第5章 蜂窝组网技术 5.1 移动通信网络的构成 5.2 多址接入技术 5.3 多信道共用技术 5.4 移动通信中的信令 第5章　蜂窝组网技术 5.1　移动通信网络的构成 5.2　多址接入技术 5.3　多信道共用技术 5.4　移动通信中的信令 5.5　移动管理技术

5.1　移动通信网络的构成 5.1.1　大区制移动通信网 　　所谓大区制,就是在一个服务区内只有一个或几个基站，由该基站负责整个移动通信网的联络与控制，如图5-1所示。为了增大覆盖区半径，基站天线架设得很高，可达几十米至几百米；发射功率很大，一般为50～200W，实际覆盖半径为30～50km。

图5-1　大区制移动通信示意图

　　大区制的优点是网络结构简单、成本低，一般将基站的收发信设备与市话交换局连接起来，借助于很高的天线，为一个较大的服务区提供移动通信业务。 　　一个大区制系统的基站频道数是有限的，容量不大，不能满足用户数目日益增加的需要，一般用户数只能达到几十到几百个。大区制覆盖的移动通信方式只适用于中、小城市等业务量不大的地区或专用移动通信业务。

　　移动台发射功率的大小是决定大区制系统覆盖区大小的重要因素，但移动台功率不可能很大，上行传输距离很有限。上、下行增益差可达6～12dB或更大，使平坦地区上、下行传输距离差大于1倍，从而限制了基站（BS）与移动台（MS）的互通距离，即所谓的上、下行传输不平衡问题。要解决这一问题，应采取相应的技术措施，主要的措施有以下几种： 　　　（1）设置分集接收台。在业务区内的适当地点设立分集接收台（Rd），如图5-1所示。位于远端移动台的发送信号可以由就近的Rd分集接收，放大后由有线或无线链路传至基站。

　　（2）基站采用全向天线发射和定向天线接收，可以获得8～10dB的接收增益。 　　（3）基站采用分集接收的天线配置方案。 　　（4）提高基站接收机的灵敏度。 　　（5）在大的覆盖区内，用同频转发器扫描盲区，整个系统都能使用相同的频道，盲区中的移动台也不必转换频道，工作简单。

　　大区制的优点是系统组成简单，投资少，见效快。大区制的设计和组网代表移动通信的一个发展阶段，容量小、用户密度低的宏小区，以及大范围覆盖的专用集群移动通信系统等，都具有大区制移动通信网的技术特点。例如20世纪40年代美国出现的公用汽车电话系统IMTS，就是一种大区制系统。另外，目前的区域寻呼系统以及集群移动通信系统等也大多采用大区制的组网方式。

5.1.2　小区制蜂窝移动通信网络的构成 　　1.蜂窝网的由来 　　当用户数很多时，话务量相应增大，需要提供很多频道才能满足通话需要。为了增大服务面积，将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell)，每个小区设立基站，与用户移动台之间建立通信，小区的覆盖半径较小，可从几百米至几十千米。如果基站采用全向天线，覆盖区实际上是一个圆，但从理论上说，圆形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖。在进行服务区设计时，能有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形，这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种，如图5-2所示。

对这三种图形进行比较可知，正六边形小区的中心距离最大，覆盖面积也最大，重叠区面积最小，即对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，因此所需的频率组数也最少，所以用正六边形组网是最经济的方式。应该说明，这种规则的小区图形仅仅具有理论分析和设计意义，实际中的基站天线覆盖区不可能是规则正六边形。我们把许多正六边形小区作为几何图形覆盖整个服务区所构成的形状类似蜂窝的移动通信网称为小区制蜂窝移动通信网或蜂窝网，图5-3给出了一个蜂窝网的全展开图形。

图5-2 小区的形状 (a)正三角形；(b)正方形；(c)正六边形

图5-3　蜂窝小区覆盖

　　2.区群的结构 　　在频分信道的蜂窝系统中，每个小区占有一定的频道，而且各个小区占用的频道是不相同的。假设每个小区分配一组载波频率，为避免相邻小区间产生干扰，各小区的载波频率不应相同。但因为频率资源有限，当小区覆盖不断扩大而且小区数目不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，为了提高频率资源的利用率，用空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，即将若干个小区组成一个区群或簇(Cluster)，区群内不同的小区使用不同的频率，另一区群对应的小区可重复使用相同的频率。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰，但当两同频小区间距足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量。

　　构成单元无线区群的基本条件是：①区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积；②相邻单元中，同频道小区之间的距离保持相等，且为最大。满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数N应满足下式： N=a2+ab+b2 （5.1） 式中：a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离（相隔的小区数），如图5-3所示。a和b为不能同时取0的正整数。由式（5.1)的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构,如图5-4所示。

图5-4　正六边形区群的构成

　　确定相邻区群同频小区的方法是：自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨越a个小区，再按逆时针方向转60°，然后再跨越b个小区，这样就可找出同频小区A′。在正六边形的六个方向上，可以找到6个相邻的同频小区，如图5-3所示。区群间同频复用距离可由下式计算： （5.2） 式中:dg为同频复用小区之间的几何中心距离;N为区群内的小区数;r0为小区的辐射半径。可见，群内小区数N越大，同频道小区距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。

　　3.同频干扰保护与同频复用距离 　　移动环境中对同频小区中心距离dg有何要求呢？下面我们从同频干扰概念出发进行分析。我们对区群内对应的无线小区使用相同的频率，这势必会造成干扰信号与有用信号以相同的频率进入到接收机的通频带，造成同频干扰，而且这种干扰是无法消除的。在移动通信组网过程中，防止同频道干扰的基本措施是通过基站站址的布局，使同频复用的小区之间保持足够的距离以及进行合理的设计和频道配置，以满足同频道干扰保护比指标。

　　1）射频防护比 　　为保证接收质量，接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比（S/I）必须大于某一个数值，这个数值就称为射频防卫比（即同频干扰保护比）。它与调制制度、可通率等因素有关。

　　对于模拟蜂窝移动通信网，射频防护比指标规定如下：静态条件下（不考虑快衰落和慢衰落及其他各种干扰的影响），要达到三级语音质量，并且可通率为90％时，射频防护比应大于或等于8dB；要达到四级语音质量，射频防护比应大于或等于12dB。在动态条件下，则应在此基础上加上衰落和干扰余量。一般来说，对于三级语音质量，干扰保护比应取25dB左右；而对于四级语音质量，应取30dB左右。 　　对于数字蜂窝移动通信网，数字网情况下，因为采用先进的语音编码技术以及调制技术等，与模拟系统相比，在语音质量和可通率要求相同的情况下，所需的载干比可以降低，例如，对于GSM系统，在采用跳频时，干扰保护比取9dB，无跳频情况下取11dB就可以满足语音质量要求了。

　　2）同信道再用距离的计算 　　影响同频复用距离的因素有调制制度、电波传播特性、小区半径、工作方式、可通率等。 　　图5-5给出了计算同频道复用距离的示意图。假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区边缘时，容易受到基站B发射的同频信号的干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰信号之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离就是同频道复用距离D。图中，DS为有用信号的传播距离，即小区半径r0，DI为干扰源到被干扰移动台的距离。下面具体分析同频道复用距离D与小区半径r0的关系。

在第2章我们已经得到平面大地上电波传播损耗的计算公式。设干扰信号与有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，则由式（2.10）可列出： （5.3） 所以传播损耗之差为 （5.4）

设基站A和B的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和同频干扰功率分别为 （5.5） 所以有 （5.6） 将式（5.6）代入式（5.4）,可以得到 （5.7）

4.激励方式 中心激励：基站设在小区的中央，由全方向性天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的中心激励方式，如图5-6（a）所示。 图5-6　两种激励方式

　　将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形覆盖的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的顶点激励方式，如图5-6（b）所示。采用120°定向天线后，所接收到的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1／3，因而可减少系统的同频干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。

　　5.扇区划分技术 　　为了扩大系统容量，FDMA系统和CDMA系统都使用了扇区划分技术，其区别在于FDMA的每个扇区使用不同的载频，CDMA可以使用相同的载频。 　　蜂窝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特定的扇区。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，从而提高系统容量的技术叫做裂向。同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。通常将一个FDMA小区划分为3个120°的扇区或是6个60°的扇区，如图5-7(a)和(b)所示。

图5-7 FDMA小区扇区划分 （a）120°裂向；（b）60°裂向

　　FDMA采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用，如图5-7(a)和(b)所示。例如，假设有一个N=7小区复用情形，对于120°扇区，第一层(包围该小区的小区群)干扰源数目由6下降到2,这是因为1个扇区只能接收到2个小区相应信道组的干扰。 　　FDMA系统采用裂向方法会造成中继效率下降，话务量有所损失，所以一些运营商不用裂向方法。特别是在密集的市区，这些地方的定向天线模式在控制无线传播时往往失效。由于裂向中每个基站使用不止一根天线，小区中的可用信道必须进行划分并且对特定天线实行专用，这样就把可用的中继信道分为多个部分，从而降低了中继效率。

　　CDMA系统利用定向天线将小区分成几个扇区(典型的是120°扇形天线)，每个扇区的基站仅接收来自确定方向的用户信号(约为1/3)，因为干扰也是1/3，理论上将系统容量提高了3倍，由于相邻天线覆盖区有重叠，实际为2.55倍。扇区的划分是与系统业务量相匹配的，业务量较高的地区扇区划分得密集一些，这样可进一步提高系统效率。但是，扇区数增加了，容量增加了，同时也增加了软切换的次数。因此，扇区的划分应根据实际话务情况决定。 　　扇区的划分技术和智能天线技术是有区别的，扇区的划分采用确定覆盖角度的定向天线对准该覆盖角度服务区的所有用户，而智能天线技术是在某定向天线的覆盖范围内用天线赋形的波束对准跟踪该覆盖范围的每一个用户。

　　6.小区分裂技术 　　在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，分配给各小区的频道数目也相同，但这只能适应用户密度均匀的情况。然而，事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如闹市区的用户密度大，话务量急增；郊区的用户密度较小，话务量也较小。随着城市建设的不断发展，原来的用户低密度区可能已变成高密度区。为了适应这种情况，在高用户密度的地区，应将小区面积划分得小一些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区所分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。小区一般分为巨型区、宏小区、微小区、微微小区几类，具体指标见表5-1，各分类之间的关系如图5-8所示。

表5-1　小区分裂

图5-8　小区分类图

　　采用蜂窝小区分裂的方法，在有限的频率资源中通过缩小同频复用距离使单位面积的频道数增多，系统容量增大。具体实施方法有两种：一是在原基站基础上采用方向性天线将小区扇形化，如图5-9(a)、(b)和(c)所示。一个全向天线的小区可以分裂成3个120°扇形小区、6个60°扇形小区、一个“三叶草”形无线区。二是将小区半径缩小并增加新基站，如图5-9(d)所示，方法是将原来较大的小区分裂成4个较小的小区，采用这种方法应将原基站天线高度适当降低，发射功率减少，努力避免小区间的同频干扰。

图5-9 蜂窝小区的分裂方案 （a）1∶3;（b）1∶6;（c）三叶草； （d）增加新基站的分裂

5.1.4　基本网络结构 　　移动通信的基本网络结构如图5-13所示。基站通过传输链路与移动交换机相连，交换机再与固定电信网络或其他通信网相连，所以移动通信有以下两种通信链路：(1)移动用户←→基站←→交换机←→其他网络←→其他用户;(2)移动用户←→基站←→交换机←→基站←→移动用户。

图5-13　基本网络结构

　　基站与交换机之间、交换机与网络之间可采用有线链路（如光纤、同轴电缆、双绞线等），也可采用无线链路（如微波链路）。这些链路上传输的数字信号形式通常为PCM数字多路复用信号。 　　通常每个基站要同时支持50路语音呼叫，每个交换机可以支持近100个基站，交换机到固定网络之间需要5000个话路的传输容量。 　　移动通信网中使用的交换机通常称为移动交换中心（MSC）。它与常规交换机的不同之处在于：MSC除了要完成常规交换机的所有功能外，还要负责移动性管理和无线资源管理（包括越区切换、漫游、用户位置登记管理等）。

　　在蜂窝移动通信网中，为便于网络组织，将一个移动通信网分为若干个服务区，每个服务区又分为若干个MSC区，每个MSC区又分为若干个位置区，每个位置区由若干个基站小区组成。一个移动通信网由多少个服务区或多少个MSC区组成，取决于移动通信网所覆盖地域的用户密度和地形地貌等。多个服务区的网络结构如图5-14所示。每个MSC（包括移动电话端局和移动汇接局）要与本地的市话汇接局、本地长途电话交换中心相连。MSC之间需互连互通才能构成一个功能完善的网络。

图5-14　多个服务区的网络结构

5.2　多址接入技术 　　蜂窝系统是以信道来区分对象的，一个信道只能容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户互相以信道来区分，这就是多址。移动通信是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法即为多址接入技术。

图5-15 频分多址示意图

　　在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率和发送频率是不同的，收发要有一定的间隔（保护频带），此间隔必须大于一定的数值，例如，在800MHz和900MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。此外，在用户频道之间设有保护频隙Fg，以避免系统频率漂移造成频道间重叠。FDMA频道划分方法如图5-16所示。

图5-16　FDMA的频道划分方法

　　频分多址是以频率来区分信道的，多个频道在频率轴上严格分开，但在时间和空间上是重叠的，此时，“信道”一词的含义即为“频道”。模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输。该方式有如下特点： 　　（1）单路单载频。每个频道只传送一路业务信息，载频间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。 　　（2）连续传输。系统分配给移动台和基站一对FDMA信道，它们利用此频道通信直到结束。 　　（3）是频道受限和干扰受限的系统。主要干扰有邻道干扰、互调干扰和同频干扰。

　　（4）需要周密的频率计划，频率分配工作复杂。 　　（5）基站有多部不同频率的收发信机同时工作，基站的硬件配置取决于频率计划和频道配置。 　　（6）频率利用率低，系统容量小。

　　FDMA系统通常采用FDD工作方式，由于所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，而必须经过基站中转。移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域（称为小区）内的所有移动台共用，即多信道共用问题。关于多信道共用的问题我们将稍后讨论。

5.2.2　时分多址(TDMA) 　　1.时分多址的原理 　　时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。在无线信道上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。图5-17是TDMA通信系统的工作示意图，图中只画出了移动台到基站传输时信号占用时隙的情况。

图5-17　TDMA通信系统的工作示意图

　　时分多址方式中，时间轴上按时隙严格分割，时隙间设有保护时间，但在频率轴上是重叠的，此时，“信道”一词的含义为“时隙”。时分多址只能传送数字信息，语音必须先进行模/数变换，再送到调制器对载波进行调制，然后以突发信号的形式发送出去。不同的系统复用路数可以不同。和FDMA通信系统相比，TDMA通信系统主要有以下几方面的特点： 　　（1）以每一时隙为一个话路的数字信号传输。N个时分信道共用一个载波，占据相同的带宽，只需一部收发信机。

　　（2）各移动台发送的是周期性信号，而基站发送的是时分复用(TDM)信号，发射信号的速率随时隙数的增大而提高。 　　（3）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。 　　（4）因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信息，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发送的信号强度，或检测网络系统发送的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的。

　　（5）TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的动态管理和动态分配通常要比对频率的管理和分配简单而经济。如果采用语音检测技术，实现有语音时分配时隙，无语音时不分配时隙，还有利于提高系统容量。 　　（6）TDMA系统必须有精确的定时和同步功能，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。

　　2.时分多址通信系统的帧和时隙 　　不同通信系统的帧长度和帧结构通常是不一样的。TDMA蜂窝式通信网络所用的时帧长度一般在几毫秒到几十毫秒的范围内。时帧结构和通信系统的双工方式有关。采用频分双工（FDD）时，基站（或移动台）的收发设备要在两个不同的频率上工作，而且这两个频率之间要有足够的保护间隔。通常基站在高频率发射，在低频率接收，而移动台在低频率发射，在高频率接收。对于这样的双工方式，其帧结构如图5-18所示。

图5-18　频分双工的帧结构示意图

　　采用时分双工（TDD）时，基站（或移动台）的收发设备均在同一频率上工作，因而同一部电台的发射机和接收机只有用轮流工作的办法，才能实现双工通信。比如，把帧中的时隙分成两部分，前一部分由基站向移动台发送（移动台接收），后一部分由移动台向基站发送（基站接收），如此交替地转换，即可实现双工通信。按这种办法构成的帧结构如图5-19所示。

图5-19　时分双工结构示意图

　　不同系统所采用的时隙结构存在很大的差异，即使同一个系统中，不同传输方向（正向与反向）上的时隙结构也可能不尽相同。实际上，不可能规定一种通用的时隙格式来适应各种系统的需要。 　　有的系统因为设置了专用控制信道，其传输业务信息的时隙与传输控制信息的时隙可以分别考虑。有的系统因为没有设置专用控制信道，其时隙除传输业务信息外，通常还要插入相应的控制信息。即使在设置专用控制信道的系统中，为了对移动台进行实时可靠的控制，也会在业务信道中插入一定的控制信息。

　　有些系统在每一时隙内均插入一定数量的同步信息，供比特同步用。也有的系统在每一时隙前面设置一个同步码（时隙头），供时隙同步用。 　　在各种通信系统中，时隙内均包含各自的标志符号。这些标志符号可以不止一种，可以有不同的用途，也常常采用不同的名称。有的是为了区分基站的身份；有的是为了标明该时隙在帧中的位置，防止接收机同步时，错误地锁定到别的时隙上；有的只是区分业务信息的类型等。

　　在移动通信中，信号的传播存在着随机时延。由于移动台的位置在通信网内是随机分布的，也是经常变化的，因此移动台和基站之间的距离是一个随机变量。通信距离的不同，使得信号的传播时延也不同。因而，即使移动台与基站的时钟都非常精确，信号到达对方接收机时，也不可能完全准确地落入对方的时隙。为了防止不同时隙的信号因为时延差不同而在相邻时隙发生交叠，通常在时隙末尾（或开头）设置一定的保护时间。此保护时间对移动台向基站传输信息的时隙来说是不可缺少的。保护时间的大小可以根据最大通信距离估算出来。在保护时间内不发送信息。

　　在移动信道进行数据传输时，如果信息的传输速率高到一定程度，则因为多径传播引起的码间干扰会使系统的误比特率增大。在这种情况下，接收机通常要采用自适应均衡技术，以减少这种码间干扰的影响。所以，有些通信系统常常在各个时隙中包含自适应均衡所需要的训练序列。 　　图5-20是一种时隙结构的示意图，该图只说明了时隙结构的基本形式，并没有考虑不同系统在不同使用场合下的特殊要求。

图5-20　TDMA系统的时隙结构示意图

　　3.时分多址通信系统的同步和定时 　　同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前题。因为通信双方只允许在规定的时隙中发送信号和接收信号，所以必须在严格的帧同步、时隙同步和比特（位）同步的条件下进行工作，如果通信设备采用相干检测，则接收机还必须获得载波同步。 　　（1）位同步是接收机正确解调的基础。在移动通信系统中，用于传输位同步信息的方法有两种：一种是用专门的信道传输；另一种是插入业务信道中传输，比如在每一个时隙的前面发送一段“0”、“1”交替的信号作为位同步信息。此外，在有些通信系统中，位同步信息是从其数字信号中提取的，用这种办法可以不再发送专门的位同步信息，但考虑到TDMA通信系统是按时隙以猝发方式传输信号的，为了迅速、准确而可靠地获得位同步信息，不宜采用这种方法。

　　由于信号在移动环境中传输时，经常受到干扰、噪声和多径衰落的损伤，因而，接收机在提取同步信息时，必须采取措施以减少由于干扰、噪声、衰落或误码引起的相位抖动，同时还要通过保护电路进行保护，防止因为偶然的原因使接收机失步，引起通信中断。

　　（2）帧同步和时隙同步所采用的方法一样，如果需要，可以在每帧和每时隙的前面分别设置一个同步码作为同步信息。同步码的选择是在帧长度确定之后，根据信道条件和对同步的要求而确定的。对帧同步和时隙同步的要求是建立时间短、错误捕获概率小、同步保持时间长和失步概率小。 　　从提高传输效率出发，希望同步码短一些，而从同步的可靠性和抗干扰能力方面考虑，又希望同步码长一些。对同步码的码型选择，应使之具有良好的相关特性，不易与信息流中的随机比特混淆而出现假同步。

　　（3）系统定时（或称网同步）是TDMA移动通信系统中的关键问题。只有全网中有统一的时间基准，才能保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对全网设备进行管理、控制和操作。就同步而言，可以保证各基站和移动台迅速地进入同步状态，也不会因为定时误差随时间积累而引起失步。 　　系统定时可以采用不同方法。在移动通信系统中常用的是主从同步法，即系统所有设备的时钟均直接或间接地从属于某一个主时钟的信息。主时钟通常有很高的精度，其信息以广播的方式送给全网的许多设备，或者以分层的方式逐层送给全网的许多设备。各设备从收到的时钟信号中提取定时信息，或者说锁定到主时钟上。

　　在移动通信系统中也用到独立时钟同步法，其办法是在网中各设备内均设置高精度的时钟，在通信开始或进行过程中，只要根据某一标准时钟进行一次时差校正后，在很长的时间内，时钟便不发生明显的漂移，从而得到准确的定时，这种办法通常要求各设备采用稳定度很高的石英振荡器来产生定时信号，这对于移动台尤其是小型手持机而言，无论从价格方面还是从体积重量方面考虑都不一定合适，但在通信网络中的基站和其他大型设施中采用这种办法还是可以的。

5.2.3　码分多址(CDMA) 　　码分多址是基于码型分割信道的。在CDMA方式中，不同的用户传输信息所用的信号不是根据频率或时隙的不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其他使用不同码型的信号不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰(称为多址干扰)，各码型之间的互相关性越小，多址干扰就越小。CDMA系统无论传送何种信息的信道，都是靠采用不同的码型来区分的，所以，此时“信道”一词的含义为“码型”。

　　在图5-21所示的CDMA工作系统中，前向信道和反向信道采用频率划分的方式，即移动台对基站方向的载波频率为f′，基站对移动台方向的频率为f。每一个移动用户分配有一个地址码，且这些码型信号相互正交（即码型互不重叠）。移动台MS1、MS2、…、MSk分别分配有C1、C2、…、Ck，这些码分信道在同一载波上。利用码型和移动用户的一一对应关系，只要知道用户地址（地址码）,便可实现选址通信。在CDMA系统中，每对用户是在一对地址码型中通信，所以其信道是以地址码型来表征的，并且为了充分利用信道资源，这些信道是动态分配给移动用户的，其信道支配是由基站通过信令信道进行的。因此，在这种动态分配信道的系统中，码型和信道号存在一一对应的关系。

图5-21　码分多址工作方式示意图

　　CDMA的特点是： 　　(1)网内所有用户可以使用同一载波，在频域上占用相同的带宽。 　　(2)各用户可以同时发送或接收信号，在时域上可能占用相同的时间段。 　　(3)为了传送不同的信息(业务信息和相应的控制信息)，需要设置不同的信道。但是CDMA系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道，都是靠采用不同的码型来区分的，类似这样的信道被称为逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或时域上来看，都是互相重叠的，它们均占用相同的频段和时间。 　　(4)为了实现双工通信，下行传输和上行传输各使用一个载波频率，即频分双工 (FDD)。如果只使用一个载波频率，下行传输和上行传输用时间分割，即时分双工(TDD)。

　　由于多个用户发射的CDMA信号在频域和时域是相互重叠的，因此用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有采用与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收，也就是说靠用各自编码序列的不同，或者说信号波形的不同来区分，接收机用相关器从多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，其他使用不同码型的信号因为与接收机产生的本地码型不同而不能被解调。

　　CDMA与FDMA、TDMA的划分形式不同，FDMA与TDMA均属于一维多址划分，而CDMA属于时频二维域上的划分，三者的比较如图5-22所示。在3G移动通信应用中，WCDMA系统是典型的CDMA/FDMA的混合应用，而TD-SCDMA系统是CDMA/TDMA/FDMA的混合应用。图5-23是它们的比较示意图。

图5-22 FDMA、TDMA、CDMA划分形式比较示意图

图5-23 WCDMA和TD-CDMA系统多址接入方式比较示意图(a)WCDMA系统多址接入方式；(b)TD-SCDMA系统多址接入方式

5. 2. 4 FDMA、TDMA与CDMA系统容量的比较 1 5.2.4　FDMA、TDMA与CDMA系统容量的比较 　　1.蜂窝系统容量 　　通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言，系统的通信容量可以用信道效率，即对给定的可用频率中所能提供的最大信道数目进行度量。一般来说，在有限的频段中，信道数目越多，系统的通信容量也越大。但对于蜂窝网而言，由于信道在小区中的分配，涉及频率再用和由此产生的同频干扰问题，因而系统的通信容量用每个小区的可用信道数进行度量比较适宜，具体可用以下方式来度量： 　　（1）每小区可用信道数（ch/cell），它表征每小区允许同时工作的用户数。 　　（2）每小区每兆赫兹可用信道数（ch/cell/MHz），它表征每小区单位带宽允许同时工作的用户数。 　　（3）每小区爱尔兰数（Erl./cell），它表征每小区允许的话务量。

　　还可以用以下方式来度量： 　　（1）每平方千米用户数（用户数/km2），它表征单位面积的用户密度。 　　（2）每平方千米每小时通话次数（call/h/km2），它表征单位面积用户的通话强度。 　　以上方式从不同的角度对系统的容量进行衡量，它们之间是有联系的，在一定的条件下可以互相转换。

　　任何通信系统都要满足通话（通信）质量的要求。为了保证规定的语音质量，系统接收端的信干比（SIR）必须大于一定门限值。在FDMA系统中，通常规定以SIR=17dB作为信干比的门限值；在TDMA系统中，通常规定以SIR=10dB作为信干比的门限值；在CDMA系统中，通常规定以SIR=7dB作为信干比的门限值。 　　蜂窝系统采用频率再用技术，使用相同频率的小区称为共道小区，共道小区之间存在的干扰称为共道干扰。

　　2.FDMA和TDMA蜂窝系统容量计算 　　对于模拟FDMA系统和数字TDMA系统来说，系统容量的计算比较简单。 　　模拟FDMA和数字TDMA蜂窝网移动通信系统容量受到带宽限制。模拟FDMA和数字TDMA蜂窝网移动通信系统容量m的一般公式为 （信道/小区） （5.9） 式中：W为无线系统总带宽；N为区群小区数（小区频率复用数）；B为信道带宽，对于TDMA／FDMA系统，因为每个载波信道又被分为M个时隙（时分信道），所以信道带宽B为载波间隔Bc/M。

【例5. 1】模拟TACS系统采用FDMA方式，设分配给系统的总频宽W=1 　　【例5.1】模拟TACS系统采用FDMA方式，设分配给系统的总频宽W=1.25MHz,信道带宽B=25kHz,频率复用的小区数N=7，则系统容量m为 （信道/小区） 　　【例5.2】数字GSM系统采用TDMA/FDMA方式，设分配给系统的总频宽W=1.25MHz,载频间隔Bc=200kHz,每载频时隙数M为8,频率复用的小区数N=4，则系统容量m为 （信道/小区）

　3.CDMA蜂窝系统容量计算 　　CDMA系统的容量主要受到多址干扰的限制。暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点，首先考虑一般CDMA通信系统的通信容量。m个用户共用一个无线频率同时通信，每一个用户的信号都受到m-1个用户信号的干扰。假定系统的功率控制是理想的，即到达接收机的所有m个信号强度都一样

式中:Rb为信息的速率；Eb为信息的比特能量；N0为干扰的功率谱密度（单位为Hz的干扰功率）；W为CDMA系统所占的有效频带宽度；W/Rb为CDMA系统的扩频增益；Eb/N0为比特能量与干扰密度比，其取值取决于对误码率和语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关。 　　由式（5.10）和式（5.11），得到一般CDMA系统容量m为 （信道/小区） （5.12） 式（5.12）说明：在误码率一定的条件下，所需归一化信干比（Eb/N0）越小，扩频增益（W/Rb）越大，系统可以同时容纳的用户（信道）数m越大。

下面根据CDMA蜂窝网系统的特征，对一般CDMA系统容量式（5 　　下面根据CDMA蜂窝网系统的特征，对一般CDMA系统容量式（5.12）进行修正，最后得到CDMA蜂窝网系统容量公式。 　　1）考虑语音激活因子的系统用户数 　　统计结果表明，人们在通话过程中平均只有35％的时间在讲话，另外65％的时间处于听对方讲话、语句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，所有用户共享一个无线频率，如果采用语音激活技术，使通信中的用户有语音时发射机才发射信号，没有讲话时，该用户的发射机就停止发射功率，那么任一用户语音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减少而受益。这就是说，语音停顿可以使背景干扰减少65％，从而系统容量可以提高到原来的1/0.35=2.86倍。

如语音的占空比为d（通常，语音占空比d=0.35），则式（5.12）改写为 （信道/小区） （5.13）

　　2）考虑扇区化因子和语音激活因子的系统用户数 　　在CDMA蜂窝系统中采用定向天线进行分区能明显提高系统容量。比如，用120°的定向天线把小区分成3个扇区，可以将背景干扰减少到原来的1/3，因而系统的容量将增加到原来的3倍。实际上，由于相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高到G=2.55倍左右，G为扇区系数，则式（5.13）改写为 （信道/小区） （5.14）

　　3）考虑邻近蜂窝小区的干扰、扇区化因子以及语音激活因子的系统用户数 　　邻近小区的干扰分两种情况，即下行传输和上行传输。 　　根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点，在CDMA蜂窝移动通信系统中，所有用户共享一个无线频道，即在若干小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此任一小区的移动台都会受到相邻小区移动台的干扰，这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对相邻小区基站的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台的总干扰量是不同的，对系统容量的影响也有所差别，下面分别加以简要说明。

　　Ⅰ.下行传输 　　在一个蜂窝小区内，基站不断地向所有通信中的移动台发送信号，移动台在接收它自己所需信号的同时，也接收到基站发给所有其他移动台的信号，而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用下行功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因，位于基站附近的移动台受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大，但受到相邻小区基站的干扰较小；位于小区边缘的移动台受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小，但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的接收位置是处于3个小区交界的地方，如图5-24所示的X点。

图5-24 CDMA蜂窝系统移动台最不利的接收位置X

　　假设各小区的基站都同时向多个用户发送功率相等的信号，由于邻近基站的干扰不能忽略，理论分析表明：在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的60％，即信道复用效率F=0.6，则式（5.14）改写为 （信道/小区） （5.15）

　　Ⅱ.上行传输 　　在一个蜂窝小区内，基站在接收本小区移动台的信号的同时，也收到来自相邻小区移动台的信号，这些信号对所需信号同样形成干扰，对系统容量也造成不良影响。CDMA蜂窝系统中基站B受移动台干扰的情况如图5-25所示。

图5-25 CDMA蜂窝系统中基站受移动台干扰的情况

　　假设各小区中同时通信的用户数为m，即各小区有m个移动用户同时发送信号，理论分析表明，在采用功率控制时，每个小区同时通信的用户数将下降到原来的65％，即信道复用效率F=0.65，也就是系统容量下降到不考虑邻近干扰时的65％。由此可见，上行传输和下行传输的信道复用效率大致一样，也就是说作为通信容量的估算公式（5.15），既可以用于下行传输,也可以用于上行传输。在计算CDMA蜂窝系统容量时，一般按下行信道考虑，通常取F=0.6。

例如，CDMA蜂窝系统所占的频率带宽W=1. 25MHz，信息数据速率Rb=9. 6kb/s，语音占空比d=0. 35，扇区系数G=2 　　例如，CDMA蜂窝系统所占的频率带宽W=1.25MHz，信息数据速率Rb=9.6kb/s，语音占空比d=0.35，扇区系数G=2.55，信道复用效率F=0.6，比特能量与干扰密度比Eb/N0=5.012（7dB），则可计算得到CDMA蜂窝系统容量m=118（ch/cell）(每小区信道数)。

　　4.CDMA、FDMA、TDMA蜂窝系统容量比较 　　关于CDMA蜂窝通信系统容量的计算和与FDMA、TDMA蜂窝系统容量的比较，在不同的条件下得出的结果是不同的，现以CDMA2000为例，给出比较方法和参考结果。由于CDMA2000考虑了其他系统的干扰，在CDMA2000每载波带宽的两边各留了0.2625MHz的保护频带，因此实际占用的频带宽度是1.775MHz。现在用系统总带宽W=1.775MHz为基准来计算单位频带（1MHz）的系统容量，对CDMA、FDMA、TDMA蜂窝系统的容量进行比较。

1）模拟FDMA系统（TACS） TACS系统有效带宽W=1. 775MHz，系统占用带宽Wc=1 　　1）模拟FDMA系统（TACS） 　　TACS系统有效带宽W=1.775MHz，系统占用带宽Wc=1.775MHz，信道带宽B=25kHz，每区群小区数N=7，由式（5.9）可知FDMA蜂窝系统单位频带的容量m/Wc为 （ch/cell/MHz）

 2）数字TDMA系统（GSM） GSM系统有效带宽W=1. 775MHz，系统占用带宽Wc=1 　2）数字TDMA系统（GSM） 　　GSM系统有效带宽W=1.775MHz，系统占用带宽Wc=1.775MHz，载波间隔Bc=200kHz，每载频时隙数M=8，信道带宽B=25kHz，每区群小区数N=3，由式（5.9）可知TDMA蜂窝系统单位频带的容量m/Wc为 （ch/cell/MHz）

 3）数字CDMA系统（CDMA2000） CDMA系统有效带宽W=1. 25MHz，加保护带后系统占用带宽Wc=1 　3）数字CDMA系统（CDMA2000） 　　CDMA系统有效带宽W=1.25MHz，加保护带后系统占用带宽Wc=1.775MHz，语音编码速率Rb=9.6kb/s，语音占空比d=0.35，扇区系数G=2.55，信道复用效率F=0.6，比特能量与干扰密度比Eb/N0=5.012（7dB），由式（5.15）可得CDMA蜂窝系统单位带宽的容量m/Wc为 （ch/cell/MHz)

比较以上3种体制的系统容量，对3个扇区，系统占用带宽W=1. 775MHz，有mCDMA=11. 66mFDMA=4 　　比较以上3种体制的系统容量，对3个扇区，系统占用带宽W=1.775MHz，有mCDMA=11.66mFDMA=4.99mTDMA，即CDMA的系统容量大约是TDMA系统的5倍，是FDMA系统的12倍。

5.3　多信道共用技术 5.3.1　话务理论 　　1.话务量与呼损率 　　话务量定义为在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积，是度量通信系统业务量或繁忙程度的指标,可分为呼叫话务量与完成话务量。呼叫话务量取决于单位时间内(通常为1小时)发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用时间。在系统的呼叫话务量中，必然有一部分呼叫失败(信道全部被占用时，新发起的呼叫不能被接续)，而完成接续的那部分话务量称为完成话务量。如用A表示呼叫话务量，A0表示完成话务量，C表示单位时间内发生的平均呼叫次数，C0表示单位时间内呼叫成功的次数（即接通次数），t0表示每次呼叫平均占用信道时间，则有 (5.16)

若计算C所用的单位时间与t0的单位相同，则话务量单位称为“爱尔兰”(Erlang，简写为Erl 　　若计算C所用的单位时间与t0的单位相同，则话务量单位称为“爱尔兰”(Erlang，简写为Erl.)。例如，一个呼叫占用信道1小时，则该信道话务量为1Erl.。这是一个信道具有的最大话务量。 　　例如，在100个信道上，平均每小时有2100次呼叫，平均每次呼叫时间为2分钟，则这些信道上负荷的呼叫话务量为

损失话务量(呼叫失败的话务量)与呼叫话务量之比称为呼损率，用以说明呼叫失败的概率，用B表示，有 (5.17) 　　呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。显然，呼损率越小，呼叫成功率就越大，用户就越满意。呼损率也称为系统的服务等级，是衡量通信网接续质量的主要指标。例如，某系统的呼损率为10％，即说明该系统内的用户每呼叫100次，其中有10次因信道被占用而无法接通，其余90次则能找到空闲信道实现通话。

　　对于一个通信网来说，要想使呼损减少，只有让呼叫的话务量减少，这样势必要减少系统容纳的用户数，这是不希望的,可见呼损率与话务量是一对矛盾。如果网内每次呼叫相互独立，互不相关（呼叫具有随机性），而且每次呼叫在时间上都具有相同的概率，那么，根据话务理论，话务量A、呼损率B、信道数n之间存在下式所示的定量关系: (5.18) 式(5.18）就是著名的爱尔兰呼损公式。呼损率、话务量、信道数、信道利用率之间的关系见表5-2。

表5-2 呼损率、话务量、信道数、信道利用率之间的关系 表5-2　呼损率、话务量、信道数、信道利用率之间的关系

　　2.信道数与用户数的关系 　　有了上面的这些概念，接着我们讨论它们与系统用户数之间的关系。在工程设计中，在考虑通信系统用户数和信道数时，应采用每用户忙时平均话务量(用a表示)。因为只要在忙时信道够用，非忙时肯定也够用。忙时话务量与全天(24小时)话务量之比称为忙时集中系数(用K表示)，K一般取10%～15%。假设每用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道时间为T(秒/次)，忙时集中系数为K，则每用户忙时话务量a为 (5.19)

一般地讲，对公众网，每用户忙时话务量可按0. 01Erl. 取值；对专用网，一般可按0. 06Erl 　　一般地讲，对公众网，每用户忙时话务量可按0.01Erl.取值；对专用网，一般可按0.06Erl.进行取值。 　　当每用户忙时话务量确定后，每个信道所能容纳的用户数m可由下式计算： (5.20) 若系统有n个信道，则系统所能容纳的用户数M为 (5.21) 　　由以上分析可见，在系统设计时，既要保证一定的服务质量，又要保证系统用有限的信道数给尽可能多的用户提供服务，尽量提高信道利用率。

5.3.2　空闲信道的选取 　　1.专用呼叫信道方式 　　专用呼叫信道方式是在网中专门设置的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。专用呼叫信道的作用有两个：一是处理呼叫；二是指配语音信道。 　　移动用户只要不通话时就停留在呼叫信道上守候。当移动用户要发起呼叫时，就在上行专用呼叫信道发出呼叫请求信号，基站收到请求后，在下行专用呼叫信道给主叫的移动用户指定当前的空闲信道，移动台根据指令转入空闲信道通话，通话结束后再自动返回到专用呼叫信道守候。当移动台被叫时，基站在专用呼叫信道上发出选呼信号，被叫移动台应答后即按基站的指令转入某一空闲信道进行通信。

　　这种方式的优点是处理呼叫的速度快。但是，由于这种方式专门需要一个信道作呼叫信道，相对来说，减少了通话信道的数目，当用户数和共用信道数不多时，这种方式信道利用率不高。因此，这种方式适用于大容量的移动通信网，是公用移动电话网的主要方式。我国目前的900MHz蜂窝移动通信系统就是采用这种方式。

　　2.标明空闲信道方式 　　标明空闲信道方式可分为循环定位、循环不定位、循环分散定位等。小容量移动通信网比较适合采用这种方式。 　　（1）循环定位方式。这种方式不设置专门的呼叫信道，由基站利用发空闲信号的方法临时指定一个信道作为呼叫信道，所有的信道都可供通话，选择呼叫与通话可在同一信道上进行。基站在某一空闲信道上发出空闲信号，所有未在通话的移动台都自动地对所有信道进行循环扫描，一旦在某一信道上收到空闲信号，就定位在这个信道上守候。所有移动台都集中守候在临时呼叫信道上，当这个信道被某个移动台占用后，基站就另选一空闲信道发出空闲信号，所有未通话的移动台又自动转到新的临时呼叫信道上守候。如果基站的全部信道都被占用，基站就停发空闲信号，所有未通话的移动台就不停地循环扫描，直到出现空闲信道，收到空闲信道才定位在该信道上。

　　这种方式中，所有信道都可用于通话，信道的利用率高。此外，由于所有空闲的移动台都定位在同一个空闲信道上，不论移动台主呼或被呼都能立即进行，处理呼叫快。但是，正因为所有空闲移动台都定位在同一空闲信道上，其中有两个以上用户同时发起呼叫的概率（同抢概率）也较大，极易发生冲突。

　　（2）循环不定位方式。为减少同抢概率，移动台采用循环扫描而不定位的方式。该方式是基站在所有空闲信道上都发出空闲标志信号，不通话的移动台始终处于循环扫描状态。当移动台主呼时，首先遇到任何一个空闲信道就立即占用。由于预先设置了不同移动台对信道的扫描顺序不同，两个移动台同时发出呼叫，又同时占用同一空闲信道的概率很小，这就有效地减少了同抢概率。不过主叫时不能立即进行，要先搜索空闲信道，当搜索到并定位之后才能发出呼叫，时间上稍微慢了一点。当移动台被呼叫时，由于各移动台都在循环扫描，无法接收基站的选呼信号，因此，基站必须先在某一空闲信道上发一个保持信号，指令所有循环扫描中的移动台都自动地对这个标有保持信号的空闲信道锁定。

保持信号需持续一段时间，等到所有空闲移动台都对它锁定以后，再改发选呼信号。被呼移动台对选呼信号应答，即占用此信道通信。其他移动台识别不是呼叫自己，立即释放此信道，重新进入循环扫描。 　　这种方式减少了同抢概率，但因移动台主呼时要先搜索空闲信道，被呼时要先保持信号锁定，这都占用了时间，所以接续时间比较长。

　　（3）循环分散定位方式。为克服循环不定位方式中移动台被呼的接续时间比较长的缺点，人们提出了一种分散定位方式，即基站在全部不通话的空闲信道上都发空闲信号，网内移动台分散地守候在各个空闲信道上。移动台主呼是在各自守候的空闲信道上进行的，保留了循环不定位方式的优点。基站呼叫移动台时，呼叫信号在所有的空闲信道上发出，并等待应答信号，从而提高了接续速度。

5.4　移动通信中的信令 5.4.1　数字信令的格式与传输 　　1.数字信令的格式 　　在传输数字信令时，为了便于接收端解码，通常要求数字信令按一定格式编排。信令的格式是多种多样的，不同的通信系统的信令格式也各不相同。常用的数字信令格式有两 种，如图5-26(a)、(b)所示。

图5-26　数字信令格式

　　2.数字信令的传输 　　数字信令大体可分为低速和高速两类。低速数字信令要进行两次调制，第一次调制在一个或几个音频频率上，在无线信道中仍以模拟方式进行第二次调制。高速信令一般是直接调制在无线信道上，由于速度较高，通常采取多次重发和较复杂的纠错编码方法，以解决传输中出现的差错问题。

　　基带数字信令是二进制的数据流，只有通过调制才能发射出去。移动通信中信号传送的质量会受到传送过程中出现的多径传播衰落和多普勒效应等的影响，这就要求采用抗干扰能力和抗衰落能力较强的调制方式。数字信令正好具备这一特点，但其频谱占得较宽，这对信道间隔为25kHz（TACS系统）、30kHz(AMPS系统)甚至12.5kHz的移动信道来说，确实是一个很大的难题，而且它会限制信令的传输速率。

　　目前，数字信号的基本调制方式有两类：一类是基带调制，将基带信号直接通过FSK、PSK、GMSK等方法调制到载波上，它适用于高速数字信号传输；另一类是副载波二次调制，分两步进行，第一步先对较低频率的副载波进行调制，然后再对已调副载波信号进行第二次调制，调制到发射频率（即频谱搬移）适用于较低速率，这种方法适用于低速数字信号传输。例如，在模拟移动通信中，信令的码元速率一般在102～104b/s范围。为了在无线信道上传输这些信令，必须对载波进行调制。对于低速（小于几百b/s）的数字信令，常用两次调制法，第一次调制采用FSK或MSK。经过一次调制后的数字信令，其频谱仍处于音频频带内，因而可以和语音一样调制在载波上，在现有模拟移动通信的信道上传输，接收端检测也比较方便。

　　在数字蜂窝系统中，均有严格的帧结构。例如，在TDMA系统的帧结构中，通常都有专门的时隙用于信令传输，或在每个时隙中设有专门的比特域用于信令传输。

5.4.2　信令协议的分层结构 　　在移动通信中，空中接口的信令分为三层，即物理层、链路层和网络层，如图5-27所示。 　　（1）物理层：为高层信息传输提供无线信道，能支持在物理媒介上传输信息所需要的全部功能，如频率分配、信道划分、传输定时、比特或时隙同步、功率设定、调制和解调等。为了传输信令，物理层在物理信道上形成了许多第二层逻辑信道，如GSM系统中的广播信道（BCH）、随机接入信道（RACH）、接入允许信道（AGCH）和寻呼信道（PCH）等。这些逻辑信道按一定的规则复接在物理层的具体帧的具体突发中。

图5-27　空中接口协议模型

　　（1）物理层：为高层信息传输提供无线信道，能支持在物理媒介上传输信息所需要的全部功能，如频率分配、信道划分、传输定时、比特或时隙同步、功率设定、调制和解调等。为了传输信令，物理层在物理信道上形成了许多第二层逻辑信道，如GSM系统中的广播信道（BCH）、随机接入信道（RACH）、接入允许信道（AGCH）和寻呼信道（PCH）等。这些逻辑信道按一定的规则复接在物理层的具体帧的具体突发中。 　　（2）数据链路层：向第三层提供服务，并接受第一层的服务。其主要功能是为网络层提供必需的数据传输结构，并对数据传输进行控制。

　　（3）网络层：主要功能是管理链路连接、控制呼叫过程、支持附加业务和短消息业务，以及进行移动管理和无线资源管理等。该层包括连接管理、移动管理和无线资源管理三个子层。 　　无线资源管理的目标是在保证通信质量的条件下，尽可能提高通信系统的频谱利用率和通信容量。为了适应传播环境、网络结构和通信路由的变化，有效的办法是采用动态信道分配（DCA）方法，即根据当前用户周围的业务分布和干扰状态，选择最佳的信道，分配给通信用户使用。

　　移动管理功能实际上是移动台向网络进行位置登记以及越区时对移动台使用的信道进行切换过程的控制功能。下一节将专门介绍移动通信网中的移动管理功能。 　　呼叫管理功能的目标是最终要在主、被呼用户间建立起通信链路，提供通信服务。无论是移动台主呼还是被呼，一旦有呼叫进行，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转，这一过程会涉及到网络的各个功能部件，包括基站、移动台、移动交换中心、各种数据库以及网络的各个接口等；网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，制定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，从而建立链路，提供通信服务。

　　为了实现对呼叫管理（CM）、移动性管理（MM）和无线资源进行管理（RRM），移动台和基站两侧的三层的对等层之间需要进行对话，这种对话是通过消息的交换来实现的。这些消息是装在链路层帧中的信息段进行传输的。 　　上述控制和管理功能均是由网络系统的整体操作实现的，每一过程均涉及到各个功能实体的相互支持和协调配合。为此，网络系统必须为这些功能实体规定明确的操作程序、控制规程和信令格式。

5.4.3　SS7信令 　　移动通信网中，交换机之间、交换机与数据库（如HLR，VLR，AUC）之间需要交换信息，我们称这类信息为网络信令。常用的网络信令就是7号信令。CCITT建议的信令方式有No.1、No.2、No.3、No.4、No.5、R1、R2、No.6、No.7等，前几种信令均为模拟信令，No.6信令是为模拟网设计的数字信令方式，而No.7信令方式是专门为数字网设计的数字信令方式。No.7（SS7）信令的特点是信令速度快、信令容量大、信令设备经济合理、类型丰富灵活，它是目前应用最广泛的国际化信令系统，适合综合业务数字网（ISDN）的需要。

　　1.SS7信令系统的基本功能结构 　　7号信令的标准是基于国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）的参考模型的，它是国际标准化组织建议的模型。所谓开放系统互连，是指建网通信时所需的标准分层结构和分层协议。根据开放系统互连参考模型及协议规范，可以将各种不同的系统很容易地相互连接，即具有互连的开放性。协议是通信应遵循的规则或规约；分层的目的是将复杂的协议系统分成许多相对独立的而又互相联系的功能层。分层的原则是：相同的功能放在同一层；各功能层应相互独立；层间界面的信息流量应最少；分层的层数应适中。OSI采用7层结构，如图5-28所示。

图5-28　7号信令系统的协议结构

　　MTP（MessageTransferPart）：相当于OSI的低3层（物理层、链路层、网络层）。其功能是在节点与节点之间为通信用户提供可靠的信令信息传输能力。 　SCCP（SignallingConnectionControlPart）：它是CCITT于1984年增补的功能模块，相当于OSI的第三层（或3～4层）。其功能是传递电路交换控制以外的信令和数据。在ISDN交换局，以及交换局与各种业务中心之间建立与电路无关的信令链路，满足越来越多的附加功能对复杂控制信令的要求。

　　UP（UserPart）：是MPT的用户，相当于OSI-RM的4～7层（应用层）。其功能是处理信令信息。对不同通信业务类型的用户，其控制信令的处理功能不同。它包括TUP（电话用户部分）、DUP（数据用户部分）、ISDN-UP（ISDN用户部分）及MAP（移动应用部分）。 　　TCAP（TransactionCapacityApplicationPart）：与SCCP一起为用户服务。为用户与用户之间提供快速有效地传输数据协议的能力，支持增加业务，也可支持远端用户操作并提供应答，TCAP可属第7层，但不是用户，它是使用户之间进行互联和公共操作的协议。

　　MAP（MobileApplicationPart）：MAP在TCAP之上，是TCAP的用户，属第7层，应用于NSS中的功能模块（如MSC、VLR、HLR、EIR、AUC）之间各接口的通信。其功能是：支持用户的位置登记与删除；用户业务管理；用户参数管理；漫游于越区切换；鉴权与保密数据传输等。MAP与网络信令相结合，支持GSM各项业务和网络功能。例如：在移动通信处理过程中，有时一个系统需同时和几个系统产生联系（如切换），使用MAP协议，就能实现一个实体同时和多个实体间的通信。

　　2.关于SS7信令网 　　7号信令网络是与PSTN平行的一个独立的网络，是供传送信令的数据链路构成的网络叠加到信息网上。 　　现代电话网的运行对信令系统的要求是：对呼叫处理的相关信息的交换；对网络运行管理的相关信息的交换（如路由选择、计费、话务量信息等）；对网络维护的相关信息的交换（如告警信息等）。为满足这些要求，在信息网上叠加有信令网。图5-29（a）示出了信令网的分层结构。信令网是由信令点（SignallingPoint,SP）和链路（Link）组成的。

信令点是信令网中的节点，它提供公共信道信令。信令点可以是交换中心，也可以是操作管理和维护中心。信令点可分为信令源点（产生消息的信令点）和信令宿点（接收消息的信令点）以及信令转接点（转发消息的信令点，SignallingTransferPoint，STP）。信令转接点STP又可分为高级信令转接点（HSTP）和低级信令转接点（LSTP）。信令转接点不对信令进行处理，而只将信令从一条信令链路转送到另一条信令链路上去。信令链路是指信令点（含转接点）之间的信令通道，目前的信令链有4.8kb/s的模拟信令链和64kb/s的数字信令链。

图5-29 信令网、信息网及其分层结构 (a)信令网及其分层结构；(b)信令网与信息网

　　图5-29（b）给出了信息网上叠加的信令网。信令网中的信令点分别对应信息网中的转接中心（TransferCentre，TC）和本地交换机（LocalExchange，LE）。为了提高信令系统的可靠性，信令网中的信令转接点总是成对出现，这样可以提供冗余路由。实际上，为了信令的可靠传输，信令点也多采用不同的信令链路与不同的信令转接点相连。

5.5　移动管理技术 5.5.1　位置登记与漫游 　　位置登记是指移动台向控制中心发送报文时，表明它本身工作时所处的位置信息，并被移动网登记存储的过程。在构造复杂的小区制移动通信服务区内，一般将一个MSC的控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。移动台将所处位置的位置信息进行位置登记，可以提高寻呼一个移动台的效率，移动台的位置登记信息被存储于MSC内。不同的蜂窝移动通信系统可以使用不同的位置登记方式。

　　在数字移动通信系统中，位置管理主要由两个位置管理数据库来完成，即归属位置寄存器（HLR）和拜访位置寄存器（VLR）。通常一个PLMN网络由一个HLR和VLR组成。HLR的作用是存储在其网络内注册的所有用户的信息，数据库中包含两类信息，即用户信息与用户当前的位置信息。VLR的作用是管理该网络中若干个位置区（一个位置区由一定数量的蜂窝小区组成）内的移动用户，为移动交换中心（MSC）处理呼叫提供移动用户的位置数据信息。

　　对于每一个MS，存储在HLR中的主要信息如下： 　　(1)国际移动台标识(IMSI)； 　　(2)国际移动台号(MSISDN)； 　　(3)移动台漫游号(MSRN)； 　　(4)VLR地址(如果收到的话)； 　　(5)移动台状态数据； 　　(6)其他需要的用户数据。

　　对于每一个正在访问的MS，存储在VLR中的主要信息如下： 　　(1)国际移动台标识(IMSI)； 　　(2)国际移动台号(MSISDN)； 　　(3)移动台漫游号(MSRN)； 　　(4)临时移动台标识(TMSI)； 　　(5)位置区识别； 　　(6)其他需要的数据。

　　事实上，HLR和VLR主要是为实现漫游功能而增设的部件，也是数字移动网中所特有的，它们在位置登记中起数据库的作用。 　　漫游通信就是指在蜂窝移动通信系统中，移动用户持在自己的归属区登记注册过的移动终端到被访区经过位置登记入网使用的通信服务功能。漫游可使一个在蜂窝系统中注册的移动用户在大范围内跨区行驶，并随意与此系统中的固定网用户或另一个移动用户通话。漫游通信主要包括三个过程：位置登记、转移呼叫和呼叫传递。

　　位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库（HLR和VLR）和认证移动台。位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化以及何时报告它的当前位置。呼叫传递的步骤是在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位并寻呼移动台。寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区。下面简单介绍位置登记的实现过程。 　　位置登记是指PLMN不断跟踪移动台在系统中的位置，位置信息存储在HLR和VLR中。也就是说，当用户作为漫游用户时，首先必须在被访区移动业务交换中心(VMSC)进行位置登记，然后经No.7信令网向HLR发回一个位置信息信号，以更正这个用户的必要数据。具体过程如图5-30所示。

图5-30　位置登记实现过程示意图

　　位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量及时延等。位置管理所追求的目标是以尽可能小的处理能力和附加的业务量，最快地确定用户的位置，以求容纳尽可能多的用户。 　　不同的系统（如GSM系统、CDMA系统等）其位置管理的详细过程是不同的。我们将在相关章节中讨论。

5.5.2　越区信道切换 　　任何一种蜂窝网都采用小区制方式，小区中常常分为若干个扇区，因此移动台从一个扇区到另一个扇区，或从一个小区到另一个小区，甚至从一个业务区到另一个业务区，都需要进行越区切换。越区（过区）切换（Handoff或Handover）是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程，或者说，当正在通话的移动台从一个小区（扇区）驶入相邻的小区（扇区）时，MSC控制使一个信道上的通话切换到另一个信道上的过程。越区切换可以基于接收的信号强度或信干比(SIR)，或基于网络资源管理的需要。切换过程可能涉及移动台的注册和鉴权，该过程也称为自动链路转移(AutomaticLinkTransfer，ALT)。越区切换的目的是维持通话的连续性。

　　移动用户由其归属交换局辖区进入另一交换局辖区的小区时的切换称为漫游切换，并称所进入的新交换局为被访交换局。实现漫游切换后的通信即为漫游通信。这时，移动用户的归属交换局与被访交换局之间需要完成移动用户文档的存取和有关信息的交换，并建立通信链路。实现漫游的条件是：覆盖频率段一样，无线接口标准相同，并且已完成漫游网的联网。将来出现多频多模手机后，也可以在不同频段、不同接口标准的系统中漫游。 　　通常，越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。

　　软切换是在越区过程中，当移动台的通信准备连到相邻的新基站或扇区目标的无线端口时，移动台既维持旧的连接，同时又建立新的连接，并利用新、旧链路的分集合并改善通信质量，移动台与新的无线端口建立了可靠连接之后，再中断旧的连接。软切换在空中接口过程中是先通后断，软切换过程中，移动台可以同时和一个以上的无线端口通信。 　　硬切换是在越区过程中，当移动台的通信准备连到相邻的另一个基站或扇区目标的无线端口时，先中断旧的连接，然后再进行新的连接，新的连接将具有不同的频率分配或不同的空中接口特性，硬切换在空中接口过程中是先断后通，硬切换过程中，移动台只能同一个无线端口通信。

　　CDMA系统的越区切换与FDMA或TDMA系统的越区切换是不同的。FDMA或TDMA系统的越区切换采用硬切换，而CDMA系统在同载波小区的越区切换采用软切换，不同载波小区的越区切换采用硬切换。 　　TD-SCDMA系统采用介于软切换和硬切换之间的新切换方法——接力切换。接力切换将在后续相关章节介绍。 　　越区切换通常包括以下三个方面的问题。

　　1.越区切换的准则 　　在决定何时需要进行越区切换时，通常是根据移动台处接收的平均信号强度来确定，也可以根据移动台处的信号干扰比(SIR)、误比特率等参数来确定。 　　假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图5-31所示。判定何时需要越区切换的准则如下： 　　（1）相对信号强度准则（准则1）。在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如图5-31中的A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是，在原基站信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。

　　（2）具有门限规定的相对信号强度准则（准则2）。　　仅在移动用户当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图5-31所示，当门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。在该方法中，门限选择具有重要作用。如果门限太高，取为Th1，则该准则与准则1相同。如果门限太低，取为Th3，则会引起较大的越区时延，此时可能会因链路质量较差而导致通信中断。另一方面，它会对同道用户造成额外的干扰。

　　（3）具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3）。　　仅允许移动用户在新基站信号强度比原基站信号强度强很多（大于滞后余量）的情况下进行越区切换，如图5-31中的C点。该技术可防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。 　　（4）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则4）。仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限，并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换，如图5-31中的D点附近。

图5-31 越区切换准则示意图

　　2.越区切换的控制策略 　　越区切换控制包括两个方面：一方面是越区切换的参数控制，另一方面是越区切换的过程控制。参数控制在上面已经提到，这里主要讨论过程控制。 　　在移动通信系统中，过程控制的方式主要有以下3种。 　　（1）移动台控制的越区切换。移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。PACS和DECT系统采用了移动台控制的越区切换。

　　（2）网络控制的越区切换。基站检测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限时，网络开始安排向另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络，网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过基站通知移动台，并通知新基站。TACS、AMPS等第一代模拟蜂窝系统大多采用这种策略。

　　（3）移动台辅助的越区切换。网络要求移动台测量其周围基站的信号质量，并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到那一个基站。IS-95和GSM系统采用了移动辅助的越区切换。

　　3.越区切换时的信道分配 　　越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区切换的失败率尽可能小的问题。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。这种做法的特点是：因可用信道数减少，增加了本小区的呼损率，但减少了越区切换时通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。而TD-SCDMA中采用的接力切换可以克服传统越区切换占用信道资源太多的问题。