1.2 蜂窝移动通信系统_移动通信技术与网络优化（第2版）-QQ阅读男生历史网

书名：移动通信技术与网络优化（第2版）
作者名：刘建成
本章字数：7248字
更新时间：2020-08-27 03:40:09

1.2 蜂窝移动通信系统

1.2.1 第一代模拟蜂窝通信系统

第一代移动电话系统采用了蜂窝组网技术，蜂窝概念由贝尔实验室提出，20世纪70年代在世界许多地方得到研究。当第一个试运行网络在芝加哥开通时，美国第一个蜂窝系统——AMPS（高级移动电话业务）在1979年成为现实。现存于世界各地比较实用的、容量较大的系统主要有：北美的AMPS、北欧的NMT-450/900、英国的TACS。其工作频带都在450MHz和900MHz附近，载频间隔在30kHz以下。

鉴于移动通信用户的特点——一个移动通信系统不仅要满足区内、越区及越局自动转接信道的功能，还应具有处理漫游用户呼叫（包括主被叫）的功能，因此移动通信系统不仅希望有一个与公众网之间开放的标准接口，还需要一个开放的开发接口。由于移动通信是基于固定电话网的，各个模拟通信移动网的构成方式有很大差异，所以总的容量受到很大的限制。通常所说的第一代移动通信系统是指模拟蜂窝移动通信系统，它是频分多址（FDMA）接入的移动通信系统。鉴于模拟移动通信的局限性，尽管模拟蜂窝移动通信系统还会以一定的增长率在近几年内继续发展，但是它有着下列致命的弱点。

（1）各系统间没有公共接口。

（2）无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数字承载业务很难开展。

（3）频率利用率低，无法适应大容量的要求。

（4）安全利用率低，易于被窃听，易做“假机”。

（5）制式太多，互不兼容，无法漫游，限制了用户覆盖面。

（6）提供业务的种类受限制，不能传送数据信息。

（7）不能与ISDN兼容。

这些致命的弱点妨碍其进一步发展，因此模拟蜂窝移动通信将逐步被数字蜂窝移动通信所替代。然而，在模拟系统中的组网技术仍将在数字系统中应用。

1.2.2 第二代数字移动通信系统

第二代移动通信（2G）系统为数字蜂窝移动通信系统，最有代表性的是全球移动通信系统（Global System for Mobile，GSM）和CDMA系统。数字移动通信系统采用了两种无线接入方式，GSM采用的是TDMA，即时分多址接入方式，CDMA采用的是码分多址接入方式。

为了使现有庞大的第二代数字移动通信网络能平滑地过渡到第三代移动通信网络，美国的IS-95和欧洲的GSM系统都采用了渐进过渡的方法。以IS-95为基础发展，逐渐从IS-95A至IS-95B过渡到第三代移动通信系统的单载波，最终至多载波，支持达2Mbit/s的数据速率。GSM系统则通过应用新技术，提供更高速率的数据业务。其分为高速电路交换数据业务（HSCSD）、通用无线分组业务（GPRS）、增强数据速率（EDGE）3个阶段，最终演进至宽带码分多址（WCDMA），提供高达2Mbit/s以上的峰值速率。

1.2.3 蜂窝移动通信网的组成

移动通信网的基本结构包括移动台（Mobile Station，MS）、基站（Base Station，BS）、构成网络节点的移动交换中心（Mobile Service Switching Center，MSC）及与市话网（PSTN）相连接的中继线等，如图1-1所示。

图1-1　移动通信系统的组成

移动通信网与固定通信网的不同在于无线用户的移动性和固定用户的固定性。它主要涉及如何进行区域覆盖。移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容量的大区制，另一类是大容量的小区制。

1. 大区制

大区制是指一个基站覆盖整个服务区，如图1-2所示。为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数（装备量也随之加大），但这总是有限的。因此，大区制只能适用于小容量的通信网，如用户数在1 000以下。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。

图1-2　大区制示意图

2. 小区制

小区制是将整个服务区划分为若干个小无线区，每个小无线区分别设置一个基站负责本区的移动通信的联络和控制。同时又可在MSC的统一控制下，实现小区间移动通信的转接及与公众电话网的联系。小区制移动通信系统的覆盖区域的形状一般有两种。

一种是带状服务覆盖区，用于覆盖公路、铁路、海岸等。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用定向天线，使每个小区呈扁圆形，如图1-3所示。

图1-3　带状小区示意图

另一种是面状区域服务覆盖，无线移动通信系统广泛使用六边形来模拟系统覆盖和业务需求。实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状，如图1-4所示。

图1-4　面状区域覆盖示意图

（1）蜂窝小区的概念。

小区形状常用圆内接正多边形代替圆表示。能彼此邻接构成平面的圆内接正多边形有正三角形、正方形和正六边形，如图1-5所示。比较3种圆内接正多边形：正六边形小区的中心间隔最大，各基站间的干扰最小；交叠区面积最小，同频干扰最小；交叠距离最小，便于实现跟踪交换；覆盖面积最大，对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区制所需的小区数最少，即所需基站数少，最经济；所需的频点数最少，频率利用率高。因此一般采用正六边形小区形状。

图1-5　3种面状区域覆盖组成

蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区。许多较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内服务一定数量的用户。根据系统的不同制式和不同用户密度选择不同类型的小区。基本的小区类型如下。

超小区：小区半径r>20km，适于人口稀少的农村地区。

宏小区：小区半径r为1～20km，适于高速公路和人口稠密的地区。

微小区：小区半径r为0.1～1km，适于城市繁华区段。

微微小区：小区半径r<0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。

当蜂窝小区用户数增大到一定程度而可用频道数不够用时，采用小区分裂将原蜂窝小区分裂为更小的蜂窝小区，此时低功率发射和大容量覆盖的优势十分明显。

蜂窝是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。

无线区域的划分和组成，应根据地形地物情况、容量密度、通信容量、频谱利用率等因素综合考虑。例如，容量密度不等时的区域划分如图1-6所示。

图1-6　容量密度区域划分

实际的无线区划分和组成的实例图如图1-7所示。

图1-7　实际的无线区划分和组成

（2）信道（频率）配置。

通信网络中一条双向的信息传输通道称为信道。信道类型有语音信道、控制信道等。

不同系统中信道的含义：模拟系统中，信道 = 频道；GSM系统中，信道 = 某载频上的一个时隙；CDMA系统中，信道 = 一个正交的地址码。

移动台与基站间的一条双向传输通道，使用两个分隔开的无线频率。上行信道指由移动台发射，基站接收；下行信道指由基站发射，移动台接收。上下行信道间的载频间隔为双工间隔。

我国2G陆地蜂窝移动电话业务的频率分配如表1-1所示。

表1-1　频率分配

例如，GSM900系统某频道的工作频率计算频道序号（n = 1～125）与频道标称中心频率的关系（等频距配置法）。

上行频率：f_上行=890.2 +（n-1）× 0.2MHz

下行频率：f_下行=935.2 +（n-1）× 0.2MHz=f_上行+45MHz

正常情况下，不使用第1和第125频道，可用最大频道数为123，GSM900上下行信道间隔为双工间隔45MHz，GSM900载频间隔或频带宽度200kHz。

GSM1800上下行信道间隔为双工间隔95MHz。GSM1800载频间隔或频带宽度200kHz。GSM1800工作带宽为75 MHz。

再如CDMA800频点是：

上行频率：f_上行=825 + n × 0.03MHz

下行频率：f_下行=870+ n × 0.03MHz

n为频率编号，1≤n≤333

在3G时代，中国电信CDMA2000用的是800MHz的频段，中国移动TD-SCDMA用的是1800MHz和2.1GHz的频段，而中国联通WCDMA也是用2.1GHz的频段，为1940MHz-1955MHz（上行）、2130MHz -2145MHz（下行）。

4G的TD-LTE扩大规模试验频段，中国移动共获得130MHz，分别为1880～1900 MHz、2320～2370 MHz、2575～2635 MHz；中国联通获得40MHz，分别为2300～2320 MHz、2555～2575 MHz；中国电信获得40MHz，分别为2370～2390 MHz、2635～2655 MHz。

信道（频率）配置是指将给定的信道（频率）分配给一个区群内的各个小区。在CDMA系统中所有用户使用相同的工作频率，因此不需要进行频率配置。频率配置只针对FDMA和TDMA系统。

频率分配时，每个无线小区一个信道组；每个无线区群一组信道组，不同无线区群可采用相同信道组。

信道（频率）配置的方式有静态配置法、动态配置法和柔性配置法。

静态配置法又可分为分区分组配置法和等频距配置法。

分区分组配置法：即尽量减小占用的总频段，以提高频段利用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避免同频道干扰，小区内采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。

等频距配置法：按等频率间隔来配置信道。

动态配置法是根据业务量的变化配置全部信道。

柔性配置法是准备若干个信道，需要时提供给某个小区使用。

例如，等频距配置法进行配置时，根据区群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔，如第一组用（1，1 + N，1 + 2N，1 + 3N，…），第二组用（2，2 + N，2 + 2N，2 + 3N，…）等。

第一组　1，8，15，22，29，…

第二组　2，9，16，23，30，…

第三组　3，10，17，24，31，…

第四组　4，11，18，25，32，…

第五组　5，12，19，26，33，…

第六组　6，13，20，27，34，…

第七组　7，14，21，28，35，…

再如，若每个区群有7个小区，每个小区需要6个信道，按分区分组配置。

第一组　1，5，14，20，34，36

第二组　2，9，13，18，21，31

第三组　3，8，19，25，33，40

第四组　4，12，16，22，37，39

第五组　6，10，27，30，32，41

第六组　7，11，24，26，29，35

第七组　15，17，23，28，38，42

如果是顶点放置，每个基站应配置3组信道，向3个方向辐射，如N = 7，每个区群就需要有21个信道组，如图1-8所示。

图1-8　3个方向辐射，N = 7的信道组成示意图

其中n_a=[n，n + 21，…]，n_b=[n + 7，n + 14，…]，n_c=[n + 14，n + 21，…]。

（3）频率复用。

在蜂窝系统中，由于传播损耗可以提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，这被称为频率复用。采用频率复用可以缓解频率资源紧缺的矛盾，提高了频率利用率，增加了系统容量。频率复用所带来的问题是同频干扰。同频干扰的影响并不与蜂窝之间的绝对距离有关，而是和蜂窝间距离与小区半径比值有关。

① 区群的概念与构成。

一组彼此邻接，共同使用全部可用频率的N个区块称为一个区群，如一个3频制（N = 3）无线区群，如图1-9所示。这样具有若干个不同频率的区群可以在蜂窝系统中形成频率复用。

图1-9　3频制（N=3）无线区群

根据通信质量（不能产生严重的同频干扰）和频率利用率（即同频复用距离）选择同频相邻小区。同频相邻小区选择方式是：自某一小区A出发，沿小区垂直移动j个小区；再向左（或右）转60°移动i个小区，就到达同信道小区A。如图1-10所示，j = 3，i = 2。

图1-10　蜂窝系统中同频相邻小区的定位

同频小区中心之间的距离为

其中N为无线区群中的小区数，r为小区半径。在满足所需同频复用距离前提下，N取最小值，使频率利用率最高。

单位无线区群的构成条件是若干个无线区群能彼此邻接；相邻单位无线区群中的同频小区中心间隔距离相等，即可表示为：N=i²+ij+j²。那么，不同的N值就会得到各不相同的无线区群形状，如图1-11所示。

图1-11　不同的N值区群组成示意图

② 区群基站激励方式。

中心激励：基站设在小区的中央，用全向天线或多个定向天线形成圆形覆盖区，如图1-12所示。

图1-12　中心激励示意图

顶点激励：基站设在每个小区六边形的3个顶点上，每个基站采用3副120°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，如图1-13所示。

图1-13　顶点激励示意图

③ 服务小区“扇区化”。

扇区化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。扇区化的小区使用定向天线，使该小区定向天线辐射某一特定的扇区。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°，120°或180°，而不是以360°全向发射，这样可以获得更强的信号，有利于“加强覆盖”等。扇区化小区有3扇区/小区，6扇区/小区等，如图1-14所示。

图1-14　扇区划分示意图

另外，可以通过使用定向天线代替全向天线来减小蜂窝系统中的同频干扰，由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。这种使用定向天线来减小同频干扰，更好地防止了同信道干扰和邻信道干扰，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，从而提高系统容量的技术叫做裂向（即扇区化）。

④ 小区分裂。

服务区内用户密度均匀，采用的无线小区大小相同，每个小区分配的信道数相同。实际通信网络中，用户密度分布不均。高用户密度区域，无线小区应小些或分配的信道数多些；低用户密度区域，无线小区可大些或分配的信道数少些。当原小区用户密度增至一定程度，可使用小区分裂，以增大系统容量，降低用户密度，适应用户增长，提高蜂窝小区容量。

小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小的小区的方法，小区分裂方法如图1-15所示。分裂方法有一分三方式、一分四方式，如图1-16所示。

图1-15　小区分裂示意图

图1-16　一分三方式、一分四方式示意图

分裂后的每个小区都有自己的基站，并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区并分裂能够提高频率的复用次数，因而能提高系统容量，即通过设定比原小区半径更小的新小区并在原有小区间安置这些小区（叫做微小区），使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。

3. 多信道共用技术

提高频率利用率的方法除上述间隔一定距离的两个无线小区使用相同频道组即同频复用外，还有多信道共用技术即网内大量用户共享若干个无线信道。

用户占用信道方式有独立信道方式和多信道共用方式，如图1-17所示。

图1-17　信道占用方式

共用呼叫信道方式是在系统中专门设立一个共用呼叫信道，它不作通话使用，仅处理呼叫和传送转频指令。系统内所有不通话的用户都停留在该信道上，处于守候状态。当用户需要通话而摘机时，通过该信道向基站发出呼叫请求，如系统有空闲信道，基站就通过该共用信道发出转频指令，使用户转入指定的空闲信道。当信道全部被占用时，则向用户示忙。当移动用户被叫时，基站也从共用呼叫信道发出选呼号码。被叫用户应答后，基站发出转频指令，使用户按指令转入指定的通话信道。

4. 干扰

在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即同频干扰和邻频干扰，另外还有其他干扰，如互调干扰等。

（1）同频干扰。

频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区叫做同频小区。这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰（也叫同道干扰）。为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为信号传播提供充分的隔离。

如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰大小与发射功率无关，而是小区半径（R）和相距最近的同频小区中心间距离（D）的函数。增加D/R的值，相对于小区的覆盖距离，同频小区间的空间距离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小。参数Q叫做同频复用比例（也叫同频干扰抑制因子），与区群的大小有关。对于六边形系统来说，Q可表示为

Q的值越小则系统容量越大；而Q值大可以提高信号传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折衷。

（2）邻频干扰。

来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰（也叫邻道干扰）。邻频干扰是因接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄露到传输带宽内而引起的。离基站近的移动台的强信号会干扰离基站远的邻道上的移动台的弱信号，这就要求移动台采用自动功率控制电路。

（3）互调干扰。

互调干扰是指系统内由非线性器件引起，产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成的对有用信号的干扰。在FDMA中尤其明显，因此要求设备必须具有良好的选择性。

1.2.4 蜂窝移动通信系统的常见指标

1. 工作频段与频道间隔

工作频段主要有150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz、2.4GHz等。例如，900MHz频段指890～915MHz（移动台发射，基站接收），935～969MHz（移动台接收，基站发射）；1 800MHz工作频段指1 710～1 785MHz（移动台发射，基站接收），1 805～1 880MHz（移动台接收，基站发射）。

频道间隔指相邻频道间隔，如模拟相邻信道为25kHz，GSM的900MHz频段和1 800MHz频段的相邻频段间隔均为200kHz等。一般频道安排都是采用等间隔频道配置。

2. 通信概率

通信概率是指保证服务质量的通话时间和区域的概率值。

3. 语音质量

语音质量是评估移动通信系统语音品质（可懂度和自然度）优劣的重要指标。评分标准如表1-2所示。

表1-2　评分标准