第3章 蜂窝移动通信的组网技术

本章提示  第2章分析了在移动通信环境中无线电波的传播问题。要实现移动用户在更大范围内有序的通信，必须解决组网的问题。在1.1.2节中已经介绍了蜂窝移动通信网的基本结构和区群的组成。  以区群为基本单元的同频复用就可以构成覆盖很大的区域，构成类似蜂窝结构的移动通信网。

本章提示  组网过程中必须解决如下一系列技术问题，才能使网络正常运行： （1）频率资源的管理与频率的有效利用问题； （2）蜂窝网同频复用与同道干扰问题； （3）多信道、多用户共用与多址接入问题； （4）用户移动性与网络移动性的管理问题； （5）有限的频率资源与越来越多的通信容量要求问题； （6）PLMTS网与公用电话网、ISDN、PDN以及与其他移动网的互联、互通问题； （7）信令网与网络智能化问题等。

第3章 蜂窝移动通信的组网技术 3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 3.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖 3.3 干扰和信道容量 第3章 蜂窝移动通信的组网技术 3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 3.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖 3.3 干扰和信道容量 3.4 移动通信中的多址技术 3.5 蜂窝移动通信的交换技术 3.6 蜂窝移动通信的信令技术 3.7 蜂窝移动通信网综述

3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 3.1.1 频率资源的管理 3.1.2 频率的有效利用技术 3.1.3 多信道共用技术

3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 无线通信是利用无线电波在空间传递信息的。 3.1 频率资源的有效利用和蜂窝小区的组网通信 无线通信是利用无线电波在空间传递信息的。 当前移动通信发展所遇到的最突出问题，就是如何将有限的可用频率有秩序地提供给越来越多的用户使用而不相互干扰，这就涉及到频率的管理与有效利用。

3.1.1 频率资源的管理 频率是一种特殊资源。它并不是取之不尽的。 与别的资源相比，频率有一些特殊的性质。 3.1.1 频率资源的管理 频率是一种特殊资源。它并不是取之不尽的。 与别的资源相比，频率有一些特殊的性质。 频率的分配和使用需在全球范围内制定统一的规则。

3.1.1 频率资源的管理 国际上，由国际电信联盟（ITU）召开世界无线电管理大会，制定无线电规则，包括各种无线电系统的定义、国际频率分配表和使用频率的原则、频率的分配和登记、抗干扰的措施、移动业务的工作条件以及无线电业务的分类等。

3.1.1 频率资源的管理 移动电话使用频段主要在150MHz、450MHz和900MHz、1800MHz、1900MHz频段。 3.1.1 频率资源的管理 移动电话使用频段主要在150MHz、450MHz和900MHz、1800MHz、1900MHz频段。 双工移动通信网规定工作在各频段的收、发频差分别为：VHF频段为5.7MHz，UHF 450MHz频段为10MHz；UHF 900MHz频段为45MHz。同时规定基站对移动台（下行链路）为发射频率高，接收频率低；反之，移动台对基站（上行链路）为发射频率低，接收频率高。

3.1.1 频率资源的管理 国家统一管理频率的机构是国家无线电管理委员会，移动通信组网必须遵守国家有关规定，并接受当地无线电管理委员会的具体管理。

3.1.2 频率的有效利用技术 频率的有效利用就是从时间域、空间域和频率域这三个方面采用多种技术，以设法提高频率的利用率。 3.1.2 频率的有效利用技术 频率的有效利用就是从时间域、空间域和频率域这三个方面采用多种技术，以设法提高频率的利用率。 （1）时间域的频率有效利用 （2）空间域的频率有效利用 （3）频率域的频率有效利用

3.1.2 频率的有效利用技术 频率域的频率有效利用有两种方法：信道的窄带化和宽带多址技术。 3.1.2 频率的有效利用技术 频率域的频率有效利用有两种方法：信道的窄带化和宽带多址技术。 宽带多址技术有频分多址（FDMA，即在频率域上划分信道，每一用户占用一定的频 带）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及它们的组合等。

3.1.3 多信道共用技术 1．呼叫话务量与忙时话务量 话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。 3.1.3 多信道共用技术 1．呼叫话务量与忙时话务量 话务量是通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。 其性质如同客流量，具有随机性，只能用统计方法获取。

1．呼叫话务量与忙时话务量 呼叫话务量，是指单位时间（一小时）内的平均电话交换量，可用下面关系式表示： A = C·t0

1．呼叫话务量与忙时话务量 如果以t0小时为单位，则话务量A的单位是Erl。如果在一个小时之内连续地占用一个信道，则其呼叫话务量为1Erl。这是一个信道所能完成的最大话务量。

1．呼叫话务量与忙时话务量 用户忙时话务量是指一天中最忙的那个小时（即“忙时”），每个用户的平均话务量，用AB来表示。AB是一个统计平均值。 同时，将忙时话务量与全日话务量之比称为集中系数，用K表示。因为K反映了这个通信系统“忙时”的集中程度，即忙时话务量在全天话务量中所占的比例。

2．容量 在多信道共用时，容量有两种表示法。 系统所能容纳的用户数（M）为

2．容量 每个信道所能容纳的用户数（m）为

3．呼损率 在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率，记为B。 设A′为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。C0为1小时内呼叫成功而通话的次数，t0为每次呼叫平均占用信道的时间，则完成话务量为 A′= C0·t0

3．呼损率 呼损率为 B = 

3．呼损率 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。 呼损率在数值上等于呼叫失败次数与总呼叫次数之比的百分数。 呼损率B称为系统的服务等级（或业务等级），记为GOS。 GOS是系统的一个重要质量指标。 呼损率与话务量是一对矛盾，即服务等级与信道利用率是矛盾的。

3．呼损率 如果呼叫具有下列性质： ① 每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性； ② 每次呼叫在时间上都有相同的概率； ③ 每个用户选用无线信道是任意的，且是等概的，则呼损率可按下式计算：

3．呼损率 这就是电话工程中的第一爱尔兰公式，也称爱尔兰B公式。

4．信道利用率 多信道共用时，信道利用率是指每个信道平均完成的话务量。因此 如果已知B、n，根据表3-1可算出A值，然后由上式求出。

3.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖 3.2.1 蜂窝小区的概念 3.2.2 大区制小容量 3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统

3.2.1 蜂窝小区的概念 蜂窝的概念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。 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。

3.2.2 大区制小容量 大区制是指一个基站覆盖整个服务区。 3.2.2 大区制小容量 大区制是指一个基站覆盖整个服务区。 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，例如用户数在1 000以下。

3.2.2 大区制小容量 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。

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划。 3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用或频率规划。 小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种，一种是带状服务覆盖区；另一种是面状服务覆盖区。

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 图3-1 双频组和三频组频率配置

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 ② 面状服务覆盖区 无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务需求。 3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 ② 面状服务覆盖区 无线移动通信系统广泛使用六边形研究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。

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶点之中的三个上（顶点激励小区）。

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 图3-2 蜂窝系统的频率复用

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 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（K< S）个信道，并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数为 S = KN （3-1）

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇（cluster，也叫区群）。如果区群在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可以作为容量的一个度量 C = MKN = MS （3-2）

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 用六边形表示的一个个小区，可使相邻小区无空隙，每一个区群的小区数量N满足下式： 3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 用六边形表示的一个个小区，可使相邻小区无空隙，每一个区群的小区数量N满足下式： N = i2 + ij + j2 （3-3）

3.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 图3-3 在蜂窝小区中定位同频小区的方法

3.3 干扰和信道容量 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。 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。

3.3 干扰和信道容量 3.3.1 同频干扰和系统容量 3.3.2 相邻信道的干扰 3.3.3 蜂窝小区容量的改善

3.3.1 同频干扰和系统容量 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。 3.3.1 同频干扰和系统容量 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，为传播提供充分的隔离。

3.3.1 同频干扰和系统容量 如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径（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。

3.3.1 同频干扰和系统容量 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

3.3.1 同频干扰和系统容量 Q的值越小则容量越大；而Q值大可以提高传播质量，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。

3.3.2 相邻信道的干扰 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）。 3.3.2 相邻信道的干扰 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漏到传输带宽内而引起的。

3.3.3 蜂窝小区容量的改善 1．小区分裂 小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小的小区的方法，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。 由于小区分裂能够提高信道的复用次数，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和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。

1．小区分裂 图3-4 小区分裂的图例

2．扇区的概念 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蜂窝系统中的同频干扰，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（即扇区化）。 同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。

2．扇区的概念 图3-5 扇区划分

3.4 移动通信中的多址技术 3.4.1 多址通信的概念 3.4.2 FDMA方式 3.4.3 TDMA方式 3.4.4 CDMA方式 3.4 移动通信中的多址技术 3.4.1 多址通信的概念 3.4.2 FDMA方式 3.4.3 TDMA方式 3.4.4 CDMA方式 *3.4.5 SDMA方式 *3.4.6 系统容量

3.4.1 多址通信的概念 1．多址接入 2．多址接入方式 许多用户同时通话，以不同的信道分隔，防止相互干扰，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接，称为多址连接。 移动通信系统中基站的多路工作和移动台的单路工作形成了移动通信的一大特点。

2．多址接入方式 多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作 s (c，f，t) = c (t) s ( f，t) 式中，c (t)是码型函数；s ( f，t)是时间t和频率f的函数。

2．多址接入方式 当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。 图3-6分别给出了N个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图。

图3-6 FDMA、TDMA和CDMA的示意图 2．多址接入方式 图3-6 FDMA、TDMA和CDMA的示意图

3.4.2 FDMA方式 1．FDMA系统原理 FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。 在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。

1．FDMA系统原理 图3-7 FDMA系统的工作示意图

1．FDMA系统原理 图3-8 FDMA系统频谱分割示意图

1．FDMA系统原理 前向与反向信道的频带分割，是实现频分双工通信的要求。 频道间隔（如为25kHz）是保证频道之间不重叠的条件。

2．FDMA系统中的干扰问题 （1）互调干扰 互调干扰是指系统内由于非线性器件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。 （2）邻道干扰 邻道干扰是指相邻频道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成的对有用信号的干扰。

2．FDMA系统中的干扰问题 （3）同频道干扰 同频道干扰一般是指相同频率电台之间的干扰。 在蜂窝系统中，同频道干扰是指相邻区群中同信道信号之间造成的干扰。 它与蜂窝结构和频率规划密切相关。

2．FDMA系统中的干扰问题 为了减少同频道干扰，需要合理地选定蜂窝结构与频率规划，表现为系统设计中对同频道干扰抑制因子Q的选择。 Q =D/R （3-6） 式中，D为同信道小区的距离（即同频小区的距离）；R为小区半径。

3．FDMA系统的特点 ① FDMA信道每次只能传送一路电话。 ② 每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。 ③ 符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。 ④ 移动台较简单，和模拟的较接近。

3．FDMA系统的特点 ⑤ 基站复杂庞大，重复设置收发信设备。 ⑦ 越区切换较为复杂和困难。

3.4.3 TDMA方式 1．TDMA系统原理 TDMA是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。

图3-9 TDMA系统的工作示意图 图3-9 TDMA系统的工作示意图

2．TDMA的帧结构 TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发 （Burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如图3-10所示。

2．TDMA的帧结构 图3-10 TDMA帧结构

3．TDMA系统的同步与定时 同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。 TDMA的帧同步和位同步是由帧结构的细节来保证的。 （1）位同步 （2）帧同步 （3）系统定时

4．TDMA系统的特点 （1）突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为Rbit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于NRbit/s。 （2）发射信号速率随N的增大而提高。 （3）TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。

4．TDMA系统的特点 （4）基站复杂性减小。 （5）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。 （6）越区切换简单。

3.4.4 CDMA方式 1．CDMA系统原理 CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。

1．CDMA系统原理 图3-11 CDMA系统的工作示意图

2．正交Walsh函数 Walsh函数有良好的互相关和较好的自相关特性。 （1）Walsh函数波形 连续Walsh函数的波形如图3-12所示。利用Walsh函数的正交性，可作为CDMA的地址码（即信道码）。如果对图中的Walsh函数波形在8个等间隔上取样，即得到离散Walsh函数，可用8 × 8的Walsh函数矩阵表示。

2．正交Walsh函数 图3-12 连续Walsh函数的波形图

2．正交Walsh函数 图3-12所示的Walsh函数对应的矩阵可写作

2．正交Walsh函数 （2）Walsh函数矩阵的递推关系式

2．正交Walsh函数

2．正交Walsh函数 利用Walsh函数矩阵的递推关系，可得到64 × 64阵列的Walsh序列。 这些序列在 Qualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被做为前向码分信道。 因为是正交码，可供码分的信道数等于正交码长，即64个；并采用64位的正交Walsh函数来用做反向信道的编码调制，这是利用了Walsh序列的良好的互相关特性。

3．m序列伪随机码 （1）m序列的生成 m序列是最长移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。

3．m序列伪随机码 图3-13 m序列产生电路

3．m序列伪随机码 （2）m系列的特性 m系列有许多优良的特性，主要是它的随机性和自相关性。 ① m序列的性质

3．m序列伪随机码 m序列中连续为“1”或“0”的那些元素称为游程。在一个游程中元素的个数称为游程长度。

3．m序列伪随机码 ② m序列的相关性 对于一个周期为P = 2n − 1的m序列{an}（an取值1或0），m序列的自相关函数如下所述。

3．m序列伪随机码 设m序列{an}与其后移t 位的序列{an + t}逐位模2加所得的序列{an + an + t}中，“0”的位数为A（序列{an}和{an + t}相同的位数），“1”的位数为D（序列{an}和{an + t}不相同的位数），则自相关函数由下式计算：

3．m序列伪随机码 式中A为“0”位数或相同的位数；D为“1”位数或不相同的位数。显然P = A + D。

3．m序列伪随机码 有时伪随机码的码元用1和 −1表示，与0和1表示法的对应关系是“0”变成“1”、“1”变成“−1”，即m序列{an}的取值是 −1或1，此时m序列的自相关函数可由下式计算：

3．m序列伪随机码 图3-14 m序列自相关函数图

3．m序列伪随机码 图3-13所示电路产生的m序列的自相关特性如表3-2所示。

3．m序列伪随机码 ③ 序列的互相关性 m序列的互相关性是指相同周期P = 2n − 1两个不同的m序列{an}、{bn}一致的程度。其互相关值越接近于0，说明这两个m序列差别越大，即互相关性越弱；反之，说明这两个m序列差别较小，即互相关性较强。当m序列用作CDMA系统的地址码时，必须选择互相关值很小的m序列组，以避免用户之间的相互干扰，减小多址干扰（MAI）。

4．CDMA系统的特点 CDMA系统有以下特点。 ① CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD还是FDD技术。 ② 通信容量大。 ③ 容量的软特性。

4．CDMA系统的特点 ④ 由于信号被扩展在一较宽频谱上从而可以减小多径衰落。 ⑤ 在CDMA系统中，信道数据速率很高。 ⑥ 平滑的软切换和有效的宏分集。 ⑦ 低信号功率谱密度。

4．CDMA系统的特点 CDMA系统存在着两个重要的问题，一个问题是来自非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全是正交的，这种扩频码集的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰（MAI），在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重。 另一个问题是“远—近”效应。

3.4.5 SDMA方式 图3-15 SDMA系统的工作示意图

3.4.6 系统容量 一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入话务总量（Erlang）。 3.4.6 系统容量 一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入话务总量（Erlang）。 它与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、基站设置方式等有关。

3.4.6 系统容量 目前通常用无线容量m来表示系统容量，并比较不同系统容量的大小，因为系统用户的最大数目和输入话务总量是与m成正比例增大的。 对于移动通信业务区，无线容量m是衡量无线系统频谱效率的参数。这一参数取决于所需的载波—干扰比（C/I，简称载干比）和信道带宽Bc。

3.4.6 系统容量 蜂窝系统的无线容量可定义为 m = 信道/小区 （3-15） 3.4.6 系统容量 蜂窝系统的无线容量可定义为 m = 信道/小区 （3-15） 式中，m是无线容量大小；Bt是分配给系统的总的频谱；Bc是信道带宽；N是频率重用的小区数。

1．FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 于模拟FDMA系统来说，如果采用频率重用的小区数为N，根据对同频干扰和系统容量的讨论可知，对于小区制蜂窝网

1．FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 即频率重用的小区数N由所需的载干比来决定。可求得FDMA的无线容量如下：

1．FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 对于数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4～5dB （因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以再近一些。所以可以采用比N = 7小的图案，例如N = 3的图案。可求得TDMA的无线容量如下：

1．FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 其中，设载波间隔为Bc，每载波共有M个时隙，则等效带宽为

2．CDMA蜂窝系统的容量 CDMA系统的容量是干扰受限的，而FDMA和TDMA系统的容量是带宽受限的。 是：处理增益、 、语音负载周期（即语 音激活率）、频率再用效率以及基站天线扇区数。

2．CDMA蜂窝系统的容量 通信系统，接收信号的载干比可以写成

2．CDMA蜂窝系统的容量 如果m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m−1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为

2．CDMA蜂窝系统的容量

2．CDMA蜂窝系统的容量 式（3-21）没有考虑在扩频带宽中的背景热噪声η，如果把η考虑进去，则能够接入此系统的用户数可表示为

2．CDMA蜂窝系统的容量 （1）采用语音激活技术提高系统容量 （2）利用扇区划分提高系统容量 （3）频率再用

2．CDMA蜂窝系统的容量 图3-16 CDMA系统移动台受干扰示意图

3．三种系统容量的比较 （1）模拟TACS系统，采用FDMA方式 （2）数字时分GSM系统，采用TDMA方式 （3）数字CDMA系统 三种体制系统容量的比较结果为 mCDMA  16mTACS  9mGSM

3.5 蜂窝移动通信的交换技术 3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 3.5.2 蜂窝移动通信呼叫建立过程 3.5 蜂窝移动通信的交换技术 3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 3.5.2 蜂窝移动通信呼叫建立过程 3.5.3 越区切换 3.5.4 实际系统切换的一些考虑

3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 蜂窝移动通信网也是一种交换式通信网。 蜂窝移动通信的交换技术要比公用电话系统交换技术复杂。

3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 3.5.1 蜂窝移动通信的交换技术与公共电话交换技术的差别 移动通信的MSC除具备公网交换设备外还要增加用户移动性管理设备，如用户位置登记（不是一次性位置登记，而是每次开机后根据网络管理的要求进行许多次登记），越区切换和网络移动性管理，如网内位置区划分、用户位置更新、用户定位、越区切换和漫游切换等。

3.5.2 蜂窝移动通信呼叫建立过程 1．移动台主呼 2．移动台被呼 3．位置登记 4．通话过程中的越区信道切换

3.5.3 越区切换 越区切换（也称过区切换，Hand-over或Hand-off）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。 该过程也称为自动链路转移（Auto- matic Link Transfer，ALT）。

3.5.3 越区切换 越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。

3.5.3 越区切换 越区切换包括以下三个方面的问题： ① 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换； ② 越区切换如何控制； 3.5.3 越区切换 越区切换包括以下三个方面的问题： ① 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换； ② 越区切换如何控制； ③ 越区切换时信道如何分配。

3.5.3 越区切换 研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。 越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。

3.5.3 越区切换 硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。 3.5.3 越区切换 硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。 而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新、旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。 在越区切换时，可以仅以某个方向（上行或下行）的链路质量为准，也可以同时考虑双向链路的通信质量。

3.5.3 越区切换 图3-17 越区切换示意图

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噪比（或信号干扰比）、误比特率等参数来确定。

1．越区切换的准则 ① 相对信号强度准则（准则1） ② 具有门限规定的相对信号强度准则（准则2） ③ 具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3） ④ 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则4）

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。 在移动通信系统中，过程控制的方式主要有以下三种。 ① 移动台控制的越区切换。 ② 网络控制的越区切换。 ③ 移动台辅助的越区切换。

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，使得越区失败的概率尽量小。 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，因新呼叫使可用信道数减少，虽增加了呼损率，但减少了通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。

3.5.4 实际系统切换的一些考虑 在实际的蜂窝系统中，当移动速度变化范围较大时，系统设计将遇到许多问题。 3.5.4 实际系统切换的一些考虑 在实际的蜂窝系统中，当移动速度变化范围较大时，系统设计将遇到许多问题。 蜂窝的概念虽然可以通过增加小区站点来增加系统容量，但在实际中，要在市内获得新的小区站点的物理位置，对于蜂窝服务的提供者来说是很困难的。 在微区系统中还存在另外一个实际的切换问题，就是小区拖尾。

3.6 蜂窝移动通信的信令技术 3.6.1 概述 3.6.2 接入信令（移动台至基站之间的信令） 3.6.3 网络信令

3.6.1 概述 这些和通信有关的一系列控制信号统称为信令。 3.6.1 概述 这些和通信有关的一系列控制信号统称为信令。 信令不同于用户信息，用户信息是直接通过通信网络由发信者传输到收信者，而信令通常需要在通信网络的不同环节（如基站、移动台和移动控制交换中心等）之间传输，各环节进行分析处理并通过交互作用而形成一系列的操作和控制，其作用是保证用户信息有效且可靠的传输。

3.6.1 概述 信令可看做是整个通信网络的神经中枢，其性能在很大程度上决定了一个通信网络为用户提供服务的能力和质量。 3.6.1 概述 信令可看做是整个通信网络的神经中枢，其性能在很大程度上决定了一个通信网络为用户提供服务的能力和质量。 信令分为两种：一种是用户到网络节点间的信令，称为接入信令；另一种是网络节点之间的信令，称为网络信令。

3.6.1 概述 在ISDN网中，接入信令称为l号数字用户信令系统 （DDSI）。 3.6.1 概述 在ISDN网中，接入信令称为l号数字用户信令系统 （DDSI）。 在蜂窝移动通信中，接入信令是指移动台到基站之间的信令，网络信令称为7号信令系统（SS7）。

3.6.2 接入信令（移动台至基站之间的信令） 在空中接口Um协议中，第三层包括三个模块：呼叫管理、移动管理和无线资源管理。 3.6.2 接入信令（移动台至基站之间的信令） 在空中接口Um协议中，第三层包括三个模块：呼叫管理、移动管理和无线资源管理。 它们产生的信令，经过链路层和物理层进行传输。

3.6.2 接入信令（移动台至基站之间的信令） 根据空中接口标准的不同，物理信道中传输信令的方式有多种形式，有的设有专用控制信道，有的不设专用控制信道。 按信号形式的不同，信令又可分为数字信令和音频信令两类。

1．数字信令 数字信令传输速度快，组码数量大，电路便于集成化，可以促进设备小型化且降低成本。 前置码（P） 字同步码（SW） 地址或数据码（A或D） 纠错码（SP）

1．数字信令 图3-18 典型的数字信令格式

1．数字信令 图3-19 数字信令格式举例

2．信令传输协议 在数字蜂窝移动通信系统中，空中接口的信令分为三个层次。 为了传输信令，物理层在物理信道上形成了许多逻辑信道，如广播信道（BCH）、随机接入信道（RACH）、接入允许信道（AGCH）和寻呼信道（PCH）等。这些逻辑信道按照一定的规则复接在物理层的具体帧的具体突发中。

2．信令传输协议 在这些逻辑信道上传输链路层的信息。链路层信息帧的基本格式如图3-20所示。 它包括地址段、控制字段、长度指示段、信息段和填充段。 不同的信令可对这些字段进行取舍，控制字段定义了帧的类型、命令或响应。 在GSM系统中，链路层采用的是LAPDm协议（它是对ISDN中LAPD的改进）。

2．信令传输协议 图3-20 帧格式

2．信令传输协议

2．信令传输协议 信令的传输方式分为两类：一类是采用无证实（无应答）信息传输方式，另一类是有证实（应答）信息传输方式。 采用无证实信息传输方式时，仅采用UI帧，传输协议十分简单。该帧仅传输一次，如果传输正确，则向第三层传送；如果传输错误，将被物理层丢弃（这主要是GSM的逻辑信道提供了检错能力，链路层不再检错）。

2．信令传输协议 在采用有证实信息传送方式中，帧的交换过程分为三个阶段：连接建立、数据传送和拆线。

3.6.3 网络信令 常用的网络信令就是7号信令，它主要用于交换机之间、交换机与数据库（如HLR、VLR和AUC）之间交换信息。 3.6.3 网络信令 常用的网络信令就是7号信令，它主要用于交换机之间、交换机与数据库（如HLR、VLR和AUC）之间交换信息。 7号信令系统的协议结构如图3-21所示。它包括MTP、SCCP、TCAP、MAP、OMAP和ISDN-UP等部分。

3.6.3 网络信令 图3-21 7号信令系统的协议结构

3.6.3 网络信令 消息传递部分（MTP）提供一个无连接的消息传输系统。 3.6.3 网络信令 消息传递部分（MTP）提供一个无连接的消息传输系统。 MTP中的功能允许在网络中发生的系统故障不对信令信息传输产生不利影响。

3.6.3 网络信令 MTP分为三层：第一层为信令数据层，它定义了信号链路的物理和电气特性；第二层是信令链路层，它提供数据链路的控制，负责提供信令数据链路上的可靠数据传送；第三层是信令网络层，它提供公共的消息传送功能。

3.6.3 网络信令 信令连接控制部分（SCCP）提供用于无连接和面向连接业务所需的对MTP的附加功能。 3.6.3 网络信令 信令连接控制部分（SCCP）提供用于无连接和面向连接业务所需的对MTP的附加功能。 ISDN用户部分（ISDN-UP或ISUP）支持的业务包括基本的承载业务和许多ISDN补充业务。

3.6.3 网络信令 事务处理能力应用部分（TCAP）提供使用与电路无关的信令应用之间交换信息的能力，TCAP提供操作、维护和管理部分（OMAP）和移动应用部分（MAP）应用等。 作为TCAP的应用，在MAP中实现的信令协议有IS-41、GSM应用等。

3.6.3 网络信令 图3-22 7号信令的网络结构

3.6.3 网络信令 7号信令网络是与PSTN平行的一个独立网络。它由三个部分组成：信令点（SP）、信令链路和信令转移点（STP）。

3.7 蜂窝移动通信网综述 3.7.1 概述 *3.7.2 移动通信网和固定通信网 *3.7.3 移动通信网的发展

3.7.1 概述 1．移动通信网的概念 移动通信网的基本结构包括：移动台（Mobile Station，MS）、基站系统（Base Station Subsystem，BSS）和构成网络节点的移动交换中心（Mobile Service Switching Center，MSC）等。

2．移动通信网的组成 图3-23 移动通信网的组成示意图

3.7.2 移动通信网和固定通信网 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。 1．公用交换电话网 3.7.2 移动通信网和固定通信网 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。 1．公用交换电话网 公用交换电话网是高度集成的、拥有用户最多的公共电话网，是世界上最大的电话网。 一般来说，电话网分为长途电话网和本地电话网两大部分。

1．公用交换电话网 图3-24 我国电话网结构

2．公共数据网 公共数据网（PDN）分为两种：一种是分组交换公共数据网（PSPDN）；另一种是电路交换公共数据网（CSPDN）。一般来说，PDN主要用来传送计算机数据。

3．综合业务数据网 ISDN是这样一种网络，它由电话综合网（IDN）演变而成，提供端到端的数字连接，以支持一系列广泛的业务（包括语音和非语音业务），它为用户提供一组有限的标准多用途用户—网络接口。

3．综合业务数据网 ISDN所提供的业务除了语音业务外，所包括的非话业务有数字、文字和图像，即分组交换数据、电路交换数据、电子邮件（E-mail）、电子信箱（Mailbox）、智能用户电报（Teletex）、可视图文（Videotex）、传真（Facsimile）、可视电话（Videophone）、电话会议（Video Conference）等。ISDN的信令方式采用公共信令方式。 图3-25所示给出了ISDN的基本结构。

3．综合业务数据网 图3-25 ISDN的基本结构

3．综合业务数据网 ISDN终端设备通过标准的用户—网络接口接入ISDN。

*3.7.3 移动通信网的发展 1．第一代移动通信网 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。 *3.7.3 移动通信网的发展 1．第一代移动通信网 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。 它是频分多址接入（FDMA）的移动通信系统。

1．第一代移动通信网 概括起来第一代蜂窝移动通信网有以下缺点：  频谱利用率低，容量有限；  制式太多，互不兼容，妨碍漫游，限制了用户覆盖面；  提供业务的种类受限制，不能传送数据信息；  容易被窃听；  不能与ISDN兼容。

2．第二代移动通信网 第二代移动通信（2G）系统为数字蜂窝移动通信系统。 第二代移动通信系统最有代表性的是GSM（Global System for Mobile）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，即时分多址的接入方式；CDMA采用的是码分多址的接入方式。

3．第三代移动通信网 （1）第三代移动通信网的基本概念 第三代移动通信3G系统，是指能支持语音数据综合和移动多媒体的宽带数字移动网络。

3．第三代移动通信网 （2）第二代数字移动通信系统向第三代移动通信系统的演进 为了使现有的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。

3．第三代移动通信网 以IS-95为基础发展，逐渐从IS-95-A至IS-95-B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。

3．第三代移动通信网 GSM系统则通过应用新技术，提供更高带宽的数据业务。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）三个阶段，最终至WCDMA，提供高达2Mbit以上的峰值速率。