移动通信6章 移动通信系统组网.docx
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移动通信6章移动通信系统组网
第6章移动通信系统组网技术
本章重点难点等
1、教学内容
蜂窝组网的必要性及蜂窝小区的特性;
无线系统的信道分配策略;
话务量、服务等级和信道数的关系;
蜂窝组网干扰和不同接入方式的容量分析;
蜂窝系统的移动性管理;
蜂窝网络设计应用实例,简介GSM系统、WCDMA和TD-SCDMA系统的蜂窝网络设计。
2、教学基本要求
了解通信网的基本概念;
掌握蜂窝组网的必要性及蜂窝小区的特性;
掌握无线系统的信道分配策略;
掌握多信道共用的意义;
熟悉话务量、服务等级和信道数的关系;
掌握蜂窝组网干扰和不同接入方式的容量分析;
了解蜂窝系统的移动性管理;
了解蜂窝网络设计应用实例。
3、重点、难点
掌握蜂窝组网的必要性及蜂窝小区的特性;
掌握无线系统的信道分配策略;
熟悉话务量、服务等级和信道数的关系;
掌握蜂窝组网干扰和不同接入方式的容量分析;
6.1无线接入网
无线接入网是指从业务节点接口到用户终端部分全部或部分采用无线方式,例如利用卫星、微波及超短波等传输手段向用户提供各种电信业务的接入系统。
无线接入网分为固定无线接入网和移动无线接入网两大类。
无线接入系统示意图如图6-4所示。
图6-4无线接入系统示意图
固定无线接入网主要为固定位置的用户或仅在小区内移动的用户提供服务,其用户终端主要包括电话机、传真机或数据终端(如微机)等。
固定无线接入网的实现方式主要包括固定无线接入系统、一点多址微波系统、甚小型天线地球站(VSAT)系统等。
下面介绍移动无线接入网的应用实例,后续章节将重点介绍无线网络组网技术。
2.移动无线接入网举例
除了有线接入网之外,接入网的另一个发展方向是“移动性”。
移动接入网为移动用户提供各种电信业务。
由于移动接入网服务的用户是移动的,因而其网路组成要比固定网复杂,需要增加相应的设备和软件等。
(1)第二代蜂窝移动通信系统
实现移动通信的方式有许多种类,其中蜂窝移动通信系统是目前应用较广泛的一种方式。
一个典型的第二代蜂窝移动通信系统结构如图6-5所示。
图6-5蜂窝移动通信系统结构
移动通信区由多个相邻接的小区(称蜂窝)组成,每一个蜂窝区内由一个蜂窝基站和一群移动台等组成。
每个移动台与基站通信,蜂窝基站负责射频管理并经中继线或微波通道与移动电话交换中心(MSC)相连。
MSC控制呼叫信令和处理,协调不同蜂窝区间的越区切换。
如果被叫用户是移动终端,则可经由MSC与被叫用户相连;如果被叫用户是固定公用电话网用户,则MSC与PSTN或ISDN的端局相连,再接入被叫用户。
MSC也可以与其他公用数据网相连提供数据服务。
(2)UMTS系统结构(适用WCDMA/TD-SCDMA)
UMTS与第二代移动通信系统在逻辑结构上基本相同。
如果按功能划分,UMTS系统由核心网(CN)、无线接入网(UTRAN)、用户设备(UE)与操作维护中心(OMC)等组成。
核心网与无线接入网(UTRAN)之间的开放接口为Iu,无线接入网(UTRAN)与用户设备(UE)间的开放接口为Uu接口,如图6-6所示。
各网元的详细介绍在WCDMA章节。
图6-6UMTS系统结构
核心网是业务提供者,基本功能就是提供服务。
核心网承担各种类型业务的提供以及定义,包括用户的描述信息、用户业务的定义还有相应的一些其他过程。
UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换,以及与其他网络的连接和路由选择的实现。
无线接入网(UTRAN)位于两个开放接口Uu和Iu之间,完成所有与无线有关的功能。
UTRAN主要功能有宏分集处理、移动性管理、系统的接入控制、功率控制、信道编码控制、无线信道的加密与解密、无线资源配置、无线信道的建立和释放等等。
用户设备(UE)完成人与网络间的交互。
通过Uu接口与无线接入网相连,与网络进行信令和数据交换,UE用来识别用户身份和为用户提供各种业务功能,如普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用等等。
(3)卫星移动通信系统
卫星移动通信系统是利用通信卫星作为中继站为移动用户之间或移动用户与固定用户之间提供电信业务的系统,系统组成如图6-7所示。
图6-7卫星移动通信系统结构示意图
卫星移动通信系统由通信卫星、关口站、控制中心、基站及移动终端组成,与蜂窝移动电话系统相比,卫星移动通信系统增加了卫星系统作为中继站,因而可延长通信距离,扩大用户的活动范围。
控制中心是系统的管理控制中心,负责管理和控制接入到卫星信道的移动终端通信过程,并根据卫星的工作状况控制移动终端的接入。
关口站是卫星通信系统与公用电话网间的接口,它负责移动终端同公用电话网用户通信的相互连接。
基站是在移动通信业务中为小型网路的各个用户提供业务连接的控制点。
6.2蜂窝组网技术
6.2.1移动通信网的区域覆盖
根据对无线移动信道特性的分析,我们知道传输损耗是随着距离的增加而增加的,并且与地形环境密切相关,因而移动台和基站之间的有效通信距离是有限的。
根据选用基站的多少,移动通信网的区域覆盖分为大区制和小区制。
1.大区制
大区制是指在特定的服务区内只设一个基站,负责服务区内所有用户的无线链路使用。
如图6-8所示。
图6-8大区制示意图
大区制移动通信尽可能的增大基站覆盖范围,解决大区域的移动通信业务。
为了增大基站的覆盖区半径,在大区制的移动通信系统中,基站的天线架设得很高,可达几十米至几百米;基站的发射功率很大,一般为50~200W;实际覆盖半径达30~50km。
为了解决上下行传输增益差,可以设立分集接收台,接收附近移动台的信号,然后通过有线的方式将信号转发至基站。
大区制中,所有频道的频率不能重复,每个用户的使用频率都不能相同,否则将会产生严重的干扰。
大区制方式的优点是网络结构简单、成本低,缺点是基站频道数是有限的,容量不大,一般用户数只能达到几十至几百个。
这种大区制覆盖的移动方式只适用于中、小等业务量不大的地区或专用移动网。
2.小区制
(1)小区制的特点
在小区制(每个基站仅覆盖一个小区)网络中为了满足系统频率资源和频谱利用率之间的约束关系,我们需要将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用来达到系统的要求。
为了加大服务面积,从频率复用的观点出发,可以将整个服务区划分成若干个半径为2~20km的小区域,每个小区域中设置基站,负责小区内移动用户的无线通信。
同时还要在几个小区间设置移动业务交换中心,管理各小区间用户的通信接续,移动用户与固网用户的连接,这种方式称为小区制。
如图6-9所示。
图6-9小区制示意图
图中,1区和3区、2区和4区使用相同的频点,通过适当控制同频基站发射机的功率和相互间的距离,可以避免同频干扰,也就是说,在一个很大的服务区内,同一组频率可以多次重复使用,因而增加了单位面积上可供使用的频道数,提高了服务区的容量密度,有效地提高了频谱利用率。
小区制随着用户数的不断增长,每个覆盖区还可以继续划小,以不断适应用户数增长的实际需要。
采用小区制能够有效的解决频道数有限和用户数量增大的矛盾。
采用小区制后,随着基站数目的增加,建网成本也要增加。
移动台移动范围的增加导致移动性管理开销的增加,组网也变得更复杂了。
实际采用小区制组网时,根据移动通信网覆盖区域内地形的不同,网络结构可分为带状网和面状网。
(2)带状网
带状网主要用于覆盖公路、铁路、水运航道、海岸沿线等狭长区域,如图(6-10)所示。
基站天线若用全向辐射,覆盖区形状是圆形的,如图6-10(a)所示。
带状网宜采用有向天线,使每个小区呈扁圆形,如图6-10(b)所示。
(图左右换下)
图6-10带状网
带状网可进行频率再用。
若以采用不同信道的两个小区组成一个区群,在一个区群内各小区使用不同的频率,不同的区群可使用相同的频率,如图6-11(a)中的A、B两个小区,称为双频制。
若采用不同信道的三个小区组成一个区群,如图6-11(b)中的A、B、C三个小区,称为三频制。
图6-11带状网频率配置
带状网的同频道干扰分析如图6-12所示。
图中假定为n频制的带状网,每一个小区的半径为r,相邻小区的交叠宽度为a,第n+1区与第1区为同频道小区,产生同频干扰的点与最近的同频基站的距离为DI=(2n-1)r-na。
邻接小区交叠部分越大,则不良通信区域就越小,但产生同频干扰的可能性就越大。
图6-12带状网的同频道干扰分析
对无线移动信道的测量表明,在任一点接收到的平均信号强度随发射机和接收机之间距离的幂定律而下降,在市区的蜂窝系统中,路经衰减指数一般在2到4之间。
假定路经衰减指数取4,即认为传输损耗近似与传输距离的四次方成正比,可算出信号传输距离DS和同频道干扰传输距离DI之比。
则在最不利的情况下可得到相应的干扰信号比如表6-1所示。
表中给出交叠区域a=0和a=r的情况。
表6-1带状网的同频道干扰
由表6-1可见,双频制最多只能获得19dB的同频干扰抑制比,这通常是不够的。
从造价和频率资源的利用而言,当然双频制最好;但从抗同频道干扰而言,双频制最差,实际应用中,还应考虑多频制。
(3)面状网
陆地移动通信的大部分服务区是宽广的面状区域。
假定整个服务区的地形、地物相同,基站采用全向天线无空隙地覆盖整个平面的服务区,全向天线辐射的覆盖区域是一个圆。
圆形辐射区之间一定含有很多的交叠,在考虑了交叠之后,实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。
根据交叠情况的不同,若在每个小区相距1200,设置3个邻区,则有效覆盖区为正三角形;每个小区相距900,设置4个邻区,则有效覆盖区为正方形;若每个小区相距600,设置6个邻区,则有效覆盖区为正六边形;小区形状如图6-13所示。
图6-13小区的形状
可以证明,要、若用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域,可取的形状只有这三种。
那么这三种形状哪一种最好呢?
在辐射半径r相同的条件下,计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如表6-2所示,定性分析也可由图直接看出。
表6-2三种形状小区的比较
由表6-2可见,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,也最经济。
正六边形构成的网络形同蜂窝,因此将小区形状为正六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。
6.2.2蜂窝小区的特性
1.区群的构成
在移动通信中,为了避免同信道干扰,相邻小区显然不能用相同的信道。
为了保证同信道小区之间有足够的距离,附近的若干小区都不能用相同的信道。
这些不同信道的小区组成一个区群,称为单位无线区群,也叫做一簇。
只有不同区群内的小区才能进行信道再用。
单位无线区群的构成应满足两个基本条件:
●单位区群之间可以无空隙无重叠的进行邻接;
●邻接之后的区群应保证同信道小区之间的中心距离相等。
满足单位无线区群的的形状和区群内小区的个数(N)应满足下式:
i,j为正整数(6-1)
由式(6-1)可算出N的可能取值如表6-3所示。
相应的区群形状如图6-14所示。
表6-3单位无线区群内小区的个数(N)
图6-14区群的构成示意图
2.频率复用的概念
频率复用的机理是基于无线电波传播路径损耗特性,即如果两个基站之间的距离足够远,那么用于一个基站的频率可以在另一个基站上复用。
频率复用的原理示意图如图6-15所示。
图6-15频率复用原理示意图
图6-15为N=7,i=1,j=2的单位区群,图中每单位区群使用的频率资源相同,标有相同数字的小区使用相同的信道组。
实际频率复用设计是基于地图的,指明在什么位置使用了不同的频率信道组。
为了理解频率复用的概念,考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。
如果每个小区都分配k个信道(k
S=kN(6-2)
如果单位区群在系统中复制了M次,则双向信道的总数C可以作为容量的一个度量:
C=MS=MkN(6-3)
例6-1某FDD蜂窝系统有10MHz的带宽,使用两个25kHz的信道来提供双工的语音和控制信道,当系统使用4小区复用,7小区复用,12小区复用时,计算每个小区可以获得的信道数目。
解:
已知:
信道带宽:
25kHz×2=50kHz
总信道数目10MHz/50kHz=200信道
(1)N=4时
每小区可以获得的信道数目=200/4=50
(2)N=7时
每小区可以获得的信道数目=200/7≈28
(3)N=12时
每小区可以获得的信道数目=200/12≈16
3.区群结构的实现
单位区群内小区数不同的情况下,单位区群结构的实现可用下面的方法。
如图6-16所示,自某一小区A出发,先沿边的垂线方向跨j个小区,在向左(或向右)转600,再跨i个小区,这样就到达使用相同信道的小区,也表示为A。
在正六边形的六个方向上,可以找到六个相邻同信道小区,所有标示为A小区之间的距离都相等。
图6-16同信道小区的确定
设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r,H为小区中心到边的距离,则有
,根据图6-16推出图中I=2iH,J=2jH,I和J之间的夹角为1200,同信道小区中心之间的距离为
(6-4)
由式(6-4)可见,单位区群内小区数N越大,同信道小区的距离D就越远,抗同频干扰的性能就越好。
但是相应的,单位区群内小区数N越大,需要的信道组越多,频谱利用率下降。
所以单位区群内小区数N与同信道小区的距离D为互为矛盾的指标,需折中考虑。
实际应用中,将D/r值定义为共道干扰抑制因子、共道再用因子或同频复用因子等,用Q表示,即
(6-5)
4.中心激励和顶点激励
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,这就是所谓的“中心激励”方式,如图6-17(a)所示。
也可以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1200扇形天线共同覆盖,这就是所谓的“顶点激励”方式,如图6-17(b)所示。
图6-17两种激励方式
采用1200的定向天线后,对来自1200主瓣之外的同频干扰信号,天线的方向性能提供一定的隔离度,所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3,因而可以减少系统的同道干扰。
另外,在不同地点采用多幅定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。
图6-18为N=7的无线区群采用顶点激励方式的无线小区模型,每个基站分配3个信道组,共分配763=21个信道组,分别用A1A2A3;B1B2B3;C1C2C3;D1D2D3;E1E2E3;F1F2F3;G1G2G3表示。
图6-1821个无线小区模型
5.蜂窝小区增加容量的方法
理想设计的每个小区大小在整个服务区内是相同的,但这只适合用户密度均匀的情况。
事实上,服务区内用户密度是不均匀的,例如城市中心商业区的用户密度高,居民区和市郊区的用户密度相对较低。
在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一点,在用户密度低的郊区可使小区的面积大一些。
如图6-19。
图6-19用户密度不等时的小区结构
小区一般分为巨区、宏区、微区和微微区几类,具体指标及大体关系参见表6-4。
表6-4小区分类
对于已设置好的蜂窝通信网,随着城市建设的发展,无线服务需求的提高,原来的低用户密度区可能变成了高用户密度区,分配到每小区的信道数已不能满足要求,需要采用新的蜂窝设计技术扩充容量。
常用的扩容技术有:
小区分裂、划分扇区、选用直放站和微小区技术等等。
下面重点介绍小区分裂。
(1)小区分裂(动画展示)
小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统容量的增长,同时采用同频复用因子不变的信道分配策略,通过减小小区半径,重组系统来获得容量的增加。
当一个特定小区的用户容量和话务量增加时小区可以被分裂成更小的小区,通过增加小区数(基站数)来增加信道的重用数,这个过程称为小区分裂。
图6-20表示了在原小区内分设三个发射功率更小的新基站,就可以形成几个面积更小一些的正六边形小区,图中实圈为原基站位置,空圈为新基站位置。
最初的小区被6个新的微小区基站所覆盖。
微小区基站的频率分配应与原频率复用规划一致,小区分裂只相当于按比例缩小了单位区群的几何形状。
图6-20小区分裂图
假设每个小区按半径的一半来分裂,将需要大约原来小区数目4倍的新小区才可以覆盖,如图6-20所示。
新增加的基站服务半径减少,发射功率随之减少。
实际应用中,不是所有的小区都同时分裂,不同规模的小区将同时存在,频率规划将变得复杂,特别需要注意保证同频小区间的距离和用户移动时的切换问题。
为了扩大系统容量,FDMA和CDMA系统都使用了小区分裂技术,其区别在于FDMA相邻小区必须使用不同载频,CDMA系统可以使用相同载频。
(2)扇区划分技术
蜂窝移动通信系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小,其中每个定向天线辐射某一个特定的扇区。
这种使用定向天线来减少同频干扰,从而提高系统容量的技术叫做扇区划分技术。
扇区划分技术与小区分裂不同,可以保持小区半径不变,容量的提高是通过减少同频干扰以达到提高频率利用率来实现的。
利用定向天线将小区分成几个扇区,比如120度3扇区,每个扇区的基站仅接收来自确定方向的用户信号,理论上可提高3倍的系统容量。
扇区的划分与系统提供的业务量相匹配,业务量高的地区扇区划分的密集一些,可以进一步提高系统容量。
但是扇区增加了,容量增加了,同时也增加了切换的次数。
因此扇区的划分应根据实际业务量情况综合考虑。
图6-21是六扇区组网的网络拓扑结构。
图6-21CDMA小区六扇区组网的网络拓扑结构
采用扇区划分技术,能增加系统容量,但是将增加切换次数,导致交换机和控制链路的负荷增加,造成中继效率下降,话务量有所损失。
6.3无线系统的信道分配
为每个基站分配适宜的无线信道是无线网络规划的重要工作,实际的网络规划中还需要考虑无线传播的真实环境和小区几乎不是理想的正六边形。
本节无线系统的信道分配方案主要针对TDMA和FDMA移动通信系统的频率分配。
1.频道分组的原则
频率分配是频率复用的前提。
频率分配有两个基本含义:
一是频道分组,根据移动网拥有的频率资源,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将频率资源分配给蜂窝网的用户使用。
(1)频道分组的原则
●根据不同的移动通信系统的无线频率使用要求,选择双工方式、载频中心频率、频道间隔和收发间隔等;
●确定无互调干扰或尽量减小互调干扰的分组方法;
●考虑有效利用频率资源、减小基站天线高度和尽量减小发射功率,在满足射频防护比的前提下,确定频道分组数。
(2)频道分配时需注意的问题
●在同一频道组中不能有相邻序号的频道;
●相邻序号的频道不能分配于相邻小区或相邻扇区;
●应根据移动通信设备抗邻道干扰能力来设定相邻频道的最小频率间隔;
●根据规定的射频防护比建立频率复用的频道分配图案;
●保证频率计划、远期规划、新归网和重叠网频率分配的协调一致。
2.固定频道分配方法
固定频道分配方法有两种,分区分组分配法和等频距分配法。
(1)分区分组分配法
分区分组分配法频率分配原则如下:
●尽量减少占用的总频段,提高频谱的利用率;
●单位无线区群中不能使用相同的频道,以避免同频道干扰;
●每个无线小区应采用无三阶互调的频道组,以避免三阶互调干扰。
假设给定的频段以等间隔划分为信道,按顺序分别标明各信道的号码为:
1,2,3,…。
若每个区群有7个小区,每个小区需6个信道,按上述原则进行分配,可得到:
第1组1、5、14、20、34、36
第2组2、9、13、18、21、31
第3组3、8、19、25、33、40
第4组4、12、16、22、37、39
第5组6、10、27、30、32、41
第6组7、11、24、26、29、35
第7组15、17、23、28、38、42
上述每一组信道将分配给区群内的一个小区,共占用了42个信道的频段,是最佳分配方案。
分区分组分配法的主要出发点是避免三阶互调,但未考虑同一信道组中的频率间隔,可能会出现较大的邻道干扰,这是这种方法的主要缺点。
(2)等频距分配法
等频距分配法是按等频率间隔来配置信道的,只要频距选得足够大,就可以有效的避免邻道干扰。
这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系,但正因为频距大,干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用到非线性器件上,这也就避免了互调的产生。
等频距分配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。
假如第一组用(1,1+N,1+2N,1+3N,…),则第二组可用(2,2+N,2+2N,2+3N,…)等。
假定每个区群有7个小区,即N=7,则信道的配置方案如下:
第1组1、8、15、22、29,…
第2组2、9、16、23、30,…
第3组3、10、17、24、31,…
第4组4、11、18、25、32,…
第5组5、12、19、26、33,…
第6组6、13、20、27、34,…
第7组7、14、21、28、35,…
每组的频点数取决于所分配的带宽。
同一信道组内的信道间最小频率间隔为7个信道间隔。
若信道间隔为25kHz,则其最小频率间隔可达175kHz,接收机的输入滤波器就可有效地抑制邻道干扰和互调干扰。
如果采用定向天线顶点激励的小区制,每个基站应配置三组信道,向三个方向辐射,假定单位区群内小区的个数为7(N=7),每个区群就需有21个信道组。
整个区群内各基站信道组的分布如图6-22所示。
图6-22三顶点激励的信道配置
6.4多信道共用
6.4.1多信道共用的意义
在双工移动通信系统中,移动用户在通话时要占用一条信道。
由于频谱资源的限制,用户数总是大于信道数。
蜂窝移动通信系统使用多信道共用技术缓解频谱资源有限和用户数多的矛盾。
多信道共用是指系统允许大量的用户在一个小区内共享少量的信道。
每个用户只在呼叫时才分配一个信道,一旦通话终止,用户占用的信道马上释放供其他用户使用。
多信道共用技术与市话用户共同享有中继线相类似,根据用户行为的统计数据,使固定数量的信道或线路为一个数量更大的、随机的用户群体服务。
图6-23为多信道共用方式的示意图,图中假定一个无线小区内有n条信道,把用户也分成n组。
如果分别给每组用户分配一条信道,不同信道内的用户不能互换信道,这就是独立信道方式,如图图6-23(a)所示。
如果无线小区内的n条信道为该区内所有用户共用,这就是信道共用方式,如图6-23(b)所示。
图6-23信道共用方式图解
如果采用独立信道方式,当某一信道被某一用户占用时,在通话结束前,属于该信道的其他用户不能使用该信道,其他用户处于阻塞状态,无法通话。
同时其他信道可能处于空闲状态,造成有些信道在紧张排队,而另一些信道空闲。
如果采用多信道共用方式,任何一个移动用户选取空闲信道和占用信道的时间都是随机的,所以所有信道同时被占用的概率远小于一条信道被占用的概率。
多信道共用的结果是在同样多的用户数和信道数情况下,用户通话的阻塞率明显下降,可以显著提高信道利用率。
6.4.2话务量、服务等级和信道数的关系
1.话务量与服务等级的概念
(1)话务量
话务量是衡
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