量： a=10800.125/3600=0.0278Erl 3) 每个信道能容纳的用户数为m 系统能容纳的用户数： Mmn=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

9、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,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,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。, 循环定位。,空闲信道,空闲信道,空闲信道,占用,特点：信道利

10、用率高，呼叫处理速度快，但容易发生同抢。, 循环不定位方式。,空闲信道,空闲信道,空闲信道,占用,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。,TDD（时分双工）,5.2 多址技术,5.2 多址技术,三. 码分多址(CDMA),2. FH-

11、CDMA,3. 混合码分多址,1. DS-CDMA,CDMA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,FH-CDMA,DS-CDMA,5.2 多址技术,DS-CDMA系统的特点：存在自身多址干扰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,概念 1. 大区制,

12、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

13、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

14、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： Na2abb2 比如：N=3 N=4 N=7 N=9 N=12,5.3 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：,可见：群内小区数N越大，同频小区的距离

15、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25kHz250kHz/双向 总共可用信道33000/50=660个信道 （1）N4 每小区得可用信道数量660/4=165个信道 （2）N7 每小区得可用信道数量660/7=95个信道 （1）N12 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

16、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,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

17、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64.0 kb/s)的传输，其比特率为1.544/3.152/6.312/44.736/274.176 Mb/s；另一类是欧洲及其它大部分地区的标准系列：E-1/E-1C/E-2/E-3/E-4可同时支持30/120/480/1920/7680路数字话音的传输，其比特率为2.048/8.448/34.368/139.264/565.148 Mb/s。 通常每个基站要同时支持50路话音呼叫，每个交换机可以支持近100个基站，交换机到固定网络之间需要5 000个话路的传输容量。,5.

18、4 网络结构,蜂窝移动电话网的网络结构,5.4 网络结构,MS：移动台 BSC（基站控制器）BTS（基站收、发信台）MSC：移动交换中心HLR：归属位置寄存器 VLR：访问位置寄存器AUC：认证中心 EIR：设备标志寄存器OMC：操作维护中心PSTN：公共交换电话网 ISDN：综合业务数字网 PDN：公共数字网,二. 数字蜂窝移动网的网络结构,5.4 网络结构,Sm：用户和网络之间的接口（人机接口）Um：移动台与基站收发信台之间的接口，无线接口或空中接口A：基站和移动交换中心之间的接口Abis：基站控制器和基站收发信台之间的接口B：移动交换中心和访问位置寄存器之间的接口C：移动交换中心和归属位

19、置寄存器之间的接口D：归属位置寄存器和访问位置寄存器之间的接口E：移动交换中心之间的接口F：移动交换中心和设备标志寄存器之间的接口G：访问位置寄存器之间的接口,5.4 网络结构,图 1-18 Um接口协议模型举例,5.5 信令,5.5 信令,一. 信令的概念,信令是与通信有关的一系列控制信号，在通信网中，信令在网络每一个节点都分别处理，并导致一系列控制操作，所以我们可以说，信令是用户以及通信网中各个节点相互交换信息的公共语言，是整个通信网的神经系统，信令系统的性能就反映了网络为用户提供服务的能力和能够达到的服务质量。,5.5 信令,二. 信令类型,移动性管理、连接管理和无线资源管理所需的信令通

20、过空中接口的数据链路层最后放在物理层上传输，物理信道中传输信令的方式有多种形式： 专用控制信道 不设专用控制信道 随路信令,数字信令,数字信令传输速度快，组码数量大，电路易于集成化、可以促进设备小型化且降低成本。,1. 数字信令的特点,三. 接入信令,5.5 信令,2. 数字信令的构成,前置码（位/比特同步码）：提供位同步信息，把收、发两端时钟对准，使码位对齐，以给出每个码元的判决时刻。通常采用二进制不归零间隔码。接收端可用锁相环路来提取位同步信息。字同步码（帧同步码）：它表示信息的开始位，作为信息起始的时间标准，以使接收端实现正确的分路、分句或分字。目前最常用的是巴克码。信息码（地址或数据码

21、）：真正的信息内容，通常包括控制、寻呼、拨号等信令，各种系统都有的独特规定。纠错码：检测和纠正传送过程中产生的差错，,5.5 信令,3. 数字信令的传输,基带数字信令常以0、1表示，为了能使移动台（MS）与基站（BS）之间的无线信道中传输，必须进行调制。,4. 数字信令的纠错,5.5 信令,音频信令,1. 带内单音频信令 （0.33kHz）,表 5 7 单频码,5.5 信令,2. 带外亚音频信令（67250Hz） 采用低于300 Hz的单音作信令。例如，用67 Hz至250Hz间的43个频率点的单音可对43个移动台进行选台呼叫， 也可进行群呼，一次呼叫时间为4秒钟。通常要求频率准确度为0.1%

22、, 稳定度为0.01%，单音振幅为Upp=4V， 允许电平误差为1 dB。,5.5 信令,3. 双音频拨号信令 拨号信令是移动台主叫时发往基站的信号，它应考虑与市话机有兼容性且适宜于在无线信道中传输。常用的方式有单音频脉冲、双音频脉冲、10中取1、5中取2以及43方式。 单音频脉冲方式是用拨号盘使2.3 kHz的单音按脉冲形式发送，虽然简单，但受干扰时易误动。双音频脉冲方式应用广泛，已比较成熟。10中取1是用话带内的10个单音， 每一单音代表一个十进制数。5中取2是用话带内的5个单音， 每次同时选发两个单音，共有=10种组合，代表09共10个数。,5.5 信令,表 5 8 43方式的频率组成,

23、四. 网络信令,常用的网络信令是7号信令，它主要用于交换机之间、 交换机与数据库(如HLR、 VLR、 AUC)之间交换信息。,5.5 信令,六. 信令传输协议,5.5 信令,七. 信令的应用,HLR存储的用户信息（静态数据库）：用户的参数信息用户的位置（移动台漫游号码、VLR地址）VLR存储的用户信息（动态数据库）：来访用户的相关参数信息（来自HLR)来访用户的位置信息（所在位置区标志）,BS,HLR,VLR,5.6 越区切换和位置管理,5.6 越区切换和位置管理,一. 越区切换（Handover或Handoff）,越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况

24、下， 为了保持通信的连续性， 将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。 越区切换是指将当前正在进行的移动台（MS）与基站（BS）之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程，又被称为自动链路转移（ALT）。,越区切换分为两大类：硬切换：在新的连接建立以前，先中断旧的连接。软切换：软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。,5.6 越区切换和位置管理,越区切换涉及内容,越区切换的准则（什么时候需要切换） 在越区切换时，可以仅从某个方向的链路质量（上行或下行）来考虑，也可从同时考虑双向链路的通

25、信质量。 越区切换如何控制越区切换时信道分配,5.6 越区切换和位置管理,1. 越区切换的准则,相对信号强度准则(准则1)具有门限规定的相对信号强度准则(准则2)具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3)具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则(准则4),a. 相对信号强度准则(准则1)： 在任何时间都选择具有最强接收信号的基站。,如图 5 - 27 中的 A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是： 在原基站的信号强度仍满足要求的情况下， 会引发太多不必要的越区切换。,基站1,基站2,b. 具有门限规定的相对信号强度准则(准则2)： 仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱(低于某一门限)， 且新基站

26、的信号强于本基站的信号情况下， 才可以进行越区切换。,如图 5 - 27 所示， 在门限为Th2时， 在B点将会发生越区切换。在该方法中， 门限选择具有重要作用。,基站1,基站2,c. 具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3)： 仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多(即大于滞后余量(Hysteresis Margin)的情况下进行越区切换。,可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的“乒乓效应”。,基站1,基站2,d. 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则(准则4)： 仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进

27、行越区切换。,基站1,基站2,2. 越区切换的控制策略,移动台控制的越区切换网络控制的越区切换移动台辅助的越区切换,在该方式中， 移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。 在满足某种越区切换准则后， 移动台选择具有可用业务信道的 最佳候选基站， 并发送越区切换请求。,在该方式中， 基站监测来自移动台的信号强度和质量， 在信号低于某个门限后， 网络开始安排向另一个基站的越区切换。,在该方式中， 网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站， 网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。,5.6 越区切换和位置管理,3. 越区切换时的信道分配,越区

28、切换时的信道分配是解决当通信链路要转换到新小区，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。 常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。,5.6 越区切换和位置管理,六. 位置管理,在移动通信系统中， 用户可在系统覆盖范围内任意移动。 为了能把一个呼叫传送到随机移动的用户， 就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。,在现有的第二代数字移动通信系统中， 位置管理采用两层数据库， 即原籍(归属)位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)。,位置管理包括两个主要的任务： 位置登记(Location Registration)：位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情

29、况下， 更新位置数据库(HLR和VLR)和认证移动台。 呼叫传递(Call Delivery)：呼叫传递的步骤是在有呼叫给移动台的情况下， 根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位移动台。,与上述两个问题紧密相关的另外两个问题是： 位置更新(Location Update)： 位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。 寻呼(Paging)：寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个基站区。,1. 位置登记和呼叫传递,位置登记,5.6 越区切换和位置管理,5.6 越区切换和位置管理,2. 位置更新和寻呼 基于时间的位置更新策略： 每个用户每隔T秒周期性地更新其位

30、置。T的确定可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。 基于运动的位置更新策略：当移动台跨越一定数量的小区边界(运动门限)以后，移动台就进行一次位置更新。 基于距离的位置更新策略：当移动台离开上次位置更新时所在小区的距离超过一定的值(距离门限)时，移动台进行一次位置更新。最佳距离门限的确定取决于各个移动台的运动方式和呼叫到达参数。,系统容量,一. 通信系统容量,1. 定义,系统容量,侧重于理论的容量概念：一般是以单位带宽(时间或面积)的信息量为基础。对于话音业务：话务量(Erl)/单位带宽/单位面积，对于数据业务：比特(bit)/单位带宽(时间或面积)。上述定义的容量概念适用于理论上的比较，

31、但是实用上不大方便，因为信息量很难测量特别是模拟话音。 侧重于实际的容量概念：一般是以单位带宽(时间或面积)的信道(或用户)数为基础。对于话音业务：话路/单位带宽或者话路/单位带宽/单位面积，对于数据业务：信道/单位带宽。,系统容量,二. 改善技术,作业,组网技术包括哪些主要问题?什么叫做空中接口? 空中接口与多址方式有何差别?设系统采用FDMA多址方式， 信道带宽为25 kHz。 问在FDD方式， 系统同时支持100路双向话音传输， 则需要多大系统带宽?移动通信网的某个小区共有100个用户， 平均每用户C=5次/天， T=180秒/次， k=15%。 问为保证呼损率小于5%， 需共用的信道数是几个? 若允许呼损率达20%， 共用信道数可节省几个?9. DS-CDMA与TDMA、 FDMA相比有哪些主要差别?16. 什么叫中心激励? 什么叫顶点激励? 采用顶点激励方式有什么好处? 两者在信道的配置上有何不同?17. 移动通信网的基本网络结构包括哪些功能?18. 通信网中交换的作用是什么? 移动通信网中的交换与有线通信网中的交换有何不同?20. PLMN包括哪些主要功能块和接口? 各功能块的主要作用和各接口的主要功能是什么?,21. 什么叫信令? 信令的功能是什么? 可分为哪几种？27. 什么叫越区切换? 越区切换包括哪些主要问题? 软切换和硬切换的差别是什么?,