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1、5.1 移动通信网结构5.2 区域覆盖和小区设计5.3 频率的有效利用与信道配置5.4 信令5.5 越区切换与位置管理,第五章 移动通信网组网技术,学习目标,理解并掌握移动通信系统的组成。掌握蜂窝小区图案的选择原则掌握蜂窝小区区群的构成掌握蜂窝小区区群频率的配置掌握蜂窝小区的越区切换和位置管理,5.1移动通信网的基本结构,一、基本结构,从地理位置范围来看，GSM系统分为GSM服务区、公用陆地移动网（PLMN），移动交换控制（MSC）业务区、位置区（LA），基站区和小区。,二、区域定义（补充）,1、GSM服务区 指移动用户能获得服务的区域，由若干个PLMN构成，可以是联网的GSM全部成员国，也可
2、以是一个国家的一部分。2、公用陆地移动网（PLMN）业务区 PLMN是由一个公用陆地移动网提供业务的区域。一个PLMN区由一个或多个移动业务交换中心（MSC）组成。在该区域内，有共同的编号方法和路由规划。PLMN业务区可以与公共电话交换网PSTN、综合业务数字网ISDN和公用数据网PDN互联。3、MSC业务区 由一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域称为一个MSC区，由一个或若干个位置区组成。,4、位置区LA 位置区就是移动台位置登记区，指移动台课任意移动但不需要进行位置更新的区域。由一个或若干个基站区组成。5、基站区BS 指由一个基站控制器所控制的一个或若干个无线小区。基站提供无线信道，以
3、建立在基站覆盖范围内与移动台的无线通信。6、小区 采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域，即为小区。在蜂窝制移动通信系统中，采用全向天线时，一个小区包含一个基站，即小区即为基站区，其有效覆盖范围取决于发射功率、天线高度等因素，一般为几千米。若小区内业务激增时，一个小区还可以分为裂为若干个小区。,7、直放站 在组网时，出于对地形地物及经费的考虑，会出现覆盖不到的区域，通常称为盲区或死角。为了让盲区或死角变活，通常在适当的地方建立直放站，其相当于一个同频放大的中继站，用于转发来自基站和移动台的信号。,5.2 区域覆盖和小区设计,5.2区域覆盖和小区设计5.2.1 服务区的体制1、大区
4、制基站发射的电波的覆盖范围称为无线小区。大区制：在一个服务区域内只有一个或几个基站(BS)，天线架设得高；发射机输出功率大（200W)；服务区内所有频道都不能重复；覆盖半径大约为30km至50km。基站作用：负责移动通信的联络和控制,a)单无线小区(大区制)构成的服务区 b)多无线小区构成的服务区图5.9 无线小区构成,优点：组成简单，投资少，见效快。缺点：服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复，频率利用率和通信容量都受到了限制。适用范围：主要用于专用网或用户较少的地域，一般用户数只能有几百个，总话务量小于20Erl。,2、中区制服务区由一个或多个基站组成，每个基站覆
5、盖半径约为1525km。与大区制相比，提高了频道利用率，因为在这种体制中，允许相隔一定距离的两个基站使用相同的工作频率。,3、小区制小区：把整个服务区域划分为若干个无线小区(cell)，每个小区分别设置一个基站。半径：2至10km；功率：5至20W.如图5.6所示。,图5.6 小区制移动通信示意图,区群：在小区制结构中，由采用不同频率的若干小区组成的覆盖区域称为一个区群。n频制：采用不同频率的n个小区组成的区群称为n频制区群。小区制结构虽然设备构成复杂，但覆盖服务区宽，频率利用率高，因此，对于大容量通信系统都采用这种方式。,图5.14 正六边形3小区重复图案,4、服务区形状 根据服务对象、地形
6、的分布及干扰等因素，可以将小区制移动通信网划分为：带状服务区面状服务区,(1)带状(包括教材上的线状和带状服务区）,常见线状服务区有高速公路、铁路和水运航道等；常见带状服务区有狭长城市，沿海水域等。,图：组成面状服务区的形状,(2)面状服务区：当服务区不是带状，而是一个宽广的平面时，称为二维区域或面状网。,移动电话网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干无线区群构成整个服务区。,5.2.2 小区设计,小区通信系统的建立需要综合考虑地形、电磁波的传播特性、话务量分布、通信质量及经济性等诸多因素。小区通信系统的建立需要确定的参数有：小区的形状、小区数量、小区的大小、基站的配置（即如
7、何配置基站才能有效覆盖服务区域）以及同频复用（即哪些小区重复使用同一频率才能使频率利用率最高）等。,（1）小区图案(形状)无线小区的图案（形状）取决于电波传播条件和天线的方向性。为研究方便，假设整个服务区的地形地物相同，基站采用全向天线，它的覆盖区大体上是一个圆，即无线小区是圆形的。,为了不留空隙的覆盖整个平面的服务区，一个个圆形覆盖区之间一定会有很多交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区可等效成一个多边形。根据交叠情况不同，若在周围相间120o设置3个邻区，则有效覆盖区为三角形；若相间90o设置4个邻区，则有效覆盖区为正方形；若相间60o设置6个邻区，则有效覆盖区为六边形。要用
8、正多边形无空隙、无重叠的覆盖一个平面区域，可取的形状只有这3种。,选择哪种几何图形，应从以下几个方面考虑：,1）图形本身的有效面积越大越好2）重叠区越小越好3）相邻小区中心点的距离（中心间距）越大越好4）需要的频率数越少越好,三种形状小区比较,需要的最少频率数 由于同频干扰的存在，相邻小区不能采用不同相同频率。这时三角形、四边形、六边形中分别需要的频率个数为6个、4个、3个。,图 三种几何结构的最少频率数,2,2,2,1,1,1,3,3,4,5,5,6,6,3,3,3,1,1,1,4,4,2,蜂窝移动通信网,综上所述，最有效的方法就是正六边形，因此，在系统设计无线小区时都采用正六边形也就是蜂窝
9、状结构（Cellular System）。,小结：,（2）正六边形无线区群的构成区群：由采用不同频道的若干小区组成，典型值为3、4、7、9、12、。同一区群内的小区不能使用相同的频道。,（2）正六边形无线区群的构成,构成条件小区模型激励方式,构成正六边形区群条件,1）由若干个邻接的正六边形小区构成一个无线区群，也 称为单位无线区群。再由单位无线区群彼此邻接，无重叠、无缝隙的形成整个服务区。2）单位无线区群中的小区必须使用不同频率，以防同频 干扰。3）相邻区群中的同频小区的中心间距D相等。,D,要满足上述条件，单位区群内的小区数应满足：,i 1 0 1 0 2 1 0 2 1 0 3 2 j 1
10、 2 2 3 2 3 4 3 4 5 3 4 N 3 4 7 9 12 13 16 19 21 25 27 28,式中i,j为正整数。N的一般取值如下表所示：,单位无线区群的构成模式,图5.17 由单位无线区群彼此邻接组成的面状网示意图,N=7,j=2,i=1,N=4,N=9,j=3,i=0,N=13,j=3,i=1,N=16,j=4,i=0,N=3,j=1,i=1,j=2,i=0,确定同频小区采用二维距离的方法：自某小区A出发，先沿边的垂线方向跨j个小区，再按顺时针（或逆时针）方向转600，再跨上i 个小区，可以找到6个相邻的同频小区。如下图示：,同频小区的确定,j,i,B,B,B,B,B,
11、B,B,图5.17 由单位无线区群彼此邻接组成的面状网示意图,N=7,j=2,i=1,N=4,N=9,j=3,i=0,N=13,j=3,i=1,N=16,j=4,i=0,N=3,j=1,i=1,j=2,i=0,区群中无线小区的个数N与相邻区群中的同频小区的中心间距D可用下式表示：从而得出：式中，R为小区半径。则避免同频干扰的条件即为：式中：d为同频复用距离,（51）,相邻区群中的同频小区的中心间距D的计算,小结：,N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可包含更多的区群，频率利用率高，有更多的容量。,N的选取原则：从提高频率利用率的角度，在保持满意的通信质量
12、的前提下，N应取最小值最好。,(3)扇形小区,中心激励方式：基地站在小区的中心，采用全向天线形成圆形覆盖区覆盖无线小区顶点激励方式：在每个正六边形不相邻的三个顶点上 设置基地站 采用定向天线形成120扇形覆盖区,中心激励,b.顶点激励,图5.18 扇形小区结构实例（3扇区7区群）表示方式“37”，含义：一个单位无线区群中包含7个小区，一个小区分为3个扇区，共21个扇形小区，作为无线频率的一个使用单元。,4,扇形小区的优点：由于采用定向天线，天线发射功率小，且某单位无线区群中发射的强区刚好是相邻单位同频小区的弱区，故可有效抑制同频干扰，从而可以较小距离进行同频复用，提高了频率利用率。消除小区内障
13、碍物的阴影区。,（4）正六边形无线区群小区的分裂 无线小区还可以继续划小为微小区（Microcell)和微微小区(Piccell)以不断适应用户数增长的需要。,（a）1：3分裂方案,（b）1：4分裂方案,根据服务区内用户的密度不同，在用户密度高的区域，采用小区分裂的方法，将小区面积划小。若系统中 所有小区都按原小区半径的一半分裂，则理论上，系统容量增长接近4倍。,用户分布密度不等时的区域划分,（5）盲点与热点 在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微小区域“盲点”与“热点”。盲点：指由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低略；热点
14、：指由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。对于以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等方法加以解决。,直放站（Repeater）的设置,直放站：也叫中继站，属于同频放大设备，它在无线电传输过程中起到信号增强的作用。,图 直放站原理图,直放站在下行链路中，由施主天线从宿主基站提取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波信号经功放放大以后，再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号以同样的工作方式由上行放大链处理后发射到相应基站，从而达到基站与移动台的信号传递。,分裂小区,事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如城
15、市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。因此，在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如下图所示。,图 小区的分裂,（5）蜂窝的种类,表 小区的分类,小区制的优点,提高了频谱利用率（最大的优点）；基站的功率减小，使相互间的干扰减少；小区的服务范围可根据用户的密度确定，组网灵活。,5.3.1 频率的有效利用无线通信是利用无线电波在空间传递信息，所有的用户共用同一空间，因此，不能在同一时间、同一场所、同一方向上使用同一频率电波。也就是说，当某用户发射电波就要限制其它用户使用同一频率电波，因此，频率的利用就必须以一定规则有序地进行通信。,5
16、.3 频率的有效利用与信道配置,我国GSM系统的频率配置,5.3.2 信道的配置（P110）信道(频道)配置：主要解决将给定的信道（频率）如何分配给在一个区群的各小区。（针对FDMA、TDMA系统）信道配置的方式：分区分组配置法、等频间距配置法1、分区分组配置法配置原则：（1）尽量减少占用的总频段；（2）同一区群内不能使用相同的信道；（3）同一小区内采用无三阶互调的相容信道。,相容信道：无三阶互调干扰的信道。例如：假设频段以等间隔划分为信道，按顺序标明信 道的号码N=1,2,3,4,，若每个区群7个小区，每 个小区6个信道，按上述原则进行分配，可得：,可以利用频道序号的差值有无相同，判别一组频
17、道中是否存在三阶互调干扰。如果存在三阶互调干扰，则 di,x=dk,j i,j,k,x：频道序号；di,x，dk,j：频道序号差值。缺陷：由于出发点是避免三阶互调干扰，没考虑同一信道组的频率间隔，可能会出现较大的邻道干扰。,2、等频距配置法 定义：按等频率间隔来配置信道。方法：等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔，例如：第一组用（1，1N，12N，13N，），第二组用（2，2N，22N，23N，）等。例如N7，则信道的配置为：第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、。、第六组、第七组、,最小频率间隔为 个信道间隔，若信道间隔为 200kHz，则最小频率间隔可达
18、1400kHz，频距选得足够大，接收机的输入滤波器便可有效地抑制邻道干扰和互调干扰。我国GSM网和TACS网均采用了这种方法,补充：等频距配置法 应用实例,1、如果基站采用了全向性激励时，通常以12个无线小区（基地区）作为一个区群。如图1所示。2、如果采用扇形方向的天线激励，通常采用4个基站、24个扇形无线小区为一个区群。如图2所示。,图1 12个无线小区为一个区群的信道组配置,6,按K+jN的规律，可确定各信道组的信道序列如下：,第一信道组，K=1，j=012，故（1，13，25，）第二信道组，K=2，j=012，故（2，14，26，）第三信道组，K=3，j=012，故（3，15，27，）第
19、四信道组，K=4，j=012，故（4，16，28，）第五信道组，K=5，j=012，故(5，17，29，)第六信道组，K=6，j=012，故（6，18，30，）第七信道组，K=7，j=012，故（7，19，31，）第八信道组，K=8，j=012，故(8，20，32，)第九信道组，K=9，j=012，故(9，21，33，)第十信道组，K=10，j=012，故(10，22，34，)第十一信道组，K=11，j=012，故(11，23，35，)第十二信道组，K=12，j=012，故(12，24，36，),图2 4个基站24个扇形无线小区为一个区群的信道组配置,图2 所示信道组配置的信道分配如下：,BS
20、1选用的六个信道组为（1，25，49，73）；（5，29，53，77）；(21，45，69，93)；BS2选用的六个信道组为（2，26，50，74）；（6，30，54，78）；(22，46，70，94)；BS3选用的六个信道组为（3，27，51，75）；（7，31，55，79）；.(23，47，71，95)；BS4选用的六个信道组为（4，28，52，76）；（8，32，56，80）；.(24，48，72，96)。,1、工作频段GSM移动通信采用900MHz频段；890915MHz（基站收、移动台发）935960MHz（基站发、移动台收）可用频带为25MHz随着业务向下扩展的同时，也采用了180
21、0MHz频段还采用了DCS1800制式。,5.3.4 GSM数字移动通信的信道配置,2频道间隔GSM系统相邻频道间隔为200kHz，在同一频道组内，任意相邻两个频道间隔为 2.4MHz，收发间隔为45MHz，每个频道采用时分多址接入方式，分为8个信道，将来采用半速率语音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。,3频道配置频道配置采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124，共计49个频道，频道序号与频道标称中心频率890MHz的关系为fn890.200+(n-1)0.200(移动台发，基站收)fn935.200+(n-1)0.200(移动台收，基站发)序号n=76124,补充二：多信道共用技术
22、,独立信道方式 定义：一个无线区有N个信道，每个用户分别指定一个信道，不同信 道内的用户不能互换信道。特点：信道得不到充分利用多信道共用方式 定义：在一个无线小区内的N个信道，为该区内所有用户共用，则当 k（k N）个信道被占用时，其他需要通话的用户可以选择剩 下的任一空闲信道通话。特点：可明显提高信道的利用率，用户通话的阻塞概率明显下降。多信道共用可使用户数目明显增加，但也不是无止境的，否则将使阻塞率增加而影响质量。那么，在保持一定质量的情况下，采用多信道共用，一个信道究竟平均分配多少用户才合理？这就是我们要讨论的话务量和呼损问题。,补充三 话务量与呼损,呼叫话务量概念：指单位时间内（1小时
23、）进行的平均电话交换量。公式表示：A=Ct0 C每小时平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫失败的次数）；t0每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续时间和通话时间）。如果t0以小时为单位，则话务量A的单位是爱尔兰(Erl)。,例：设在100个信道上，平均每小时有2100次呼叫，平均每次呼叫时间为2分钟，求这些信道上的呼叫话务量。解：A=21002/60=70 Erl,呼损率概念：当多个用户共用信道时，会出现许多用户虽然发出呼叫，但因无信道而不能通话(即呼叫失败)。在一个通信系统中，呼叫失败次数与总呼叫次数的比值称为呼叫失败概率，简称为呼损率（B）。公式表示：B=（A-A）/A 其中：A-总话务量；A-
24、呼叫成功接通电话的话务量，简称为完成话务量；A-A-损失话务量。物理意义：损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。,呼损率B愈小，成功呼叫的概率越大，用户就越满意。因此，呼损率也称为系统的服务等级（或业务等级）。呼损率和话务量是一对矛盾，即服务等级和信道利用率是矛盾的。,繁忙小时集中度(K)公式：K=忙时话务量/全日话务量 K一般取8%14%每个用户忙时话务量（Aa）公式：Aa=CTK/3600 式中：C-每一用户每天平均呼叫次数；T-每次呼叫平均占用信道的时间（单位为秒）；物理意义：Aa为最忙时间的那个小时的话务量，是统计平均值。,5、每个信道能容纳的用户数（m）,当每个用户忙时的话务量确定后，
25、每个信道所能容纳的用户数m可由下式决定：,式中，n表示信道数。每个信道的容量m，是与在一定呼损条件下的信道平均话务量成正比，而与每个用户忙时话务量成反比。,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80秒，呼损率要求10%，忙时集中度为0.125。问给定9个信道能容纳多少用户？解：根据呼损的要求及信道数，求总话务量A；可以利用公式，也可查表。求得A=6.546 Erl.求每个用户的忙时话务量Aa=CTK/3600=0.0278Erl 求每个信道能容纳的用户数m:m=235.5 8 系统所容纳的用户数:N=235.5用户236用户,作业：,作业一：P125 3题作业二
26、：补充题（1）采用等频距配置法 实现43扇形小区的信道配置，每个扇形小区配置3个频道。（2）根据公式 确定与该区群相邻的两个区群中每个扇区的频率。作业三：补充题 某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫8次，每次占用信道平均时间为60秒，呼损率要求10%，忙时集中率为0.125。问给定10个信道能容纳多少用户？（A=7.511erl）,作业三：补充题 某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫8次，每次占用信道平均时间为60秒，呼损率要求10%，忙时集中率为0.125。问给定10个信道能容纳多少用户？解：根据呼损的要求及信道数，查表求总话务量 A=7.511 Erl.求每个用户的忙时话务量Aa；Aa=C
27、TK/3600=860 0.125/3600=0.017Erl 求每个信道能容纳的用户数m:m=44.1844 系统所容纳的用户数:n=440用户,作业二：补充题（1）采用等频距配置法 实现43扇形小区的信道配置，每个扇形小区配置3个频道。（2）根据公式 确定与该区群相邻的两个区群中每个扇区的频率。,1.13.25,2.14.26,3.15.27,4.16.28,5.17.29,6.18.30,7.19.31,8.20.32,9.21.33,10.22.34,11.23.35,12.24.36,N=4，i=0，j=2,1.13.25,5.17.29,9.21.33,1.13.25,5.17.29,9.21.33,实验与实践,活动1 认识身边的移动通信网络活动2 应用研究 扩频通信技术的研究与应用 低速率语音编码技术的研究与应用 抗多址干扰技术的研究与应用 信源编码技术的研究与应用 QAM与QPSK调制技术的对比研究 光码分多址技术的研究与应用 其它无线通信技术的研究与应用活动3 网络规划与网络优化”活动4 频率复用面面观活动5 资费调查,
