CH1 蜂窝通信原理

CH1 蜂窝通信原理 第一章 蜂窝通信原理 1 of 18 第一章 蜂窝通信原理 蜂窝电话系统用于为移动台MS（Mobile Station）与公共电话系统之间，或者和另一个蜂窝系统的移动台之间建立连接。 移动台MS与蜂窝网络之间的信息通过无线电波传送，这样省去 了传统电话中的电话线，因此，移动用户可以自由移动，比如在车上， 或步行。 蜂窝电话网络与“陆地”电话网络相比，有许多优点，不仅对于 移动用户，对于网络运营商来说也是一样的。 2 of 18 第一章 蜂窝通信原理 , , , , , , , 3 of 18 第一章 蜂窝通信原理 GSM网络包括移动业务交换中心MSC（Mobile Services Switching Centres），基站系统BSS（Base Station System），以及移动台MS（Mobile Station）。这三种网络实体各自都还可以划分成 更小的实体，比如在BSS中有基站控制器BSC（Base Station Controller），基站收发信台BTS（Base Transceiver Station）和压缩编码器XCDR（Transcoder）。对于这些更小的网络实体，在后面将 会具体讨论到。 在MSC，BSS和MS组成的蜂窝系统中，移动用户可以发起呼 叫，接收呼叫，系统会相应的计费，就如同一般的PSTN网络能完成的功能一样。唯一存在的问题是，MS只能同其它的MS之间进行呼叫，为了使移动台也能与市话用户之间进行呼叫，所以有必要把GSM网络连到PSTN。 蜂窝网络中的移动台处在“小区”中，这些小区由BSS提供，每个BSS能提供一个或多个小区，这取决于厂商的设备。 小区一般被画作六边形，但实际上小区是不规则形状，这主要是 受周围地形干扰的影响或是取决于网络规划者的设计。 图示的小区覆盖 实际的小区覆盖 4 of 18 第一章 蜂窝通信原理 PSTN MSC BSS MS BSS MS BSS BSS MS MS BSS MS BSS MS PSTN (Public Switched Telephone Network) (Mobile service Switching Centre)MSC BSS (Base Station System) (Mobile Station) MS (Cell Coverage Area) 5 of 18 第一章 蜂窝通信原理 频谱非常拥挤，只有很窄的带宽分配给了蜂窝通信。对面列出了 分配给GSM，EGSM（Extended GSM），GSM1800（DCS1800）及PCS1800的频谱 一个绝对无线频率信道编号ARFCN（Absolute Radio Frequency Number）或RF载频实际是指一对频率，一个用于发射， 一个用于接收，这样可以双向的传送信息。发射、接收频率之间的频 率间隔称为双工间隔，GSM900和EGSM900的双工间隔是45MHz，DCS1800的双工间隔是95MHz，PCS1900的双工间隔是80MHz， GSM网络中每个小区至少要分配一个ARFCN，当然也可以分配多个ARFCN用来提供更大的容量。 每个GSM RF载频支持8个TDMA（Time Division Multiple Access）时隙，所以理论上说每个RF载频可以同时支持8个电话呼叫，在以后的课程中我们将可以看到，尽管这种理论上的情况是可能 实现的，但实际上系统还需要传信令，所以一个RF载频可能同时只能支持六个到七个电话呼叫，减少了能支持的移动台数。 GSM网络不同于PSTN网络，在PSTN网络中，每部电话都是 通过一对固定的电话线连到陆地网络，但在GSM网络中，MS通过无线接口连接到网络，所以很容易理解：一个RF载频可以支持远多于8个移动用户。经过统计，一个RF载频可以支持15，20，甚至25个移动用户。 显然由于资源限制,这些移动用户不能同时发起呼叫，但一般他 们也不会同时发起呼叫，所以多个移动用户可以在不同的时间使用相 同的物理资源。 6 of 18 第一章 蜂窝通信原理 GSM 900 ,接收(上行）890-915MHz ,发射(下行)935-960MHz ,124个独立无线频率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels) EGSM 900 ,接收(上行）880-915MHz ,发射(下行)925-960MHz ,174个独立无线频率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels) GSM 1800(DCS1800) ,接收(上行）1710-1785MHz ,发射(下行)1805-1880MHz ,374个独立无线频率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels) PCS 1900 ,接收(上行）1850-1910MHz ,发射(下行)1930-1990MHz ,299个独立无线频率信道ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels) ARFCN ,带宽=200KHz ,8 个TDMS时隙 7 of 18 第一章 蜂窝通信原理 一个区域内的小区数取决于该区域内的移动用户数及该区域的 地形（山、湖、建筑物等）。 GSM最大的小区直径达80km，但这和小区覆盖区域的地形及MS的功率级有关。在GSM系统中，MS的发射功率可达8w，显然 MS的发射功率越高，小区可以越大。如果基站设在山上，而且周围 没有什么障碍物，无线电波可以传得很远。如果基站设在城市中间， 周围高的建筑物会阻挡无线电波的传播路径。 大的小区一般用在： ,偏远地区 ,海边 ,用户很少的区域 ,面积大但需要用最少的基站覆盖的地方 小的小区用在MS数多的小区域，或者为了减小干扰而要求发 射功率低的区域。小的小区一般覆盖直径为200m以上。 小的小区一般用在： ,城区 ,要求低功率发射的区域 ,MS数多的区域 选择使用什么样的小区没有唯一。网络运营商希望使用大的 小区，减少安装维护费用，但又必须为用户保证服务质量，他们必须 考虑到多种因素，比如地形，要求的发射功率，MS数等，这样会不可避免的将不同大小的小区混合使用。 8 of 18 第一章 蜂窝通信原理 9 of 18 第一章 蜂窝通信原理 标准GSM共有124个频点可用，大多数的网络运营商并不能使 用所有这频点，而只能使用这124个频点中的一部分。 某网络运营商分配了48个频点，需要用这些频点覆盖一个很大 的区域，如英国。 由前面可知，最大的小区其直径约为70km，显然这48个频点 无法覆盖整个英国。 为解决频率受限的问题，网络运营商必须将同一个频率重复使 用，这就称为“频率复用”。 网络规划者在做频率复用规划时必须考虑频率的复用率及小区 间的距离，否则会产生同信道干扰或邻信道干扰，或二者都有。网络 运营商还要考虑需要被覆盖的区域的不同特点，在人口稠密的城区频 率复用率比较高，采用小的小区能提供高的容量；在人口稀少的农村 频率复用率较低，采用大的小区，提供的容量也较小。 如果使用相同频率的两个载频离得过近，它们之间将会互相干 扰，这种干扰称为同信道干扰。 RF载频受到另一个使用邻近频率的RF载频的干扰，这种干扰称为邻信道干扰。 10 of 18 第一章 蜂窝通信原理 频率1 频率2 频率复用 频率1 11 of 18 第一章 蜂窝通信原理 我们前面所说的小区都是指全向小区，即一个基站对应一个小 区，有一根发射天线，将无线电波辐射到360度的范围。 如果采用全向小区，那么当同一地理区域内的MS数增加时，应该相应的增加小区数以扩大容量。为了在该地理区域安装更多的小 区，必须减小小区的大小，而全向小区间的距离必须足够远，以防止 同信道干扰和邻信道干扰。这种冲突会降低蜂窝网络的性能。 为了在同一地理区域内获得更大的容量，可以采用一种称为“扇 区化”的技术，扇区化即是将一个基站分成多个小区，每个小区都有 自己的发射和接收天线，相当于一个独立的小区。 扇区化的小区使用特制的定向天线，使该小区发射的无线电波集 中在一个特定的方向上。这样做有很多优点，首先小区发射的无线电 波能量集中到了一个更小的区域如60度，120度或180度，而不是以360度全向发射，这样可以获得更强的信号，有利于“室内覆盖” 等。另外，同频复用距离缩短，在同一地理区域可以有更多的小区， 可以支持更多的移动用户。 12 of 18 第一章 蜂窝通信原理 Sectorization 1 3 3 6 6 13 of 18 第一章 蜂窝通信原理 一方面为了避免干扰，需要让使用相同频率RF载频的小区之间相距足够远，这样会降低频率服用率；另一方面，为了获得更高的容 量，需要尽量提高频率复用率。在实际情况中，RF载频分配及小区大小选择的原则主要就是为了使以上二者之间达到平衡。 从对面图中可以看出，将基站扇区化之后，在相同的地理区域内 可以有更多的小区，更多的移动用户可以接入并使用蜂窝网络。 一般对人口稠密地区或者移动用户较集中区域（比如会议中心/商务建筑物）内的基站扇区化 4/3 4基站/3小区是GSM中一种典型的频率复用模式。 例如：网络运营商有36个频点可用，如果他希望采用4基站/3小区的复用方式的话，可以将频率划分如下： Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 在这种配置中每个小区共有3个载频，每个基站共有9个载频。 如果网络运营商希望采用3基站/3小区的频率复用方式的话，频 率的划分将会是： Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 从表中可以看出，现在每个小区中共有4个载频，每个基站共有12个载频，这样在相同的地理范围内支持的用户数会增加，但同时，同 信道干扰和邻信道干扰会有所增强。 14 of 18 第一章 蜂窝通信原理 4/3 15 of 18 第一章 蜂窝通信原理 在全向和定向小区建立的无线覆盖区域内，我们来看一下MS移 动时的情况（MS经常是处在移动状态的）。 当MS移动时，可能会从一个小区移动到另一个小区。有多种原 因会引起移动台从一个小区到另一个小区的切换，如：“服务小区” 的信号比“相邻小区”的信号弱，或者MS在当前服务小区中的通话质量不好，这时切换到相邻小区可以改善通话质量。 不论是什么原因引起的切换，都需要由某些网络实体来控制切换 的完成。在GSM中，由移动业务交换中心MSC控制切换。 为了完成切换，系统必须知道MS将要切换到哪个相邻小区去， 为保证MS能切换到信号最好的小区，MS须测量它周围相邻小区的信号强度并上报给系统。系统分析比较这些测量数据，并根据切换的 需要作出是否需要切换的决定。如果需要发生切换，系统会产生相应 的控制信息并由MSC控制切换的完成。 切换对用户来说必须必须是透明的，即使移动用户意识不到切换 的发生。 在后面我们将会看到，切换控制功能只是MSC能完成的多种功能中的一种，MSC与其它相关网络实体在一起还能完成多种其他功 能，（如MS鉴权，加密控制，位置登记，与PSTN间的网关等）。 注： 有的网络允许某些切换在BSS的控制下就可以完成，这取决于 不同厂家的设备。 16 of 18 第一章 蜂窝通信原理 PSTN/ISDN/ 17 of 18 第一章 蜂窝通信原理 18 of 18