移动通信 原理与工程 薛鸿忠 fzxuehz@fj163.com

上节课的主要内容回顾 无线网组成与功能 无线网的演进方向 各种无线小区特点 无线子系统的各单元组成与功能 三个主要无线接口及功能 基站的基本原理

第三章 基站 3.1.基站的基本原理与分类 3.2. 不同制式移动通信无线网主要原理 3.3. 天馈线原理 3.4. 其它附属设备 Company Logo

室外覆盖站 室内分布系统 利用室外基站信号穿透 建立室内信号分布系统 1、按覆盖的天线所处位置分类 室外覆盖 室内覆盖(室内分布系统） 光纤 信号源 室内分布系统

2、以扇区和方向为属性分类 定向站 全向站 功分站 s11,S111,S22,S222等 全向站 O1,O2 功分站 二功分站 三功分站 OTSR(特殊的功分站) OTSR区别于全向天线为全向发送定向接收，即三个方向均使用相同的发射(相同的小区)，三个天线(扇区)接收同一个上行多径信号，再进行合并。

BTS 扇区配置 全向BTS f1,f2, f3 3 扇区 BTS 2扇区 BTS f2 f1, f2 f5, f6 f1 f3, f4

宏蜂窝 微蜂窝 RRU 直放站 3、以设备类型分类 定义：宏蜂窝是发射功率较大，覆盖距离较大的基站类型。 1 to 3 Main unit 微蜂窝是发射功率较小，覆盖距离较小的基站类型。 RRU是射频处理单元用光纤拉远的设备。 直放站是射频信号用光纤拉远的设备。 Main unit RRU Optical cable 1 to 3 宏蜂窝 微蜂窝 RRU 直放站 光纤直放站/无线直放站

宏蜂窝,又分成室外型宏蜂窝和室内型宏蜂窝，宏蜂窝的特点是：功率大、信号穿透能力强、业务容量大，安全性高，可靠性强。主要作为组网的主力站型，承担主要的网络覆盖及业务吸收功能，适用于密集市区、市区、郊区/乡镇、农村等各类区域。

微蜂窝的特点是：微蜂窝设备体积小、重量轻、安装方便灵活， 是作为宏蜂窝的补充和延伸。而表列出微基站 的应用场合。 目的 应用场合 作为室内覆盖的 信号源，消除室内 盲区，提高覆盖率 宏蜂窝很难覆盖到的盲点地区： 地铁、地下室、隧道 提高容量，主要应 用在高话务量热点 地区的局部覆盖 繁华的商业街、购物中心、机场、 饭店、体育场等 提高边远区域覆盖 率 在边远区域采用微蜂窝设备加上 功率放大器(边际站)进行低成本覆 盖 应急通信 对突发性大话务量地区或突发性 故障地区进行覆盖及提供容量， 充分利用微蜂窝设备的灵活性

射频拉远(RRU)指通过光纤将射频单元拉到远端覆盖目标区域，同一基站的多个射频单元共享基带处理资源池以及主控时钟单元。RRU具备完整的基站功能，包括数字处理部分：传输控制、基带处理(扩频调制、编解码)；中射频处理部分：中频上下变频、射频上下变频、放大滤波等部分。射频部分通过光纤拉远，拉远的射频单元就构成软基站RRU。 外壳 RRU BBU

RRU的特点是射频拉远体积小、重量轻，安装要求较普通基站低，无需空调，能有效降低选址难度和配套成本，可作为室内分布系统的信号源解决室内覆盖问题。目前一些厂家的RRU容量与功率做到与宏站一样的水平，因此还可在密集市区、市区业务热点地区解决站址选址困难，通过将基带处理单元放置于中心机房内，射频单元拉远到天线端以解决机房落实难的问题。同样在话务量低、覆盖范围广、建网效益低的偏远地区，使用射频拉远也能解决覆盖问题。更可利用沿途的光纤资源设置射频拉远解决一些主要交通公路、铁路等狭长地形的覆盖。由于RRU具有上述的优点目前倍受一些欧洲运营商的追捧

射频拉远技术的优势----有效减少机房数量 有效降低基础设施对移动网的制约，实现快速建网 大大减少基础设施投资，降低建网综合成本

直 放 站( Repeater ) 直放站（中继器）属于同频放大设备，基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。 直放站是为了消除移动通信网覆盖盲区或弱信号，延伸基站信号覆盖的一种中继设备，它能解决消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区，地下停车场、地下隧道、商场、电梯等。

直放站与基站相比也有明显的不足，主要表现在：(1)不能增加系统容量。(2)引入直放站后，会给基站增加约3dB以上的噪音，使原基站工作环境恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。(3)CDMA直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优化工作困难，同时加大了不必要的软切换。(4)直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不易察觉。(5)由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得到充分发挥。(6)如果直放出现自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由于直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大，特别在CDMA系统，由于它是一个同频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。

直放站与RRU的区别：功能上属于主基站的射频远端模块，通过光纤与主基站相连接，RRU与主基站共享主基站的基带处理和主控时钟资源。

基站选型原则 基站具有全向、单扇区、两扇区、三扇区、六扇区等多种站型，不同站型的扇区配置对天线的选择、基站覆盖范围、系统容量、切换等构成影响。根据覆盖区域的特点和容量需求，选择适当的基站扇区配置有利于获得良好的网络质量。下表是站型选择的一般规律，但不同类型场景的站型选择只是一般性的原则，并非一成不变；具体的站型选择还要根据参照实际情况具体分析后做适当的调整。

基站扇区配置 适用原则 典型使用区域 全向站 针对地形较为平坦、话务量较低的区域 农村地区 单扇区/ 两扇区 针对有明确覆盖需求或话务量集中的区域 高速公路、室内覆盖等 三扇区 针对话务量比较集中的区域 市区、密集市区等 微蜂窝 针对话务稀少或者热点地区补盲点 农村，由于用户增多产生呼吸 效应而出现的盲区 智能天线 可以在不增加频率资源的前提下，提高系统容 量和通信质量，可以提供非常灵活的小区覆盖 形状，可以增大小区覆盖面积，不增加系统切 换，能大幅提高容量，覆盖比较灵活，增加覆 盖范围 一般用于解决一个城市地区的 总体容量问题。 分层网 能提高系统容量，增加了层间切换，解决能解 决城市三维空间的覆盖问题 泄露电缆 支持多频段、多系统，不增加切换，不增加容 量，能解决一些特殊覆盖 隧道、地铁、建筑物走廊等 分布式天线 针对信号均匀、覆盖面广、施工快捷，不增加 切换，不增加容量，能解决一些特殊覆盖 大型商场、高层建筑、宾馆、 大型公司

3.1.3 基站覆盖增强技术 移动通信网络的建设和优化是一个分批次进行、逐步完善的过程。随着用户数量、覆盖面积、业务种类的增加，无线网络的扩容、优化是无线网络运营维护的重点。总的来说，无线网的建设早期的容量和覆盖主要依靠宏基站和多扇区定向天线来完成，灵活辅以其它类型的覆盖方式。随着无线网络规模的扩大，覆盖的广度和深度增加，业务覆盖要求日益多样化，网络建设投入和覆盖、容量三者之间矛盾变得非常突出。例如在农村地区，通常出现容量有余、覆盖不足的情况，新增基站满足覆盖要求，势必增大闲置容量。采用基站覆盖增强技术能有效解决广覆盖与大量投资之间的矛盾。同时覆盖增强技术对施工和安装环境的要求较低，还能加快网络的建设速度。下面介绍几种常见的基站覆盖增强技术。

1、室内分布系统 室内分布系统针对室内用户群、用于改善建筑物内移动通信环境的一种有效覆盖方案，对完善移动通信网络的覆盖和话务吸收具有重要作用。 建设室内分布系统要考虑多系统共存的问题。一方面通过共用干放、电缆等资源，同时降低系统间的相互干扰。 根据话务统计情况，选择合理的建筑物类型，提高设备利用率，避免投资的浪费； 重点控制室内外、电梯口的信号覆盖，提高切换成功率；

2、塔放 塔顶放大器(In-line Tower Amplifier,简称ITA)主要解决基站上、下行不平衡的问题，对基站性能提升和改善网络质量方面效果明显。塔放通过缩短射频电缆长度，能降低线路损耗和噪声，可以显著提高上行接收灵敏度，增强上行覆盖。塔放主要应用于郊区、农村等较为开阔的地区，主要是广覆盖而且上行覆盖受限的场景。

3、多天线接收技术 多天线接收是分集技术的一种，可以增强接收信号能量，从而极大提高系统接收的灵敏度。目前的移动通信系统普遍采用一发两收的接收技术。在需要进一步提高上行接收灵敏度的场合，可以采用4天线接收技术。以WCDMA系统为例，相对于普通接收分集而言，可以使系统的上行接收灵敏度提高2～3dB左右。　

4、功分扇区化基站 功分扇区化基站采用功分器，将一个小区的信号分成多路，并经定向天线发射和接收。在逻辑上相当于一个小区，容量上也和一个全向小区相同。由于定向天线相对于全向天线增益更高，从而使基站覆盖半径增加。另外，定向天线能够调整覆盖区域，控制区间干扰，从而提高无线网络性能。在经济发展水平相对较低的农村或交通干道，功分扇区化基站具有较好的性价比。随着话务量的增加，基站扩容时只需要新增基带处理和功放，升级快捷方便。

5、大功率基站 在地域辽阔话务量很小的特殊覆盖地域，例如草原、半沙漠地区、近海海面等，使用大功率基站加高增益定向天线可以实现最少的站址保障无缝覆盖，降低覆盖成本。在海岸线，提供近海海面连续覆盖。为保证大功率基站的覆盖范围，基站选址应选择在目标覆盖区内地势较高的山峰或丘陵之上，或通过铁塔增高天线挂高，尽量保证视距传播。此外合理设置天线指向和下倾角，控制区间干扰在合理的范围内。

6、其它覆盖技术 射频拉远技术和直放站技术在无线网络的覆盖增强中有广泛的应用，根据目标区域的覆盖要求、安装条件和传输条件灵活选用，祥见本文基站选型部分的内容。

第三章 基站 3.1.基站的基本原理与分类 3.2. 不同制式移动通信无线网主要原理 3.3. 天馈线原理 3.4. 其它附属设备 Company Logo

3.2.1 GSM GSM的特点 GSM采用时分复用加工频率复用方式 。复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。

GSM的信道构成 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。

逻辑信道分为两大类：业务信道和控制信道。 业务信道(TCH)：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点(BTS对一个MS，或反之)方式传播。 控制信道(CCH)：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道

广播信道(BCH): 频率校正信道(FCCH)：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点(BTS对多个MS)方式传播。 同步信道(SCH)：携带MS的帧同步和BTS的识别码的信息，下行信道，点对多点方式传播。 广播控制信道(BCCH)：广播每个BTS的通用信息(小区特定信息)。下行，点对多点方式传播。

公共控制信道(CCCH) : 寻呼信道(PCH)：用于寻呼(搜索)MS。下行，点对多点方式传播。 随机接入信道(RACH)：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道(SDCCH)，可作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。 允许接人信道(AGCH)：用于为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH)。下行信道，点对点方式传播。

专用控制信道(DCCH)： 独立专用控制信道(SDCCH)：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。 慢速随路控制信道(SACCH)：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS 的功率管理和时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。 快速随路控制信道(FACCH)：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速 度传送信令信息，则借用20ms的话音(数据)来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。

控制信道的配置是依据每小区(BTS)的载频(TRX)数而定的，在使用6MHz带宽的情况下，每小区最多两个控制信道，当某小区配置一个载频时，仅需一个控制信道。

开机过程 3.3.1.3 GSM通信的主要过程 移动台开机后，首先在GSM网中对自己的工作状态进行初始化，完成： MS首先必须确定BCCH频率，以获得操作必需的系统参数。 确定FCCH，找到FCCH之后，MS通过解码使自身与系统的主频同步。这样就可以正确地确定时隙和帧的边界。 MS知道在相同的频率上FCCH的第8个时隙后是SCH，它只需简单等8个时隙，便可对SCH解码获得时间同步，也可对BCCH上的其它数据进行解码了。 小区选择。在选择MS所在的小区之前，它必须确定能否从网络中获得服务。MS可以手工或自动(存贮在SIM中的GSM表中)确定有效GSM网。如果当前小区不是有效GSM网络部分，MS只能寻找其它BCCH。最后MS将选择信号最强的小区登陆。

2、移动台接入 当移动台试图发起呼叫，或者对网络寻呼进行响应，以及移动台周期性位置更新时，启动移动台接入过程。在GSM标准中有一个单独的信道用于MS在该小区的接入。实际应用中，存在多个用户同时接入的情况，将造成冲突。GSM采用ALOHA模型的随机接入方式，产生接入冲突的用户在等待随机时间后尝试再次接入，直到最终接入成功或者被拒绝。 接入信道的设计在接入过程中扮演一个重要的角色。GSM系统的性能反应在MS如何接入和得到服务上，需要全面权衡系统资源(如业务信道情况)，综合考虑。 接入信道容量越大，接入用户越多，但系统由于缺少足够的业务信道不能够支持它们服务，最终还是被拒绝。越早拒绝效率越高，可避免不必要的系统资源浪费。 另外一方面，接入信道太少，就会拒绝本可以得到服务的用户。

3、位置更新过程 MS从一个位置区移到另一位置区时，必须进行登记，也就是说一旦MS发现其存储器中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记。这个过程就叫“位置更新”。位置更新主要有如下三种情况： MS的开机位置登记； MS从一个位置区域进入另一个位置区域，进行位置更新； 周期性的位置更新；

4、移动台发起呼叫过程 MS BSC MSC/VLR HLR PSTN SDCCH信道请求 SDCCH立即分配 完成第三层信息 鉴权请求 鉴权响应 加密方式要求 加密方式确定 加密方式完成 TMSI重新配置要求 TMSI重新配置完成 启动 呼叫过程 分配TCH 分配TCH完成 ③原始地址信息（IAM） ④地址完成信息（ACM） ⑤提示信息 ⑥连接 应答信号/应答信息（ANM） ⑦连接确认，呼叫建立

5、切换过程 切换是移动通信特有的关键技术，是指移动台在通话过程中，将通信连接从一个小区改变到另一个小区的过程，并保持通话不中断。GSM系统采用硬切换技术，从一个基站覆盖区进入另一个基站覆盖区时先断掉与原基站的联系，然后再寻找新进入的覆盖区的基站进行联系，这就是通常所说的“先断后接”。切换过程需要的时间仅几百毫秒，在正常情况下人们无法感觉到。如果手机因进入屏蔽区或信道繁忙而无法与新基站联系时，就会产生掉话。GSM的切换进程包括三个过程：预切换过程、切换执行过程、切换后过程。

预切换过程阶段网络为做切换决定收集所需的数据。如果切换被认为需要的，则选择哪个适合小区做切换小区。 在切换执行阶段执行实际的切换。MS被连接到新的BTS上。 在切换后过程，所有的不再需要的网络资源被释放，系统返回稳定阶段。

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