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1、第2章 移动通信网,通过本章学习，着重解决以下问题：如何进行区域覆盖移动通信的信道结构干扰如何影响系统性能如何构造蜂窝网络结构如何进行移动管理,第2章移动通信网,建立一个移动通信网的系统级概念,本次课教学目的：1、理解移动通信网的基本概念 2、掌握区域覆盖的基本概念和基本原理 3、理解大区制和小区制区域覆盖的特点和适用范围 4、理解同频干扰、邻频干扰和互调干扰产生的机理及减小这些干扰的主要措施,第2章移动通信网,移动通信网是承载移动通信业务的网络，主要完成移动用户之间、移动用户与固定用户之间的信息交换。空中网络（无线网络）地面网络（有线网络）,2.1移动通信体制,空中网络是移动通信网的主要部分
2、，主要包括：多址接入频率复用和区域覆盖切换和位置更新地面网络部分主要包括：服务区内各个基站的相互连接基站与固定网（PSTN、ISDN、数据网等）,2.1移动通信体制,2.1移动通信体制,一、地域覆盖1、大区制移动通信系统：是指使用安装在高塔上的单个大功率发射机而获得一个大面积覆盖的移动通信系统。基站天线架设得很高，发射机输出功率也较大(一般在200 W左右)，其覆盖半径大约为3050 km。,2.1移动通信体制,移动台移动台,BaseStation,PSTN,Mobile User,2.1移动通信体制,大区制方式优点：网络结构简单、成本低大区制方式的缺点：容量小区域覆盖受限地形环境影响，例如山
3、丘、建筑物等阻挡盲区多径反射干扰基站发射功率是有限额的（大区制能实现全国覆盖吗？）移动台发射功率小，上下行存在增益差,2.1移动通信体制,解决大区制覆盖的方法有：同频转发器，扫除盲区设置分集接收台提高基站接收机灵敏度,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。每个小区（半径为220 km，小的有13 km，有的城市为500 m）各设一个小功率基站，发射功率一般为520W，,2小区制移动通信网的地域覆盖,小区制的优点是：频率利用率高组网灵活,2小区制移动通信网的地域覆盖,随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小
4、为微小区（Microcell）和微微小区（Picrocell），以不断适应用户数增长的需要。在实际中，用小区分裂（Cell Splitting）、小区扇形化（Sectoring）和覆盖区域逼近（Coverage Zone Approaches）等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂提高了信道的复用次数，因而使系统容量有了明显提高。假设系统中所有小区都按小区半径的一半来分裂，理论上，系统容量增长接近4倍。小区扇形化依靠基站的方向性天线来减少同频干扰以提高系统容量，通常一个小区划分为3个120的扇区或
5、是6个60的扇区。,采用小区制不仅提高了频率的利用率，而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了。此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。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。所以，公用移动电话网均采用这种体制。但是这种体制在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中切换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，建网的成本就提高了，所以无线小区的范围也不宜过小。通常需根据用户密度或业务量的大小来确定无线小区半径，目前，宏小区半径一般为15
6、km左右。,下面针对不同的服务区来讨论小区的结构和频率的分配方案：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。,2小区制移动通信网的地域覆盖,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。,2小区制移动通信网的地域覆盖,2小区制移动通信网的地域覆盖,设频制的带状网如图所示。每一个小区的半径为r，相邻小区的交叠宽度为a，第n区与第1区为同频小区
7、。据此，可算出信号传输距离和同频干扰传输距离之比。,2、小区制移动通信网络的地域覆盖II蜂窝网在带状网中，区群组成和同频小区距离计算方便蜂窝网就比较复杂 1）小区形状全向天线辐射的覆盖区域是一个圆形为了不留空隙地覆盖，圆形服务区之间一定含有很多交叠,考虑交叠之后，实际每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形要有正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域可取三种形状,2小区制移动通信网络的地域覆盖,在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也就最经济。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此将小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。,2小区制移动通信
8、网络的地域覆盖,2小区制移动通信网络的地域覆盖,2)区群的组成 区群（簇）：共同使用全部可用频率的相邻的N个小区。区群的两个条件：区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖 邻接之后的区群应保证各个相邻同信频小区之间的距离相等 区群内的小区数应满足下式：其中，i与j是正整数，（i=0,j=0,i+j0）举例N的典型值为4，7，12，其N=4就是i=0,j=2得到的。AMPS系统：N=7；GSM系统：N=3或4,区群小区数N的取值,区群的组成,2小区制移动通信网络的地域覆盖,Frequency reuse,3)同频小区的距离,逆时针旋转60度再移动j个小区,垂直沿六边形任意边移动i个小区,4)中
9、心激励和顶点激励,中心激励：在每个小区中，基站可以设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区。顶点激励：将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用3副120度扇形辐射的定向天线，分别覆盖3个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由3副120度扇形天线共同覆盖。,2.2 移动通信的信道结构,2.2.1 话音信道(VC),1.检测音(SAT),在模拟蜂窝系统(AMPS和TACS)中，检测音(SAT)是指在话音传输期间连续发送的带外单音。MSC通过对SAT的检测，可以了解话音信道的传输质量。当话音信道单元发射机启动后，就会不断在带外(话音频带为300-3400 Hz)发出检测音(5970 Hz或
10、6000Hz或6030Hz)。SAT由BS的话音信道单元发出，经移动台MS环回。,2.数据 在一定情况下，在话音信道上还可传递数据。例如，在越区切换时，通话将暂时中断(模拟蜂窝系统中一般要求限定在800 ms之内)，可利用这段时间在话音信道中，以数据形式传递必要的指令或交换数据。3.信号音(ST)信号音为线路信号。它是由移动台发出的单向信号。例如，在BS寻呼MS过程中，如果BS收到MS发来的ST，就表示振铃成功。在切换过程中，原BS收到MS发来的ST信号，则表示MS对切换认可。ST是带内信号，一般在0-300Hz之间。,2.2.2 控制信道(CC),1.寻呼 当移动用户被呼时，就在控制信道的下
11、行信道发起呼叫移动台信号，所以将该信道称为寻呼信道(PC)。2.接入 当移动用户主呼时，就在控制信道的上行信道发起主呼信号，所以将该信道称为接入信道(AC)。在控制信道中，不仅传递寻呼和接入信号，还传递大量的其他数据，如系统的常用报文、指定通话信道、重试(重新试呼)等信号。,2.3 移动通信网的频率配置,表2-1 我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率,干扰是限制移动通信系统性能的主要因素在移动通信网中，无线电干扰一般分为：同频干扰险、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰近端对远端的干扰若对移动无线通信网进行合理设计就可削弱这些干扰,2.4移动通信环境下的干扰,同频干扰是指所有落在接收机通带内的
12、与有用信号频率相同的无用信号的干扰，亦称同信道干扰（又称为同道干扰或共道干扰）。同频干扰是无法滤除的。在电台密集的地方，若系统设计或频率管理不当，就会造成同频干扰。,同频干扰,频率复用：在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这就称为频率复用。同频小区:在一个给定的覆盖区域内，存在许多使用同一组频率的小区。,同频干扰,A,D,C,B,G,F,E,A,D,C,B,G,F,E,A,D,C,B,G,F,E,Frequency reuse,同频干扰,复用距离越近，同频干扰就越大；复用距离越远，同频干扰就越小，但频率利用率就会降低。,同频干扰,1、同频道干扰保护比
13、接收机输出端有用信号达到规定质量的情况下，在接收输入端测得有用射频信号与同频无用射频信号之比的最小值。对于模拟蜂窝移动通信网，其同频道干扰保护比指标规定如下：（1）静态同频道干扰保护比。对于三级话音质量其下限信噪比为14dB。对应的有用信号与干扰信号之比为8dB。所以，为了维持三级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于8dB。对于四级话音质量其下限信噪比约为25dB。为了维持四级话音质量下限，静态同频道干扰保护比要求大于等于12dB。,（2）同频道干扰概率。同频道干扰概率规定为10%。（3）考虑衰落影响、干扰概率和静态射频保护比后的同频道干扰保护比。当有快衰落和慢衰落时，通常的做法是在
14、静态同频道干扰保护比（P）上加上同频道干扰余量（ZP），即P+ZP（dB）。表2-2列出干扰概率为10%时的P+ZP值。,表2-2 干扰概率为10%时的P+ZP,2、同频复用距离当信号/同频防护比满足通信质量要求或达到规定的载噪比（C/N)指标时，两个同频小区之间的距离称之为同频复用距离。3.同频道复用保护距离系数D/r在蜂窝网中，使两个同频小区保持必要的距离是保证同频道干扰保护比达到指标要求的主要办法，在全向基站区中，同频道复用保护距离系数由图2-4定义。为了满足表22的同频道干扰保护比指标，所需要的系数可由式（2-1）计算，其结果列于表23。,式中，D/r为同频道复用保护距离系数。,图2-
15、4 同频道复用保护距离系数,表2-3 同频道复用保护距离系数D/r,2.4.2 邻频道干扰,邻道干扰：是指相邻信道或邻近信道的信号相互干扰。产生邻道干扰的原因：由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。发信机在相邻频道内的边频分量引起的。例如FM信号的频谱是很宽的，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻频干扰。,2.4.2 邻频道干扰,解决邻道干扰的措施：降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机带外辐射(市场准入)；提高接收机的邻频道选择性；在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用。邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减小到最小。,2
16、.4.3 互调干扰,互调干扰是由传输设备中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。互调干扰分为：发射机互调干扰接收机互调干扰信道分配策略,在专用网和小容量网中，互调干扰可能成为设台组网较关心的问题。产生互调干扰的基本条件是：（1）几个干扰信号（A、B、C）与受干扰信号的频率（S）之间满足2A-B=S或A+B-C=S 的条件；（2）干扰信号的幅度足够大；（3）干扰（信号）站和受干扰的接收机都同时工作。互调干扰分为发射机互调干扰和接收机互调干扰两类。,1.发射机互调干扰 一部发射机发射的信号进入了另一部发射
17、机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰，称为发射机互调干扰。减少发射机互调干扰的措施有：（1）加大发射机天线之间的距离；（2）采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔；（3）提高发射机的互调转换衰耗。,2.接收机互调干扰 当多个强干扰信号进入接收机前端电路时，在器件的非线性作用下，干扰信号互相混频后产生可落入接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰称为接收机互调干扰。减少接收机互调干扰的措施有：（1）提高接收机前端电路的线性度；（2）在接收机前端插入滤波器，提高其选择性；（3）选用无三阶互调的频道组工作。,3.在设
18、台组网中对抗互调干扰的措施（1）蜂窝移动通信网。由于需要频道多和采用空腔谐振式合成器，只有采用互调最小的等间隔频道配置方式，并依靠设备优良的互调抑制指标来抑制互调干扰。（2）专用的小容量移动通信网。主要采用不等间隔排列的无三阶互调的频道配置方法来避免发生互调干扰。表2-4列出无三阶互调的频道序号。由表2-4可见，当需要的频道数较多时，频道利用率很低，故不适用于蜂窝网。,表2-4 无三阶互调干扰的信道组,2.4.4 阻塞干扰,阻塞式干扰：当外界存在一个离接收机工作频率较远，但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时，由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高，使接收机灵敏度
19、下降的现象。（推饱和）,2.4.5 近端对远端的干扰,近端对远端的干扰：当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台B到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台A的到达功率，若二者频率相近，则距基站近的移动台B就会造成对接收距离距基站远的移动台A的有用信号的干扰或抑制，甚至将移动台A的有用信号淹没。这种现象称为近端对远端干扰，又称为远近效应。克服的方法：频道间隔、移动台的自动功率控制。,5)频率复用后的系统容量,C：系统中信道总数L：可用无线信道总数k：每个小区的信道数 N：簇的大小M：系统中的小区总数：簇复制次数,信道（频率）分配是频率复用的前提。频率分配有两个基本含义
20、：一是频道分组，根据移动网的需要将全部频道分成若干组；二是频道指配，以固定的或动态分配方法指配给蜂窝网的用户使用。频率分组原则：根据国家规定、双工方式、制式确定总的信道数由系统性能及设计确定同频复用的距离，确定频道分组数频率指配原则：同一频道组中不能有相邻序号的频道应根据移动通信设备抗邻道干扰的能力来设定相邻频道的最小频率频率规化、远期规划、新网和重叠网频率指配的协调一致,2.5蜂窝移动通信网络的频率规划,信道分配方法固定频道分配法：业务分配相对固定分区分组分配法：避免三阶互调但未考虑邻道干扰等频距分配法：按等频率间隔来配置信道的，只要频距选得足够大就可避免邻道干扰与互调干扰动态频道分配法动态
21、配置法：随着业务量的变化重新配置全部信道柔性配置法：准备若干个信道，需要时提供给某个小区使用。,信道频率分配,1 等频距分配法,在蜂窝移动通信网络中，同信道干扰问题已在分群时考虑，保证有足够的防护比，而邻道干扰的问题则在信道分配时应加以考虑。等频距分配法按频率等间隔分配信道，这样可以有效地避免邻道干扰。若需要M个信道，将其分为N个信道组，则每个信道组中有M/N个信道，而N个信道组的信道序列可以确定如下：K+jN K=1，2，3，N；J=0，1，2，(M/N)-1式中，K为信道组的序列号，最大为K=N，j为信道序号的取值。,我国GSM网和TACS网均采用了这种方法。如果基站采用了无方向性激励时，
22、通常以12个无线小区（基地区）作为一个簇（cluster），其信道组配置如图2-5所示。按K+jN的规律，可以确定各信道组的信道序列如下：第一信道组，K=1，j=012，故有（1，13，25，）第二信道组，K=2，j=012，故有（2，14，26，）第三信道组，K=3，j=012，故有（3，15，27，）第四信道组，K=4，j=012，故有（4，16，28，）,第五信道组，K=5，j=012，故有(5，17，29，)第六信道组，K=6，j=012，故有（6，18，30，）第七信道组，K=7，j=012，故有（7，19，31，）第八信道组，K=8，j=012，故有(8，20，32，)第九信道组，
23、K=9，j=012，故有(9，21，33，)第十信道组，K=10，j=012，故有(10，22，34，)第十一信道组，K=11，j=012，故有(11，23，35，)第十二信道组，K=12，j=012，故有(12，24，36，)这样同一信道内的最小间隔为12，保证了对邻道干扰的抑制。,图2-5 12个无线小区为一个簇的信道组配置,图2-6 4个基站24个扇形无线小区为一个簇的信道组配置,由图可见，它采用4个基站、6个顶点为60的扇形定向天线，则每个基站应有6组信道，每个簇有24个信道组，共96个频点，其信道分配为：BS1选用的六个信道组为（1，25，49，73）；（5，29，53，77）；(2
24、1，45，69，93)；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)。,图2-7 7个基站、21个扇形无线小区为一个簇的信道组配置,信道分配策略,信道分配策略可分为两类：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。固定信道分配法：将某一组信道固定分配给某一基站，即基站的频点是固定不变的。小区内的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果
25、该小区的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。其一变种为借用策略，如果它自己的所有信道都被占用，允许小区从它的相邻小区中借用信道，由MSC来管理借用过程，但是要保证一个信道的借用，不会中断或干扰借出小区的任何一个正在进行的呼叫。,动态信道分配法：不是将信道固定地分配给某个基站，而是多个基站均可使用同一信道，每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。交换机就根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道。此方法进一步提高频谱的利用率，使信道的配置方法能够随移动通信系统的地理分布变化而变化。特点：频谱的利用率大约可提高百分之二十；需智能控制，避免了忙闲不均的情况，可以减小阻塞的可能性，从而提高系统的中继能力，但此时的邻近的信道干扰比较突出，增加了系统的存储和计算量，预测和控制系统均比较复杂。,MSC只分配符合下列条件的某一频率：1、该小区没有使用该频率2、在最小频率复用距离内的小区都没使用该频率动态分配信道的特点：1、有利于提高信道利用率2、减小系统呼叫阻塞率3、MSC需实时收集信道的占用情况、话务量的分布情况及所有信道的无线信号强度指示（RSSI）等数据，增加了系统的计算量和存储量。,
