1、第第5 5章章 組網技術組網技術第第5章章 組網技術組網技術5.1 概述概述 5.2 多址技術多址技術5.3 區域覆蓋和信道配置區域覆蓋和信道配置 5.4 網絡結構網絡結構 5.5 信令信令 5.6 越區切換和位置管理越區切換和位置管理 思考題與習題思考題與習題 第第5 5章章 組網技術組網技術5.1 概概 述述 在前面幾章的討論中， 我們主要解決了在移動環境下， 點對點的傳輸問題。 本章將試圖解決以下幾個方面的問題： (1) 對于給定的頻率資源， 大家如何來共享? 即采用什么樣的多址技術， 使得有限的資源能傳輸更大容量的信息?第第5 5章章 組網技術組網技術 (2) 由于傳播損耗的存在， 基

2、站和移動臺之間的通信距離總是有限的。 (3) 如何將服務區內的各個基站互連起來， 并且要與固定網絡(如PSTN、 ISDN、 BISDN等)互連， 從而實現移動用戶與固定用戶、 移動用戶與移動用戶之間的互連互通? 也就是說， 移動通信應采用什么樣的網絡結構?第第5 5章章 組網技術組網技術 (4) 移動通信的基本特點是用戶在網絡覆蓋的范圍內可任意移動。 這就要解決下面兩個問題： 一是當移動用戶從一個基站的覆蓋區移動到另一個基站的覆蓋區時， 如何保證用戶通信過程的連續性， 即如何實現有效的越區切換? 二是用戶在移動網絡中任意移動， 網絡如何管理這些用戶， 使網絡在任何時刻都知道， 該用戶當前在哪

3、一個地區的哪一個基站覆蓋的范圍內， 即如何解決移動性管理的問題?第第5 5章章 組網技術組網技術 (5) 如何在用戶和移動網絡之間， 移動網絡和固定網絡之間交換控制信息， 從而對呼叫過程、 移動性管理過程和網絡互連過程進行控制， 以保證網絡有序運行， 即在移動通信網中應采用什么樣的信令系統?第第5 5章章 組網技術組網技術 移動通信系統發展經歷了第一代模擬移動通信系統、 第二代數字移動通信系統和第三代移動通信系統(IMT-2000)。 第一代移動通信系統包括AMPS、 TACS和NMT等體制。 第二代數字移動通信系統包括GSM、 IS-136(DAMPS)、 PDC、 IS-95等體制。 一個

4、典型的數字蜂窩移動通信系統由下列主要功能實體組成(如圖 1 - 16 所示)： 移動臺(MS)、 基站分系統(BSS)(包括基站收發信機(BTS)和基站控制器(BSC)、 移動交換中心(MSC)、 原籍(歸屬)位置寄存器(HLR)、 訪問位置寄存器(VLR)、 設備標識寄存器(EIR)、 認證中心(AUC)和操作維護中心(OMC)。第第5 5章章 組網技術組網技術 為了能夠明確表示控制和信令的有關概念， 這里簡要闡述一下分層協議模型的概念。移動通信的空中接口(或稱無線接入部分)的協議和信令是按照分層的概念來設計的。 空中接口包括無線物理層、 鏈路層和網絡層， 鏈路層還進一步分為介質接入控制層和

5、數據鏈路層， 物理層是最低層， 參見圖 1 - 18。第第5 5章章 組網技術組網技術 物理層(PHL)確定無線電參數， 如： 頻率、 定時、 功率、 碼片、 比特或時隙同步、 調制解調、 收發信機性能等。 物理層將無線電頻譜分成若干個物理信道， 劃分的方法可以按頻率、 時隙或碼字或它們的組合進行， 如頻分多址(FDMA)、 時分多址(TDMA)、 碼分多址(CDMA)等。 物理層在介質接入控制層(MAC)的控制下， 負責數據或數據分組的收發。第第5 5章章 組網技術組網技術5.2 多址技術多址技術 5.2.1 頻分多址(FDMA) 頻分多址是指將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(或稱信

6、道)供不同的用戶使用。在模擬移動通信系統中， 信道帶寬通常等于傳輸一路模擬話音所需的帶寬， 如25 kHz 或30 kHz。第第5 5章章 組網技術組網技術 在單純的FDMA系統中， 通常采用頻分雙工(FDD)的方式來實現雙工通信， 即接收頻率f和發送頻率F是不同的。 為了使得同一部電臺的收發之間不產生干擾， 收發頻率間隔|f-F|必須大于一定的數值。 例如， 在800 MHz頻段， 收發頻率間隔通常為45 MHz。 一個典型的FDMA頻道劃分方法如圖 5 - 1 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 1 FDMA的頻道劃分方法 第第5 5章章 組網技術組網技術 在FDMA系統中，

7、 收發的頻段是分開的， 由于所有移動臺均使用相同的接收和發送頻段， 因而移動臺到移動臺之間不能直接通信， 而必須經過基站中轉。 移動通信的頻率資源十分緊缺， 不可能為每一個移動臺預留一個信道， 只可能為每個基站配置好一組信道， 供該基站所覆蓋的區域(稱為小區)內的所有移動臺共用。 這就是多信道共用問題。第第5 5章章 組網技術組網技術 1. 話務量與呼損率的定義 在話音通信中， 業務量的大小用話務量來量度。 話務量又分為流入話務量和完成話務量。 流入話務量的大小取決于單位時間(1小時)內平均發生的呼叫次數和每次呼叫平均占用信道時間(含通話時間)S。 顯然和S的加大都會使業務量加大， 因而可定義

8、流入話務量A為 A = S (5 - 1)第第5 5章章 組網技術組網技術 式中： 的單位是(次/小時)； S的單位是(小時/次)； 兩者相乘而得到A應是一個無量綱的量， 專門命名它的單位為“愛爾蘭”(Erlang)。 根據式(5 - 1)的定義， 可以這樣來理解“愛爾蘭”的含意：已知 1 小時內平均發生呼叫的次數為(次)， 用式(5 - 1)可求得 A(愛爾蘭) = S(小時/次)(次/小時)第第5 5章章 組網技術組網技術 在信道共用的情況下， 通信網無法保證每個用戶的所有呼叫都能成功， 必然有少量的呼叫會失敗， 即發生“呼損”。 已知全網用戶在單位時間內的平均呼叫次數為， 其中有的呼叫成

9、功了， 有的呼叫失敗了。 設單位時間內成功呼叫的次數為0(0)， 就可算出完成話務量 A0 = 0S (5 - 2)第第5 5章章 組網技術組網技術 流入話務量A與完成話務量A0之差， 即為損失話務量。 損失話務量占流入話務量的比率即為呼叫損失的比率， 稱為“呼損率”， 用符號B表示， 即00AAAB (5 - 3) 第第5 5章章 組網技術組網技術 2. 完成話務量的性質與計算 設在觀察時間T小時內， 全網共完成C1次通話， 則每小時完成的呼叫次數為TC10 (5 - 4)完成話務量即為 SCTSA1001 (5 - 5) 第第5 5章章 組網技術組網技術 式中， C1S即為觀察時間T小時內

10、的實際通話時間。 這個時間可以從另外一個角度來進行統計。 若總的信道數為n， 而在觀察時間T內有i(in)個信道同時被占用的時間為ti(tiT)， 那么可以算出實際通話時間為SCnttttinii13211321 (5 - 6) 將式(5 - 6)代入式(5 - 5)， 可得完成話務量 niiniiTtitiTSCTA111011 (5 - 7) 第第5 5章章 組網技術組網技術 當觀察時間T足夠長時， ti/T就表示在總的n個信道中， 有i個信道同時被占用的概率， 可用Pi表示， 式(5 - 7)就可改寫為iniPiA10 (5 - 8) 第第5 5章章 組網技術組網技術 由此可見， 完成話

11、務量是同時被占用信道數(是隨機量)的數學期望。 因此可以說， 完成話務量就是通信網同時被占用信道數的統計平均值， 表示了通信網的繁忙程度。 例如， 某通信網共有 8 個信道， 從上午8時至10時共兩個小時的觀察時間內， 統計出i個信道同時被占用的時間(小時數)如表 5 - 1 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 1 第第5 5章章 組網技術組網技術 3. 呼損率的計算 于多信道共用的移動通信網， 根據話務理論， 呼損率B、 共用信道數n和流入話務量A的定量關系可用愛爾蘭呼損公式表示。 愛爾蘭呼損公式為niiniAnAB1!/!/(5 - 9) 第第5 5章章 組網技術組網技術 呼

12、損率不同的情況下， 信道利用率也是不同的。 信道利用率可用每小時每信道的完成話務量來計算， 即nBAnA)1 (0(5 - 10) 用數表列出B、 n、 A和的關系如表 5 2(略)所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術 4. 用戶忙時的話務量與用戶數 以上都是以全網的流入話務量A來計算的， 那么究竟這些流入話務量可以容納多少用戶的通信業務呢? 這就要看每個用戶的話務量多少才能決定。 每個用戶在24小時內的話務量分布是不均勻的， 網絡設計應按最忙時的話務量來進行計算。 最忙1小時內的話務量與全天話務量之比稱為集中系數， 用k表示， 一般k=10%15%。 每個用戶的忙時話務量需用統計的辦法確

13、定。 第第5 5章章 組網技術組網技術 設通信網中每一用戶每天平均呼叫次數為C(次/天)， 每次呼叫的平均占用信道時間為T(秒/次)， 集中系數為k， 則每用戶的忙時話務量為36001kTCa(5 - 11) 第第5 5章章 組網技術組網技術 在用戶的忙時話務量a確定之后， 每個信道所能容納的用戶數m就不難計算：kTCnAanAm3600/ (5 - 12) 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 3 用戶數的計算(a=0.01) 第第5 5章章 組網技術組網技術 5. 空閑信道的選取 在移動通信網中， 在基站控制的小區內有n個無線信道提供給nm個移動用戶共同使用。 那么， 當某一用戶需要

14、通信而發出呼叫時， 怎樣從這n個信道中選取一個空閑信道呢? 空閑信道的選取方式主要可以分為兩類： 一類是專用呼叫信道方式(或稱“共用信令信道”方式)； 另一類是標明空閑信道方式。第第5 5章章 組網技術組網技術 (1) 專用呼叫信道方式。 這種方式是指在網中設置專門的呼叫信道， 專用于處理用戶的呼叫。 (2) 標明空閑信道方式。 標明空閑信道方式可分為“循環定位”、 “循環不定位”、 “標明多個空閑信道的循環分散定位”和“標明多個空閑信道的循環不定位”等多種方法。 循環定位。 循環不定位方式。 第第5 5章章 組網技術組網技術 5.2.2 時分多址(TDMA) 時分多址是指把時間分割成周期性的

15、幀， 每一幀再分割成若干個時隙(無論幀或時隙都是互不重疊的)。 在頻分雙工(FDD)方式中， 上行鏈路和下行鏈路的幀分別在不同的頻率上。 在時分雙工(TDD)方式中， 上下行幀都在相同的頻率上。 TDD的方式如圖 5 - 2 所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 2 TDMA示意圖 第第5 5章章 組網技術組網技術 不同通信系統的幀長度和幀結構是不一樣的。 典型的幀長在幾毫秒到幾十毫秒之間。 例如： GSM系統的幀長為4.6 ms(每幀8個時隙)， DECT系統的幀長為10 ms(每幀24個時隙)， PACS系統的幀長為2.5 ms(每幀8個時隙)。 TDMA系統既可以采用頻分雙

16、工(FDD)方式， 也可以采用時分雙工(TDD)方式。 在FDD方式中， 上行鏈路和下行鏈路的幀結構既可以相同， 也可以不同。 在TDD方式中， 通常將在某頻率上一幀中一半的時隙用于移動臺發， 另一半的時隙用于移動臺接收； 收發工作在相同頻率上。第第5 5章章 組網技術組網技術 在TDMA系統中， 每幀中的時隙結構(或稱為突發結構)的設計通常要考慮三個主要問題： 一是控制和信令信息的傳輸； 二是信道多徑的影響； 三是系統的同步。第第5 5章章 組網技術組網技術 為了解決上述問題， 采取以下四方面的主要措施： 一是在每個時隙中， 專門劃出部分比特用于控制和信令信息的傳輸。 二是為了便于接收端利用

17、均衡器來克服多徑引起的碼間干擾， 在時隙中要插入自適應均衡器所需的訓練序列。 訓練序列對接收端來說是確知的， 接收端根據訓練序列的解調結果， 就可以估計出信道的沖擊響應， 根據該響應就可以預置均衡器的抽頭系數， 從而可消除碼間干擾對整個時隙的影響。 三是在上行鏈路的每個時隙中要留出一定的保護間隔(即不傳輸任何信號)， 即每個時隙中傳輸信號的時間要小于時隙長度。 第第5 5章章 組網技術組網技術 這樣可以克服因移動臺至基站距離的隨機變化， 而引起移動臺發出的信號到達基站接收機時刻的隨機變化， 從而保證不同移動臺發出的信號， 在基站處都能落在規定的時隙內， 而不會出現相互重疊的現象。 四是為了便于

18、接收端的同步， 在每個時隙中還要傳輸同步序列。 同步序列和訓練序列可以分開傳輸， 也可以合二為一。兩種典型的時隙結構如圖 5 - 3 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 3 典型的時隙結構第第5 5章章 組網技術組網技術 5.2.3 碼分多址(CDMA) 1. FH-CDMA 在FH-CDMA系統中， 每個用戶根據各自的偽隨機(PN)序列， 動態改變其已調信號的中心頻率。 各用戶的中心頻率可在給定的系統帶寬內隨機改變， 該系統帶寬通常要比各用戶已調信號(如FM、 FSK、 BPSK等)的帶寬寬得多。 FH-CDMA類似于FDMA， 但使用的頻道是動態變化的。 FH-CDMA中各用

19、戶使用的頻率序列要求相互正交(或準正交)， 即在一個PN序列周期對應的時間區間內， 各用戶使用的頻率， 在任一時刻都不相同(或相同的概率非常小)， 如圖 5 - 4(a)所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 4 FH-CDMA和DS-CDMA示意圖 (a) FH-CDMA; (b) DS-CDMA 第第5 5章章 組網技術組網技術 2. DS-CDMA 在DS-CDMA系統中， 所有用戶工作在相同的中心頻率上， 輸入數據序列與PN序列相乘得到寬帶信號。 不同的用戶(或信道)使用不同的PN序列。 這些PN序列(或碼字)相互正交，從而可像FDMA和TDMA系統中利用頻率和時隙區分不同用

20、戶一樣， 利用PN序列(或碼字)來區分不同的用戶， 如圖 5 - 4(b)所示。第第5 5章章 組網技術組網技術 圖 5 - 5 DS-CDMA系統邏輯信道示意圖 (a) 基站到移動臺的下行鏈路； (b) 基站到移動臺的上行鏈路第第5 5章章 組網技術組網技術 3. 混合碼分多址 混合碼分多址的形式有種多樣， 如FDMA和DS-CDMA混合， TDMA與DS-CDMA 混合(TD/CDMA)， TDMA與跳頻混合(TDMA/FH), FH-CDMA與DS-CDMA混合(DS/FH-CDMA)等等。第第5 5章章 組網技術組網技術 5.2.4 空分多址(SDMA) 空分多址是通過空間的分割來區別

21、不同的用戶。 在移動通信中， 能實現空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線， 在不同的用戶方向上形成不同的波束， 如圖 5 - 6 所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 6 空分多址示意圖 第第5 5章章 組網技術組網技術 5.2.5 隨機多址 1. ALOHA協議和時隙ALOHA ALOHA協議是一種最簡單的數據分組傳輸協議。 任何一個用戶隨時有數據分組要發送， 就立刻接入信道進行發送。 發送結束后， 在相同的信道上或一個單獨的反饋信道上等待應答。 如果在一個給定的時間區間內， 沒有收到對方的認可應答， 則重發剛發的數據分組。 由于在同一信道上， 多個用戶獨立隨機地發送分組，

22、 就會出現多個分組發生碰撞的情況， 碰撞的分組經過隨機時延后重傳。 ALOHA協議的示意圖如圖 5 - 7(a)所示。第第5 5章章 組網技術組網技術 從圖中可以看出， 要使當前分組傳輸成功， 必須在當前分組到達時刻的前后各一個分組長度內沒有其他用戶的分組到達， 即易損區間為2倍的分組長度。 對于隨機多址協議而言， 其主要性能指標有兩個： 一是通過量(S)(指單位時間內平均成功傳輸的分組數)； 二是每個分組的平均時延(D)。 假定分組的長度固定， 信道傳輸速率恒定， 到達信道的分組服從Poisson分布的情況， 則ALOHA協議的最大通過量Smax=1/2e=0.1839。第第5 5章章 組網

23、技術組網技術 為了改進ALOHA的性能， 將時間軸分成時隙， 時隙大小大于等于一個分組的長度， 所有用戶都同步在時隙開始時刻進行發送。 該協議就稱為時隙ALOHA協議， 如圖 5 - 7(b)所示。 時隙ALOHA與ALOHA協議相比， 將易損區間從2倍的分組長度減少到一個時隙， 從而提高了系統的通過量。 在到達分組服從Poisson分布的情況下， 時隙ALOHA協議的最大通過量Smax=1/e=0.3679。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 7 ALOHA和時隙ALOHA協議示意圖 (a) ALOHA協議； (b) 時隙ALOHA協議第第5 5章章 組網技術組網技術 2. 載波偵聽

24、多址(CSMA) 在ALOHA協議中， 各個節點的發射是相互獨立的， 即各節點的發送與否與信道狀態無關。 為了提高信道的通過量， 減少碰撞概率， 在CSMA協議中， 每個節點在發送前， 首先要偵聽信道是否有分組在傳輸。 若信道空閑(沒有檢測到載波)， 才可以發送； 若信道忙， 則按照設定的準則推遲發送。 第第5 5章章 組網技術組網技術 在CSMA協議中， 影響系統的兩個主要參數是檢測時延和傳播時延。 檢測時延是指接收機判斷信道空閑與否所需的時間。 假定檢測時延和傳播時延之和為， 如果某節點在t時刻開始發送一個分組， 則在t+時刻以后所有節點都會檢測到信道忙。 因此只要在t, t+內沒有其他用

25、戶發送， 則該節點發送的分組將會成功傳輸， 如圖 5 - 8 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 8 CSMA協議示意圖 第第5 5章章 組網技術組網技術 3. 預約隨機多址 預約隨機多址通常基于時分復用， 即將時間軸分為重復的幀， 每一幀分為若干時隙。 當某用戶有分組要發送時， 可采用ALOHA的方式在空閑時隙上進行預約。 如果預約成功， 它將無碰撞地占用每一幀所預約的時隙， 直至所有分組傳輸完畢。 用于預約的時隙可以是一幀中固定的時隙， 也可以是不固定的。 預約時隙的大小可與信息傳輸時隙相同， 也可以將一個時隙再分為若干個小時隙， 每個小時隙供一個用戶發送預約分組。第第5 5

26、章章 組網技術組網技術5.3 區域覆蓋和信道配置區域覆蓋和信道配置 1. 帶狀網 帶狀網主要用于覆蓋公路、 鐵路、 海岸等， 如圖 5 - 9 所示。基站天線若用全向輻射， 覆蓋區形狀是圓形的(圖 5 - 9(b)。 帶狀網宜采用有向天線， 使每個小區呈扁圓形(圖 5 - 9(a)。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 9 帶狀網第第5 5章章 組網技術組網技術 帶狀網可進行頻率再用。 若以采用不同信道的兩個小區組成一個區群(在一個區群內各小區使用不同的頻率， 不同的區群可使用相同的頻率)， 如圖 5 - 9(a)所示， 稱為雙頻制。 若以采用不同信道的三個小區組成一個區群， 如圖 5

27、- 9(b)所示， 稱為三頻制。 從造價和頻率資源的利用而言， 當然雙頻制最好； 但從抗同頻道干擾而言， 雙頻制最差， 還應考慮多頻制。第第5 5章章 組網技術組網技術 設 n頻制的帶狀網如圖 5 - 10 所示。 每一個小區的半徑為r， 相鄰小區的交疊寬度為a, 第n+1區與第1區為同頻道小區。 據此， 可算出信號傳輸距離dS和同頻道干擾傳輸距離dI之比。 若認為傳輸損耗近似與傳輸距離的四次方成正比， 則在最不利的情況下可得到相應的干擾信號比見表 5 - 4。 由表可見， 雙頻制最多只能獲得19 dB 的同頻干擾抑制比， 這通常是不夠的。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 10 帶狀

28、網的同頻道干擾 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 4 帶狀網的同頻干擾 第第5 5章章 組網技術組網技術 2. 蜂窩網 在平面區域內劃分小區， 通常組成蜂窩式的網絡。 在帶狀網中， 小區呈線狀排列， 區群的組成和同頻道小區距離的計算都比較方便； 而在平面分布的蜂窩網中， 這是一個比較復雜的問題。 (1) 小區的形狀。 全向天線輻射的覆蓋區是個圓形。 為了不留空隙地覆蓋整個平面的服務區， 一個個圓形輻射區之間一定含有很多的交疊。 第第5 5章章 組網技術組網技術 在考慮了交疊之后， 實際上每個輻射區的有效覆蓋區是一個多邊形。 根據交疊情況不同， 有效覆蓋區可為正三角形、 正方形或正六邊

29、形， 小區形狀如圖 5 - 11 所示。 可以證明， 要用正多邊形無空隙、 無重疊地覆蓋一個平面的區域， 可取的形狀只有這三種。 那么這三種形狀中哪一種最好呢? 在輻射半徑r相同的條件下， 計算出三種形狀小區的鄰區距離、 小區面積、 交疊區寬度和交疊區面積如表 5 - 5所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 11 小區的形狀 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 5 三種形狀小區的比較 第第5 5章章 組網技術組網技術 (2) 區群的組成。 相鄰小區顯然不能用相同的信道。 為了保證同信道小區之間有足夠的距離， 附近的若干小區都不能用相同的信道。 這些不同信道的小區組成一個區群

30、， 只有不同區群的小區才能進行信道再用。第第5 5章章 組網技術組網技術 區群的組成應滿足兩個條件： 一是區群之間可以鄰接， 且無空隙無重疊地進行覆蓋； 二是鄰接之后的區群應保證各個相鄰同信道小區之間的距離相等。 滿足上述條件的區群形狀和區群內的小區數不是任意的。 可以證明， 區群內的小區數應滿足下式： N = i2+ij+j2 (5 - 13) 式中， i, j為正整數。 由此可算出N的可能取值見表 5 - 6， 相應的區群形狀如圖 5 - 12 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 6 群區小區數N的取值 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 12 區群的組成 第第5 5章章

31、 組網技術組網技術 (3) 同頻(信道)小區的距離。 區群內小區數不同的情況下， 可用下面的方法來確定同頻(信道)小區的位置和距離。 如圖5 - 13 所示， 自某一小區A出發， 先沿邊的垂線方向跨j個小區， 再向左(或向右)轉60， 再跨i個小區， 這樣就到達同信道小區A。 在正六邊形的六個方向上，可以找到六個相鄰同信道小區， 所有A小區之間的距離都相等。第第5 5章章 組網技術組網技術 設小區的輻射半徑(即正六邊形外接圓的半徑)為r， 則從圖 5 - 13 可以算出同信道小區中心之間的距離為rNrjijiiijrD3)( 3)2/3()2/(32222(5 - 14) 第第5 5章章 組網

32、技術組網技術圖 5 13 同信道小區的確定第第5 5章章 組網技術組網技術 (4) 中心激勵與頂點激勵。 在每個小區中， 基站可設在小區的中央， 用全向天線形成圓形覆蓋區， 這就是所謂“中心激勵”方式， 如圖 5 - 14(a)所示。 也可以將基站設計在每個小區六邊形的三個頂點上， 每個基站采用三副120扇形輻射的定向天線， 分別覆蓋三個相鄰小區的各三分之一區域， 每個小區由三副120扇形天線共同覆蓋， 這就是所謂“頂點激勵”方式， 如圖 5 - 14(b)所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術 圖 5 14 兩種激勵的方式（a）中心激勵 （b）頂點激勵第第5 5章章 組網技術組網技術 (5

33、) 小區的分裂。 在整個服務區中， 每個小區的大小可以是相同的， 這只能適應用戶密度均勻的情況。 事實上服務區內的用戶密度是不均勻的， 例如城市中心商業區的用戶密度高， 居民區和市郊區的用戶密度低。 為了適應這種情況， 在用戶密度高的市中心區可使小區的面積小一些， 在用戶密度低的市郊區可使小區的面積大一些， 如圖 5 - 15 所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 15 用戶密度不等時的小區結構 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 16 小區分裂 第第5 5章章 組網技術組網技術 5.3.2 信道(頻率)配置 1. 分區分組配置法 分區分組配置法所遵循的原則是： 盡量減小

34、占用的總頻段， 以提高頻段的利用率； 同一區群內不能使用相同的信道， 以避免同頻干擾； 小區內采用無三階互調的相容信道組， 以避免互調干擾。 現舉例說明如下。 設給定的頻段以等間隔劃分為信道， 按順序分別標明各信道的號碼為1, 2, 3, 。若每個區群有7個小區， 每個小區需6個信道， 按上述原則進行分配， 可得到：第第5 5章章 組網技術組網技術 第一組 1， 5， 14， 20， 34， 36 第二組 2， 9， 13， 18， 21， 31 第三組 3， 8， 19， 25， 33， 40 第四組 4， 12， 16， 22， 37， 39 第五組 6， 10， 27， 30， 32，

35、41 第六組 7， 11， 24， 26， 29， 35 第七組 15， 17， 23， 28， 38， 42第第5 5章章 組網技術組網技術 2. 等頻距配置法 等頻距配置法是按等頻率間隔來配置信道的， 只要頻距選得足夠大， 就可以有效地避免鄰道干擾。 這樣的頻率配置可能正好滿足產生互調的頻率關系， 但正因為頻距大， 干擾易于被接收機輸入濾波器濾除而不易作用到非線性器件， 所以也就避免了互調的產生。第第5 5章章 組網技術組網技術 等頻距配置時可根據群內的小區數 N來確定同一信道組內各信道之間的頻率間隔， 例如，第一組用(1， 1+N, 1+2N, 1+3N, )， 第二組用(2, 2+N,

36、 2+2N, 2+3N, )等。 例如N=7 ， 則信道的配置為：第第5 5章章 組網技術組網技術 第一組 1， 8， 15， 22， 29， 第二組 2， 9， 16， 23， 30， 第三組 3， 10， 17， 24， 31， 第四組 4， 11， 18， 25， 32， 第五組 5， 12， 19， 26， 33， 第六組 6， 13， 20， 27， 34， 第七組 7， 14， 21， 28， 35， 第第5 5章章 組網技術組網技術 這樣同一信道組內的信道最小頻率間隔為7個信道間隔， 若信道間隔為25 kHz， 則其最小頻率間隔可達175 kHz， 這樣， 接收機的輸入濾波器便可

37、有效地抑制鄰道干擾和互調干擾。 如果是定向天線進行頂點激勵的小區制， 每個基站應配置三組信道， 向三個方向輻射。 例如 N =7， 每個區群就需有21個信道組， 整個區群內各基站信道組的分布如圖5 - 17所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 17 三頂點激勵的信道配置 第第5 5章章 組網技術組網技術5.4 網絡結構網絡結構 5.4.1 基本網絡結構 移動通信的基本網絡結構如圖 5 - 18 所示。 基站通過傳輸鏈路和交換機相連， 交換機再與固定的電信網絡相連， 這樣就可形成移動用戶基站交換機固定網絡固定用戶或移動用戶基站交換機基站移動用戶等不同情況的通信鏈路。第第5 5章章 組

38、網技術組網技術圖 5 - 18 基本網絡結構 第第5 5章章 組網技術組網技術 交換機的組成和基本原理如圖 5 - 19 所示。 交換機通常由交換網絡(或稱接續網絡)、 接口和控制系統組成。 交換網絡的作用是在控制系統的控制下， 將任一輸入線與輸出線接通。 它可以看成有 M條入線和N條出線的網絡， 它有MN個交點， 每個交點都可在控制系統的控制下連通和斷開， 如圖 5 - 19(b) 所示， 接口單元把來自用戶線或中繼線的各種不同的輸入信令和消息轉成統一的機內信令， 以便控制單元或交換網絡進行處理或接續。 控制系統主要負責話路的接續控制， 另外還負責通信網絡的運行、 管理和維護功能。第第5 5

39、章章 組網技術組網技術 圖 5 - 19 交換機的組成和基本原理 (a) 交換機的組成； (b) 交換機的基本原理第第5 5章章 組網技術組網技術 移動通信網絡中使用的交換機通常稱為移動交換中心(MSC)。 它與常規交換機的不同之處是： MSC除了要完成常規交換機的所有功能外， 它還負責移動性管理和無線資源管理(包括越區切換、 漫游、 用戶位置登記管理等)。第第5 5章章 組網技術組網技術 在蜂窩移動網絡中， 為便于網絡組織， 將一個移動通信網分為若干個服務區， 每個服務區又分為若干個MSC區， 每個MSC區又分為若干個位置區， 每個位置區由若干個基站小區組成。 一個移動通信網由多少個服務區或

40、多少個MSC區組成， 這取決于移動通信網所覆蓋地域的用戶密度和地形地貌等。 多個服務區的網絡結構如圖 5 - 20 所示。 每個MSC(包括移動電話端局和移動匯接局)要與本地的市話匯接局、 本地長途電話交換中心相連。 MSC之間需互連互通才可以構成一個功能完善的網絡。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 20 多服務區的網絡結構 第第5 5章章 組網技術組網技術 5.4.2 數字蜂窩移動通信網的網絡結構 在模擬蜂窩移動通信系統中， 移動性管理和用戶鑒權及認證都包括在MSC中。 在數字移動通信系統中， 將移動性管理、 用戶鑒權及認證從MSC中分離出來， 設置原籍位置寄存器(HLR)和訪問位

41、置寄存器(VLR)來進行移動性管理， 如圖 1 - 16 所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術 圖中MSC為移動交換中心， 它是無線電系統與公眾電話交換網之間的接口設備， 完成全部必須的信令功能以建立與移動臺的往來呼叫。 其主要責任是： 路由選擇管理； 計費和費率管理； 業務量管理； 向歸屬位置寄存器(HLR)發送有關業務量信息和計費信息。第第5 5章章 組網技術組網技術 HLR為歸屬位置寄存器， 負責移動臺數據庫管理。 其主要責任是： 對在HLR中登記的移動臺(MS)的所有用戶參數的管理、 修改等； 計費管理； VLR的更新。 第第5 5章章 組網技術組網技術 VLR為訪問位置寄存器，

42、是動態數據庫。 其主要責任是： 移動臺漫游號管理； 臨時移動臺標識管理； 訪問的移動臺用戶管理； HLR的更新； 管理MSC區、 位置區及基站區； 管理無線信道(如信道分配表、 動態信道分配管理、 信道阻塞狀態)。 第第5 5章章 組網技術組網技術 圖 1 - 17 中各接口的主要功能是： (1) 人機接口(Sm接口)。 Sm是用戶與移動網之間的接口， 在移動設備中包括鍵盤、 液晶顯示以及實現用戶身份卡識別功能的部件。 (2) 移動臺與基站之間的接口(Um接口)。 Um是移動臺與基站收發信機之間的無線接口， 是移動通信網的主要接口。 第第5 5章章 組網技術組網技術 (3) 基站與移動交換中心

43、之間的接口(A接口)。 A接口是網絡中的重要接口， 因為它連接著系統的兩個重要組成部分： 基站和移動交換中心。 此接口所傳遞的信息主要有： 基站管理、 呼叫處理與移動特性管理等。 (4) 基站控制器(BSC)與基站收發信臺(BTS)之間的接口(Abis接口)。 基站系統(BSS)包括BSC與BTS兩部分， 它們之間的接口稱為Abis接口。 第第5 5章章 組網技術組網技術 (5) 移動交換中心(MSC)與訪問位置寄存器(VLR)之間的接口(B接口)。 (6) 移動交換中心(MSC)與歸屬位置寄存器(HLR)之間的接口(C接口)。 C接口用于傳遞管理與路由選擇的信息。 (7) 歸屬位置寄存器(H

44、LR)與訪問位置寄存器(VLR)之間的接口(D接口)。 (8) 移動交換中心之間的接口(E接口)。 E接口主要用于MSC之間交換有關越區切換的信息。第第5 5章章 組網技術組網技術 (9) 移動交換中心(MSC)與設備標志寄存器(EIR)之間的接口(F接口)。 F接口用于在MSC與EIR之間交換有關移動設備管理的信息， 例如國際移動設備識別碼等。 (10) 訪問位置寄存器VLR之間的接口(G接口)。 當某個移動臺使用臨時移動臺標識號(TMSI)在新的VLR中登記時， G接口用于在VLR之間交換有關信息。 第第5 5章章 組網技術組網技術5.5 信信 令令 5.5.1 接入信令(移動臺至基站之間

45、的信令) 在第1章圖 1 - 18 中， 我們可以看到： 第三層包括三個模塊： 連接管理、 移動管理和無線資源管理。 它們產生的信令， 經過數據鏈路層和物理層進行傳輸。 根據空中接口標準的不同， 物理信道中傳輸信令的方式有多種形式。 第第5 5章章 組網技術組網技術 1. 數字信令 隨著移動通信網容量的擴大以及微電子技術的發展， 從需求和可能兩方面都促進了數字信令的發展， 有逐步取代模擬音頻信令的趨勢。 特別在大容量的移動通信網中， 目前已廣泛使用了數字信令。 數字信令傳輸速度快， 組碼數量大， 電路便于集成化, 可以促進設備小型化且降低成本。 第第5 5章章 組網技術組網技術 需要注意的是，

46、 在移動信道中傳輸數字信令， 除需要窄帶調制和同步之外， 還必須解決可靠傳輸的問題。 因為在信道中遇到干擾之后， 數字信號會發生錯碼， 必須采用各種差錯控制技術， 如檢錯和糾錯等， 才能保證可靠的傳輸。在傳輸數字信令時， 為便于收端解碼， 要求數字信令按一定的格式編排。 信令格式是多種多樣的， 不同通信系統的信令格式也各不相同。 常用的信令格式如圖 5 - 21 所示， 它包括前置碼(P)、 字同步(SW)、 地址或數據(A或D)、 糾錯碼(SP)等四部分。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 21 典型的數字信令格式 第第5 5章章 組網技術組網技術 前置碼(P)： 前置碼提供位同步信

47、息， 以確定每一碼位的起始和終止時刻， 以便接收端進行積分和判決。 為便于提取位同步信息， 前置碼一般采用1010的交替碼。 接收端用鎖相環路即可提取出位同步信息。 字同步碼(SW)： 字同步碼用于確定信息(報文)的開始位， 相當于時分制多路通信中的幀同步， 因此也稱為幀同步。 第第5 5章章 組網技術組網技術 地址或數據碼(A或D)： 通常包括控制、 選呼、 撥號等信令， 各種系統都有其獨特的規定。 糾錯碼(SP)： 有時還稱作監督碼。 不同的糾錯編碼有不同的檢錯和糾錯能力。 第第5 5章章 組網技術組網技術 上述數字信令主要用于模擬移動通信系統。 一個典型的用于TACS系統反向信道的信令格

48、式如圖 5 - 22 所示。 圖中由若干個字組成一條消息， 每個字采用BCH(48， 36， 5)進行糾錯編碼， 然后重復5次， 以提高消息傳輸的可靠性。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 22 數字信令舉例 第第5 5章章 組網技術組網技術 2. 音頻信令 音頻信令是用不同的音頻信號組成的。 目前常用的有單音頻信令、 雙音頻信令和多音頻信令等三種。 這里給出幾種常用的音頻信令。 1) 帶內單音頻信令 用0.33 kHz范圍內不同的單音作為信令的稱為帶內單音頻信令。 例如單頻碼(SFD)， 它由10個帶內單音組成， 如表 5 - 7 所示。 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 -

49、7 單頻碼SFD 第第5 5章章 組網技術組網技術 2) 帶外亞音頻信令 采用低于300 Hz的單音作信令。 例如， 用67250 Hz間的43個頻率點的單音可對43個移動臺進行選臺呼叫， 也可進行群呼， 一次呼叫時間為4 s。 通常要求頻率準確度為0.1%, 穩定度為0.01%， 單音振幅為 Upp=4 V ， 允許電平誤差為1 dB。第第5 5章章 組網技術組網技術 3) 雙音頻撥號信令 撥號信令是移動臺主叫時發往基站的信號， 它應考慮與市話機有兼容性且適宜于在無線信道中傳輸， 常用的方式有單音頻脈沖、 雙音頻脈沖、 10中取1、 5中取2以及43方式。第第5 5章章 組網技術組網技術 單

50、音頻脈沖方式是用撥號盤使2.3 kHz的單音按脈沖形式發送， 雖然簡單， 但受干擾時易誤動。 雙音頻脈沖方式應用廣泛， 已比較成熟。 10中取1是指用話帶內的10個單音， 每一單音代表一個十進制數。 5中取2是指用話帶內的5個單音， 每次同時選發兩個單音， 共有 C25 =10種組合， 代表09共10個數。 第第5 5章章 組網技術組網技術 43方式就是市話網用戶環路中用的雙音多頻(DTMF)方式， 也是CCITT與我國國家標準中都推薦的用戶多頻信令。 這種信令在與地面自動電話網銜接時不需譯碼轉換， 故為自動撥號的移動通信網普遍采用。 它使用話帶內的7個單音， 將它們分為高音群和低音群。 每次

51、發送用高音群的一個單音和低音群的一個單音來代表一個十進制數。 7個單音的分群以及它們組合所對應的碼見表 5 - 8。 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 8 43方式的頻率組成 第第5 5章章 組網技術組網技術 3. 信令傳輸協議 在數字蜂窩移動通信系統中， 空中接口的信令分為三個層次， 如圖 1 - 18 所示。 為了傳輸信令， 物理層在物理信道上形成了許多邏輯信道， 如廣播信道(BCH)、 隨機接入信道(RACH)、 接入允許信道(AGCH)和尋呼信道(PCH)等。 這些邏輯信道按照一定的規則復接在物理層的具體幀的具體突發中。第第5 5章章 組網技術組網技術 在這些邏輯信道上傳輸鏈

52、路層的信息。 鏈路層信息幀的基本格式如圖 5 - 23 所示， 它包括地址段、 控制字段、 長度指示段、 信息段和填充段。 不同的信令可對這些字段進行取舍。 控制字段定義了幀的類型、 命令或響應。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 23 幀格式 第第5 5章章 組網技術組網技術 在GSM系統中， 鏈路層采用的是LAPDm協議(它是對ISDN中LAPD的改進)。 它的控制字(共8個比特)如表 5 - 9 所示。 表中給出了幀的類型、 用途(命令或響應)及其基本含義(備注欄)。 信息幀分為三類： I幀、 S幀和U幀。 第第5 5章章 組網技術組網技術表 5 - 9 控制字段的構成 第第5

53、5章章 組網技術組網技術 5.5.2 網絡信令 常用的網絡信令就是7號信令， 它主要用于交換機之間、 交換機與數據庫(如HLR、 VLR、 AUC)之間交換信息。 7號信令系統的協議結構如圖 5 - 24 所示。 它包括MTP、 SCCP、 TCAP、 MAP、 OMAP和ISDN-UP等部分。 第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 24 7號信令系統的協議結構 第第5 5章章 組網技術組網技術 消息傳遞部分(MTP)提供一個無連接 無連接是指消息(分組)在網絡中完全“自由”地運行， 到達相同目的地的消息可能會通過不同的路徑到達目的地。 的消息傳輸系統。 它可以使信令信息跨越網絡到達其目

54、的地。 MTP中的功能允許在網絡中發生的系統故障不對信令信息傳輸產生不利影響。第第5 5章章 組網技術組網技術 MTP分為三層。 第一層為信令數據層， 它定義了信號鏈路的物理和電氣特性； 第二層是信令鏈路層， 它提供數據鏈路的控制， 負責提供信令數據鏈路上的可靠數據傳送； 第三層是信令網絡層， 它提供公共的消息傳送功能。第第5 5章章 組網技術組網技術 事務處理能力應用部分(TCAP)提供使與電路無關的信令應用之間交換信息的能力， TCAP提供操作、 維護和管理部分(OMAP)和移動應用部分(MAP)應用等。 作為TCAP的應用， 在MAP中實現的信令協議有IS-41、 GSM應用等。 7號信

55、令的網絡結構如圖 5 - 25 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 25 7號信令的網絡結構 第第5 5章章 組網技術組網技術 7號信令網絡是與現在PSTN平行的一個獨立網絡。 它由三個部分組成： 信令點(SP)、 信令鏈路和信令轉移點(STP)。 信令點(SP)是發出信令和接收信令的設備， 它包括業務交換點(SSP)和業務控制點(SCP)。 SSP是電話交換機， 它們由SS7鏈路互連， 完成在其交換機上發起、 轉移或到達的呼叫處理。 移動網中的SSP稱為移動交換中心(MSC)。 第第5 5章章 組網技術組網技術 SCP包括提供增強型業務的數據庫， SCP接收SSP的查詢， 并返

56、回所需的信息給SSP。 在移動通信中SCP可包括一個HLR或一個VLR。 STP是在網絡交換機和數據庫之間中轉SS7消息的交換機。 STP根據SS7消息的地址域， 將消息送到正確的輸出鏈路上。 為了滿足苛刻的可靠性要求， STP都是成對提供的。 在SS7信令網絡中共有六種類型的信令鏈路， 圖 5 - 25 中僅給出A鏈路(Access Link)和D鏈路(Diagonal Link)。第第5 5章章 組網技術組網技術 5.5.3 信令應用 為了說明信令的作用和工作過程， 下面以固定用戶呼叫移動用戶為例進行說明。 呼叫過程如圖 5 - 26 所示。第第5 5章章 組網技術組網技術 圖 5 - 2

57、6 由信令網絡和電話交換網絡組成。 電話交換網絡由三個交換機(端局交換機、 匯接局交換機和移動交換機)、 兩個終端(電話終端、 移動臺)以及中繼線(交換機之間的鏈路)、 ISDN線路(固定電話機與端局交換機之間的鏈路)和無線接入鏈路(MSC至移動臺之間的等效鏈路)組成。 固定電話機到端局交換機采用接入信令， 移動鏈路也采用接入信令。 交換機之間采用網絡信令(7號信令)。第第5 5章章 組網技術組網技術圖 5 - 26 信令應用舉例(呼叫控制) 第第5 5章章 組網技術組網技術5.6 越區切換和位置管理越區切換和位置管理 5.6.1 越區切換 越區(過區)切換(Handover或Handoff)

58、是指將當前正在進行的移動臺與基站之間的通信鏈路從當前基站轉移到另一個基站的過程。 該過程也稱為自動鏈路轉移ALT(Automatic Link Transfer)。越區切換通常發生在移動臺從一個基站覆蓋的小區進入到另一個基站覆蓋的小區的情況下， 為了保持通信的連續性， 將移動臺與當前基站之間的鏈路轉移到移動臺與新基站之間的鏈路。第第5 5章章 組網技術組網技術 越區切換包括三個方面的問題： 越區切換的準則， 也就是何時需要進行越區切換； 越區切換如何控制； 越區切換時的信道分配。 研究越區切換算法所關心的主要性能指標包括： 越區切換的失敗概率、 因越區失敗而使通信中斷的概率、 越區切換的速率、

59、 越區切換引起的通信中斷的時間間隔以及越區切換發生的時延等。第第5 5章章 組網技術組網技術 越區切換分為兩大類： 一類是硬切換， 另一類是軟切換。 硬切換是指在新的連接建立以前， 先中斷舊的連接。 而軟切換是指既維持舊的連接， 又同時建立新的連接， 并利用新舊鏈路的分集合并來改善通信質量， 當與新基站建立可靠連接之后再中斷舊鏈路。在越區切換時， 可以僅以某個方向(上行或下行)的鏈路質量為準， 也可以同時考慮雙向鏈路的通信質量。第第5 5章章 組網技術組網技術 1. 越區切換的準則 在決定何時需要進行越區切換時， 通常根據移動臺處接收的平均信號強度來確定， 也可以根據移動臺處的信噪比(或信號干

60、擾比)、 誤比特率等參數來確定。 假定移動臺從基站1向基站2運動， 其信號強度的變化如圖 5 - 27 所示。 判定何時需要越區切換的準則如下：第第5 5章章 組網技術組網技術 (1) 相對信號強度準則(準則1)： 在任何時間都選擇具有最強接收信號的基站。 如圖 5 - 27 中的 A處將要發生越區切換。 這種準則的缺點是： 在原基站的信號強度仍滿足要求的情況下， 會引發太多不必要的越區切換。 第第5 5章章 組網技術組網技術 (2) 具有門限規定的相對信號強度準則(準則2)： 僅允許移動用戶在當前基站的信號足夠弱(低于某一門限)， 且新基站的信號強于本基站的信號情況下， 才可以進行越區切換。